专题12基因工程和细胞工程

1专题12基因工程和细胞工程一、高考要求内容等级要求ⅠⅡ基因工程的诞生基因工程的原理及技术基因工程的应用蛋白质工程√√√√植物的组织培养动物的细胞培养与体细胞克隆细胞融合与单克隆抗体√√√二、知识建构基因工程的基本操作程序基因表达载体的构建（基因工程的核心）基因表达载体的组成目的基因启动子终止子标记基因目的基因的获取目的基因：指编码蛋白质结构基因方法从基因文库中获取人工合成利用PCR技术扩增目的基因将目的基因导入受体细胞方法导入植物细胞的方法导入动物细胞的方法导入微生物的方法目的基因的检测和鉴定检测鉴定限制性内切酶（分子手术刀）：来源、功能、切割后的DNA末端DNA连接酶（分子缝合针）：种类、功能基因进入受体细胞的载体（分子运输车）：条件、种类DNA重组技术的基本工具基因工程的应用转基因植物转基因动物基因工程药物蛋白质工程的崛起基因工程2三、考点分析有关基因工程的备考，高考中可能涉及到本考题的热点问题，有如下几个方面：1.基因工程的基本步骤：目的基因的获取、基因表达运载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因表达的检测与鉴定几个步骤。2.转基因技术的应用：(1)转基因动植物，如抗虫、抗病、抗逆、抗除草剂，抗倒伏的植物；产肉、产蛋量高、生长快、耐粗饲料的动物；此外，转基因动物为人类异体器官移植提供了可能。(2)基因药物：如人造胰岛素、人造生长激素、溶血栓的尿激酶原等。(3)基因治疗：美国对复合型免疫缺陷症的治疗；糖尿病的治疗：许多科学家希望利用基因工程手段将正常的合成胰岛素基因导入患者体内，并准确表达，以此来修复或替代失去正常功能的胰岛B细胞，从而维持机体血糖平衡。3.蛋白质工程与基因工程的区别：蛋白质工程就是根据蛋白质的精细结构与功能之间的关系，利用基因工程的手段，按照人类自身的需要，定向地改造天然的蛋白质，甚至创造新的、自然界本不存在的、具有优良特性的蛋白质分子。蛋白质工程自诞生之日起，就与基因工程密不可分。基因工程是通过基因操作把外源基因转入适当的生物体内，并在其中进行表达，它的产品还是该基因编码的天然存在的蛋白质。蛋白质工程则更进一步。它可以根据对分子预先设计的方案，通过对天然蛋白质的基因进行改造，来实现对它所编码的蛋白质进行改造。因此，它的产品已不再是天然的蛋白质，而是经过改造的、具有了人类所需要的优点的蛋白质。天然蛋白质都是通过漫长的进化过程而形成的，而蛋白质工程对天然蛋白质的改造，好比是在实验室里加快了进化的过程。细胞的全能性：概念、原因、大小植物细胞工程过程：外植体→愈伤组织→胚状体→植物体脱分化：形成愈伤组织再分化：植物细胞选择性表达，形成胚状体特点：子代与亲代性状高度遗传植物组织培养去细胞壁：纤维素酶、果胶酶诱导剂：PEG融合完成的标志：新细胞壁的形成过程：原生质体融合+组织培养植物体细胞杂交诱导剂：PEG、灭活病毒动物细胞融合主要应用：单克隆抗体微型繁殖作物脱毒人工种子植物细胞工程的实际应用植物繁殖的新途径单倍体育种突变体的利用细胞产物的工厂化生产动物细胞工程动物体细胞核移植技术和克隆动物动物细胞培养核移植技术和克隆动物的概念动物体细胞核移植技术的过程动物体细胞核移植技术的应用前景动物体细胞核移植技术存在的问题细胞工程3有关细胞工程，高考中可能涉及到的考点有如下几个方面：4．理解细胞全能性的概念，把握细胞全能性的特点：细胞全能性是指生物体的细胞具有形成完整个体的潜能的特性。受精卵、生殖细胞和已分化的体细胞均具有全能性。生物体的细胞具有全能性的根本原因是细胞内含有形成完整个体所需的全套基因。同一个体的每一个已分化的体细胞都由受精卵经有丝分裂而来，体细胞核内基因与受精卵一样，因此都具有全能性。分化的体细胞之所以没有表达出全能性，是因为基因选择性表达。在离体和适当的条件下，分化的体细胞也能表达其全能性。全能性表达的难易程度：受精卵＞生殖细胞＞体细胞；植物细胞＞动物细胞。5．