专题29 基因工程,生物（浙江选考专用）,考点 基因工程 基础知识 一、基因工程的含义与工具 1.基因工程与遗传工程:基因工程是狭义的遗传工程。广义的遗传工程 泛指把一种生物的遗传物质(细胞核、染色体脱氧核糖核酸等)移到另 一种生物的细胞中去,并使这种遗传物质所带的遗传信息在受体细胞中 表达。 2.基因工程的核心是: 构建重组DNA分子 。,考点清单,3.基因工程的工具 (1)限制性核酸内切酶 a.来源:主要是从 微生物 (如细菌)中分离纯化出来的。 b.功能:识别并切开每条链中两个脱氧核苷酸之间的 磷酸二酯键 。 c.特点:具有专一性,表现在以下两个方面: 识别DNA分子中 某种特定的核苷酸序列 ;使每一条链中特定位 点的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。 d.作用结果:产生 粘性末端 或平末端。,(2)DNA连接酶 功能:将末端碱基互补的2个DNA片段连接起来。 (3)载体 a.最常用的载体质粒 实质:是能够 自主复制 的双链环状DNA分子,是一种特殊的遗传 物质,在细菌中以独立于拟核之外的方式存在。 b.其他载体:噬菌体、植物病毒和动物病毒等。,二、基因工程的基本操作步骤 1.获得目的基因 (1)目的基因:人们所需要的基因。如:人的胰岛素基因、植物的抗病基 因等。 (2)获取方法 2.形成重组DNA分子 一般用 相同的 限制性核酸内切酶分别切割含有目的基因的供体 DNA分子和载体(如质粒),使其产生相同的粘性末端(或平末端),然后用 DNA连接酶将两者连接在一起,形成重组DNA分子。,3.将重组DNA分子导入受体细胞 常用的受体细胞:大肠杆菌、枯草杆菌、 酵母菌 和动植物细胞 等。 4.筛选含有目的基因的受体细胞 (1)筛选原因:并不是所有的细胞都接纳了重组DNA分子。 (2)筛选方法举例:质粒上有抗生素如四环素的抗性基因,所以含有这种 重组质粒的受体细胞就能够在有四环素的培养基上生长,而没有接纳重 组质粒的细胞在这种培养基上不能生长,这样就能筛选出含有重组 DNA分子的受体细胞。 5.目的基因的表达 目的基因在 宿主细胞 中表达,产生人们需要的功能物质。,三、基因工程与遗传育种 1.转基因植物 培育优点 2.转基因动物 (1)含义:转入了 外源基因 的动物。 (2)培育优点:省时、省力。,四、基因工程与疾病治疗 1.基因工程药物,2.基因治疗指的是向目标细胞中引入 正常功能 的基因,以 纠正或补偿 基因的缺陷,达到治疗的目的。 五、基因工程与生态环境保护 1.利用转基因植物生产聚羟基烷酯,用于合成可降解的新型塑料。 2.改造分解石油的细菌,提高其分解石油的能力。 3.利用转基因微生物吸收环境中的重金属、降解有毒化合物和处理工 业废水。,重点难点 一、基因工程的三大操作工具 1.限制性核酸内切酶 (1)限制性核酸内切酶(限制酶)的作用 限制酶切割时断开的是DNA分子中的磷酸二酯键(即相邻脱氧核苷酸 间的键),而不是两条链之间的氢键。如图:,(2)限制性核酸内切酶具有专一性,表现在两个方面: 识别双链DNA分子中特定的核苷酸序列。 切割特定序列中的特定位点。如图:,2.DNA连接酶 (1)DNA连接酶的作用 两个来源不同的DNA用相同的限制性核酸内切酶切割,形成相同的粘 性末端(或平末端)。DNA连接酶能催化磷酸与脱氧核糖之间化学键的 形成,将两个DNA末端的缝隙“缝合”起来。如图:,(2)几种易混淆酶的比较,3.载体的种类及作用 (1)载体应具备的特征 能在宿主细胞内稳定保存并大量复制。 有1个或多个限制性核酸内切酶切点,以便与外源基因连接。 具有某些标记基因,以便进行筛选。 (2)载体的种类 细菌质粒,最常用大肠杆菌质粒。 噬菌体和某些动植物病毒。 一般来说天然的载体往往不能满足人们的所有要求,因此人们根据不同 目的和需求,对某些天然的载体进行人工改建。