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高考生物一轮复习第36讲基因工程课件
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这是一份高考生物一轮复习第36讲基因工程课件，共60页。PPT课件主要包含了-3-，必备知识梳理，关键能力突破，-4-，-5-，-6-，-7-，-8-，-9-，-10-等内容，欢迎下载使用。
1.简述基因工程的诞生。2.简述基因工程的原理及技术。3.举例说出基因工程的应用。4.简述蛋白质工程。5.活动:DNA的粗提取和鉴定。6.活动:利用聚合酶链式反应(PCR)扩增 DNA片段并完成电泳鉴定,或运用软件进行虚拟PCR实验。
基因工程的工具1.基因工程的概念理解(1)供体:提供目的基因。(2)操作环境: 无菌 。 (3)操作水平: DNA分子 水平。 (4)原理:基因重组。(5)受体:表达目的基因。(6)本质:性状在 受体生物 体内表达。 (7)优点:克服 远缘杂交不亲和 的障碍,定向改造生物的遗传性状。
2.限制性核酸内切酶(简称:限制酶)(1)来源:主要是从 原核 生物中分离纯化出来的。 (2)作用:识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列,并使每条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。(3)结果:产生 黏性末端 或平末端。
3.DNA连接酶(1)功能:缝合被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。 (2)类型
4.载体(2)其他载体:λ噬菌体衍生物、 动植物病毒 等。 (3)载体的作用:携带外源DNA片段进入受体细胞。
教材拾遗1.(选修3第6页“寻根问底”改编)DNA连接酶和DNA聚合酶的作用相同吗?试简要说明。答案不相同。DNA连接酶连接的是两个DNA片段,而DNA聚合酶是将单个的脱氧核苷酸连接到DNA或RNA片段上。2.(选修3第6页“旁栏思考题”)想一想,具备什么条件才能充当“分子运输车”?答案能自我复制、有一个或多个切割位点、有标记基因及对受体细胞无害等。
凝练核心素养1.生命观念——通过理解DNA重组技术所需三种基本工具的作用,建立起结构与功能相适应的观点。2.科学思维——运用模型与建模、批判性思维、创造性思维的方法,理解DNA重组技术所需三种基本工具的作用。3.社会责任——认识到基因工程的诞生和发展离不开理论研究和技术创新。
1.(生命观念)下列关于基因工程中有关酶的叙述,不正确的是( )A.限制酶水解相邻核苷酸间的化学键打断DNAB.DNA连接酶可将末端碱基互补的两个DNA片段连接C.DNA聚合酶能够从引物末端延伸DNA或RNAD.逆转录酶以一条RNA为模板合成互补的DNA
2.(生命观念、科学思维)(2018河北黄烨中学月考)质粒是基因工程最常用的运载体,下列有关质粒的说法,错误的是( )A.质粒不仅存在于细菌中,某些病毒也具有B.质粒作为运载体时,应具有标记基因和多个限制酶切点C.质粒为小型环状DNA分子,存在于拟核(区)外的细胞质基质中D.质粒能够在宿主细胞中稳定保存,并在宿主细胞内复制
考向1 工具酶的应用分析1.下图是表达新基因用的质粒的示意图,若要将目的基因插入到质粒上的A处,则切割基因时可用的是( )A.HindⅢB.EcRⅠC.EcBD.PstⅠ
2.用限制酶EcRⅤ单独切割某普通质粒,可产生14 kb(1 kb即1 000个碱基对)的长链,而同时用限制酶EcRⅤ、MbⅠ联合切割该质粒,可得到三种长度的DNA片段,见下图(其中*表示EcRⅤ限制酶切割后的一个黏性末端)。若用MbⅠ限制酶单独切割该普通质粒,则产生的DNA片段的长度为( )A.2.5 kb和5.5 kbB.2.5 kb和6 kbC.5.5 kb和8 kbD.6 kb和8 kb
确定切割某种目的基因的限制酶的种类根据目的基因两端的限制酶切割位点确定限制酶的种类。(1)应选择切割位点位于目的基因两端的限制酶,如图甲可选择PstⅠ。(2)不能选择切割位点位于目的基因内部的限制酶,如图甲不能选择SmaⅠ。(3)为避免目的基因和质粒的自身环化和随意连接,也可使用不同的限制酶切割目的基因和质粒,如图甲也可选择用PstⅠ和EcRⅠ两种限制酶(但要确保质粒上也有这两种酶的切割位点)。
考向2 载体的应用分析3.质粒是基因工程中最常用的载体,它存在于许多细菌体内。质粒上有标记基因如图所示,通过标记基因可以推知外源基因(目的基因)是否转移成功。外源基因插入的位置不同,细菌在培养基上的生长情况不同,如图表示外源基因插入位置(插入点有a、b、c),请根据表中提供细菌的生长情况,推测①②③三种重组后细菌的外源基因插入点,正确的一组是( )
A.①是c;②是b;③是aB.①是a和b;②是a;③是bC.①是a和b;②是b;③是aD.①是c;②是a;③是b
4.(2016全国高考Ⅰ)某一质粒载体如图所示,外源DNA插入到Ampr或Tetr中会导致相应的基因失活(Ampr表示氨苄青霉素抗性基因,Tetr表示四环素抗性基因)。有人将此质粒载体用BamHⅠ 酶切后,与用BamHⅠ酶切获得的目的基因混合,加入DNA连接酶进行连接反应,用得到的混合物直接转化大肠杆菌。结果大肠杆菌有的未被转化,有的被转化。被转化的大肠杆菌有三种,分别是含有环状目的基因、含有质粒载体、含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌。回答下列问题:
(1)质粒载体作为基因工程的工具,应具备的基本条件有 (答出两点即可),而作为基因表达载体,除满足上述基本条件外,还需具有启动子和终止子。 (2)如果用含有氨苄青霉素的培养基进行筛选,在上述四种大肠杆菌细胞中,未被转化的和仅含环状目的基因的细胞是不能区分的,其原因是 ;并且 和 的细胞也是不能区分的,其原因是 。在上述筛选的基础上,若要筛选含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌单菌落,还需使用含有 的固体培养基。 (3)基因工程中,某些噬菌体经改造后可以作为载体,其DNA复制所需的原料来自于 。
答案 (1)能自我复制、具有标记基因 (2)二者均不含有氨苄青霉素抗性基因,在该培养基上均不生长 含有质粒载体 含有插入了目的基因的重组质粒(或含有重组质粒) 二者均含有氨苄青霉素抗性基因,在该培养基上均能生长 四环素(3)受体细胞
解析 本题考查基因工程的相关知识。解题的切入点是基因工程中所用载体的特点及目的基因导入受体细胞后的筛选。(1)基因工程中的载体应具备如下条件:必须有一个或多个限制酶切点;具有自我复制能力;具有标记基因;对宿主细胞无害。(2)未转化的和仅含环状目的基因的细胞不能在含有氨苄青霉素的培养基上生长,故不能区分;而含有质粒载体和重组质粒的细胞在含有氨苄青霉素的培养基上都能生长,也不能区分。因目的基因插入位点在抗四环素基因上,抗四环素基因被破坏,丧失了原有的功能,故含有重组质粒的大肠杆菌不抗四环素。将获得的单个菌落各挑取少许分别接种到含有四环素的培养基上,不能生长的即为所筛选的菌落,即含有重组质粒的大肠杆菌。(3)噬菌体是营寄生生活的,利用受体细胞内的原料进行自身DNA的复制和蛋白质的合成。
载体上标记基因的作用载体上的标记基因一般是一些抗生素的抗性基因。目的基因要转入的受体细胞没有抵抗相关抗生素的能力。当含有抗生素抗性基因的载体进入受体细胞后,抗性基因在受体细胞内表达,使受体细胞能够抵抗相应抗生素,所以在受体细胞的培养基中加入该种抗生素就可以只保留转入载体的受体细胞,原理如下图所示:
基因工程的基本操作程序1.目的基因的获取(1)目的基因:主要指 的基因,也可以是一些具调控作用的因子。
2.基因表达载体的构建——基因工程的核心(1)目的:使目的基因 ,同时使目的基因能够表达和发挥作用。 (2)基因表达载体的组成
在受体细胞中稳定存在,并且可以遗传给下一代
3.将目的基因导入受体细胞
4.目的基因的检测与鉴定
