第2节 基因工程及其应用
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1．概述基因工程的原理和应用。 2.了解转基因生物和转基因食品的安全性。
一、基因工程的原理(阅读教材P102～P103)
1．含义
2．操作工具
(1)
(2)
(3)运载体
①作用：将外源基因导入受体细胞。
②
⊙点拨 ①限制酶具有特异性，DNA连接酶能连接任意两个DNA片断，不具有特异性。
②运载体与细胞膜中的载体不同。运载体是DNA分子，而膜载体是蛋白质。
3．基因工程的步骤
(1)提取目的基因；
(2)目的基因与运载体结合；
(3)将目的基因导入受体细胞；
(4)目的基因的检测与鉴定。
二、基因工程的应用及安全性(阅读教材P104～P106)
1．基因工程与作物育种
(1)目的：获得高产、稳产和具有优良品质的农作物，培育出具有各种抗逆性的作物新品种。
(2)实例：抗棉铃虫的转基因抗虫棉。
2．基因工程与药物研制
(1)实例：用基因工程方法生产胰岛素。
(2)过程：胰岛素基因与大肠杆菌的DNA分子重组，并且在大肠杆菌体内获得成功的表达。
3．基因工程的安全性
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判断
(1)基因工程的原理是基因突变。(×)
分析：基因工程的原理是基因重组。
(2)基因工程能够定向的改变生物的性状。(√)
分析：基因工程可以向受体细胞中导入目的基因，让其表达，定向地改变生物的性状。
(3)所有的限制酶都只能识别同一种特定的核苷酸序列。(×)
分析：一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列。
(4)基因工程中的运载体只有质粒。(×)
分析：基因工程中常见的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒。
(5)只要目的基因进入了受体细胞就能成功实现表达。(×)
分析：目的基因进入受体细胞不一定能进行转录、翻译。
(6)转基因生物和转基因食品都是不安全的。(×)
分析：对于转基因生物和转基因食品的安全性问题不能片面地一概而论。
主题一 基因工程的操作工具
1．结合下图，探究以下问题：
(1)①过程需要限制酶，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。
(3)同种限制酶切割不同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。
2．结合下面大肠杆菌质粒的分子结构示意图分析：
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质粒存在于许多细菌以及酵母菌等生物细胞中，是拟核或细胞核外能够自主复制的很小的环状DNA分子。上面的标记基因为抗生素抗性基因，其作用为用于目的基因是否导入受体细胞的检测依据。同时还含有多个酶切位点，其作用是便于质粒接入目的基因。
1．DNA连接酶与DNA聚合酶的比较
比较项目
DNA连接酶
DNA聚合酶
不同点
作用对象
连接DNA片段
连接游离的脱氧核苷酸
作用条件
不需要模板
需要模板
相同点
作用部位
连接不同脱氧核苷酸之间的磷酸和脱氧核糖之间的磷酸二酯键
2.运载体应具备的条件：
(1)能在宿主细胞内稳定保存并大量复制——这是保证目的基因能在细胞分裂过程中复制并传递给子代细胞的基础。
(2)有多个限制酶切点——这是运载体能够接入多种目的基因所必备的条件。
(3)有标记基因——这是检测目的基因是否导入受体细胞中的重要判断依据。
1．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。
2．下图为DNA分子在不同酶的作用下所发生的变化，图中依次表示限制性核酸内切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶、解旋酶作用的正确顺序是( )
A．①②③④ B．①②④③
C．①④②③ D．①④③②
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解析：选C。限制性核酸内切酶用于切割DNA片段；而与之作用相反的是DNA连接酶，用于连接DNA片段；DNA聚合酶用于DNA的复制过程，它需要模板；解旋酶会使DNA双链解旋而分开，它作用于碱基对之间的氢键。