,(3)作用 一是用它作为运载工具,将目的基因送到宿主细胞中去;二是利用它在 宿主细胞内对目的基因进行大量复制。,例1 已知甲种农作物因受到乙种昆虫危害而减产,乙种昆虫食用某种 原核生物分泌的丙种蛋白质后死亡。因此,可将丙种蛋白质基因转入甲 种农作物体内,使甲种农作物获得抗乙种昆虫危害的能力。 回答下列问题: (1)为了获得丙种蛋白质的基因,在已知丙种蛋白质氨基酸序列的基础 上,推测出丙种蛋白质的 序列,据此可利用 方法合成目的 基因。获得丙种蛋白质的基因还可用 和 法。 (2)在利用上述丙种蛋白质基因和质粒载体构建重组质粒的过程中,常 需要使用 酶和 酶。,(3)将含有重组质粒的农杆菌与甲种农作物的愈伤组织共同培养,筛选 出含有丙种蛋白质的愈伤组织,由该愈伤组织培养成的再生植株可抵抗 的危害。 (4)若用含有重组质粒的农杆菌直接感染甲种农作物植株叶片伤口,则 该植株的种子 (填“含有”或“不含”)丙种蛋白质基因。,解析 本题考查抗虫作物培育过程的相关知识。(1)获取目的基因的方 法主要有基因文库获取法、PCR技术扩增法和化学合成法三种。已知 丙种蛋白质氨基酸序列,可通过推测丙种蛋白质的基因序列,然后利用 化学方法人工合成丙种蛋白质基因。(2)在构建重组质粒的过程中,需 要使用限制性核酸内切酶和DNA连接酶,前者能识别特定的核苷酸序 列,使每条链特定部位的核苷酸之间的磷酸二酯键断开,使其形成粘性 末端(或平末端),被喻为“分子手术刀”;后者能将两个带有相同粘性末 端(或平末端)的DNA片段连接起来,被称为“分子针线”。(3)将含有重 组质粒的农杆菌与甲种农作物的愈伤组织共同培养,可筛选出含有丙种,蛋白质的愈伤组织,而后培养出抗乙种昆虫的植株。(4)若只用重组质 粒感染甲种农作物叶片伤口,可在叶片组织中筛选出含丙种蛋白质的细 胞,由于该重组质粒感染的是体细胞,故该植株的种子中不含有丙种蛋 白质基因。 答案 (1)基因 化学 基因文库获取法 PCR技术扩增(其他合理答 案也给分) (2)限制 DNA连接 (3)乙种昆虫 (4)不含,知能拓展 (1)用限制酶切割DNA分子时,破坏的是DNA链中的磷酸 二酯键。 (2)粘性末端是指双链DNA分子被限制酶切开后,切口处的两个末端伸 出的由若干特定核苷酸组成的单链。 (3)质粒是基因工程中最常用的载体。大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆 菌等细菌中都有质粒,质粒上面一般含几个到几百个基因,控制着细菌 的抗药性、固氮、抗生素合成等性状。由于土壤农杆菌很容易感染植 物细胞,使细胞生有瘤状物,所以科学家培育转基因植物时,常常用土壤 农杆菌中的质粒作载体。 (4)细菌在长期的进化过程中形成了一套完善的防御机制,其限制性核 酸内切酶可以识别和切割DNA上的特定的碱基序列,降解外源DNA,而 其自身的DNA并不受该核酸内切酶的作用。,二、基因工程基本操作步骤 1.基因工程基本操作“五步曲” (1)获得目的基因 序列未知:建立一个包括目的基因在内的基因文库,再从基因文库中 获取。 序列已知:化学方法(如逆转录法)合成或者用PCR扩增目的基因。,PCR技术与DNA复制的比较,(2)形成重组DNA分子,一般采用同种限制性核酸内切酶切割质粒和目的基因,以获得相同的 粘性末端(或平末端),以利于形成重组DNA分子,但有时用不同的限制 性核酸内切酶处理也可以获得相同的粘性末端(或平末端)。 目的基因的插入可能会破坏转基因生物原有基因的结构,影响转基因 生物的正常生长,甚至致死。,限制性核酸内切酶只识别双链DNA分子中特定的核苷酸序列,对 RNA不起作用。 用DNA连接酶连接时,可形成3种不同的连接物:目的基因载体连接 物、载体载体连接物、目的基因目的基因连接物,导入受体细胞 后,可利用抗性基因的差异进行筛选。