凝练核心素养1.生命观念——通过对基因工程原理及基本操作程序的分析,建立起结构与功能相适应的观念。2.科学思维——运用归纳与概括、模型与建模、创造性思维的方法,分析基因工程操作程序四个环节的原理。3.科学探究——运用基因工程的基本操作程序和方法设计某一转基因生物的研制过程。
(生命观念、科学思维、科学探究)(2018全国高考Ⅰ)回答下列问题。(1)博耶(H.Byer)和科恩(S.Chen)将非洲爪蟾核糖体蛋白基因与质粒重组后导入大肠杆菌细胞中进行了表达。该研究除证明了质粒可以作为载体外,还证明了 (答出两点即可)。(2)体外重组的质粒可通过Ca2+参与的 方法导入大肠杆菌细胞;而体外重组的噬菌体DNA通常需与 组装成完整噬菌体后,才能通过侵染的方法将重组的噬菌体DNA导入宿主细胞。在细菌、心肌细胞、叶肉细胞中,可作为重组噬菌体宿主细胞的是 。
(3)真核生物基因(目的基因)在大肠杆菌细胞内表达时,表达出的蛋白质可能会被降解。为防止蛋白质被降解,在实验中应选用的大肠杆菌作为受体细胞。在蛋白质纯化的过程中应添加 的抑制剂。
答案 (1)体外重组的质粒可以进入受体细胞;真核生物基因可在原核细胞中表达(2)转化 外壳蛋白(或答噬菌体蛋白) 细菌(3)蛋白酶缺陷型 蛋白酶
解析 本题主要考查基因工程的操作步骤及应用。(1)该实例可以说明很多问题,比如体外重组的质粒可以进入受体细胞,真核细胞的基因也可以在原核细胞中表达,真核生物和原核生物共用同一套密码子,质粒的化学本质是DNA等。(2)目的基因导入细菌可以用Ca2+处理细菌,从而将目的基因导入受体细胞。噬菌体由DNA和蛋白质外壳组成,噬菌体属于细菌病毒,即其宿主细胞为细菌,所以需要将重组噬菌体导入细菌中。(3)为了防止目的基因所表达的蛋白质被细菌内的蛋白酶所降解,所以要选择蛋白酶缺陷型大肠杆菌,即不能产生蛋白酶的大肠杆菌作为受体细胞。同时,在纯化蛋白质的过程中可以加入蛋白酶抑制剂,以降低蛋白酶的活性。
考向1 目的基因的获取及基因表达载体的构建1.基因工程中,需使用特定的限制酶切割目的基因和质粒,便于重组和筛选。已知限制酶Ⅰ的识别序列和切点是—G↓GATCC—;限制酶Ⅱ的识别序列和切点是—↓GATC—。根据图判断下列操作正确的是( ) A.目的基因和质粒均用限制酶Ⅱ切割B.目的基因和质粒均用限制酶Ⅰ切割C.质粒用限制酶Ⅱ切割,目的基因用限制酶Ⅰ切割D.质粒用限制酶Ⅰ切割,目的基因用限制酶Ⅱ切割
2.(2018广东二模)烟草易受烟草花叶病毒(TMV)感染而大幅度减产。绞股蓝细胞中含有抗TMV基因,能抵抗TMV感染,研究人员利用转基因技术培育出了抗TMV烟草,操作流程如下图所示。请回答下列问题。
(1)过程①所用RNA可以从 中获取。 (2)过程②可以采用 技术获得大量目的基因,该技术的实质是 。 (3)过程④最常用的方法是 ,该方法中需将目的基因插入受体细胞的 上。 (4)过程⑤所用到的培养基除了卡那霉素之外,还需要加注的特殊物质是 。过程⑥还需要进行基因工程操作步骤中的目的基因的检测与鉴定,在分子水平上检验获得的烟草能否抗TMV的方法是 。
答案 (1)绞股蓝细胞的细胞质基质(2)PCR(或多聚酶链式反应) 双链DNA复制(3)农杆菌转化法 染色体DNA(4)植物激素(或生长素和细胞分裂素) 抗原—抗体杂交法
解析 (1)①表示反转录过程,RNA反转录形成的DNA中含有目的基因(抗TMV基因),因此该RNA可以从绞股蓝细胞的细胞质基质中获取。(2)过程②表示获取目的基因的过程,利用PCR技术可以大量扩增目的基因,PCR技术的原理是双链DNA的复制。(3)过程④表示将目的基因导入受体细胞,将目的基因导入烟草细胞常用农杆菌转化法,该方法中需将目的基因插入受体细胞的染色体DNA上。(4)过程⑤表示植物组织培养过程,需要在培养基中加入植物激素,如细胞分裂素和生长素;过程⑥为目的基因的检测与鉴定,在分子水平上可以采用抗原—抗体杂交法。
目的基因导入不同受体细胞的过程
考向2 基因工程的操作过程分析3.下列基因工程操作步骤中,未发生碱基互补配对的是 ( )A.人工条件下用mRNA为模板逆转录合成目的基因B.目的基因与质粒结合C.重组质粒导入受体细胞D.目的基因的表达
4.(2018湖南株洲质检)鸡干扰素是一种具有高效和广谱抗病毒作用的细胞因子,广泛用于动物领域的抗病毒治疗。科研人员将鸡干扰素基因作为目的基因,构建基因表达载体,通过农杆菌介导法导入烟草,以获得抗病毒烟草。下图为科研人员制备能合成鸡干扰素的烟草愈伤组织细胞的流程,①~④表示相关的操作,两种限制酶的识别序列及切割位点如表所示。请回答下列问题。
(1)步骤①中,利用PCR技术扩增干扰素基因时,设计引物序列的主要依据是 。科研人员还在两种引物的一端分别加上了 和 序列,以便于后续的剪切和连接。为防止酶切产物自身环化,构建表达载体需用两种限制酶,选择的原则是Ti质粒内,每种限制酶有 个切割位点,酶切后,目的基因形成的两个黏性末端序列 (填“相同”或“不相同”)。 (2)步骤②所构建的基因表达载体中未标注出的必需元件还有 ,步骤③中需先用 处理农杆菌以便将基因表达载体导入细胞。 (3)步骤④中,科研人员提取愈伤组织细胞的RNA后,先通过 获得DNA,再进行PCR扩增,若最终未能检测出干扰素基因,其可能原因是 。
答案 (1)鸡干扰素基因两端的部分核苷酸序列 GAATTC GGATCC 1 不相同(2)复制原点 Ca2+(3)反转录 鸡干扰素基因未能导入烟草愈伤组织细胞、导入烟草愈伤组织细胞的鸡干扰素基因未能转录或鸡干扰素的mRNA已经被水解
解析 (1)利用PCR技术扩增鸡干扰素基因时,引物应可以与鸡干扰素基因两端的部分核苷酸序列进行碱基互补配对,根据鸡干扰素基因两端的部分核苷酸序列可设计引物的碱基序列。据题图可知,该转基因过程用EcRⅠ和BamHⅠ两种限制酶分别切割目的基因和质粒,以避免质粒或目的基因的自身连接,应在两种引物的一端分别加上EcRⅠ和BamHⅠ的识别序列GAATTC和GGATCC,以便于后续的剪切和连接。Ti质粒中每种限制酶有1个切割位点,则酶切产物两端的黏性末端不同,不会发生自身环化。(2)基因表达载体中除含有启动子、终止子、标记基因和目的基因外,还应含有复制原点,以便在宿主细胞中复制。将基因表达载体导入农杆菌,可用Ca2+处理农杆菌,以增大细胞壁通透性,提高转化效率。
(3提取愈伤组织细胞的RNA后,可通过反转录获得DNA。鸡干扰素基因即便导入了农杆菌,也不一定能导入烟草愈伤组织细胞,导入烟草愈伤组织细胞的鸡干扰素基因不一定能够正常转录,转录出的鸡干扰素的mRNA若被水解,则不能通过反转录获得鸡干扰素基因。故以上均可能导致愈伤组织细胞中不能检测出鸡干扰素基因。
5.(2017全国高考Ⅰ)真核生物基因中通常有内含子,而原核生物基因中没有,原核生物没有真核生物所具有的切除内含子对应的RNA序列的机制。已知在人体中基因A(有内含子)可以表达出某种特定蛋白(简称蛋白A)。回答下列问题。(1)某同学从人的基因组文库中获得了基因A,以大肠杆菌作为受体细胞却未得到蛋白A,其原因是 。 (2)若用家蚕作为表达基因A的受体,在噬菌体和昆虫病毒两种载体中,不选用 作为载体,其原因是 。 (3)若要高效地获得蛋白A,可选用大肠杆菌作为受体。因为与家蚕相比,大肠杆菌具有 (答出两点即可)等优点。
(4)若要检测基因A是否翻译出蛋白A,可用的检测物质是 (填“蛋白A的基因”或“蛋白A的抗体”)。 (5)艾弗里等人的肺炎双球菌转化实验为证明DNA是遗传物质做出了重要贡献,也可以说是基因工程的先导,如果说他们的工作为基因工程理论的建立提供了启示,那么,这一启示是 。
答案 (1)基因A有内含子,在大肠杆菌中,其初始转录产物中与内含子对应的RNA序列不能被切除,无法表达出蛋白A(2)噬菌体 噬菌体的宿主是细菌,而不是家蚕(3)繁殖快、容易培养(4)蛋白A的抗体(5)DNA可以从一种生物个体转移到另一种生物个体
