2019-2020学年高中生物 第四章 遗传的分子基础 第四节 基因突变和基因重组 第2课时 基因工

第2课时基因工程及其应用1.基因工程的基本原理。(重、难点)2.基因工程的应用。(难点)一、阅读教材P90第三段～P92完成基因工程的原理1．概念：基因工程，又叫做DNA重组技术，是把在一个生物体内分离得到或人工合成的目的基因导入另一个生物的细胞，定向地使后者获得新的遗传性状或表达所需产物的技术。2.基因工程最基本的工具：限制性核酸内切酶、DNA连接酶、载体等。3.基因工程操作的基本步骤：提取目的基因、选择基因工程的运载体、目的基因与运载体结合、导入目的基因、检测与鉴定目的基因、目的基因表达。二、阅读教材P92完成基因工程的应用(1)生产特殊蛋白质，如胰岛素、乙肝疫苗等。(2)动植物的遗传改良，如转基因抗虫棉。(3)人类基因治疗。判一判(1)基因工程的原理是基因突变。(×)(2)基因工程能够定向的改变生物的性状。(√)(3)所有的限制酶都只能识别同一种特定的核苷酸序列。(×)(4)基因工程中的运载体只有质粒。(×)(5)只要目的基因进入了受体细胞就能成功实现表达。(×)(6)转基因生物和转基因食品都是不安全的。(×)填一填结合下图，探究以下问题：(1)①过程需要限制性核酸内切酶，②过程需要DNA连接酶。(2)限制性核酸内切酶的作用特点是识别特定的核苷酸序列，并在特定的切点上切割DNA分子，形成2个黏性末端。基因工程的操作工具重组DNA技术是在DNA分子水平上设计和施工的，需要分子的“剪刀”和“针线”等工具。观察下图并回答下列问题，理解基因工程基本工具。(1)图甲中大肠杆菌的一种叫做EcoRⅠ的限制性核酸内切酶，能够专一识别—GAATTC—的核苷酸序列，并在G和A之间将这段序列切开。(2)从图甲到图乙变化过程得出：限制性核酸内切酶切割DNA分子后形成的黏性末端是可以通过碱基互补配对连接起来的，但是脱氧核糖和磷酸之间的缺口要靠DNA连接酶进行连接。(3)目的基因导入过程需要运载体，常用质粒(如图)、噬菌体或动植物病毒等。质粒是拟核或细胞核外环状的DNA分子，是基因工程最常用的运载体。上面通常含有的抗性基因可以作为标志基因用于目的基因是否导入受体细胞的检测依据。基因工程的基本工具(1)基因的“剪刀”——限制性核酸内切酶(简称限制酶)①存在：主要存在于微生物中，种类有200多种。②作用与特性：一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列，并在特定的切点切割DNA分子，也就是说限制酶具有专一性和特异性。③作用结果：一般产生黏性末端(碱基能互补配对)。a．限制酶切割的是脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键，而不是碱基之间的氢键。b．目的基因的两端都具有黏性末端。c．限制酶切割目的基因不一定都产生黏性末端，也可能产生整齐的平口末端。(2)基因的“针线”——DNA连接酶①催化对象：两个具有相同黏性末端的DNA片段。②催化位置：脱氧核糖与磷酸之间的缺口。③催化结果：形成重组DNA。(3)基因的“运输工具”——运载体①作用：作为运载工具将目的基因转移到宿主细胞中；利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制。②需要具备的条件：能够在宿主细胞中复制并稳定地保存；具备多个限制酶切点，以便与外源基因连接；具有某些标记基因便于进行筛选。③常见的种类：质粒、噬菌体和动植物病毒等。质粒是一种相对分子质量较小、独立于染色体之外的环状DNA(一般有100～200kb，kb为千碱基对)，存在于许多细菌和酵母菌等生物中。突破1基因工程中工具酶1．结合如图判断，有关基因工程中工具酶的功能的叙述，正确的是()A．切断a处的酶简称内切酶，被称为基因的“剪刀”B．连接a处的酶为DNA聚合酶，被称为基因的“针线”C．RNA聚合酶可通过识别基因中的特定碱基序列与DNA分子结合D．DNA连接酶的作用点是b处解析：选C。