高中生物專題1基因工程模塊提升課課件新人教選修310251235

模塊提升課第1課基因工程

答題必備語句1.基因工程的三種工具:限制性核酸內(nèi)切酶、DNA連接酶和載體。2.兩種DNA連接酶:(1)E·coliDNA連接酶:只連接黏性末端。(2)T4DNA連接酶:連接黏性末端或平末端。3.三種常用的載體:質(zhì)粒、λ噬菌體的衍生物、動植物病毒。4.基因工程的四步基本操作程序:目的基因的獲取→基因表達載體的構(gòu)建→將目的基因?qū)胧荏w細胞→目的基因的檢測與鑒定。5.獲取目的基因的三種方法:基因文庫獲取、PCR技術(shù)擴增和人工合成。6.基因表達載體的組成:目的基因+啟動子+終止子+標記基因+復制原點。7.目的基因?qū)肴N受體細胞的常見方法:(1)植物細胞:農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法、基因槍法和花粉管通道法。(2)動物細胞:顯微注射技術(shù)。(3)微生物細胞:感受態(tài)細胞法。8.目的基因的檢測與鑒定:(1)目的基因是否插入檢測方法:DNA分子雜交技術(shù)。(2)目的基因是否轉(zhuǎn)錄檢測方法:分子雜交技術(shù)。(3)目的基因是否翻譯檢測方法:抗原-抗體雜交技術(shù)。(4)個體水平檢測方法:抗蟲或抗病接種實驗。9.基因工程的應(yīng)用:(1)植物基因工程的應(yīng)用:主要用于提高農(nóng)作物的抗逆能力(如抗除草劑、抗蟲、抗病、抗干旱和抗鹽堿等),以及改良農(nóng)作物的品質(zhì)和利用植物生產(chǎn)藥物等方面。(2)動物基因工程的應(yīng)用:品種改良、建立生物反應(yīng)器、器官移植等。(3)基因治療:包括體外基因治療和體內(nèi)基因治療。10.蛋白質(zhì)工程:(1)目標:根據(jù)人們對蛋白質(zhì)功能的特定需求,對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行分子設(shè)計。(2)實質(zhì):通過基因修飾或基因合成,實現(xiàn)改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新蛋白質(zhì)。(3)途徑:預期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計預期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列。易錯易混辨析易錯點1混淆啟動子與起始密碼子,終止子與終止密碼子,不明確標記基因的作用提示:(1)啟動子≠起始密碼子,終止子≠終止密碼子。①啟動子:一段有特殊結(jié)構(gòu)的DNA片段,位于基因的首端。它是RNA聚合酶識別、結(jié)合的部位。②終止子:一段有特殊結(jié)構(gòu)的DNA片段,位于基因的尾端。作用是使轉(zhuǎn)錄過程停止。③起始密碼子和終止密碼子位于mRNA上,分別控制翻譯過程的啟動和終止。(2)標記基因:一般為抗生素抗性基因或熒光基因等,其作用是鑒別受體細胞中是否含有目的基因(目的基因是否導入成功),從而將含目的基因的細胞篩選出來。易錯點2誤認為切取目的基因與切取載體時“只能”使用“同一種酶”提示:(1)在獲取目的基因和切割載體時通常用同種限制酶,以獲得相同的黏性末端。但如果用兩種不同限制酶切割后形成的黏性末端相同時,在DNA連接酶的作用下目的基因與載體也可以連接起來。(2)為了防止載體或目的基因的黏性末端自己連接即所謂“環(huán)化”,可用不同的限制酶分別處理目的基因和載體,使目的基因兩側(cè)及載體上具有兩個不同的黏性末端。易錯點3誤認為限制酶、DNA連接酶和DNA聚合酶三種酶的功能和作用部位都不同提示:限制酶、DNA連接酶和DNA聚合酶三種酶的功能不同,但其作用部位相同,都是磷酸二酯鍵。1.青蒿素是青蒿植株的次級代謝產(chǎn)物,其化學本質(zhì)是一種萜類化合物,其生物合成途徑如圖1所示。正常青蒿植株的青蒿素產(chǎn)量很低,難以滿足臨床需求,科學家為了提高青蒿素產(chǎn)量,將棉花中的FPP合成酶基因?qū)肓饲噍镏仓瓴⒆屍涑晒Ρ磉_,獲得了高產(chǎn)青蒿植株,過程如圖2所示。請據(jù)圖回答問題:典題精練提能(1)研究人員從棉花基因文庫中獲取FPP合成酶基因后,可以采用__________技術(shù)對該目的基因進行大量擴增,該技術(shù)除了需要提供模板和原料外,還需要提供________酶、________種引物等條件。

(2)圖2中的①為________;將酶切后的棉花FPP合成酶基因和質(zhì)粒連接形成①時,需要________酶;①上的__________是目的基因轉(zhuǎn)錄時RNA聚合酶的結(jié)合位點。

(3)若②不能在含有抗生素Kan的培養(yǎng)基上生存,說明__________________。

(4)由題意可知,除了通過提高FPP的含量來提高青蒿素的產(chǎn)量外,還可以通過哪些途徑來提高青蒿素的產(chǎn)量?(試舉一例)__________________。