解析 (1)人的基因A含有内含子,其转录出的RNA需切除内含子对应的RNA序列后才能翻译出蛋白A,大肠杆菌是原核生物,其没有切除内含子对应的RNA序列的机制,故将人的基因A导入大肠杆菌无法表达出蛋白A。(2)噬菌体是一种专门寄生在细菌体内的病毒,无法寄生在家蚕中。(3)大肠杆菌繁殖快、容易培养,常用作基因工程的受体。(4)在分子水平检测目的基因是否表达应用抗原—抗体杂交法,即用蛋白A与蛋白A的抗体进行杂交。(5)艾弗里的肺炎双球菌转化实验的原理是基因重组,通过重组使得S型细菌的DNA在R型细菌中表达,这种思路为基因工程理论的建立提供了启示。
基因工程中的几种检测方法
基因工程的应用及蛋白质工程1.动物基因工程与植物基因工程(1)动物基因工程:用于提高动物 生长速度 从而提高产品产量;用于改善畜产品品质;用转基因动物生产药物;用转基因动物作器官移植的 供体 等。 (2)植物基因工程:培育抗虫转基因植物、抗病转基因植物和抗逆转基因植物;利用转基因改良植物的 品质 。
2.基因诊断与基因治疗(1)基因诊断:又称为DNA诊断,是采用 基因检测 的方法来判断患者是否出现了基因异常或携带病原体。 (2)基因治疗①概念:把 正常基因 导入病人体内,使该基因的表达产物发挥功能,从而达到治疗疾病的目的。 ②成果:将腺苷酸脱氨酶基因转入取自患者的淋巴细胞中,使淋巴细胞能产生腺苷酸脱氨酶,然后,再将这种淋巴细胞转入患者体内,从而治疗复合型免疫缺陷症。
3.蛋白质工程(1)概念
(2)基本流程写出流程图中字母代表的含义:A. 转录 ,B. 翻译 ,C. 分子设计 ,D. 多肽链 ,E. 预期功能 。 (3)结果:改造了现有蛋白质或制造出 新的蛋白质 。 (4)应用:主要集中应用于对 现有蛋白质 进行改造,改良生物性状。
凝练核心素养1.科学思维——运用归纳与概括、创新型思维的方法,理解基因工程应用中运用的基因工程的原理。2.社会责任——关注基因工程在农业和医疗等方面的进展,认同基因工程的应用促进生产力的发展。
(科学思维、社会责任)(2018全国高考Ⅱ)某种荧光蛋白(GFP)在紫外光或蓝光激发下会发出绿色荧光,这一特性可用于检测细胞中目的基因的表达,某科研团队将某种病毒的外壳蛋白(L1)基因连接在GFP基因的5'末端,获得了L1-GFP融合基因(简称为甲),并将其插入质粒P0,构建了真核表达载体P1,其部分结构和酶切位点的示意图如下,图中E1~E4四种限制酶产生的黏性末端各不相同。
回答下列问题:(1)据图推断,该团队在将甲插入质粒P0时,使用了两种限制酶,这两种酶是 ,使用这两种酶进行酶切是为了保证 ,也是为了保证 。 (2)将P1转入体外培养的牛皮肤细胞后,若在该细胞中观察到了绿色荧光,则说明L1基因在牛的皮肤细胞中完成了 和 过程。 (3)为了获得含有甲的牛,该团队需要做的工作包括:将能够产生绿色荧光细胞的 移入牛的 中,体外培养、胚胎移植等。 (4)为了检测甲是否存在于克隆牛的不同组织细胞中,某同学用PCR方法进行鉴定,在鉴定时应分别以该牛不同组织细胞中的 (填“mRNA”“总RNA”或“核DNA”)作为PCR模板。
答案 (1)E1和E4 甲的完整 甲与载体正确连接 (2)转录 翻译 (3)细胞核 去核卵母细胞 (4)核DNA
解析 本题考查基因工程、细胞工程和胚胎工程的相关内容。(1)由题意可知,E1~E4四种限制酶产生的黏性末端各不相同,将甲(L1-GFP)插入质粒时,使用E1和E4两种限制酶进行酶切,既保证了甲的完整,又防止了甲的自身环化,保证了甲与载体的正确连接。(2)将P1转入体外培养的牛皮肤细胞后,若在该细胞中观察到了绿色荧光,则说明该细胞中合成了荧光蛋白,即L1基因在牛皮肤细胞中完成了遗传信息的转录和翻译。(3)为了获得含有甲的牛,可通过体细胞核移植技术、体外培养和胚胎移植来实现。(4)克隆牛的不同组织细胞中的基因选择性表达,转录出的mRNA不同,总RNA也不同,但不同组织细胞中的核DNA相同,因此检测甲是否存在于克隆牛的不同组织细胞中,用PCR方法进行鉴定时,应以核DNA作为模板。
考向1 基因工程的应用分析1.我国科学家运用基因工程技术,将苏云金芽孢杆菌的抗虫基因导入棉花细胞并成功表达,培育出了抗虫棉。下列叙述不正确的是( )A.抗虫基因的提取和运输都需要专用的工具和运载体B.重组DNA分子中增加一个碱基对,不一定导致毒蛋白的毒性丧失C.抗虫棉的抗虫基因可通过花粉传递到近缘作物,从而造成基因污染D.转基因棉花是否具有抗虫特性是通过检测棉花对抗生素抗性来确定的
2.(2018河南中原名校质量考评)干旱会影响农作物产量,科学家们对此进行了研究。下图为用探针检验某一抗旱植物基因型的原理,相关基因用R和r表示。请回答下列问题。
(1)在利用PCR技术扩增R或r基因的过程中,利用 可寻找抗旱基因的位置并进行扩增。 (2)若被检植株发生A现象,不发生B、C现象。据此推测检测另一抗旱植物时会发生 (填“A”“B”或“A或B”)现象。 (3)用从基因文库中获取目的基因的方法获取抗旱基因时需要用到限制酶,限制酶能够识别双链DNA分子中的某种特定核苷酸序列,并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的 断开。 (4)经检测,抗旱基因已经导入烟草细胞,但未检测出抗旱基因转录出的mRNA,从构建基因表达载体的角度推测,最可能的原因是 。 (5)要快速繁殖转基因抗旱烟草植株,目前常用的技术是 ,该技术的基本过程是将离体的烟草细胞诱导脱分化形成 ,然后再分化出根和芽并发育成小植株。该技术在作物新品种的培育方面两个最主要的应用是突变体的利用和 。
答案 (1)引物 (2)A或B (3)磷酸二酯键 (4)基因表达载体上目的基因首端未加入启动子 (5)植物组织培养 愈伤组织 单倍体育种
解析 (1)用PCR技术扩增R或r基因时,需要用引物寻找抗旱基因的位置。(2)被检植物发生A现象,不发生B、C现象,即r探针没有形成杂交斑,所以被检植物的基因型为RR。因此另一抗旱植物的基因型为RR或Rr,会发生A或B现象。(3)限制酶能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列,并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断裂。(4)经检测,抗旱基因已经导入烟草细胞,但未检测出抗旱基因转录出的mRNA,从构建基因表达载体的角度推测,最可能的原因是基因表达载体上目的基因首端未加入启动子。(5)植物组织培养技术可快速繁殖抗旱烟草植株,该技术包括脱分化和再分化两个基本过程,即先将离体的烟草细胞诱导脱分化形成愈伤组织,然后再分化出根和芽并发育成小植株。该技术在作物新品种的培育方面两个最主要的应用是突变体的利用和单倍体育种。
有关基因工程应用的4个易错点(1)动物基因工程主要是为了改善畜产品的品质,而不是为了产生体型巨大的个体。(2)Bt毒蛋白基因控制合成的Bt毒蛋白并无毒性,进入昆虫消化道被分解成多肽后产生毒性。(3)青霉素是青霉菌产生的,不是通过基因工程产生的。(4)并非所有个体都可作为乳腺生物反应器。操作成功的应该是雌性个体。个体本身的繁殖速度、泌乳量、蛋白含量等都是应该考虑的因素。
考向2 蛋白质工程的概念和基本途径的辨析3.下列关于蛋白质工程说法,错误的是( )A.蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的二代基因工程B.实施蛋白质工程的基本途径必须从预期蛋白质功能出发C.蛋白质工程实施过程中可对关键氨基酸直接置换或增删D.构建基因表达载体也是蛋白质工程的核心步骤
4.(2018安徽马鞍山二中模拟)胰岛素可以用于治疗糖尿病,但是胰岛素被注射到人体后,会堆积在皮下,并要经过较长的时间才能进入血液中,而进入血液的胰岛素又容易被分解,因此,治疗效果受到影响。下图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程,请据图回答有关问题。
(1)构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键,图中构建新的胰岛素模型的主要依据是 。 (2)人工合成的DNA与 结合后,被转移到 中才能得到准确表达。 (3)若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素,需用到的生物工程有 、 和发酵工程。 (4)图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是什么? 。