切断a处的是被称为基因的“剪刀”的限制性核酸内切酶，应简称为限制酶而不是内切酶，A项错误；连接a处的被称为基因的“针线”的是DNA连接酶，不是DNA聚合酶，B项错误；b处为碱基对内的氢键，切断b处的是解旋酶，但b处的连接是通过碱基互补配对实现的，DNA连接酶的作用点是a处而非b处，D项错误。根据作用部位判断与DNA分子有关的酶(1)断开氢键的酶：解旋酶。(2)断开(相邻核苷酸之间的)磷酸二酯键的酶：若结果生成若干DNA片段，可判定为限制酶；若生成其基本单位——核苷酸，可判定为DNA水解酶。(3)生成(相邻核苷酸之间的)磷酸二酯键的酶：若将两个DNA片段连接在一起，可判定为DNA连接酶；若作用于DNA复制的过程中，或将游离的脱氧核苷酸连接到DNA链上，可判定为DNA聚合酶。突破2基因工程运载体2．下列有关基因工程中运载体的说法，正确的是()A．在进行基因工程的操作中，作为运载体的质粒都是天然质粒B．所有的质粒都可以作为基因工程的运载体C．质粒是一种独立于细菌拟核DNA外的链状DNA分子D．作为运载体的质粒DNA分子上应有对重组DNA分子进行鉴定和选择的标记基因解析：选D。作为运载体的质粒，都是经过修饰的质粒；并不是所有质粒都能作为运载体，能作为运载体的质粒必须具备一定的条件；质粒是环状DNA分子。运载体的4个认识误区(1)基因工程的三种工具中有两种是工具酶，运载体实质是一种核酸，“工具”不同于“工具酶”。(2)连接酶连接的是相同的黏性末端，所以让运载体运载目的基因时，必须要用提取目的基因的同一种限制酶切割运载体，以便获得相同的黏性末端。(3)DNA连接酶连接时不仅会连接目的基因和运载体，也有可能把运载体的两个黏性末端又重新连接起来，甚至将目的基因首尾相接形成环状DNA分子。(4)一般来说，天然运载体往往不能满足上述要求，因此需要根据不同的目的和需要，对运载体进行人工改造。基因工程的过程阅读教材，完成下表基因工程的一般过程。步骤操作说明提取目的基因从生物细胞内直接分离或人工合成目的基因目的基因与运载体结合使用同一种限制性核酸内切酶切割目的基因和运载体；用DNA连接酶连接目的基因和运载体；目的基因和运载体形成重组DNA分子导入目的基因借鉴细菌或病毒侵染细胞的方法，将目的基因导入大肠杆菌、酵母菌和动植物细胞检测与鉴定目的基因在选择性培养基上筛选出含有重组DNA分子的受体细胞目的基因表达检测目的基因在受体细胞中是否表达(产生蛋白质)基因重组与基因工程的比较基因重组基因工程不同点原理减数分裂时，非同源染色体上的非等位基因的自由组合或同源染色体上的非姐妹染色单体交叉互换把一种生物的某种基因作为整体移接到另一种生物体的细胞内，属于基因重组重组方式同一物种的不同基因不同物种的不同基因变异大小小大意义生物变异的来源之一，对生物进化有重要意义使人类有可能按照自己的意愿，直接定向改变生物的遗传性状，培育出新品种相同点实现不同基因的重新组合，使生物产生变异1．关于基因工程的叙述，正确的是()A．限制性核酸内切酶和DNA连接酶的作用部位相同，都是氢键B．作为运载体的质粒DNA分子属于核基因C．通过基因工程制备转基因植物，可以选叶肉细胞作为基因工程的受体细胞D．人体胰岛素基因通过基因工程技术转入大肠杆菌以后，传递和表达不再遵循中心法则解析：选C。限制性核酸内切酶和DNA连接酶的作用部位都是磷酸二酯键，A错误。基因工程中常用的载体是质粒，质粒存在于细菌和真菌细胞中，是一种独立于拟核DNA外而自主复制的环状DNA分子，所以质粒不属于核基因，B错误。植物体细胞具有全能性，所以可以选择叶肉细胞作为基因工程的受体细胞，C正确。人的胰岛素基因在大肠杆菌体内表达时，遗传信息的传递和表达仍遵循中心法则，D错误。2．如图是将人的生长激素基因导入细菌B细胞内制备“工程菌”的示意图。已知细菌B细胞内不含质粒A，也不含质粒A上的基因。判断下列说法正确的是()A．将重组质粒导入细菌B常用的方法是显微注射法B．能在含有氨苄青霉素的培养基上生长的只是导入了质粒A的细菌C．能在含有四环素的培养基上生长的只是导入了重组质粒的细菌D．目的基因成功表达的标志是工程菌能产生出人的生长激素解析：选D。