基因工程应用

第3节基因工程的应用【本节重难点】重点：1.基因工程在农业和医疗等方面的应用难点：1.基因治疗【知识精讲】教材梳理知识点一植物基因工程的应用植物基因工程技术主要用于提高农作物的抗逆能力（如抗除草剂、抗虫、抗病、抗干旱和抗盐碱等）以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面。1.提高抗逆性（1）常用抗虫基因：用于抗虫（杀虫）的基因主要是Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等。（2）常用抗病基因：a.抗病毒基因有：病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因；b.抗真菌基因有：几丁质酶基因和抗毒素合成基因（3）其他抗逆基因：环境条件对农作物的生产会造成很大影响，并且这些影响是多方面的，因此，抗逆性基因也有多种多样，如：抗盐碱和干旱的调节细胞渗透压基因、抗冻基因、抗除草剂基因等等。2.改良植物品质由于人们的食品含有的营养不平衡，不能满足人们对食品的要求，这样，可以通过转基因技术，使植物能够合成某些本来不能合成的物质。如科学家将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，或者改变这些氨基酸合成途径中某种关键酶的活性，以提高氨基酸的含量。3.生产药物基因工程不但促进了传统技术的变革，也为人类提供了传统产业难以得到的许多昂贵药品，并已形成基因工程制药业的雏形。目前诸如人胰岛素、人生长激素、人脑激素、α－干扰素、乙肝疫苗、蛋白C、组织血纤维蛋白溶酶原激活剂等数十种基因工程药物已实现商品化。此外，还有促红细胞生成素、白细胞介素－2、肾素、心钠素等一大批珍贵药品正处于试用或临床试验阶段。知识点二动物基因工程的应用1.用于提高动物生长速度：由于外援生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得更快，将这类基因导入动物体内，以提高动物的生长速率。如：转基因绵羊和转基因鲤鱼。2.用于改善畜产品的品质：基因工程可用于改善畜产品的品质。如：有些人对牛奶中的乳糖不能完全消化或食用后会出现过敏、腹泻、恶心等不适症状，科学家将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，这样所获得的牛奶其成分不受影响，但乳糖的含量大大减低。3.用转基因动物做器官移植的供体：目前，人体移植器官短缺是一个世界性的难题，用其它动物的器官替代，又会出现免疫排斥现象，现在，科学家正试图利用基因工程方法对一些动物的器官进行改造，培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆器官。知识点三基因治疗1.概念：基因治疗是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，这是治疗遗传病的最有效的手段。2.方法：体外基因治疗和体内基因治疗体外基因治疗：先从病人体内获得某种相关细胞，进行培养，然后在体外完成基因转移，再筛选成功转移的细胞扩增培养，最后重新输入患者体内，这种方法叫做体外基因治疗。体内基因治疗：直接向人体组织细胞中转移基因的治疗方法叫做体内基因治疗。说明：对于遗传病的治疗最根本的方法是进行基因替换或修复。基因治疗的最佳时期理论上是受精卵时期，这样可以使个体的每个细胞都含有正常基因，但在现实生活中是不可能的，因为不可能人人在受精卵时期进行基因检查。其次是对患者进行相关细胞的基因替换，如：对于遗传性糖尿病患者，只对胰腺的B细胞进行基因替换，该个体就能正常分泌胰岛素，糖尿病得以治疗；但这种局部细胞的基因替换，并没有改变其它部位细胞的基因，如精原细胞，其后代很大可能还会患遗传性糖尿病。教材拓展拓展点一该节内容是对第2节知识的综合运用，是近几年及今后几年高考的主考点。在学习这部分知识时，要注意以下几点：1.熟练、灵活掌握第2节的基础知识，形成系统的、完善的知识体系2.目的基因来自其他生物，目的基因和受体细胞的基因构成基因重组，这是基因工程的原理。