答案 (1)蛋白质的预期功能 (2)载体 大肠杆菌等受体细胞 (3)蛋白质工程 基因工程 (4)根据新的胰岛素中氨基酸的序列,推测出其脱氧核苷酸序列,然后利用DNA合成仪来合成新的胰岛素基因
解析 (1)蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求,对蛋白质结构进行分子设计,因此,图中构建新的胰岛素模型的依据是蛋白质(速效胰岛素)的功能。(2)人工合成的目的基因与载体结合后,被导入受体细胞中才能得以表达。(3)利用蛋白质工程生产自然界中原本不存在的蛋白质,需对原有的胰岛素进行改造,根据新的胰岛素中氨基酸的序列推测出其基因中的脱氧核苷酸序列,人工合成新的胰岛素基因,得到目的基因。改造好的目的基因需通过基因工程将其导入受体细胞获得工程菌,再利用工程菌进行发酵,从而获取大量产品。因此该过程涉及蛋白质工程、基因工程和发酵工程。(4)由新的蛋白质模型到构建新的基因,其基本设计思路是根据新的蛋白质中的氨基酸序列,推测出基因中的脱氧核苷酸序列,然后用DNA合成仪直接合成出新的基因。
蛋白质工程与基因工程的比较(1)区别
(2)联系①蛋白质工程是在基因工程的基础上延伸出来的第二代基因工程。②基因工程中所利用的某些酶需要通过蛋白质工程进行修饰、改造。
PCR技术和DNA的粗提取与鉴定1.PCR技术(1)PCR原理: DNA复制 ,即:
(2)PCR反应过程
(3)结果:上述三步反应完成后,一个DNA分子就变成了 两 个DNA分子,随着重复次数的增多,DNA分子以2n的形式增加。PCR的反应过程都是在 PCR扩增仪 中完成的。
(4)PCR产物的检测①方法:琼脂糖凝胶电泳法。②操作步骤:配制琼脂糖凝胶→配制TBE电泳缓冲液→将载样缓冲液加入电泳槽样品孔→接通电源,DNA样品由负极向正极移动→当指示剂移动到凝胶边缘时,断电终止电泳→用EB染色法在紫外仪上观察电泳带及其位置。
2.DNA的粗提取与鉴定(1)实验原理①DNA与蛋白质在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同
②DNA不溶于 酒精溶液 ,但是细胞中的某些蛋白质则溶于酒精,利用这一原理可将DNA与蛋白质进一步分离。 ③DNA与二苯胺沸水浴加热,呈 蓝 色。
凝练核心素养1.科学思维——运用归纳与概括、模型与建模、创新型思维的方法,根据DNA复制的原理,理解PCR技术的基本原理。2.科学探究——通过DNA的粗提取和鉴定实验,了解提取生物大分子的基本思路和方法;通过尝试PCR技术的基本操作,体验PCR这一常规的分子生物学实验方法。3.社会责任——关注PCR技术在遗传疾病的诊断、刑侦破案、古生物学、基因克隆等方面的应用。
(科学思维、科学探究、社会责任)(2018安徽四校联考)回答下列有关PCR过程的问题。(1)PCR的每次循环可以分为 三步。假设在PCR反应中,只有一个DNA片段作为模板,请计算在5次循环后,反应物中大约有 个这样的DNA片段。 (2)请用简图表示出一个DNA片段在PCR反应中第二轮的产物。(3)简述PCR技术的主要应用(要求3项以上)。 。
答案 (1)变性、复性和延伸 32(2)如图所示 (3)遗传疾病的诊断、刑侦破案、古生物学、基因克隆和DNA序列测定(其中3项即可)
解析 (1)DNA复制时两条链均作为模板,进行半保留复制,所以复制5次后得到的子代DNA分子数为25=32。(2)新合成的DNA链带有引物,而最初的模板DNA的两条链不带有引物。(3)PCR技术可以对DNA分子进行扩增,所以可用于遗传疾病的诊断、刑侦破案、古生物学、基因克隆和DNA序列测定等方面。
考向1 PCR技术1.PCR是多聚酶链式反应的缩写,利用PCR技术可对目的基因进行扩增。请根据下面PCR反应原理示意图回答有关问题。
(1)PCR的原理是 。 (2)PCR技术使DNA解链是通过 实现的,DNA的这种解链现象在一定条件下是 (填“可逆的”或“不可逆的”)。 (3)DNA解链后冷却的目的是 。 (4)当温度加热至70~75 ℃时,是 酶把单个脱氧核苷酸通过 键连接到引物上。如此逐渐延伸形成互补链,进而使目的基因加倍。 (5)通过重复循环①②③过程,使目的基因以 形式扩增。
答案 (1)DNA双链复制 (2)高温加热 可逆的 (3)让引物与互补DNA链相结合(4)热稳定DNA聚合 磷酸二酯 (5)指数解析 (1)PCR的原理是DNA双链复制。(2)PCR技术通过高温加热使DNA解链,DNA的这种解链现象在一定的条件下是可逆的,即降低温度后能复性。(3)DNA解链后冷却的目的是让引物与互补DNA链相结合,形成局部双链。(4)当温度加热至70~75 ℃时,热稳定DNA聚合酶把单个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键连接到引物上。如此逐渐延伸形成互补链。(5)PCR技术中,目的基因以指数形式扩增。
生物体内DNA复制与PCR反应的区别
考向2 DNA的粗提取与鉴定2.实验中对DNA进行鉴定时,做如下操作:
(1)根据上图,完成表格空白处的实验内容。(2)对于B试管,完成1、2、3的操作后溶液颜色如何变化? 。 (3)在沸水浴中加热的目的是 ,同时说明DNA对高温有较强的 。 (4)A试管在实验中的作用是 。 (5)B试管中溶液颜色的变化程度主要与 有关。
答案 (1)溶液不变蓝色 溶液逐渐变蓝色DNA在沸水浴的情况下遇二苯胺会被染成蓝色(2)溶液颜色基本不变(3)加快颜色反应速度 耐受性(4)对照(5)加入试管中的DNA(丝状物)的多少解析 A、B两试管形成对照,B试管中含DNA丝状物,A试管中不含,起对照作用,其他条件均完全相同。本实验强调反应条件是沸水浴加热5 min,这样可加快颜色反应的速度,观察对比两试管的颜色时要等到冷却以后。
DNA的粗提取与鉴定中的“234”
1.下列有关限制酶的叙述,正确的是( )A.用限制酶切割一个DNA分子中部,获得一个目的基因时,被水解的磷酸二酯键有2个B.限制酶识别序列越短,则该序列在DNA中出现的概率就越大C.—CATG↓—和—G↓GATCC—序列被限制酶切出的黏性末端碱基数不同D.只有用相同的限制酶处理含目的基因的片段和质粒,才能形成重组质粒
2.下图是培育表达人乳铁蛋白的乳腺生物反应器的技术路线。图中tetR表示四环素抗性基因,ampR表示氨苄青霉素抗性基因,直线所示为BamH I、HindⅢ、SmaⅠ三种限制酶的酶切位点。下列叙述错误的是( ) A.将人乳铁蛋白基因插入载体,需用HindⅢ和BamH I限制酶同时酶切载体和人乳铁蛋白基因B.筛选含有重组载体的受体细胞首先需要在含四环素的培养基上进行C.能使人乳铁蛋白基因在乳腺细胞中特异性表达的调控序列是启动子等D.进行②过程前,需要对早期胚胎进行性别鉴定
3.下面图1为某植物育种流程,图2表示利用农杆菌转化法获得某种转基因植物的部分操作步骤。下列相关叙述错误的是( )
A.图1子代Ⅰ与原种保持遗传稳定性,子代Ⅱ和子代Ⅲ选育原理相同B.图1子代Ⅲ选育显性性状需自交多代,子代Ⅴ可能发生基因突变和染色体变异C.图2中①过程的完成需要限制酶和DNA连接酶的参与D.图2中⑥可与多个核糖体结合,并可以同时翻译出多种蛋白质
4.镰刀型细胞贫血症是一种单基因遗传病,患者的血红蛋白分子β-肽链第6位氨基酸谷氨酸被缬氨酸代替,导致功能异常。回答下列问题。(1)异常血红蛋白的氨基酸序列改变的根本原因是编码血红蛋白基因的 序列发生改变。 (2)将正常的血红蛋白基因导入患者的骨髓造血干细胞中,可以合成正常的血红蛋白达到治疗的目的。此操作 (填“属于”或“不属于”)蛋白质工程,理由是该操作 。 (3)用基因工程方法制备血红蛋白时,可先提取早期红细胞中的 ,以其作为模板,在 酶的作用下反转录合成cDNA。cDNA与载体需在限制酶和 酶的作用下,构建基因表达载体,导入受体菌后进行表达。
