高中生物必修选修3、选修1高考复习

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第一讲基因工程

[教材知识问题化梳理]

一、基因工程的基本工具

1．限制性核酸内切酶

(1)来源：主要从原核生物中分离纯化而来。

(2)作用：识别特定的核苷酸序列并切开相应两个核苷酸之间的磷酸二酯键。 2 (3)结果：产生黏性末端或平末端。

2．DNA连接酶

常用类型 E·coli DNA连接酶 T4DNA连接酶

来源 大肠杆菌 T4噬菌体

功能 连接黏性末端

连接黏性末端和平末端

结果 恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键

3．载体

(1)常用载体——质粒 化学本质 ：双链环状DNA分子特点

能自我复制有一个至多个限制酶切割位点有特殊的标记基因

(2)其他载体：λ噬菌体衍生物、动植物病毒等。

二、基因工程的操作程序

(1)目的基因的获取方法 ①从基因文库中获取②利用PCR技术扩增③通过化学方法人工合成

(2)基因表达载体构建组成 ①目的基因②启动子③终止子④标记基因

(3)将目的基因导入受体细胞方法 ①植物：农杆菌转化法、基 因枪法、花粉管通道法②动物：显微注射技术③微生物：感受态细胞法 3 (4)目的基因的检测与鉴定方法 ①利用DNA分子杂交技术 检测目的基因的有无②利用分子杂交技术检测 目的基因的转录③利用抗原—抗体杂交检 测目的基因的翻译④利用个体生物学水平的

检测鉴定重组性状的表达

三、蛋白质工程

(1)目的：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。

(2)操作手段：基因修饰或基因合成。

(3)设计流程：

[效果自评组合式设计]

一、在小题集训中洞悉命题视角

判断下列叙述的正误。

(1)限制酶只能用于切割目的基因。(×)

(2)DNA连接酶能将两碱基间通过形成氢键连接起来。(×)

(3)E·coli DNA连接酶既可连接平末端，又可连接黏性末端。(×)

(4)质粒是小型环状DNA分子，是基因工程常用的载体。(√)

(5)载体的作用是携带目的基因导入受体细胞中，使之稳定存在并表达。(√)

(6)利用PCR技术能合成目的基因。(×)

(7)目的基因导入双子叶植物一般采用农杆菌转化法。(√)

(8)检测目的基因是否导入受体细胞可用抗原—抗体杂交技术。(×)

(9)蛋白质工程的目的是改造或合成人类需要的蛋白质。(√)

(10)蛋白质工程的操作对象是蛋白质分子。(×)

二、在回顾教材图表中强化学科能力 4

据农杆菌转化法示意图回答下列问题：

(1)农杆菌T质粒中T－DNA具有怎样的特点？

答案：能转移到受体细胞，并且整合到受体细胞染色体的DNA上。

(2)农杆菌转化法的基本原理是什么？

答案：利用农杆菌T－DNA的可转移性，将目的基因插入T－DNA上通过农杆菌的转化，将目的基因导入受体细胞，并整合到植物细胞的染色体上。

(3)农杆菌转化法主要适用于哪类植物？

答案：双子叶植物和裸子植物。

基因工程的操作工具

1.限制性核酸内切酶

(1)识别序列的特点：呈现碱基互补对称，无论是奇数个碱基还是偶数个碱基，都可以找到一条中心轴线，如图，中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的。如

GC GC

CG CG

以中心线为轴，两侧碱基互补对称；CCAGGGGTCC以AT为轴，两侧碱基互补对称。

(2)切割后产生末端的种类——黏性末端和平末端。

当限制酶在它识别序列的中轴线两侧将DNA的两条链分别切开时，产生的是黏性末端，而当限制酶在它识别序列的中轴线处切开时，产生的则是平末端，如下图所示： 5

2．限制酶与DNA连接酶的关系

3．载体具备的条件

条件 适应性

稳定并能复制 目的基因稳定存在且数量可扩大

有一个至多个限制酶切割位点 可携带多个或多种外源基因

具有特殊的标记基因 便于重组DNA的鉴定和选择

[联前系后]

——————————————————————————————————————

限制酶与连接酶的作用位点

(1)限制酶与连接酶都作用于磷酸二酯键。

(2)切割质粒需使用限制酶1次，切割目的基因则需要使用相同的限制酶2次。因为质粒是环状DNA，而目的基因在DNA分子链上。

——————————————————————————————————————

[例1] 下图是基因工程中利用pBR322质粒(Ampr表示氨苄青霉素抗性基因，Tetr表示四环素抗性基因)与抗病基因构建重组质粒的示意图，该质粒上的PstⅠ、SmaⅠ、EcoRⅠ、ApaⅠ等四种限制酶的识别序列及切割位点见下表。结合图表分析，下列叙述错误的是