植物组织培养操作的特点：（1）选择外植体时，由于外植体的脱分化难易因植物种类、器官来源及生理状况的不同而有很大差异。花和幼嫩的组织脱分化较为容易，而植物的茎、叶和成熟的老组织则较难。另外制备外植体时应选取有形成层的部分，因为形成层细胞易脱分化。（2）消毒。植物组织培养要想取得成功，必须有效防止细菌等的污染。因为如果培养基上有细菌等微生物存在时，它们比植物细胞生长、繁殖得更快，而且它们会产生毒素，使培养的植物细胞很快中毒死亡。因此在培养过程中要求进行一系列的消毒、灭菌，并且要求无菌操作。（3）光照。离体的植物细胞、组织和器官脱分化形成愈伤组织时，需避光处理。愈伤组织再分化形成植物幼苗时，需光照处理。（4）激素调控：生长素含量高于细胞分裂素时，主要诱导植物组织脱分化和根原基的形成；当细胞分裂素的效应高于生长素时，主要诱导植物组织再分化和芽原基的形成。6．植物体细胞杂交杂种细胞的筛选和培养：以烟草与大豆细胞融合为例。烟草与大豆的原生质体融合后，将原生质体转移到适当的培养基上培养，使原生质体再生出细胞壁。这时，在细胞混合物中，不仅有烟草-大豆细胞，还有烟草细胞、大豆细胞、烟草-烟草细胞、大豆-大豆细胞，因此需要对杂种细胞进行筛选。得到烟草-大豆细胞后，再通过植物组织培养技术，培育杂种植株。7．微型繁殖与无性生殖：微型繁殖是用于快速繁殖优良品种的植物组织培养技术，实际上是无性生殖的一种。在繁殖的过程中，细胞进行有丝分裂，因此亲、子代细胞内DNA相同，具有相同的基因，因此能保证亲、子代遗传特性不变。利用这种技术能高效快速实现种苗的大量繁殖。8．微型繁殖与作物脱毒、人工种子、单倍体育种：作物脱毒、人工种子、单倍体育种的培育过程均有采用微型繁殖的技术。作物脱毒主要是强调微型繁殖的取材一定是无毒（的如茎尖、根尖），才能繁殖出无毒的幼苗。人工种子采用的还是微型繁殖的技术，但是只需培育得到胚状体、不定芽、顶芽和腋芽，包上人工种皮就可形成人工种子。人工种子与微型繁殖得到的幼苗一样能保持亲本的优良性状，另外还可不受气候、季节和地域的限制。单倍体育种的优点是后代无性状分离，后代都是纯合子，能够稳定遗传，明显缩短育种年限。单倍体育种从本质上说属于有性生殖，这一点与微型繁殖有所区别。但单倍体育种首先要进行花药离体培养，采用还是微型繁殖的技术，然后用秋水仙素处理，获得纯合子。9．动物细胞培养的过程10．动物细胞培养与植物组织培养的区别：动物细胞培养与植物组织培养有许多相似之处，也有许多不同点。一是它们用的培养基不同，植物组织培养用的一般是固体培养基，而10代细胞动物血清、葡萄糖、氨基酸、无机盐、维生素剪碎、胰蛋白酶、动物胚胎或幼龄动物器官、组织单个细胞细胞悬浮液50代细胞……细胞株细胞系原代培养传代培养4动物细胞培养用的一般是液体培养基。第二是它们的培养基的成分不同。动物细胞培养的培养液中通常含有葡萄糖、氨基酸、无机盐和维生素，另外还有动物血清。植物组织培养所需要的培养基包含植物生长和发育的全部营养成分，如矿质元素、蔗糖、维生素、植物激素和有机添加物，没有动物血清。第三是植物组织培养最后一般得到新的植物个体，而动物细胞培养因为动物体细胞一般不能表达其全能性，因此得到的是同一种的细胞。11．把握动物体细胞移植的特点：动物体细胞移植依据的原理还是细胞的全能性，与植物组织培养一样属于无性生殖。虽然细胞核内具有发展成为一个完整个体所需的全套基因，但动物体细胞分化程度较高，因此很难表达全能性。卵细胞体积大，易于操作，含有促使细胞核表达全能性的物质和营养条件。将体细胞核移植入去核卵细胞内，既保证了重组细胞的完整性，又能刺激体细胞核表达其全能性，发展成为一个新的个体。动物体细胞移植产生的新个体的亲本有三个：体细胞核供体、卵细胞细胞质供体、代孕母体。新个体细胞核基因型与体细胞核供体完全一样，因此新个体性状与体细胞核供体基本相同。卵细胞细胞质中也有少量的DNA，新个体性状与卵细胞细胞质供体有一些地方相同。代孕母体没有为新个体提供遗传物质，新个体性状与代孕母体基本没有联系。12．