(4)检测受体菌是否已合成血红蛋白,可从受体菌中提取 ,用相应的抗体进行 杂交,若出现杂交带,则表明该受体菌已合成血红蛋白。
答案 (1)碱基对(或脱氧核苷酸) (2)不属于 没有对现有的蛋白质进行改造(或没有对基因进行修饰) (3)mRNA(或RNA) 逆转录 DNA连接 (4)蛋白质 抗原—抗体
1.简述基因工程的诞生。2.简述基因工程的原理及技术。3.举例说出基因工程的应用。4.简述蛋白质工程。5.活动:DNA的粗提取和鉴定。6.活动:利用聚合酶链式反应(PCR)扩增 DNA片段并完成电泳鉴定,或运用软件进行虚拟PCR实验。
基因工程的工具1.基因工程的概念理解(1)供体:提供目的基因。(2)操作环境: 无菌 。 (3)操作水平: DNA分子 水平。 (4)原理:基因重组。(5)受体:表达目的基因。(6)本质:性状在 受体生物 体内表达。 (7)优点:克服 远缘杂交不亲和 的障碍,定向改造生物的遗传性状。
2.限制性核酸内切酶(简称:限制酶)(1)来源:主要是从 原核 生物中分离纯化出来的。 (2)作用:识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列,并使每条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。(3)结果:产生 黏性末端 或平末端。
3.DNA连接酶(1)功能:缝合被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。 (2)类型
4.载体(2)其他载体:λ噬菌体衍生物、 动植物病毒 等。 (3)载体的作用:携带外源DNA片段进入受体细胞。
教材拾遗1.(选修3第6页“寻根问底”改编)DNA连接酶和DNA聚合酶的作用相同吗?试简要说明。答案不相同。DNA连接酶连接的是两个DNA片段,而DNA聚合酶是将单个的脱氧核苷酸连接到DNA或RNA片段上。2.(选修3第6页“旁栏思考题”)想一想,具备什么条件才能充当“分子运输车”?答案能自我复制、有一个或多个切割位点、有标记基因及对受体细胞无害等。
凝练核心素养1.生命观念——通过理解DNA重组技术所需三种基本工具的作用,建立起结构与功能相适应的观点。2.科学思维——运用模型与建模、批判性思维、创造性思维的方法,理解DNA重组技术所需三种基本工具的作用。3.社会责任——认识到基因工程的诞生和发展离不开理论研究和技术创新。
1.(生命观念)下列关于基因工程中有关酶的叙述,不正确的是( )A.限制酶水解相邻核苷酸间的化学键打断DNAB.DNA连接酶可将末端碱基互补的两个DNA片段连接C.DNA聚合酶能够从引物末端延伸DNA或RNAD.逆转录酶以一条RNA为模板合成互补的DNA
2.(生命观念、科学思维)(2018河北黄烨中学月考)质粒是基因工程最常用的运载体,下列有关质粒的说法,错误的是( )A.质粒不仅存在于细菌中,某些病毒也具有B.质粒作为运载体时,应具有标记基因和多个限制酶切点C.质粒为小型环状DNA分子,存在于拟核(区)外的细胞质基质中D.质粒能够在宿主细胞中稳定保存,并在宿主细胞内复制
考向1 工具酶的应用分析1.下图是表达新基因用的质粒的示意图,若要将目的基因插入到质粒上的A处,则切割基因时可用的是( )A.HindⅢB.EcRⅠC.EcBD.PstⅠ
2.用限制酶EcRⅤ单独切割某普通质粒,可产生14 kb(1 kb即1 000个碱基对)的长链,而同时用限制酶EcRⅤ、MbⅠ联合切割该质粒,可得到三种长度的DNA片段,见下图(其中*表示EcRⅤ限制酶切割后的一个黏性末端)。若用MbⅠ限制酶单独切割该普通质粒,则产生的DNA片段的长度为( )A.2.5 kb和5.5 kbB.2.5 kb和6 kbC.5.5 kb和8 kbD.6 kb和8 kb
确定切割某种目的基因的限制酶的种类根据目的基因两端的限制酶切割位点确定限制酶的种类。(1)应选择切割位点位于目的基因两端的限制酶,如图甲可选择PstⅠ。(2)不能选择切割位点位于目的基因内部的限制酶,如图甲不能选择SmaⅠ。(3)为避免目的基因和质粒的自身环化和随意连接,也可使用不同的限制酶切割目的基因和质粒,如图甲也可选择用PstⅠ和EcRⅠ两种限制酶(但要确保质粒上也有这两种酶的切割位点)。
考向2 载体的应用分析3.质粒是基因工程中最常用的载体,它存在于许多细菌体内。质粒上有标记基因如图所示,通过标记基因可以推知外源基因(目的基因)是否转移成功。外源基因插入的位置不同,细菌在培养基上的生长情况不同,如图表示外源基因插入位置(插入点有a、b、c),请根据表中提供细菌的生长情况,推测①②③三种重组后细菌的外源基因插入点,正确的一组是( )
A.①是c;②是b;③是aB.①是a和b;②是a;③是bC.①是a和b;②是b;③是aD.①是c;②是a;③是b
4.(2016全国高考Ⅰ)某一质粒载体如图所示,外源DNA插入到Ampr或Tetr中会导致相应的基因失活(Ampr表示氨苄青霉素抗性基因,Tetr表示四环素抗性基因)。有人将此质粒载体用BamHⅠ 酶切后,与用BamHⅠ酶切获得的目的基因混合,加入DNA连接酶进行连接反应,用得到的混合物直接转化大肠杆菌。结果大肠杆菌有的未被转化,有的被转化。被转化的大肠杆菌有三种,分别是含有环状目的基因、含有质粒载体、含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌。回答下列问题:
(1)质粒载体作为基因工程的工具,应具备的基本条件有 (答出两点即可),而作为基因表达载体,除满足上述基本条件外,还需具有启动子和终止子。 (2)如果用含有氨苄青霉素的培养基进行筛选,在上述四种大肠杆菌细胞中,未被转化的和仅含环状目的基因的细胞是不能区分的,其原因是 ;并且 和 的细胞也是不能区分的,其原因是 。在上述筛选的基础上,若要筛选含有插入了目的基因的重组质粒的大肠杆菌单菌落,还需使用含有 的固体培养基。 (3)基因工程中,某些噬菌体经改造后可以作为载体,其DNA复制所需的原料来自于 。
答案 (1)能自我复制、具有标记基因 (2)二者均不含有氨苄青霉素抗性基因,在该培养基上均不生长 含有质粒载体 含有插入了目的基因的重组质粒(或含有重组质粒) 二者均含有氨苄青霉素抗性基因,在该培养基上均能生长 四环素(3)受体细胞
解析 本题考查基因工程的相关知识。解题的切入点是基因工程中所用载体的特点及目的基因导入受体细胞后的筛选。(1)基因工程中的载体应具备如下条件:必须有一个或多个限制酶切点;具有自我复制能力;具有标记基因;对宿主细胞无害。(2)未转化的和仅含环状目的基因的细胞不能在含有氨苄青霉素的培养基上生长,故不能区分;而含有质粒载体和重组质粒的细胞在含有氨苄青霉素的培养基上都能生长,也不能区分。因目的基因插入位点在抗四环素基因上,抗四环素基因被破坏,丧失了原有的功能,故含有重组质粒的大肠杆菌不抗四环素。将获得的单个菌落各挑取少许分别接种到含有四环素的培养基上,不能生长的即为所筛选的菌落,即含有重组质粒的大肠杆菌。(3)噬菌体是营寄生生活的,利用受体细胞内的原料进行自身DNA的复制和蛋白质的合成。
载体上标记基因的作用载体上的标记基因一般是一些抗生素的抗性基因。目的基因要转入的受体细胞没有抵抗相关抗生素的能力。当含有抗生素抗性基因的载体进入受体细胞后,抗性基因在受体细胞内表达,使受体细胞能够抵抗相应抗生素,所以在受体细胞的培养基中加入该种抗生素就可以只保留转入载体的受体细胞,原理如下图所示:
基因工程的基本操作程序1.目的基因的获取(1)目的基因:主要指 的基因,也可以是一些具调控作用的因子。
2.基因表达载体的构建——基因工程的核心(1)目的:使目的基因 ,同时使目的基因能够表达和发挥作用。 (2)基因表达载体的组成
在受体细胞中稳定存在,并且可以遗传给下一代
3.将目的基因导入受体细胞
4.目的基因的检测与鉴定
凝练核心素养1.生命观念——通过对基因工程原理及基本操作程序的分析,建立起结构与功能相适应的观念。2.科学思维——运用归纳与概括、模型与建模、创造性思维的方法,分析基因工程操作程序四个环节的原理。3.科学探究——运用基因工程的基本操作程序和方法设计某一转基因生物的研制过程。