【解析】(1)研究人員已經(jīng)從棉花基因文庫中獲取FPP合成酶基因,目的基因的序列已知,可以用化學方法合成FPP合成酶基因或者采用PCR技術(shù)擴增FPP合成酶基因。PCR技術(shù)除了需要提供模板和原料外,還需要提供熱穩(wěn)定的DNA聚合酶、兩種引物等條件。(2)棉花FPP合成酶基因和酶切后的基因和質(zhì)粒連接形成圖2中的①,因此①是重組質(zhì)粒(基因表達載體),這個過程需要DNA連接酶。重組質(zhì)粒上的啟動子是目的基因轉(zhuǎn)錄時RNA聚合酶的結(jié)合位點。(3)質(zhì)粒中含有抗生素Kan抗性基因,可以在含有抗生素Kan的培養(yǎng)基上生存。若②不能在含有抗生素Kan的培養(yǎng)基上生存,說明重組質(zhì)粒(目的基因)沒有導入農(nóng)桿菌。(4)據(jù)圖1分析可知,FPP在ADS基因表達的情況下,生成青蒿素。此外,FPP在SQS基因表達的情況下,生成其他萜類化合物。因此,青蒿素除了通過提高FPP的含量來提高青蒿素的產(chǎn)量外,還可以通過抑制SQS基因表達或增強ADS基因的表達來提高青蒿素的產(chǎn)量。答案:(1)PCR熱穩(wěn)定的DNA聚合(Taq)兩(2)基因表達載體(重組質(zhì)粒)

DNA連接啟動子(3)重組質(zhì)粒(目的基因)沒有導入農(nóng)桿菌(4)抑制SQS基因的表達(或增強ADS基因的表達)2.(2021·濟南高二檢測)逆轉(zhuǎn)錄病毒載體是目前應(yīng)用較多的動物基因工程載體之一。運用逆轉(zhuǎn)錄病毒載體可以將外源基因插入受體細胞染色體,使外源基因隨染色體DNA一起復制和表達。研究發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄病毒基因組的核心部分包括三個基因:Gag基因(編碼病毒的核心蛋白)、pol基因(編碼逆轉(zhuǎn)錄酶)、env基因(編碼病毒的表面糖蛋白)。這些基因的兩端有LTR序列(含有啟動子、調(diào)節(jié)基因等),控制著逆轉(zhuǎn)錄基因組核心基因的表達及轉(zhuǎn)移。如圖是構(gòu)建逆轉(zhuǎn)錄病毒載體及用于培育轉(zhuǎn)基因小鼠的過程?；卮鹣铝袉栴}:(1)逆轉(zhuǎn)錄病毒的主要組成物質(zhì)有__________________。

(2)催化過程①的酶是____________,過程②③中需要的工具酶分別是____________________,過程④⑤常用的導入方法是______________。

(3)過程③中,外源基因一定要插入病毒DNA的LTR序列中的啟動子后,其主要目的是______________________。

(4)過程④中,導入病毒蛋白編碼基因(Gag、pol和env)的目的是________________________。

(5)如利用牛乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)人胰島素,則應(yīng)在構(gòu)建基因表達載體時,使目的基因與______________________等調(diào)控組件重組在一起,一般導入牛________細胞中,最終牛的乳汁中就含有人胰島素。

【解析】(1)逆轉(zhuǎn)錄病毒的主要組成物質(zhì)有RNA和蛋白質(zhì)。(2)過程①是以RNA為模板合成DNA,其酶是逆轉(zhuǎn)錄酶,過程②是提取目的基因,③是將目的基因與載體結(jié)合,需要的工具酶分別是限制酶和DNA連接酶,過程④⑤都是導入動物細胞,常用的導入方法是顯微注射法。(3)過程③中,外源基因一定要插入病毒DNA的LTR序列中的啟動子后,啟動子是RNA聚合酶的結(jié)合位點,啟動外源基因的轉(zhuǎn)錄,其主要目的是控制外源基因的表達與轉(zhuǎn)移。(4)過程④中,導入病毒蛋白編碼基因(Gag、pol和env)的目的是合成組成病毒的蛋白質(zhì)。(5)如利用牛乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)人胰島素,則應(yīng)在構(gòu)建基因表達載體時,使目的基因與乳腺蛋白基因的啟動子等調(diào)控組件重組在一起,這樣在乳腺細胞啟動乳腺蛋白基因轉(zhuǎn)錄的同時,也啟動人胰島素基因的轉(zhuǎn)錄,可以在乳汁中提取人胰島素;一般將牛受精卵細胞作為受體細胞,最終發(fā)育的母牛的乳汁中就含有人胰島素。答案:(1)RNA和蛋白質(zhì)(2)逆轉(zhuǎn)錄酶限制酶和DNA連接酶顯微注射法(3)控制外源基因的表達與轉(zhuǎn)移(4)合成組成病毒的蛋白質(zhì)(5)乳腺蛋白基因的啟動子受精卵3.為獲得含Bt殺蟲蛋白的轉(zhuǎn)基因馬鈴薯,研究人員把蘇云金芽孢桿菌中的Bt殺蟲蛋白基因?qū)腭R鈴薯體細胞,培育出轉(zhuǎn)基因馬鈴薯新品種?；卮鹣铝袉栴}:(1)Bt殺蟲蛋白基因來自蘇云金芽孢桿菌?？衫锰K云金芽孢桿菌細胞內(nèi)合成的____________通過逆轉(zhuǎn)錄形成單鏈DNA片段,從而獲得目的基因。在生物體外采用PCR技術(shù)擴增目的基因,擴增時需要加入引物,其引物是_______________。