动物细胞融合与植物体细胞杂交的异同：比较项目细胞融合的原理细胞融合的方法诱导手段用途植物体细胞杂交细胞膜的流动性用纤维素酶、果胶酶去除细胞壁后诱导原生质体融合离心、电刺激、振动、聚乙二醇（PEG）诱导克服远源杂交不亲和，获得杂种植株动物细胞融合细胞膜的流动性用胰蛋白酶使细胞分散后诱导细胞融合除应用植物细胞杂交手段外，还有用灭活病毒诱导制备单克隆抗体13．单克隆抗体的应用：单克隆抗体可以作为诊断试剂，准确识别各种抗原物质，与抗原的特异性结合具有准确、高效、简易、快速的特点。单克隆抗体还可以用于治疗疾病和运载药物：主要用于治疗癌症。单克隆抗体作为载体，运载抗癌药物，形成“生物导弹”，准确杀伤癌变细胞。四、典例解析例1．科学家将β干扰素基因进行定点突变导入大肠杆菌表达，使干扰素第17位的半胱氨酸改变成丝氨酸，结果大大提高β-干扰素的抗病性活性，并且提高了储存稳定性，该生物技术为A、基因工程B、蛋白质工程C、基因突变D、细胞工程解析:基因工程是通过对基因的操作，将符合人们需要的目的基因导入适宜的生物体，原则上只能生产自然界已存在的蛋白质，蛋白质工程是指以蛋白质分子结构规律及其与生物功能的关系为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产或或生活需要。本题中合成的β干扰素不是天然的，因此，属于蛋白质工程。答案B例2．(07•江苏)很久以前科学家在土壤中发现了某种细菌能制造一种对昆虫有毒的蛋白质，当时许多人就想把编码这一蛋白质的基因(抗虫基因)转移到农作物中，以降低昆虫对农作物造成的危害。20世纪90年代，美国科学家采用基因工程技术首次培育出抗虫玉米新品种。下图为这一转基因玉米的主要培育过程。5(1)获得特定目的基因的途径除了从该细菌中直接分离抗虫基因外，还可以。将目的基因与运载体结合时必须用酶和DNA连接酶。在基因工中，常用的运载体有等，而作为运载体必须具备相应条件，例如，应具有以便进行筛选。（2）由转基因玉米细胞经过形成愈伤组织，然后发育成胚状体和试管苗。若要制备转基因玉米的人工种子，可选择上图实验过程中的再包裹合适的等。解析:本题考查基因工程的工具和操作过程。（1）提取目的基因除可采用直接分离法外，还可进行人工合成。目的基因与运载体结合时需先用同种．．限制酶切割目的基因和运载体，以产生相同的黏性末端，再用DNA连接酶连接DNA分子的缺口形成重组DNA分子。该问的最后一空注意不能写“抗性基因”，而应是标记基因，因为除抗性基因外还可以是颜色反应的基因等。（2）问回顾教材内容即可作答。答案:(1)人工合成同种限制质粒(或动植物病毒或噬菌体等)标记基因(2)脱分化(或去分化)胚状体人造种皮例3．(07•广东)香蕉原产热带地区，是我国南方重要的经济作物之一。广东省冬季常受强寒潮和霜冻影响，对香蕉生长发育影响很大。由香蕉束顶病毒（BBTV，单链环状DNA病毒）引起的香蕉束顶病，对香蕉生产的危害十分严重。当前香蕉栽培品种多为三倍体，由于无性繁殖是香蕉繁育的主要方式，缺少遗传变异性，因此利用基因工程等现代科技手段提高其种质水平，具有重要意义。请根据上述材料，回答下列问题：（1)简述香蕉大规模快速繁殖技术的过程。（2）脱毒香蕉苗的获得，可采用的方法，此方法的依据是和。(3）建立可靠的BBTV检测方法可以监控脱毒香蕉苗的质量，请问可用哪些方法检测病毒的存在？（列举两种方法）(4)在某些深海鱼中发现的抗冻蛋白基因afp对提高农作物的抗寒能力有较好的应用价值，该基因可以从这些鱼的DNA中扩增得到。试述在提取和纯化DNA时影响提纯效果的因素及其依据。（列举两点）（5）如何利用afp基因，通过转基因技术获得抗寒能力提高的香蕉植株？在运用转基因香蕉的过程中，在生态安全方面可能会出现什么问题？（列举两点）（6)从细胞工程的角度出发，简述一种培育抗寒香蕉品种的方法及其依据。另外，抑制果胶裂解酶的活性可以延长香蕉果实储藏期，请描述采用蛋白质工程技术降低该酶活性的一般过程。解析:脱毒植物就是培育无病毒