方法技巧
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。
主题二 基因工程的操作步骤
结合下图探究以下问题：
1．图中①过程为提取目的基因，采用直接分离的方法，目的基因是指人们所需要的外源基因。
2．如图中②过程属于目的基因与运载体结合。
(1)从图中可以看出，提取目的基因B和切开质粒A所用的是同一种限制酶。
(2)DNA连接酶用于质粒A与目的基因B的结合过程，形成重组DNA分子C。
3．图中③过程属于将目的基因导入受体细胞，此过程不存在碱基互补配对。
4．目的基因的检测与鉴定
(1)检测：根据标记基因或分子杂交技术检测目的基因是否导入受体细胞。
(2)鉴定：受体细胞是否表现出特定性状，如棉花抗虫性状的表现。
小组讨论
(1)转基因抗虫棉有性繁殖产生的后代都具有抗虫特性吗？为什么？
提示：不一定。因为性状分离或变异，抗虫棉的子代可能会失去抗虫特性。,
(2)基因工程中，为什么目的基因在不同物种中均能成功表达？
提示：因为不同的生物体共用一套遗传密码，控制合成相同的蛋白质。
基因工程的基本操作程序
1．提取目的基因。
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2．目的基因与运载体结合，如图：
3．将目的基因导入受体细胞。
4．目的基因的检测与鉴定。
3．由于乙肝病毒感染的宿主范围很窄，仅限于人和灵长类动物，因此无法用细胞培养的方法生产疫苗，但可用基因工程的方法进行生产，现已知乙肝病毒的核心蛋白和表面抗原蛋白的氨基酸序列，生产示意图如下。下列相关说法不正确的是( )
乙肝病毒有关基因细菌大量生产疫苗
A．生产乙肝疫苗的过程也达到了定向改造细菌的目的
B．在①②过程中需要限制性核酸内切酶和DNA连接酶
C．用于生产疫苗的目的基因为编码核心蛋白的基因和表面抗原蛋白基因
D．这种转基因的细菌一定是安全的，不用担心其扩散到自然界
解析：选D。上述过程应用了基因工程技术，能定向改造生物的遗传性状；在操作时要应用限制酶来获得目的基因，并用DNA连接酶使之与运载体结合；该过程的目的基因为表面抗原蛋白基因和编码核心蛋白的基因；转基因生物的安全性还存在争议。无法判断其安全性，应避免其扩散进入自然界。
4．下图是应用基因工程技术获得转基因动物和植物的过程，相关叙述不正确的是( )
A．通过①过程形成重组质粒只需要两种工具
B．②是重组质粒导入受体细胞的过程
C．通过③过程产生的转基因牛的细胞中都含有人的生长激素基因
D．通过④⑤过程培育的抗虫棉需要检测抗虫效果
解析：选A。①是目的基因与运载体结合的过程，既需要限制酶和DNA连接酶，也需要载体质粒。
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[网络构建]
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[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 基因工程概念及操作工具
1．以下有关基因工程的叙述，正确的是( )
A．基因工程是细胞水平上的生物工程
B．基因工程的产物对人类都是有益的
C．基因工程产生的变异属于人工诱变
D．基因工程育种的优点之一是目的性强
解析：选D。基因工程是在生物体外，通过对DNA分子进行人工“剪切”和“拼接”，对生物的基因进行改造(目的性强)和重新组合(基因重组)，然后导入受体细胞内进行复制，使重组基因在受体细胞内表达，产生出人类所需要的基因产物和新的生物类型，但并不是所有的基因工程产物对人类都是有益的。
2．下图为DNA分子的某一片段，其中①②③分别表示某种酶的作用部位，则相应的酶依次是( )
A．DNA连接酶、限制酶、解旋酶
B．限制酶、解旋酶、DNA连接酶
C．解旋酶、限制酶、DNA连接酶
D．限制酶、DNA连接酶、解旋酶
解析：选C。使碱基对内氢键断裂的是解旋酶；限制酶将特定部位的相邻两脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键断开；连接DNA片段间磷酸二酯键的是DNA连接酶。
3．(2015·长沙高一检测)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。
