n1列举基因工程的工具及其作用。n2区分工具与工具酶。n3概述作为运载体应具备的条件。n4概述获取目的基因的途径。n5描述基因操作的基本步骤。n6描述基因工程在医药卫 生、农牧业、食品工 业和环境保护中的作用。n一、基因工程的基本内容n二、基因工程的成果与发展前景n1.基因工程n(1)概念：按照人们的意愿，把一种生物的个别基 因复制出来，加以修饰改造，然后放到另一种生物 的细胞里，定向地改造生物的遗传 性状；又叫基因 拼接技术或DNA重组技术。n(2)原理：基因重组。n(3)优点：克服了远源杂交的不亲和性；周 期短；目的性强。n(4)不同生物DNA得以重新拼接的基础：nDNA的基本组成单位都是四种脱氧核苷酸；n双链DNA分子的空间结 构都是规则 的双螺旋结 构；n所有生物DNA碱基对均遵循严格的“碱基互补配 对”原则，即A总与T配对，G总与C配对如此， 方可使具相同末端(黏性末端或平末端)的不同DNA 分子得以连接在一起。n(5)外源基因在受体内表达的理论基础n基因是控制生物性状的遗传 物质的结构和功能 单位，具相对独立性；n遗传 信息的传递 都遵循中心法则所阐述的信息 流动方向；n生物界共用一套遗传 密码。n2基因操作的“工具”操作工具作用其他 基因的“剪刀 ”限制 性内切酶(简 称限制酶)识别和切割特 定的核苷酸 序列，用于 切割DNA分 子获得目的 基因或切割 运载体获得 相同的黏性 末端，以便 形成重组 DNA分子主要存在于微 生物，具专 一性基因的“针线 ”DNA 连接酶连接互补的黏 性末端，即 将目的基因 与运载体“ 缝合”起来 形成重组 DNA分子连接磷酸和脱 氧核糖间的 化学键(建立 3，5 磷酸二酯键)基因的“运输 工具” 运载体将目的基因导 入受体细胞 中，作为把 “目的基因 ”送入“受 体细胞”的 桥梁或载体质粒、动植物 病毒、噬菌 体等n3.“工具酶”n(1)限制性内切酶：能识别 特定核苷酸序列，并在 特定位点上切割DNA分子。n(2)DNA连接酶：用于将运载体与目的基因进行“ 缝合”，即连接二者的黏性末端。n4运载体与质粒n(1)运载体的作用n一是作为运输工具，将目的基因转移到宿主细胞 中；二是利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量 的复制。n(2)作为运载体必须具备三个条件n能在宿主细胞中稳定保存下来并大量复制；n有多个限制酶切点，以便切出的黏性末端与外 源基因连接，而且每种酶的切点最好只有一个，如 大肠杆菌pBR332质粒就有多种限制酶的单一识别 位点，适于多种限制酶切割的DNA插入；n有一定的标记 基因，便于进行筛选 。如大肠杆 菌pBR332质粒携带氨苄青霉素抗性基因和四环素 抗性基因，就可以作为筛选 的标记 基因。n(3)基因工程的常用运载体举例n质粒是目前最常用的运载体，质粒是存在于细菌 或酵母菌中染色体DNA以外的一种小型环状DNA分 子，而运载体除这种小型环状DNA分子外，还可有 噬菌体(细菌病毒)及动植物病毒等。另外，许多运 载体是经人工改造的大肠杆菌质粒。n特别提示n(1)明确“运载体”与“质粒”的关系n凡符合作为运载体三个条件的均可被用作基因工 程的运载体，如质粒、噬菌体及动植物病毒等。n质粒与运载体的关系如下：n一方面，质粒是基因工程最常用的运载体，但运 载体并非都是质粒。另一方面，并非所有质粒均适 合作为运载体，有许多质粒未必完全符合作为运载 体的三个条件(如未必有合适的标记基因等)。n(2)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，对天然运载体 进行人工改造。现在所使用的质粒载体几乎都是经 过改造的。