浙科版高中生物一轮复习选修3.1-19版

1、选修3 第1讲基 因 工 程 考点一基因工程的基本工具1.限制性核酸内切酶:(1)来源:主要是从微生物(如细菌)中分离纯化出来的。(2)功能:识别和切割DNA分子内一小段特殊核苷酸序列。(3)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。(4)作用结果:产生粘性末端(或平末端)。2.DNA连接酶:(1)作用:缝合DNA片段,将外源基因和载体DNA连接在一起。(2)与限制性核酸内切酶的关系(如下图):限制性核酸内切酶不切割自身DNA的原因:原核生物DNA中不存在该酶的识别序列或识别序列已经被修饰。DNA连接酶发挥

2、作用时不需要模板。3.质粒:(1)存在位置:位于细菌细胞拟核之外。(2)化学成分:双链环状DNA分子。(3)常用质粒:大肠杆菌的质粒,常含有抗生素抗性基因。(4)作为载体的条件。能在宿主细胞中稳定保存并大量复制。有一个至多个限制性核酸内切酶切割点,以便与外源基因连接。具有特殊的标记基因,便于筛选。4.与DNA有关的几种酶的比较:项目种类作用底物作用部位作用结果限制性核酸内切酶DNA分子两个相邻脱氧核苷酸之间形成粘性末端(或平末端)DNA连接酶DNA分子片段两个相邻脱氧核苷酸之间形成重组DNA分子项目种类作用底物作用部位作用结果DNA聚合酶脱氧核苷酸两个相邻脱氧核苷酸之间形成新的DNA分子DNA

3、(水解)酶DNA分子两个相邻脱氧核苷酸之间形成脱氧核苷酸DNA解旋酶DNA分子碱基对间的氢键形成单链DNA分子考点二基因工程的操作流程1.获得目的基因:(1)从基因文库中获取:一般用于未知核苷酸序列时获取目的基因。(2)人工合成目的基因。化学合成法:已知核苷酸序列的较小基因,直接利用DNA合成仪用化学方法合成,不需要模板。反转录法:以RNA为模板,在反转录酶作用下人工合成。(3)PCR扩增目的基因:利用DNA复制的原理,在体外特异性地复制某DNA片段以获得呈指数增加的目的基因。2.形成重组DNA分子:3.将重组DNA分子导入受体细胞:细胞种类常用方法操作过程常用细胞微生物细胞Ca2+处理法氯化

4、钙处理受体细胞含目的基因的重组质粒进入宿主细胞原核生物细胞、酵母菌植物细胞农杆菌转化法目的基因插入Ti质粒的DNA转入农杆菌导入植物细胞体细胞或受精卵细胞种类常用方法操作过程常用细胞动物细胞显微注射技术目的基因的表达载体提纯取卵(受精卵)显微注射入受精卵受精卵4.筛选含有目的基因的受体细胞和目的基因的表达:考点三基因工程的应用1.转基因植物转基因抗虫棉:(1)方法:农杆菌转化法。(2)过程图解:过程解读:目的基因:苏云金芽孢杆菌的毒蛋白基因。将携带目的基因的重组DNA分子导入植物细胞的实质:目的基因整合到受体细胞的染色体基因组中,从而使受体生物获得新的性状,即抗虫性。获得个体方式:植物组织培养

5、。2.基因工程育种和传统杂交育种的比较:基因工程育种杂交育种原理异源DNA(基因)重组基因重组处理方法提取重组导入筛选表达。即提取目的基因形成重组DNA分子将重组DNA分子导入受体细胞筛选含有目的基因的受体细胞目的基因的表达杂交自交筛选。先通过两个具有不同优良性状的纯种杂交得到F1,然后再将F1自交,人工筛选获取所需品种基因工程育种杂交育种优点可以按人的意愿改造生物,克服远缘杂交不亲和的障碍,目的性强,科技含量高操作简便缺点技术复杂、操作烦琐育种时间长3.转基因动植物的区别:比较项目转基因植物转基因动物受体细胞受精卵或体细胞一般为受精卵目的基因常用的导入方法农杆菌转化法显微注射法比较项目转基因

6、植物转基因动物获得个体常用方式植物组织培养动物细胞培养、胚胎移植目的为了获得具有抗逆性、抗病虫害的植物为了获得生长速度快、有抗病能力的动物考点四基因工程与基因治疗1.基因工程药物研制:药 物成 分用 途传统方法基因工程胰岛素蛋白质治疗胰岛素依赖型糖尿病从猪和羊的胰腺中提取通过基因工程技术利用大肠杆菌生产药 物成 分用 途传统方法基因工程干扰素糖蛋白治疗病毒性肝炎和肿瘤从人血液中提取通过人白细胞干扰素基因在受体细胞中的克隆和表达获取乙型肝炎疫苗蛋白质预防乙型肝炎通过基因工程技术利用酵母菌或哺乳动物细胞生产2.基因治疗:(1)原理: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

7、目的。(2)基因治疗的过程:(3)基因治疗的现状:技术还不成熟,许多试验尚未成功,许多理论和技术问题有待解决。类型一基因工程的基本工具1.(2017杭州模拟)下表中列出了几种限制性核酸内切酶的识别序列及其切割位点,图1、图2中箭头表示相关限制性核酸内切酶的酶切位点。请回答下列问题:(1)用图中质粒和目的基因构建重组质粒,应选用_两种限制性核酸内切酶切割,酶切后的载体和目的基因片段通过_酶作用后获得重组质粒。(2)为了筛选出转入了重组质粒的大肠杆菌,应在筛选平板培养基中添加_。(3)若BamH酶切的DNA末端与Bcl酶切的DNA末端连接,连接部位的6个碱基对序列为_,对于该部位,这两种酶 _(填