3.常考知识为基因操作的基本步骤4.相关知识为DNA的结构和复制、基因控制蛋白质的合成及对性状的控制、基因突变、酶的性质和作用、其他生物工程等5.解决的方法是学好相关知识，达到灵活运用程度，进行知识迁移。拓展点二基因治疗的过程（以镰刀形细胞贫血症的治疗为例）步骤过程获取正常的血红蛋白基因用限制性核酸内切酶从人的DNA分子中切取血红蛋白基因形成重组载体用同一种限制性核酸内切酶在载体DNA上切开一个切口，用DNA连接酶将正常血红蛋白基因连接在载体DNA上，形成重组载体重组载体的转化与筛选将携带正常血红蛋白基因的重组载体导入患者的造血干细胞中，并将重组载体插入到染色体。用选择培养基筛选出含重组质粒的造血干细胞。将含正常血红蛋白基因的造血干细胞回输给患者骨髓将携带正常血红蛋白基因的造血干细胞输入患者骨髓中，此造血干细胞产生含正常血红蛋白的红细胞，以根治镰刀形细胞贫血症拓展点三利用微生物生产药物的优越性所谓利用微生物生产蛋白质类药物，是指将人们需要的某种蛋白质的编码基因，构建成表达载体后导入微生物，然后利用微生物发酵来生产蛋白质类药物。与传统的制药相比有以下优越性：1.利用活细胞作为表达系统，表达效率高，无需大型装置和大面积厂房就可以生产出大量药品。2.可以解决传统制药中原料来源的不足。例如，胰岛素是治疗糖尿病患者的药物，一名糖尿病患者每年需用的胰岛素需要从40头牛或50头猪的胰脏中才能提取到。1978年科学家用2000L大肠杆菌发酵液得到100g胰岛素，相当于从1000kg猪胰脏中提取的量。又如，生长素是治疗侏儒症患者的药物，治疗一名侏儒症患者每年需要从80具尸体的脑下垂体中提取生长素。利用基因工程菌发酵生产就不需要从动物或人体上获取原料。3.降低生产成本，减少生产人员和管理人员。【典题分类精析】考点一、植物基因工程的应用例1．下列说法正确的是A．用基因工程方法培育抗虫植物也能抗病毒B．基因工程在畜牧业上应用的目的是培育体型巨大、品质优良的动物C．任何一种假单孢杆菌都能分解四种石油成分，因此，假单孢杆菌是“超级细菌”D．基因工程在农业生产上的应用主要是培育高产、稳产、品质优良和具有抗性的农作物分析：本题考查基因工程的应用。用基因工程方法培育的抗虫植物(如抗虫棉)不能抗病毒；科学家培养超级动物的更重要的目的是利用某些特定的外源基因在哺乳动物体内表达，获得人类所需要的各类物质(如激素、酶、抗体等)；每一种假单孢杆菌只能分解石油中的某一种成分，科学家利用生物工程的方法，把能分解三个烃类的基因转移到能分解另一种烃类的假单孢杆菌内，创造出了能同时分解四种烃类的超级细菌。答案：D点评：抗虫和抗病毒不是一回事，抗虫棉转入的基因能够合成毒蛋白，害虫吃了这种毒蛋白后，能抑制害虫正常的新陈代谢，而对病毒不起作用，所以，抗虫棉抗虫而不抗病毒。（参见知识点1）例2.金茶花是中国特有的观赏品种，但易得枯萎病，降低观赏价值。科学家在某种植物中找到了抗枯萎病的基因，用转基因方法培育出了抗枯萎病的新品种。请据图回答：（1）获得②一般用的方法，①和②结合能形成③，最重要的是①和②经处理后具有。（2）在⑤→⑥过程中，获得抗病基因的金茶花细胞将经历和过程后才能形成⑦。（3）抗枯萎病金茶花的培育成功说明一种生物的基因表达系统能够识别来自另一种生物的DNA的___________。（4）欲快速培育大量该抗病新品种，应该采用的技术是____________________。通过转基因方法获得的抗病金茶花，将来产生的配子中是否一定含有抗病基因？。分析：要获得具有抗病基因的重组载体，首先用限制性内切酶切出抗病基因（目的基因），并用同一种限制性内切酶在质粒这一环状DNA上切口，再用DNA连接酶将目的基因与质粒连接在一起，形成重组载体。将重组载体导入茶花细胞中，由这一细胞发育成的植株就产生了抗病性，说明抗病基因已得到了表达。如果重组载体存在于茶花细胞的细胞质中，则抗病基因在茶花的有性生殖中符合细胞质遗传，即产生的雌配子中含有抗病基因，而雄配子中一般不含有抗病基因。如果重组载体整合到了茶花细胞和中的DNA分子上，则抗病基因在茶花的有性生殖中基因发生重组，产生的配子中也不一定含有抗病基因。