知识点二 基因工程的操作过程
4．下列关于基因工程的叙述，错误的是( )
A．目的基因和受体细胞均可来自动植物或微生物
B．限制性核酸内切酶和DNA连接酶是两类常用的工具酶
C．人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性
D．运载体上的抗性基因有利于筛选含重组DNA的细胞和促进目的基因的表达
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解析：选D。基因工程中目的基因和受体细胞均可来自动植物或微生物；常用的工具酶是限制性核酸内切酶和DNA连接酶；人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性，只有经过一定的物质激活以后，才能有生物活性。运载体上的抗性基因主要是有利于筛选含重组DNA的细胞，不能促进目的基因的表达，所以D错误。
5．水母发光蛋白由236个氨基酸构成，其中Asp(天冬氨酸)、Gly(甘氨酸)、Ser(丝氨酸)构成发光环，现已将这种蛋白质的基因作为生物转基因的标记，在转基因技术中，这种蛋白质的作用是( )
A．促使目的基因导入受体细胞
B．使目的基因容易被检测出来
C．促使目的基因在受体细胞内复制
D．使目的基因容易成功表达
解析：选B。该发光蛋白的作用是使目的基因容易被检测出来，从而确认目的基因是否已经成功导入受体细胞中。
6．干扰素是一种糖蛋白，过去从人的白细胞中提取，产量很低。我国的科研人员成功运用基因工程技术提高了其产量，如图为其原理过程图。请据图回答下面的问题：
(1)图中①过程叫________________________________________________________________________。
(2)图中②物质的化学本质是________________________________________________________________________，
它作为运载体，必须具备的特点是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________(写出任意两点)。
(3)该过程中，供体细胞是________________，受体细胞是________(填字母)，重组DNA分子是________(填序号)，在形成③的过程中需要________________________________________________________________________。
答案：(1)提取目的基因
(2)双链环状DNA分子(或DNA分子) 具有一个或多个限制酶切割位点，在细胞中能够自我复制，有特殊的标记基因等
(3)人的体细胞 b ③ 限制酶和DNA连接酶
[课时作业]
1．科学家们经过多年的努力，创立了一种新兴生物技术——基因工程，实施该工程的最终目的是( )
A．定向提取生物体的DNA分子
B．定向地对DNA分子进行人工“剪切”
C．定向地改造生物的遗传性状
D．在生物体外对DNA分子进行改造
解析：选C。根据基因工程的概念可知，实施该工程的最终目的是定向地改造生物的遗传性状。
2．DNA整合到细胞染色体上的过程，属于( )
A．基因突变 B．基因重组
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C．基因分离 D．染色体变异
解析：选B。基因是有遗传效应的DNA片段，染色体由DNA和蛋白质组成，DNA整合到细胞染色体上，实现了DNA上的基因与细胞内染色体DNA上基因的重组，因此属于基因重组。
3．基因工程中，切割运载体和含有目的基因的DNA片段时，需使用( )
A．同种限制酶 B．两种限制酶
C．同种DNA连接酶 D．两种DNA连接酶
解析：选A。用同种限制酶切割运载体和含有目的基因的DNA片段，可以使两者产生相同的黏性末端，可通过互补碱基的配对结合起来，再用DNA连接酶使两条链上的缺口结合，就形成一个完整的重组DNA。
4．结合下图判断，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。
5．(2015·济南高一检测)在下列基因操作的四个基本步骤中，不需要进行碱基互补配对的步骤是( )
A．人工合成目的基因
B．将目的基因导入受体细胞
C．目的基因与运载体结合
D．目的基因的检测与鉴定