将重组质粒导入微生物细胞常用钙离子处理法，A错误；质粒A与生长激素基因结合时，抗四环素基因被破坏，而抗氨苄青霉素基因正常，所以能在含有氨苄青霉素的培养基上生长的是导入了质粒A的细菌或含重组质粒的细菌，而能在含有四环素的培养基上生长的只是导入了质粒A的细菌，B、C错误；工程菌如能产生人的生长激素，说明目的基因(人生长激素基因)在工程菌中成功表达，D正确。目的基因导入细胞的位置与受体细胞类型(1)将目的基因导入到受体细胞，可能是存在于细胞质中，也可能整合到细胞核DNA上，由于在分裂过程中细胞核中遗传物质是平均分配的，所以可以稳定遗传。而存在于细胞质中时，由于细胞质是随机分配的，所以子细胞中不一定有目的基因，因而不能稳定遗传。(2)若受体细胞是植物细胞，则取体细胞即可，因为其全能性较高，若受体细胞是动物细胞时，一般用受精卵作为受体细胞，因为一般体细胞全能性较难表现。核心知识小结[网络构建][关键语句]1.基因工程的原理是基因重组。2.基因工程的操作工具有限制酶、．．．．DNA．．．连接酶和运载体．．．．．．．。3.限制性核酸内切酶具有特异性，能识别特定的核苷酸序列．．．．．．．．，．并在特定位点上切割．．．．．．．．．DNA．．．分子．．。4.DNA连接酶的作用是将目的基因和运载体．．．．．．．．．连接成重组DNA分子。5.常用的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒．．．．．．．．．．．．等。6.基因工程的四个步骤是：提取目的基因、目的基因与运载体结合、将目的基因导入受．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．体细胞、目．．．．．的基因的检测与鉴定．．．．．．．．．。[随堂检测]知识点一基因工程的基本工具1．基因工程中用来修饰改造生物基因的工具是()A．限制酶和连接酶B．限制酶和水解酶C．限制酶和运载体D．连接酶和运载体解析：选A。基因工程的工具是限制酶、DNA连接酶和运载体，其中限制酶和DNA连接酶用于修饰和改造基因。2．质粒是基因工程中最常用的运载体，它的主要特点是()①能自主复制②不能自主复制③结构很小④蛋白质⑤环状RNA⑥环状DNA⑦能“友好”地“借居”A．①③⑤⑦B．②④⑥C．①③⑥⑦D．②③⑥⑦解析：选C。基因工程中运载体的作用是与目的基因结合，将目的基因导入受体细胞，并能在受体细胞中稳定存在，通过自身的复制扩增目的基因。知识点二基因工程的过程3．如图所示为一项重要生物技术的关键步骤，X是获得外源基因并能够表达的细胞。下列有关说法不正确的是()A．X是能合成胰岛素的细菌细胞B．质粒具有多个标记基因和多个限制酶切点C．外源基因与运载体的重组只需要DNA连接酶D．该细菌的性状被定向改造解析：选C。根据图示，重组质粒导入的是细菌细胞，所以X是能合成胰岛素的细菌细胞。质粒作为运载体需要有多个限制酶切点以便转运多种目的基因，同时具有标记基因以便检测目的基因是否导入受体细胞内。基因与运载体的重组需要限制酶和DNA连接酶。基因工程的特点是能够定向改造生物的性状。4．人们试图利用基因工程的方法，用乙种生物生产甲种生物的一种蛋白质。生产流程是：甲生物的蛋白质→mRNA――→①目的基因――→②与质粒DNA重组――→③导入乙细胞――→④获得甲生物的蛋白质，下列说法正确的是()A．①过程需要的酶是逆转录酶，原料是A、U、G、CB．②要用限制酶切断质粒DNA，目的基因导入乙细胞后一定会表达甲生物的蛋白质C．质粒一般存在于原核生物细菌中，真核生物酵母菌也具有D．④过程用的原料和工具中不含有A、U、G、C解析：选C。生产流程中①过程是逆转录，利用逆转录酶合成DNA片段，需要的原料是分别含A、T、G、C的脱氧核苷酸，A项错误；②是目的基因与质粒DNA重组，需要用同种限制酶分别切割质粒DNA和含目的基因的DNA分子，再用DNA连接酶将目的基因与质粒连接在一起。目的基因导入乙细胞后不一定会表达甲生物的蛋白质，需要进一步检测才能确定，B项错误；质粒一般存在于原核生物细菌中，真核生物酵母菌也具有，C项正确；④过程是基因的表达过程，原料中含有A、U、G、C，D项错误。知识