(2)除了通過上述方法可以獲取Bt殺蟲蛋白基因外,還可以通過化學合成的方法獲取Bt殺蟲蛋白基因,其前提條件是通過Bt殺蟲蛋白的____________推導出mRNA核苷酸序列,再合成該基因的脫氧核苷酸序列,這樣合成的目的基因與從cDNA文庫獲取的目的基因相比,脫氧核苷酸序列可能不相同,原因是__________________________。

(3)構(gòu)建基因表達載體時,通常用同種限制性核酸內(nèi)切酶分別切割含目的基因的DNA片段和質(zhì)粒,原因是________________________________。

(4)從個體生物學水平鑒定轉(zhuǎn)基因馬鈴薯的培育是否成功,需要對轉(zhuǎn)基因馬鈴薯進行____________。

【解析】(1)Bt殺蟲蛋白基因來自蘇云金芽孢桿菌,是一種原核基因,可利用蘇云金芽孢桿菌細胞內(nèi)合成的mRNA通過逆轉(zhuǎn)錄形成單鏈DNA片段,從而獲得目的基因。在生物體外采用PCR技術(shù)擴增目的基因,擴增時需要加入引物,其引物是能與目的基因配對的一段脫氧核苷酸序列。(2)除了通過上述方法可以獲取Bt殺蟲蛋白基因外,還可以通過化學合成的方法獲取Bt殺蟲蛋白基因,其前提條件是先獲知Bt殺蟲蛋白的氨基酸序列,再通過Bt殺蟲蛋白的氨基酸序列推導出mRNA核苷酸序列,最后合成該基因的脫氧核苷酸序列;由于密碼子具有簡并性(一個氨基酸可能有多個密碼子),這樣合成的目的基因與從cDNA文庫獲取的目的基因相比,脫氧核苷酸序列可能不相同。(3)構(gòu)建基因表達載體時,為了使目的基因的DNA片段和質(zhì)粒具有相同的黏性末端,便于構(gòu)建基因表達載體,通常用同種限制性核酸內(nèi)切酶分別切割含目的基因的DNA片段和質(zhì)粒。(4)從個體生物學水平鑒定轉(zhuǎn)基因馬鈴薯的培育是否成功,需要對轉(zhuǎn)基因馬鈴薯進行抗蟲的接種實驗,若害蟲食用馬鈴薯后死亡,則表明轉(zhuǎn)基因馬鈴薯培育成功。答案:(1)mRNA能與目的基因配對的一段脫氧核苷酸序列(2)氨基酸序列密碼子具有簡并性(一個氨基酸可對應(yīng)多種密碼子)(3)使目的基因的DNA片段和質(zhì)粒具有相同的黏性末端,便于構(gòu)建基因表達載體(答案合理即可)(4)抗蟲的接種實驗4.許多大腸桿菌的質(zhì)粒上含有l(wèi)acZ基因,其編碼的產(chǎn)物β-半乳糖苷酶在X-gal和IPTG存在下,可以產(chǎn)生藍色沉淀,使菌落呈現(xiàn)藍色,否則菌落呈現(xiàn)白色?；蚬こ讨谐＠迷撛韽膶胭|(zhì)粒的受體細胞中篩選出真正導入重組質(zhì)粒的細胞,過程如圖所示。請據(jù)圖回答:(1)基因工程中,能使目的基因在受體細胞中特異性表達的調(diào)控序列是______________。

(2)限制酶EcoRⅠ的識別序列和切割位點是-G↓AATTC-,Sma

Ⅰ的識別序列和切割位點是-CCC↓GGG-。圖中目的基因被切割下來和質(zhì)粒連接之前,需在目的基因的右側(cè)連接相應(yīng)的末端,連接的末端序列是______________,連接過程中需要的基本工具是______________。

(3)轉(zhuǎn)化過程中,大腸桿菌應(yīng)先用______________處理,使其處于能吸收周圍DNA的感受態(tài)。

(4)菌落顏色為白色的是______________,原因是_______________________。

(5)菌落③中的目的基因是否表達,可采用的檢測方法是______________。

【解析】(1)啟動子是一段具有特殊序列的DNA片段,位于目的基因的首端,它是RNA聚合酶識別和結(jié)合的部位,在啟動子存在時才能驅(qū)動基因轉(zhuǎn)錄出mRNA,最終獲得所需要的蛋白質(zhì)。因此在基因工程中,能使目的基因在受體細胞中特異性表達的調(diào)控序列是啟動子。(2)由圖可知,目的基因的左側(cè)有限制酶EcoRⅠ的識別序列,右側(cè)是限制