解析：选B。用人工方法使体外重组的DNA分子转移到受体细胞，主要借助于细胞膜的流动性，此过程中不需要碱基互补配对。
6．上海医学研究所成功培育出第一头携带人白蛋白基因的转基因牛。他们还研究出一种可大大提高基因表达水平的新方法，使转基因动物乳汁中的药物蛋白含量提高了30多倍。以下与此有关的叙述中，正确的是( )
A．“转基因动物”是指体细胞中出现了新基因的动物
B．“提高基因表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞中含有更多的人白蛋白基因
C．只在转基因牛乳汁中才能获取人白蛋白，是因为人白蛋白基因只在牛乳腺细胞中是纯合的
D．转基因牛的肌肉细胞中也有人白蛋白基因，但不发生转录、翻译，故不合成人白蛋白
解析：选D。转基因动物的受体细胞一般是受精卵，所以含有转基因的受精卵在形成个体时，所有细胞都会含有转入的基因；但在机体发育过程中，基因要进行选择性表达。
7．下列关于基因工程的叙述，不正确的是( )
A．基因工程常以抗生素抗性基因作为目的基因
B．DNA连接酶和限制酶是构建重组质粒必需的工具酶
C．通常用同一种限制酶处理含有目的基因的DNA和运载体DNA
D．为育成抗除草剂的作物新品种，导入抗除草剂基因时可以以受精卵或体细胞作为受体
解析：选A。基因工程中抗生素抗性基因一般作为标记基因；在一般情况下用同一种限制酶剪切目的基因和运载体，切出相同的黏性末端有利于碱基互补配对；导入抗除草剂基因时常以受精卵作为受体，但由于植物体细胞的全能性较高，所以也可以用体细胞作为受体。
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8．人的糖蛋白必须经内质网和高尔基体进一步加工合成，通过转基因技术，可以使人的糖蛋白基因得以表达的受体细胞是( )
A．大肠杆菌 B．酵母菌
C．T4噬菌体 D．质粒DNA
解析：选B。人的糖蛋白必须经内质网和高尔基体进一步加工合成，故受体细胞内应有内质网和高尔基体，题干中只有酵母菌符合此条件。
9．下列关于基因工程技术的叙述，不正确的是( )
A．重组DNA技术所用的工具酶是限制酶、DNA连接酶和运载体
B．某限制酶能识别GAATTC序列并在G和A之间切开利用了酶的专一性
C．选用细菌作为重组质粒的受体细胞是因为细菌繁殖快
D．成功将抗虫基因导入棉花后产生的变异属于基因重组
解析：选A。重组DNA技术所用的工具酶是限制酶和DNA连接酶，运载体不是工具酶。
10．在用基因工程技术构建抗除草剂的转基因烟草过程中，下列操作错误的是( )
A．用限制酶切割烟草花叶病毒的核酸
B．用DNA连接酶连接经切割的抗除草剂基因和运载体
C．将重组DNA分子导入烟草原生质体
D．用含除草剂的培养基筛选转基因烟草细胞
解析：选A。构建重组DNA分子时，需用同种限制酶切割目的基因和运载体，再用DNA连接酶连接形成重组DNA分子，而烟草花叶病毒的遗传物质是RNA，所以A项错误。重组DNA分子形成后要导入受体细胞(若是植物细胞，则可导入其原生质体)，若导入的受体细胞是体细胞，经组织培养可获得转基因植物。目的基因为抗除草剂基因，所以未成功导入目的基因的细胞不具有抗除草剂的能力，可用含除草剂的培养基筛选转基因烟草细胞。
11．你认为支持基因工程技术的理论有( )
①遗传密码的通用性 ②不同基因可独立表达 ③不同基因表达可互相影响 ④DNA作为遗传物质能够严格地自我复制
A．①②④ B．②③④
C．①③ D．①④
解析：选A。转基因之所以在不同种生物间可以进行是因为：遗传密码的通用性——同一基因在不同生物中表达产生的蛋白质(或性状)相同；不同基因表达的独立性——在不同生物中基因的表达不受其他基因的影响；DNA自我复制的严格性——从而保证遗传的稳定性。
12．抗逆转基因作物的培育与推广带来的巨大社会效益是( )
①在一定程度上使作物摆脱了土壤和气候条件的限制
②减少化学农药对环境的污染和对人畜的危害 ③减少了化肥的制造和使用量，有利于环境保护 ④使得作物在不良环境下更好地生长，提高产量
A．①②③ B．①②④
C．①③④ D．②③④
解析：选B。抗逆转基因作物体内含有抵抗不良环境条件的基因，如抗病毒、抗虫、抗盐碱、抗除草剂、抗低温等基因，但抗逆转基因作物的生长仍然需要从土壤中吸收必需的无机盐成分，缺少了必需的无机盐成分，任何作物都不能正常生长发育，所以不能减少化肥的制造和使用量。