因此，保持后代都具有抗病性状的最好方法是无性繁殖，如植物组织培养（克隆）。答案：（1）人工合成基因相同的黏性末端（2）脱分化再分化（3）脱氧核苷酸序列（遗传信息或碱基序列）（4）植物组织培养不一定点评：绝大多数目的基因导入受体细胞中后，跟染色体DNA结合，属于核遗传。考点二、动物基因工程的应用例3．原有基因通过DNA重组技术得以改造的动物称为转基因动物。现在这一技术可使羊奶中含有人体蛋白质，人类控制蛋白质合成的基因可以替代羊染色体上的相似基因，右图表示了这一技术的基本过程。请回答：（1）人体蛋白质基因之所以能“插入”到羊染色体内，原因是。（2）从羊染色体中“剪下”羊蛋白质基因的酶是。将人体蛋白质基因“插入”羊体细胞染色体中的酶是。（3）将人体蛋白质基因导入羊体内并成功地表达，使羊产生新的性状。这种变异属于。（4）举出两例说明转基因技术的应用：①；②。（5）假设人体蛋白质基因含有12000个碱基对，则该基因控制合成的蛋白质共有个氨基酸。分析：本题考查识图能力、理解能力、分析问题能力和表达水平。主要考查知识点是：蛋白质的结构、基因对性状的控制、转基因技术、蛋白质的简单计算、应用等知识点。（1）人体蛋白质基因要能够“插入”到羊染色体内，必须要求人的DNA分子和羊染色体的DNA分子具有相同的空间结构和化学组成。（2）基因的“剪刀”是限制性内切酶，基因的“针线”是DNA连接酶。（3）通过将人的基因重新组合到羊的DNA分子中，从而使羊产生新的性状，所以这种变异属于基因重组。（4）实际的例子还有：培育抗虫棉、培育“向日葵豆”植株、基因治疗、在动物的乳腺细胞中培育人类需要的激素、抗体、酶等。（5）按照基因中每3对碱基决定1个氨基酸即可计算得出。答案：（1）①人和羊DNA分子的空间结构、化学组成相同；②有互补的碱基序列（答出其中一点即可）（2）限制性内切酶；DNA连接酶（3）基因重组（4）①培育转基因超级动物；②提供器官移植的来源（其他合理答案亦给分）（5）4000点评：目的基因导入受体细胞后，绝大多数跟染色体DNA结合。——知识点2考点三、基因治疗例4．如果通过转基因技术，成功改造了某血友病女性的造血干细胞，使其凝血功能全部恢复正常。当她与正常男性结婚，婚后所生子女的表现型为A．儿子、女儿全部正常B．儿子、女儿中各一半正常C．儿子全部有病，女儿全部正常D．儿子全部正常，女儿全部有病分析：通过转基因技术改造人的造血干细胞，就是将健康人的正常基因导入患者体内，合成凝血因子，恢复正常的凝血功能。答案：C点评：血友病为X染色体上的隐性遗传病，本题中完成转基因的细胞只有造血干细胞，而正常的体细胞和精原细胞没有进行转基因，女性患者所产生的卵细胞仍然含有血友病基因，所以，所生男孩都患病。这是做错本题的主要原因。例5.18.1990年对一位缺乏腺苷脱氨酶基因，而患先天性体液兔疫缺陷病的美国女孩进行基因治疗，其方法是首先将患者的白细胞取出作体外培养，然后用逆转录病毒将正常腺苷脱氨酶基因转入人工培养的白细胞中，再将这些转基因白细胞回输到患者的体内，经过多次治疗，患者的免疫功能趋于正常。（1）为使体外培养细胞的工作成功，必须考虑的培养条件是，培养液须含有。（2）在基因治疗过程中，逆转录病毒的作用相当于基因工程中基因操作工具中的，此基因工程中的目的基因是，目的基因的受体细胞是。（3）将转基因白细胞多次回输到患者体内后，兔疫能力趋于正常是由于产生了，产生这种物质的两个基本步骤是、。分析：基因治疗把健康的外源基因导人有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的。导入的健康的基因能在受体细胞（白细胞）中通过转录和翻译合成相应的基因产物（抗体），使病人体内的抗体水平恢复正常，达到治疗的目的。答案：（1）pH渗透压、温度以及无菌等；有机物、无机盐、维生素、O2、水等（2）运载体腺苷脱氨酶基因白细胞（3）抗体（或腺苷脱氨酶）转录片翻译点评：抗体的化学本质是蛋白质，蛋白质是通过转录和翻译合成的。考点四、生物防治与化学防治例6．随着科学技术的发展，化学农药的产量和品种逐年增加。但害虫的抗药性也不断增强，对农作物的危害仍然很严重，如近年来棉铃虫在我国大面积爆发成灾，造成