n特别提醒n1限制性内切酶和DNA连接酶的作用部位都是脱 氧核苷酸之间形成的磷酸二酯键(不是氢键)，只是 一个切开，一个连接。n2质粒是最常用的运载体，不要把质粒同运载体 等同，除此之外，噬菌体和动植物病毒也可作为运 载体。运载体的化学本质是DNA，其基本单位为脱 氧核苷酸。n3要想从DNA上切下某个基因，应切2个切口， 产生4个黏性末端。n4基因工程中工具酶有两种限制性内切酶和 DNA连接酶；工具有三种，除上述两种工具酶外还 包括运载体。n5DNA酶即DNA水解酶，是将DNA水解的酶； DNA聚合酶是在DNA复制过程中，催化形成新DNA 分子的酶，是将单个游离的脱氧核苷酸加到DNA片 段上，需要模板；但DNA连接酶是将两个DNA片段 的两个缺口同时连接，不需要模板，两者作用的化 学键相同，都是磷酸二酯键。n【例1】 (2009上海高考)人体细胞内含有抑制 癌症发生的p53基因，生物技术可对此类基因的变 化进行检测 。n(1)目的基因的获取方法通常包括_ 和_。n(2)上图表示从正常人和患者体内获取的p53基因 的部分区域。与正常人相比，患者在该区域的碱基 会发生改变，在上图中用方框圈出发生改变的碱 基对；这种变异被称为_。n(3)已知限制酶E识别 序列为CCGG，若用限制酶E 分别完全切割正常人和患者的p53基因部分区域(见 上图)，那么正常人的会被切成_个片 段；而患者的则被切割成长度为_对 碱基和_对碱基的两种片段。n(4)如果某人的p53基因部分区域经限制酶E完全切 割后，共出现170、220、290和460碱基对的四种 片断，那么该人的基因型是_(以P表 示正常基因，P表示异常基因)。n解析 (1)获取目的基因的方法包括从供体细胞 中分离的直接获得与人工合成的间接获得两种方法 。n(2)根据比对，患者发生改变的碱基对为CGT A，这是一个碱基对的替换，属于基因突变。n(3)在正常人的p53基因中，有2个限制酶E的识别 位点，而患者由于发生了一个碱基对的替换，只有 一个限制酶E的识别位点，被分割为含290170 460对碱基和含220对碱基的两个片段。n(4)出现170、220、290个碱基对的片段，说明该 人的基因型为P，而出现460个碱基对的片段，则 说明该人基因中也含P。n答案 (1)从细胞中分离 通过化学方法人工合 成n(2)见下图n基因碱基对的替换(基因突变)n(3)3 460 220 (4)PPn (2008浙江省五校联考)基因工程中，需使用特 定的限制酶切割目的基因和质粒，便于重组和筛选 。已知限制酶的识别 序列和切点是GGATCC ，限制酶的识别 序列和切点是GATC。根据 图示判断下列操作正确的是 ( )nA质粒用限制酶切割，目的基因用限制酶 切割nB质粒用限制酶切割，目的基因用限制酶切 割nC目的基因和质粒均用限制酶切割nD目的基因和质粒均用限制酶切割n解析：由酶、酶的特殊切割位点推知，只有 用酶切质粒、用酶切目的基因时，才会使切出 的黏性末端恰具碱基互补配对能力，以便连接。n答案：An1.基因操作“四步曲”n上述程序图解如下：n2.两种“目的基因获取方法”的比较比较过程优点缺点直接分 离法( 鸟枪 法)提取供体细胞 DNA限制酶 切割得到许 多DNA片段 分别与运 载体结合 分别导入受 体细胞在 受体细胞中 复制扩增 分离目的基 因操作简便工作量 大，有 盲目性 ； 目的基 因含有 不表达 的内含 子比较过程优点缺点 人 工 合 成 法反转 录 法专一性强 ，目的基 因中不含 内含子操作过程 复杂， mRNA生 存时间 短，技 术要求 高 化学 合 成 法 据 已 知 的 氨 基 酸 序 列 合 成专一性最 强，目的 基因不含 内含子， 可合成自 然界不存 在的基因目前，复 杂的尚 不知氨基 酸序列的 蛋白质 尚不能用 此法合成 其目的基 因n3.