(生命观念、科学思维、科学探究)(2018全国高考Ⅰ)回答下列问题。(1)博耶(H.Byer)和科恩(S.Chen)将非洲爪蟾核糖体蛋白基因与质粒重组后导入大肠杆菌细胞中进行了表达。该研究除证明了质粒可以作为载体外,还证明了 (答出两点即可)。(2)体外重组的质粒可通过Ca2+参与的 方法导入大肠杆菌细胞;而体外重组的噬菌体DNA通常需与 组装成完整噬菌体后,才能通过侵染的方法将重组的噬菌体DNA导入宿主细胞。在细菌、心肌细胞、叶肉细胞中,可作为重组噬菌体宿主细胞的是 。
(3)真核生物基因(目的基因)在大肠杆菌细胞内表达时,表达出的蛋白质可能会被降解。为防止蛋白质被降解,在实验中应选用的大肠杆菌作为受体细胞。在蛋白质纯化的过程中应添加 的抑制剂。
答案 (1)体外重组的质粒可以进入受体细胞;真核生物基因可在原核细胞中表达(2)转化 外壳蛋白(或答噬菌体蛋白) 细菌(3)蛋白酶缺陷型 蛋白酶
解析 本题主要考查基因工程的操作步骤及应用。(1)该实例可以说明很多问题,比如体外重组的质粒可以进入受体细胞,真核细胞的基因也可以在原核细胞中表达,真核生物和原核生物共用同一套密码子,质粒的化学本质是DNA等。(2)目的基因导入细菌可以用Ca2+处理细菌,从而将目的基因导入受体细胞。噬菌体由DNA和蛋白质外壳组成,噬菌体属于细菌病毒,即其宿主细胞为细菌,所以需要将重组噬菌体导入细菌中。(3)为了防止目的基因所表达的蛋白质被细菌内的蛋白酶所降解,所以要选择蛋白酶缺陷型大肠杆菌,即不能产生蛋白酶的大肠杆菌作为受体细胞。同时,在纯化蛋白质的过程中可以加入蛋白酶抑制剂,以降低蛋白酶的活性。
考向1 目的基因的获取及基因表达载体的构建1.基因工程中,需使用特定的限制酶切割目的基因和质粒,便于重组和筛选。已知限制酶Ⅰ的识别序列和切点是—G↓GATCC—;限制酶Ⅱ的识别序列和切点是—↓GATC—。根据图判断下列操作正确的是( ) A.目的基因和质粒均用限制酶Ⅱ切割B.目的基因和质粒均用限制酶Ⅰ切割C.质粒用限制酶Ⅱ切割,目的基因用限制酶Ⅰ切割D.质粒用限制酶Ⅰ切割,目的基因用限制酶Ⅱ切割
2.(2018广东二模)烟草易受烟草花叶病毒(TMV)感染而大幅度减产。绞股蓝细胞中含有抗TMV基因,能抵抗TMV感染,研究人员利用转基因技术培育出了抗TMV烟草,操作流程如下图所示。请回答下列问题。
(1)过程①所用RNA可以从 中获取。 (2)过程②可以采用 技术获得大量目的基因,该技术的实质是 。 (3)过程④最常用的方法是 ,该方法中需将目的基因插入受体细胞的 上。 (4)过程⑤所用到的培养基除了卡那霉素之外,还需要加注的特殊物质是 。过程⑥还需要进行基因工程操作步骤中的目的基因的检测与鉴定,在分子水平上检验获得的烟草能否抗TMV的方法是 。
答案 (1)绞股蓝细胞的细胞质基质(2)PCR(或多聚酶链式反应) 双链DNA复制(3)农杆菌转化法 染色体DNA(4)植物激素(或生长素和细胞分裂素) 抗原—抗体杂交法
解析 (1)①表示反转录过程,RNA反转录形成的DNA中含有目的基因(抗TMV基因),因此该RNA可以从绞股蓝细胞的细胞质基质中获取。(2)过程②表示获取目的基因的过程,利用PCR技术可以大量扩增目的基因,PCR技术的原理是双链DNA的复制。(3)过程④表示将目的基因导入受体细胞,将目的基因导入烟草细胞常用农杆菌转化法,该方法中需将目的基因插入受体细胞的染色体DNA上。(4)过程⑤表示植物组织培养过程,需要在培养基中加入植物激素,如细胞分裂素和生长素;过程⑥为目的基因的检测与鉴定,在分子水平上可以采用抗原—抗体杂交法。
目的基因导入不同受体细胞的过程
考向2 基因工程的操作过程分析3.下列基因工程操作步骤中,未发生碱基互补配对的是 ( )A.人工条件下用mRNA为模板逆转录合成目的基因B.目的基因与质粒结合C.重组质粒导入受体细胞D.目的基因的表达
4.(2018湖南株洲质检)鸡干扰素是一种具有高效和广谱抗病毒作用的细胞因子,广泛用于动物领域的抗病毒治疗。科研人员将鸡干扰素基因作为目的基因,构建基因表达载体,通过农杆菌介导法导入烟草,以获得抗病毒烟草。下图为科研人员制备能合成鸡干扰素的烟草愈伤组织细胞的流程,①~④表示相关的操作,两种限制酶的识别序列及切割位点如表所示。请回答下列问题。
(1)步骤①中,利用PCR技术扩增干扰素基因时,设计引物序列的主要依据是 。科研人员还在两种引物的一端分别加上了 和 序列,以便于后续的剪切和连接。为防止酶切产物自身环化,构建表达载体需用两种限制酶,选择的原则是Ti质粒内,每种限制酶有 个切割位点,酶切后,目的基因形成的两个黏性末端序列 (填“相同”或“不相同”)。 (2)步骤②所构建的基因表达载体中未标注出的必需元件还有 ,步骤③中需先用 处理农杆菌以便将基因表达载体导入细胞。 (3)步骤④中,科研人员提取愈伤组织细胞的RNA后,先通过 获得DNA,再进行PCR扩增,若最终未能检测出干扰素基因,其可能原因是 。
答案 (1)鸡干扰素基因两端的部分核苷酸序列 GAATTC GGATCC 1 不相同(2)复制原点 Ca2+(3)反转录 鸡干扰素基因未能导入烟草愈伤组织细胞、导入烟草愈伤组织细胞的鸡干扰素基因未能转录或鸡干扰素的mRNA已经被水解
解析 (1)利用PCR技术扩增鸡干扰素基因时,引物应可以与鸡干扰素基因两端的部分核苷酸序列进行碱基互补配对,根据鸡干扰素基因两端的部分核苷酸序列可设计引物的碱基序列。据题图可知,该转基因过程用EcRⅠ和BamHⅠ两种限制酶分别切割目的基因和质粒,以避免质粒或目的基因的自身连接,应在两种引物的一端分别加上EcRⅠ和BamHⅠ的识别序列GAATTC和GGATCC,以便于后续的剪切和连接。Ti质粒中每种限制酶有1个切割位点,则酶切产物两端的黏性末端不同,不会发生自身环化。(2)基因表达载体中除含有启动子、终止子、标记基因和目的基因外,还应含有复制原点,以便在宿主细胞中复制。将基因表达载体导入农杆菌,可用Ca2+处理农杆菌,以增大细胞壁通透性,提高转化效率。
(3提取愈伤组织细胞的RNA后,可通过反转录获得DNA。鸡干扰素基因即便导入了农杆菌,也不一定能导入烟草愈伤组织细胞,导入烟草愈伤组织细胞的鸡干扰素基因不一定能够正常转录,转录出的鸡干扰素的mRNA若被水解,则不能通过反转录获得鸡干扰素基因。故以上均可能导致愈伤组织细胞中不能检测出鸡干扰素基因。
5.(2017全国高考Ⅰ)真核生物基因中通常有内含子,而原核生物基因中没有,原核生物没有真核生物所具有的切除内含子对应的RNA序列的机制。已知在人体中基因A(有内含子)可以表达出某种特定蛋白(简称蛋白A)。回答下列问题。(1)某同学从人的基因组文库中获得了基因A,以大肠杆菌作为受体细胞却未得到蛋白A,其原因是 。 (2)若用家蚕作为表达基因A的受体,在噬菌体和昆虫病毒两种载体中,不选用 作为载体,其原因是 。 (3)若要高效地获得蛋白A,可选用大肠杆菌作为受体。因为与家蚕相比,大肠杆菌具有 (答出两点即可)等优点。
(4)若要检测基因A是否翻译出蛋白A,可用的检测物质是 (填“蛋白A的基因”或“蛋白A的抗体”)。 (5)艾弗里等人的肺炎双球菌转化实验为证明DNA是遗传物质做出了重要贡献,也可以说是基因工程的先导,如果说他们的工作为基因工程理论的建立提供了启示,那么,这一启示是 。
答案 (1)基因A有内含子,在大肠杆菌中,其初始转录产物中与内含子对应的RNA序列不能被切除,无法表达出蛋白A(2)噬菌体 噬菌体的宿主是细菌,而不是家蚕(3)繁殖快、容易培养(4)蛋白A的抗体(5)DNA可以从一种生物个体转移到另一种生物个体
解析 (1)人的基因A含有内含子,其转录出的RNA需切除内含子对应的RNA序列后才能翻译出蛋白A,大肠杆菌是原核生物,其没有切除内含子对应的RNA序列的机制,故将人的基因A导入大肠杆菌无法表达出蛋白A。(2)噬菌体是一种专门寄生在细菌体内的病毒,无法寄生在家蚕中。(3)大肠杆菌繁殖快、容易培养,常用作基因工程的受体。(4)在分子水平检测目的基因是否表达应用抗原—抗体杂交法,即用蛋白A与蛋白A的抗体进行杂交。(5)艾弗里的肺炎双球菌转化实验的原理是基因重组,通过重组使得S型细菌的DNA在R型细菌中表达,这种思路为基因工程理论的建立提供了启示。