( ) 6

A．pBR322质粒、抗病基因和重组质粒的基本组成单位都是脱氧核苷酸

B．形成重组质粒时，应选用限制酶PstⅠ和EcoRⅠ对含抗病基因的DNA、质粒进行切割

C．一个质粒被限制酶EcoRⅠ、PstⅠ、SmaⅠ同时切割后可得到3个DNA片段和6个黏性末端

D．将受体细胞置于含有四环素的培养基上培养，可筛选出已导入抗病基因的受体细胞

[解析] 图中pBR322质粒、抗病基因和重组质粒都是DNA分子，其基本组成单位都是脱氧核苷酸；通过分析含抗病基因的DNA，可知该DNA含三个限制酶切割位点，其中SmaⅠ的切割位点位于抗病基因内部，因此用PstⅠ、EcoRⅠ才能完整地切下该抗病基因；一个质粒被限制酶EcoRⅠ、PstⅠ、SmaⅠ同时切割后可得到3个DNA片段，产生6个末端，从表格信息可知，EcoRⅠ、PstⅠ切割产生的4个末端是黏性末端，而SmaⅠ切割产生的2个末端是平末端；当EcoRⅠ切割质粒时，氨苄青霉素抗性基因(Ampr)已受到破坏，因此，在筛选时，应将受体细胞置于含有四环素的培养基上培养。

[答案]

C

基因工程的操作过程

1.获取目的基因

(1)直接分离 从基因组文库中获取：即用限制酶进行 切割、分离从cDNA文库中获取：即利用mRNA反 转录形成利用PCR扩增技术：获取大量目的基因

(2)人工化学合成：适用于分子较小的基因。

2．基因表达载体的构建——基因工程的核心 7 (1)目的：使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代，同时使目的基因能够表达和发挥作用。

(2)基因表达载体组成 目的基因启动子：为RNA聚合酶识别和结合部位， 驱动转录mRNA终止子：使转录终止的特殊结构的DNA 片段标记基因：为鉴定受体细胞是否含有目的 基因

(3)构建过程：

3．将目的基因导入受体细胞

生物种类 植物细胞 动物细胞 微生物细胞

常用方法 农杆菌转化法 显微注射技术 感受态细胞法

受体细胞 体细胞 受精卵 原核细胞

转化

过程 将目的基因插入到Ti质粒的T－DNA上→农杆菌→导入植物细胞→整合到受体细胞的染色体DNA上→表达 将含有目的基因的表达载体提纯→取卵(受精卵)→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的动物 Ca2＋处理细胞→感受态细胞→重组表达载体与感受态细胞混合→感受态细胞吸收DNA分子

4．目的基因的检测与鉴定 8

[例2] 重组酵母乙肝疫苗是一种乙肝表面抗原(HbsAg)亚单位疫苗，它是采用现代生物技术将乙肝病毒表达表面抗原的基因进行质粒构建，导入啤酒酵母菌中，通过培养这种重组酵母菌来表达乙肝表面抗原亚单位。科学家利用基因工程生产乙肝疫苗的过程如图所示，请回答下列问题：

乙肝病毒――→① HbsAg 基因载体――→② 重组DNA③,酵母菌――→④ 乙肝疫苗

(1)自1979年对乙型肝炎病毒基因组的DNA测序完成后，得知病毒的核心蛋白和表面抗原蛋白的氨基酸序列。因此在①过程中可通过________获取HbsAg基因。

(2)在②过程中需要用到的工具酶有________。重组DNA分子中除了具有HbsAg基因和标记基因外，还应包括________和________。

(3)列举酵母菌作为基因工程的受体细胞的一个优点：

________________________________________________________________________。重组DNA导入酵母菌前，

用________处理酵母菌，使之成为感受态细胞，有利于完成转化过程。

(4)检测重组酵母菌中的HbsAg基因是否表达乙肝表面抗原亚单位的方法是________技术。

[解析] (1)如果目的基因比较小，核苷酸序列又已知可以通过DNA 合成仪用化学方法直接人工合成。(2)②过程中应先用同一种限制酶切割目的基因和载体，然后用DNA连接酶将切下来的DNA片段拼接成重组DNA。构建的基因表达载体除了目的基因和标记基因外，还必须有启动子、终止子。(3)基因工程用酵母菌作为受体细胞，是因为它具有繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少等特点；将目的基因导入酵母菌时，首先用Ca2＋处理细胞，使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态，然后将重组表达载体DNA分子与感受 9 态细胞混合，在一定的温度下促进感受态细胞吸收重组DNA分子，完成转化过程。(4)检测目的基因是否翻译成蛋白质的方法是从重组酵母菌中提取蛋白质，且相应的抗体进行抗原—抗体杂交，若有杂交带出现，表明目的基因已表达。

[答案] (1)化学方法直接人工合成 (2)限制酶和DNA连接酶 启动子 终止子 (3)繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少等 Ca2＋ (4)抗原—抗体杂交

易误点 不能区分酶的作用部位及蛋白质工程与基因工程

失误类型 知识理解类失误

[认知纠偏]

1．五种DNA相关酶的比较

作用底物 作用部位 形成产物

限制酶 DNA分子 磷酸二酯键 黏性末端或平末端

DNA连接酶 DNA片段 磷酸二酯键 重组DNA分子

DNA聚合酶 脱氧核苷酸 磷酸二酯键 子代DNA

DNA解旋酶 DNA分子 碱基对间的氢键 形成脱氧核苷酸单链

DNA(水解)酶 DNA分子 磷酸二酯键 游离的脱氧核苷酸

2．蛋白质工程与基因工程的比较

项目

区别与联系 蛋白质工程 基因工程

区

别 过程 预期蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列 获取目的基因→构建基因表达载体→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定

实质 定向改造或生产人类所需的蛋白质 定向改造生物的遗传特性，以获得人类所需的生物类型或生物产品

结果 可生产自然界没有的蛋白质 只能生产自然界已有的蛋白质

联 系 ①蛋白质工程是在基因工程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