比较“目的基因的检测”与“目的基因的表达”名称检测 目的检测 依据结果确 认(标志)举例目的 基 因 的 检 测目的基因 是否 已被 导入 受体 细胞依据受体细胞 是否具有 运载体特 有的“标 记基因” 所控制的 性状若受体细胞表 现出运载 体“标记 基因”所 控制的性 状，即可 确认目的 基因已被 导入受体 细胞用大肠杆菌生产小鼠 的珠蛋白时， 当对四环素敏感 的大肠标菌能在 加有四环素的培 养基上生长时表 明含重组质粒， 即含目的基因(因 所用质粒中含抗 四环素的基因)名称检测 目的检测 依据结果确 认(标志)举例目的 基 因 的 表 达目的基因 是否已 完成表 达过程依据受体细胞 是否表现出 “目的基因 ”所控制的 性状若受体细胞表现 出“目的基 因”所控制 的性状(即合 成相应的蛋 白质)，便可 确认目的基 因已正常表 达当已导入目 的基因 的大肠 杆菌能 产生小 鼠珠 蛋白时 ，便可 确认目 的基因 已完全 表达n特别提示n反转录法是以“目的基因转录来的mRNA”(如胰岛 素基因转录来的指导胰岛素合成的mRNA)为模板， 在逆转录酶的作用下，先反转录成“单链DNA”，然 后在酶的作用下合成双链DNA，从而合成所需要的 基因(思考：反转录法合成的目的基因中是否含“内 含子”？)。因此，反转录法合成目的基因的关键是 获得目的基因转录来的mRNA。n然而，根据已知蛋白质的氨基酸序列合成目的基 因时，可依据氨基酸序列“推测”密码子序列(mRNA 序列)，然后再依据密码子序列“推测”出它的结构基 因的核苷酸序列，进而通过化学方法以单核苷酸为 原料，合成目的基因由此可见，本合成途径中 ，mRNA的碱基序列仅仅是理论推测，并不需客观 合成mRNA(思考：依据氨基酸序列推测出的mRNA 是否具“惟一性”？)。n特别提醒n1由于一种氨基酸可对应多种密码子，因此根据 蛋白质中已知的氨基酸序列合成出的目的基因可能 有多种，但这并不影响目的基因表达的产物。n2生产基因工程药品(如胰岛素)时，受体细胞一 般采用细菌(如大肠杆菌)，利用细菌繁殖速度快的 特点，可在短期内获得大量的基因工程产品。n3培育转基因动物，受体细胞一般选用受精卵。n4培育转基因植物，受体细胞可选用受精卵或体 细胞。若受体细胞是体细胞，再将含目的基因的体 细胞进行组织培养，即可获得转基因植株。n【例2】 (2009海门模拟)下图表示利用基因工 程培育抗虫棉过程的示意图。请据图回答下列有关 问题 ：n(1)科学家在进行图中操作时，要用 _分别切割运载体和目的基因，运载 体的黏性末端与目的基因DNA片段的黏性末端可通 过_而结合。n(2)基因工程的理论基础是_法则， 可用公式(图解)表示为 _。n(3)是导入目的基因的受体细胞，经培养、筛 选获 得一株有抗虫特性的转基因植株。经分析， 该植株细胞中含有一个携带目的基因的DNA片段， 因此可以把它看作是杂合子。理论上，在该转 基因 自交产生F1代中，仍具有抗虫特性的植株占总数的 _。将上述抗虫棉植株的后代种子种 植下去后，后代往往有很多植株不再具有抗虫特性 ，原因是_。要想获得纯合子，常采 用的方法是_。n(4)下列是几种氨基酸的密码子，据此推断图中合 成的多肽，其前三个氨基酸的种类(按前后顺序排 列)_。甲硫氨酸(AUG)、甘氨酸 (GGA)、丝氨酸(UCU)、酪氨酸(UAC)、精氨酸 (AGA)、丙氨酸(GCU)n解析 根据题意，该植株具有抗性说明该基因 可以在子代中表达，并且题目中提出“可以把它看作 是杂合子”，那么不妨用Aa(A表示抗虫基因，a代表 没有抗虫基因)来表示该植株。对于Aa自交来说， 子代有三种基因型(AAAa ：aa1 ：2 ：1)，则两 种表现型比例为3 ：1。n答