基因工程中的几种检测方法
基因工程的应用及蛋白质工程1.动物基因工程与植物基因工程(1)动物基因工程:用于提高动物 生长速度 从而提高产品产量;用于改善畜产品品质;用转基因动物生产药物;用转基因动物作器官移植的 供体 等。 (2)植物基因工程:培育抗虫转基因植物、抗病转基因植物和抗逆转基因植物;利用转基因改良植物的 品质 。
2.基因诊断与基因治疗(1)基因诊断:又称为DNA诊断,是采用 基因检测 的方法来判断患者是否出现了基因异常或携带病原体。 (2)基因治疗①概念:把 正常基因 导入病人体内,使该基因的表达产物发挥功能,从而达到治疗疾病的目的。 ②成果:将腺苷酸脱氨酶基因转入取自患者的淋巴细胞中,使淋巴细胞能产生腺苷酸脱氨酶,然后,再将这种淋巴细胞转入患者体内,从而治疗复合型免疫缺陷症。
3.蛋白质工程(1)概念
(2)基本流程写出流程图中字母代表的含义:A. 转录 ,B. 翻译 ,C. 分子设计 ,D. 多肽链 ,E. 预期功能 。 (3)结果:改造了现有蛋白质或制造出 新的蛋白质 。 (4)应用:主要集中应用于对 现有蛋白质 进行改造,改良生物性状。
凝练核心素养1.科学思维——运用归纳与概括、创新型思维的方法,理解基因工程应用中运用的基因工程的原理。2.社会责任——关注基因工程在农业和医疗等方面的进展,认同基因工程的应用促进生产力的发展。
(科学思维、社会责任)(2018全国高考Ⅱ)某种荧光蛋白(GFP)在紫外光或蓝光激发下会发出绿色荧光,这一特性可用于检测细胞中目的基因的表达,某科研团队将某种病毒的外壳蛋白(L1)基因连接在GFP基因的5'末端,获得了L1-GFP融合基因(简称为甲),并将其插入质粒P0,构建了真核表达载体P1,其部分结构和酶切位点的示意图如下,图中E1~E4四种限制酶产生的黏性末端各不相同。
回答下列问题:(1)据图推断,该团队在将甲插入质粒P0时,使用了两种限制酶,这两种酶是 ,使用这两种酶进行酶切是为了保证 ,也是为了保证 。 (2)将P1转入体外培养的牛皮肤细胞后,若在该细胞中观察到了绿色荧光,则说明L1基因在牛的皮肤细胞中完成了 和 过程。 (3)为了获得含有甲的牛,该团队需要做的工作包括:将能够产生绿色荧光细胞的 移入牛的 中,体外培养、胚胎移植等。 (4)为了检测甲是否存在于克隆牛的不同组织细胞中,某同学用PCR方法进行鉴定,在鉴定时应分别以该牛不同组织细胞中的 (填“mRNA”“总RNA”或“核DNA”)作为PCR模板。
答案 (1)E1和E4 甲的完整 甲与载体正确连接 (2)转录 翻译 (3)细胞核 去核卵母细胞 (4)核DNA
解析 本题考查基因工程、细胞工程和胚胎工程的相关内容。(1)由题意可知,E1~E4四种限制酶产生的黏性末端各不相同,将甲(L1-GFP)插入质粒时,使用E1和E4两种限制酶进行酶切,既保证了甲的完整,又防止了甲的自身环化,保证了甲与载体的正确连接。(2)将P1转入体外培养的牛皮肤细胞后,若在该细胞中观察到了绿色荧光,则说明该细胞中合成了荧光蛋白,即L1基因在牛皮肤细胞中完成了遗传信息的转录和翻译。(3)为了获得含有甲的牛,可通过体细胞核移植技术、体外培养和胚胎移植来实现。(4)克隆牛的不同组织细胞中的基因选择性表达,转录出的mRNA不同,总RNA也不同,但不同组织细胞中的核DNA相同,因此检测甲是否存在于克隆牛的不同组织细胞中,用PCR方法进行鉴定时,应以核DNA作为模板。
考向1 基因工程的应用分析1.我国科学家运用基因工程技术,将苏云金芽孢杆菌的抗虫基因导入棉花细胞并成功表达,培育出了抗虫棉。下列叙述不正确的是( )A.抗虫基因的提取和运输都需要专用的工具和运载体B.重组DNA分子中增加一个碱基对,不一定导致毒蛋白的毒性丧失C.抗虫棉的抗虫基因可通过花粉传递到近缘作物,从而造成基因污染D.转基因棉花是否具有抗虫特性是通过检测棉花对抗生素抗性来确定的
2.(2018河南中原名校质量考评)干旱会影响农作物产量,科学家们对此进行了研究。下图为用探针检验某一抗旱植物基因型的原理,相关基因用R和r表示。请回答下列问题。
(1)在利用PCR技术扩增R或r基因的过程中,利用 可寻找抗旱基因的位置并进行扩增。 (2)若被检植株发生A现象,不发生B、C现象。据此推测检测另一抗旱植物时会发生 (填“A”“B”或“A或B”)现象。 (3)用从基因文库中获取目的基因的方法获取抗旱基因时需要用到限制酶,限制酶能够识别双链DNA分子中的某种特定核苷酸序列,并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的 断开。 (4)经检测,抗旱基因已经导入烟草细胞,但未检测出抗旱基因转录出的mRNA,从构建基因表达载体的角度推测,最可能的原因是 。 (5)要快速繁殖转基因抗旱烟草植株,目前常用的技术是 ,该技术的基本过程是将离体的烟草细胞诱导脱分化形成 ,然后再分化出根和芽并发育成小植株。该技术在作物新品种的培育方面两个最主要的应用是突变体的利用和 。
答案 (1)引物 (2)A或B (3)磷酸二酯键 (4)基因表达载体上目的基因首端未加入启动子 (5)植物组织培养 愈伤组织 单倍体育种
解析 (1)用PCR技术扩增R或r基因时,需要用引物寻找抗旱基因的位置。(2)被检植物发生A现象,不发生B、C现象,即r探针没有形成杂交斑,所以被检植物的基因型为RR。因此另一抗旱植物的基因型为RR或Rr,会发生A或B现象。(3)限制酶能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列,并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断裂。(4)经检测,抗旱基因已经导入烟草细胞,但未检测出抗旱基因转录出的mRNA,从构建基因表达载体的角度推测,最可能的原因是基因表达载体上目的基因首端未加入启动子。(5)植物组织培养技术可快速繁殖抗旱烟草植株,该技术包括脱分化和再分化两个基本过程,即先将离体的烟草细胞诱导脱分化形成愈伤组织,然后再分化出根和芽并发育成小植株。该技术在作物新品种的培育方面两个最主要的应用是突变体的利用和单倍体育种。
有关基因工程应用的4个易错点(1)动物基因工程主要是为了改善畜产品的品质,而不是为了产生体型巨大的个体。(2)Bt毒蛋白基因控制合成的Bt毒蛋白并无毒性,进入昆虫消化道被分解成多肽后产生毒性。(3)青霉素是青霉菌产生的,不是通过基因工程产生的。(4)并非所有个体都可作为乳腺生物反应器。操作成功的应该是雌性个体。个体本身的繁殖速度、泌乳量、蛋白含量等都是应该考虑的因素。
考向2 蛋白质工程的概念和基本途径的辨析3.下列关于蛋白质工程说法,错误的是( )A.蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的二代基因工程B.实施蛋白质工程的基本途径必须从预期蛋白质功能出发C.蛋白质工程实施过程中可对关键氨基酸直接置换或增删D.构建基因表达载体也是蛋白质工程的核心步骤
4.(2018安徽马鞍山二中模拟)胰岛素可以用于治疗糖尿病,但是胰岛素被注射到人体后,会堆积在皮下,并要经过较长的时间才能进入血液中,而进入血液的胰岛素又容易被分解,因此,治疗效果受到影响。下图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程,请据图回答有关问题。
(1)构建新的蛋白质模型是蛋白质工程的关键,图中构建新的胰岛素模型的主要依据是 。 (2)人工合成的DNA与 结合后,被转移到 中才能得到准确表达。 (3)若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素,需用到的生物工程有 、 和发酵工程。 (4)图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因的基本思路是什么? 。