13．中国青年科学家成功地把人的抗病毒干扰素基因“嫁接”到烟草的DNA分子上，使烟草获得了抗病毒的能力。试分析回答：
(1)抗病毒烟草的培育应用了____________技术。
(2)烟草具有抗病毒能力，说明烟草体内产生了________________。
(3)烟草DNA分子被“嫁接”上或“切割”掉某个基因，但并不影响该基因的表达，从基因功能角度考虑，说明________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
答案：(1)基因工程
(2)抗病毒干扰素
(3)基因是遗传物质的基本单位
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14．科学家通过基因工程，成功培育出能抗棉铃虫的棉花植株——抗虫棉，其过程大致如图所示：
(1)目的基因能否在棉株体内稳定维持和表达其遗传特性的关键是目的基因是否插入受体细胞染色体DNA上，这需要通过检测才能知道，检测采用的最好方法是
________________________________________________________________________。
(2)科学家预言，此种“转基因抗虫棉”独立种植若干代以后，将出现不抗虫的植株，此现象来源于__________。
(3)利用基因工程技术培育抗虫棉，相比诱变育种和杂交育种，具有目的性强和________________等突出的优点。
(4)有人担心种植上述转基因抗虫棉，它所携带的目的基因可以通过花粉传递给近缘物种，造成“基因污染”，请提出你的解决方法：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：由题图可知，目的基因是苏云金芽孢杆菌的毒蛋白基因，与Ti质粒重组后，利用农杆菌导入植物细胞产生了抗虫棉植株。这种育种方式能克服远缘杂交不亲和性，可用DNA分子杂交技术检测目的基因是否整合到受体细胞染色体上。
答案：(1)DNA分子杂交技术
(2)基因突变
(3)克服远缘杂交不亲和性(或能有效地打破物种间的生殖隔离界限)
(4)将目的基因导入叶绿体或线粒体基因组中
15．通过DNA重组技术使原有基因得以改造的动物称为转基因动物。运用这一技术可使羊奶中含有人体蛋白质，如图表示这一技术的基本过程，在该工程中所用的基因“剪刀”能识别的序列和切点是—G↓GATCC—，请回答下列问题：
(1)从羊染色体中“剪下”羊蛋白质基因的酶是________________，人体蛋白质基因“插入”后连接在羊染色体中需要的酶是____________________。
(2)人体蛋白质基因之所以能连接到羊的染色体DNA中，原因是________________________________，人体蛋白质基因导入羊细胞时常用的工具是________________________________________________________________________。
(3)此过程中目的基因的检测与表达中的表达是指________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)你认为此类羊产的奶安全可靠吗？理由是什么？
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
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解析：(1)剪切获取目的基因的酶是限制性核酸内切酶，将不同的DNA片段连接起来的酶是DNA连接酶。(2)不同生物的DNA化学组成和空间结构相同，即都具有相同的物质基础和结构基础。目的基因导入受体细胞需要先与运载体结合，最常用的运载体是质粒，也可以用病毒。(3)基因的表达是指基因通过转录和翻译过程合成相应的蛋白质。(4)为开放性问题，理由与观点相对应即可。
答案：(1)限制性核酸内切酶 DNA连接酶
(2)具有相同的物质基础和结构基础 细菌质粒或病毒
(3)人体蛋白质基因在羊体细胞内控制合成人体蛋白质
(4)安全。因为目的基因导入受体细胞后没有改变，控制合成的人体蛋白质成分没有改变(或不安全。因为目的基因导入受体细胞后，可能由于羊细胞中某些成分的影响，合成的蛋白质成分发生一定的改变)
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