,(3)将重组DNA分子导入受体细胞,(4)筛选含有目的基因的受体细胞 原理:质粒上有抗生素抗性基因等标记基因。 方法:利用选择培养基筛选。 举例: 所有受体细胞 含四环素培养基 活的受体细胞 重组DNA分子 (质粒上有四环素抗性基因) 含重组DNA分子的受体细胞 在实际应用中还有:,a.检测是否插入目的基因,利用DNA分子杂交技术,目的基因DNA一条 链(作探针)与受体细胞中提取的DNA杂交,看是否有杂交带。 b.检测是否转录出了mRNA,利用核酸分子杂交技术,目的基因DNA一 条链(作探针)与受体细胞中提取的mRNA杂交,看是否有杂交带。 (5)目的基因的表达:看到目的性状或分离到目的基因表达产物 检测目的基因是否翻译成蛋白质,方法是从转基因生物中提取蛋白 质,用相应的抗体进行抗原抗体杂交。 个体生物学水平的鉴定:如转基因抗虫植物是否出现抗虫性状。,2.有关基因工程操作易错分析 (1)基因文库中的基因保存在受体菌中。 (2)原核生物繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少,有利于目的基 因的复制与表达,因此常采用大肠杆菌等原核生物作为受体细胞。 (3)植物细胞的全能性较高,可经植物组织培养过程成为完整植物体,因 此受体细胞可以是受精卵也可以是体细胞;动物基因工程中的受体细胞 一般是受精卵。 (4)操作工具有三种,但常用工具酶有两种,载体不是酶;在基因工程操作 步骤“获得目的基因”和“形成重组DNA分子”两个过程中通常用同 种限制酶,目的是产生相同的粘性末端(或平末端);DNA连接酶只在 “形成重组DNA分子”操作中用到。,(5)一般情况下,用同一种限制性核酸内切酶切割质粒和含有目的基因 的DNA片段,但有时可用两种限制性核酸内切酶分别切割质粒和目的 基因,这样可避免质粒和质粒之间、目的基因和目的基因之间的连接。 (6)标记基因的种类和作用:标记基因的作用筛选、检测目的基因 是否导入受体细胞,常见的有抗生素抗性基因、发光基因(表达产物为 带颜色的物质)等。,例2 浙江大学农学院喻景权教授课题组研究发现,一种植物激素 油菜素内酯能促进农药在植物体内的降解和代谢。用油菜素内酯处理 后,许多参与农药降解的基因(如P450基因和红霉素抗性基因)表达和酶 活性都得到提高,在这些基因“指导”下合成的蛋白酶能把农药逐渐转 化为水溶性物质或低毒甚至无毒物质,有的则被直接排出体外。某课题 组进一步进行了如下的实验操作,请回答下列问题。,(1)获得油菜素内酯合成酶基因的方法有 、 。步骤用PCR技术扩增基因时用到的耐高温酶通 常是指 ;步骤用到的酶有 。 (2)图中导入重组质粒的方法是 ,在导入之前应用 处 理受体细菌。,(3)导入重组质粒2以后,往往还需要进行检测和筛选,可用 制成探针,检测是否导入了重组基因,在培养基中加入 可 将含有目的基因的细胞筛选出来。 (4)请你为该课题命名: 。,解题思路 解析 进行基因工程操作时,首先要获取目的基因,其方法有多种:从基 因文库中获取、人工合成目的基因或PCR合成等。在构建基因表达载 体的过程中,用到的工具酶有限制酶和DNA连接酶。图中的受体细胞 是细菌,故用转化法导入重组质粒,导入后,需检测和筛选。从图中可以 看出,最终是通过对照实验来检验转基因细菌对土壤中残留农药的分解 能力。,答案 (1)从基因文库中获取 人工合成目的基因或PCR合成 耐热的 DNA聚合酶 限制酶和DNA连接酶 (2)转化法 氯化钙溶液 (3)红霉素抗性基因 红霉素 (4)油菜素内酯能否促进土壤中农药的分解,三、基因诊断与基因治疗 1.基因诊断 (1)方法:DNA分子杂交法(即DNA探针法),该方法是根据碱基互补配对 原则,把互补的双链DNA解开,把单链的DNA小片段用同位素、荧光分 子或化学发光催化剂等进行标记,之后同被检测的DNA中的同源互补 序列杂交,从而检出所要查明的DNA或基因。 (2)步骤:抽取病人的组织或体液作为