答案 (1)蛋白质的预期功能 (2)载体 大肠杆菌等受体细胞 (3)蛋白质工程 基因工程 (4)根据新的胰岛素中氨基酸的序列,推测出其脱氧核苷酸序列,然后利用DNA合成仪来合成新的胰岛素基因
解析 (1)蛋白质工程的目标是根据人们对蛋白质功能的特定需求,对蛋白质结构进行分子设计,因此,图中构建新的胰岛素模型的依据是蛋白质(速效胰岛素)的功能。(2)人工合成的目的基因与载体结合后,被导入受体细胞中才能得以表达。(3)利用蛋白质工程生产自然界中原本不存在的蛋白质,需对原有的胰岛素进行改造,根据新的胰岛素中氨基酸的序列推测出其基因中的脱氧核苷酸序列,人工合成新的胰岛素基因,得到目的基因。改造好的目的基因需通过基因工程将其导入受体细胞获得工程菌,再利用工程菌进行发酵,从而获取大量产品。因此该过程涉及蛋白质工程、基因工程和发酵工程。(4)由新的蛋白质模型到构建新的基因,其基本设计思路是根据新的蛋白质中的氨基酸序列,推测出基因中的脱氧核苷酸序列,然后用DNA合成仪直接合成出新的基因。
蛋白质工程与基因工程的比较(1)区别
(2)联系①蛋白质工程是在基因工程的基础上延伸出来的第二代基因工程。②基因工程中所利用的某些酶需要通过蛋白质工程进行修饰、改造。
PCR技术和DNA的粗提取与鉴定1.PCR技术(1)PCR原理: DNA复制 ,即:
(2)PCR反应过程
(3)结果:上述三步反应完成后,一个DNA分子就变成了 两 个DNA分子,随着重复次数的增多,DNA分子以2n的形式增加。PCR的反应过程都是在 PCR扩增仪 中完成的。
(4)PCR产物的检测①方法:琼脂糖凝胶电泳法。②操作步骤:配制琼脂糖凝胶→配制TBE电泳缓冲液→将载样缓冲液加入电泳槽样品孔→接通电源,DNA样品由负极向正极移动→当指示剂移动到凝胶边缘时,断电终止电泳→用EB染色法在紫外仪上观察电泳带及其位置。
2.DNA的粗提取与鉴定(1)实验原理①DNA与蛋白质在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同
②DNA不溶于 酒精溶液 ,但是细胞中的某些蛋白质则溶于酒精,利用这一原理可将DNA与蛋白质进一步分离。 ③DNA与二苯胺沸水浴加热,呈 蓝 色。
凝练核心素养1.科学思维——运用归纳与概括、模型与建模、创新型思维的方法,根据DNA复制的原理,理解PCR技术的基本原理。2.科学探究——通过DNA的粗提取和鉴定实验,了解提取生物大分子的基本思路和方法;通过尝试PCR技术的基本操作,体验PCR这一常规的分子生物学实验方法。3.社会责任——关注PCR技术在遗传疾病的诊断、刑侦破案、古生物学、基因克隆等方面的应用。
(科学思维、科学探究、社会责任)(2018安徽四校联考)回答下列有关PCR过程的问题。(1)PCR的每次循环可以分为 三步。假设在PCR反应中,只有一个DNA片段作为模板,请计算在5次循环后,反应物中大约有 个这样的DNA片段。 (2)请用简图表示出一个DNA片段在PCR反应中第二轮的产物。(3)简述PCR技术的主要应用(要求3项以上)。 。
答案 (1)变性、复性和延伸 32(2)如图所示 (3)遗传疾病的诊断、刑侦破案、古生物学、基因克隆和DNA序列测定(其中3项即可)
解析 (1)DNA复制时两条链均作为模板,进行半保留复制,所以复制5次后得到的子代DNA分子数为25=32。(2)新合成的DNA链带有引物,而最初的模板DNA的两条链不带有引物。(3)PCR技术可以对DNA分子进行扩增,所以可用于遗传疾病的诊断、刑侦破案、古生物学、基因克隆和DNA序列测定等方面。
考向1 PCR技术1.PCR是多聚酶链式反应的缩写,利用PCR技术可对目的基因进行扩增。请根据下面PCR反应原理示意图回答有关问题。
(1)PCR的原理是 。 (2)PCR技术使DNA解链是通过 实现的,DNA的这种解链现象在一定条件下是 (填“可逆的”或“不可逆的”)。 (3)DNA解链后冷却的目的是 。 (4)当温度加热至70~75 ℃时,是 酶把单个脱氧核苷酸通过 键连接到引物上。如此逐渐延伸形成互补链,进而使目的基因加倍。 (5)通过重复循环①②③过程,使目的基因以 形式扩增。
答案 (1)DNA双链复制 (2)高温加热 可逆的 (3)让引物与互补DNA链相结合(4)热稳定DNA聚合 磷酸二酯 (5)指数解析 (1)PCR的原理是DNA双链复制。(2)PCR技术通过高温加热使DNA解链,DNA的这种解链现象在一定的条件下是可逆的,即降低温度后能复性。(3)DNA解链后冷却的目的是让引物与互补DNA链相结合,形成局部双链。(4)当温度加热至70~75 ℃时,热稳定DNA聚合酶把单个脱氧核苷酸通过磷酸二酯键连接到引物上。如此逐渐延伸形成互补链。(5)PCR技术中,目的基因以指数形式扩增。
生物体内DNA复制与PCR反应的区别
考向2 DNA的粗提取与鉴定2.实验中对DNA进行鉴定时,做如下操作:
(1)根据上图,完成表格空白处的实验内容。(2)对于B试管,完成1、2、3的操作后溶液颜色如何变化? 。 (3)在沸水浴中加热的目的是 ,同时说明DNA对高温有较强的 。 (4)A试管在实验中的作用是 。 (5)B试管中溶液颜色的变化程度主要与 有关。
答案 (1)溶液不变蓝色 溶液逐渐变蓝色DNA在沸水浴的情况下遇二苯胺会被染成蓝色(2)溶液颜色基本不变(3)加快颜色反应速度 耐受性(4)对照(5)加入试管中的DNA(丝状物)的多少解析 A、B两试管形成对照,B试管中含DNA丝状物,A试管中不含,起对照作用,其他条件均完全相同。本实验强调反应条件是沸水浴加热5 min,这样可加快颜色反应的速度,观察对比两试管的颜色时要等到冷却以后。
DNA的粗提取与鉴定中的“234”
1.下列有关限制酶的叙述,正确的是( )A.用限制酶切割一个DNA分子中部,获得一个目的基因时,被水解的磷酸二酯键有2个B.限制酶识别序列越短,则该序列在DNA中出现的概率就越大C.—CATG↓—和—G↓GATCC—序列被限制酶切出的黏性末端碱基数不同D.只有用相同的限制酶处理含目的基因的片段和质粒,才能形成重组质粒
2.下图是培育表达人乳铁蛋白的乳腺生物反应器的技术路线。图中tetR表示四环素抗性基因,ampR表示氨苄青霉素抗性基因,直线所示为BamH I、HindⅢ、SmaⅠ三种限制酶的酶切位点。下列叙述错误的是( ) A.将人乳铁蛋白基因插入载体,需用HindⅢ和BamH I限制酶同时酶切载体和人乳铁蛋白基因B.筛选含有重组载体的受体细胞首先需要在含四环素的培养基上进行C.能使人乳铁蛋白基因在乳腺细胞中特异性表达的调控序列是启动子等D.进行②过程前,需要对早期胚胎进行性别鉴定
3.下面图1为某植物育种流程,图2表示利用农杆菌转化法获得某种转基因植物的部分操作步骤。下列相关叙述错误的是( )
A.图1子代Ⅰ与原种保持遗传稳定性,子代Ⅱ和子代Ⅲ选育原理相同B.图1子代Ⅲ选育显性性状需自交多代,子代Ⅴ可能发生基因突变和染色体变异C.图2中①过程的完成需要限制酶和DNA连接酶的参与D.图2中⑥可与多个核糖体结合,并可以同时翻译出多种蛋白质
4.镰刀型细胞贫血症是一种单基因遗传病,患者的血红蛋白分子β-肽链第6位氨基酸谷氨酸被缬氨酸代替,导致功能异常。回答下列问题。(1)异常血红蛋白的氨基酸序列改变的根本原因是编码血红蛋白基因的 序列发生改变。 (2)将正常的血红蛋白基因导入患者的骨髓造血干细胞中,可以合成正常的血红蛋白达到治疗的目的。此操作 (填“属于”或“不属于”)蛋白质工程,理由是该操作 。 (3)用基因工程方法制备血红蛋白时,可先提取早期红细胞中的 ,以其作为模板,在 酶的作用下反转录合成cDNA。cDNA与载体需在限制酶和 酶的作用下,构建基因表达载体,导入受体菌后进行表达。
(4)检测受体菌是否已合成血红蛋白,可从受体菌中提取 ,用相应的抗体进行 杂交,若出现杂交带,则表明该受体菌已合成血红蛋白。
答案 (1)碱基对(或脱氧核苷酸) (2)不属于 没有对现有的蛋白质进行改造(或没有对基因进行修饰) (3)mRNA(或RNA) 逆转录 DNA连接 (4)蛋白质 抗原—抗体
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