8、“都能”“都不能”或“只有一种能”)切开。(4)若用Sau3A酶切图1质粒最多可能获得_种大小不同的DNA片段。(5)基因工程中,某些噬菌体经改造后可以作为载体,其DNA复制所需的原料来自_。【解析】(1)由图可知,为了构建重组质粒不能用BamH切割质粒,因为质粒被此酶切割后,两个抗性基因都会被破坏。因此,可以使用Bcl和Hind两种酶切割质粒和目的基因,然后再用DNA连接酶将切割后的质粒和目的基因连接成重组质粒。(2)由于形成的重组质粒中氨苄青霉素抗性基因已经被破坏,因此要筛选含有重组质粒的大肠杆菌可以在筛选平板培养基中添加四环素。(3)由表可知,限制酶BamH和Bcl切割产生的粘性末端相同

9、,所以切割的序列可以进行拼接,但粘性末端两侧的碱基序列不同,可能是 ,也可能是 。因重组后的碱基序列发生变化,两种酶都不能将其切开。(4)根据BamH、Bcl和Sau3A的酶切位点,Sau3A在质粒上有三个酶切位点,完全酶切可得到记为A、B、C的三种片段,若部分位点被切开,可得到AB、AC、BC、ABC四种片段,所以用Sau3A酶切图1质粒最多可能获得7种大小不同的DNA片段。(5)某些噬菌体在基因工程中经改造后可作为载体,利用受体细胞中的成分来合成自身的DNA。答案:(1)Bcl和HindDNA连接(2)四环素(4)7(5)受体细胞 2.新一代基因编辑工具由Cas9(一种限制性核酸内切酶)和

10、向导RNA构成。该复合体能与DNA分子上的特定序列结合,并在合适位点切断DNA双链(如图所示)。DNA被切断后,细胞会启动DNA损伤修复机制,在此基础上如果为细胞提供一个修复模板,细胞就会按照提供的模板在修复过程中引入片段插入或定点突变,从而实现基因编辑:请回答:(1)在将编码Cas9的基因导入真核细胞的转基因操作中,若控制合成Cas9的基因序列已知,可用_方法合成目的基因,再构建_导入真核细胞,该过程中需要使用的酶是_(A.限制性核酸内切酶B.DNA连接酶C.限制性核酸内切酶和DNA连接酶D.DNA聚合酶)。上述转基因操作成功的标志是_。(2)如图所示,基因编辑工具发挥作用时,向导RNA分子

11、的序列与基因组DNA中特定碱基序列因为_,所以能结合在一起,然后由Cas9催化_键断裂,从而使DNA分子断裂。(3)一般来说,在使用基因编辑工具对不同基因进行编辑时,应使用Cas9和_(填“相同”或“不同”)的向导RNA进行基因的相关编辑。【解析】(1)进行转基因操作,若目的基因序列已知,可采用化学方法合成目的基因,然后与载体构建重组DNA分子,并将其导入受体细胞:构建重组DNA分子需要借助限制性核酸内切酶和DNA连接酶。对于基因工程而言,成功的标志是目的基因(Cas9基因)在宿主细胞中稳定地表达。(2)图示中,向导RNA分子的序列与基因组DNA中特定碱基序列因为碱基互补配对能结合在一起,然后

12、由Cas9催化磷酸二酯键断裂,最终使DNA分子断裂。(3)不同的基因序列不同,所需要的向导RNA也会存在差异,因此对不同基因进行编辑时,应使用Cas9和不同的向导RNA进行基因的相关编辑。答案:(1)化学含目的基因的重组DNA分子C控制Cas9基因的成功表达(或合成了Cas9)(2)碱基互补配对磷酸二酯(3)不同【易错警示】限制性核酸内切酶使用注意事项(1)限制性核酸内切酶切割的是两个相邻脱氧核苷酸之间的化学键而不是氢键。(2)在切割目的基因和载体时一般要求用同一种限制性核酸内切酶,目的是得到相同的粘性末端。(3)限制性核酸内切酶切割位点应位于标记基因之外,不能破坏标记基因,以便进行筛选。类型

13、二基因工程的操作流程1.(2017宁波模拟)在当今社会糖尿病患者急剧增加,胰岛素需求量大大增加,而以前主要是从生物体中提取,价格十分昂贵,而且产量低,临床供应明显不足。自70年代基因工程发展起来以后,人们发现了人胰岛素基因,使之与载体形成重组DNA,并将重组DNA导入大肠杆菌,最后利用这些工程菌,可以高效率地生产出胰岛素,请分析回答:(1)在基因工程中,最常用的载体是_,它广泛地存在于细菌细胞中。若要获取的目的基因序列未知,可选择_(A.直接化学合成 B.PCR扩增技术 C.基因文库法)获取目的基因。(2)在用目的基因与质粒形成重组DNA过程中,一般要用到的工具酶是_和_。(3)在将质粒导入细

14、菌时,一般要用_处理细菌,以增大_。【解析】(1)基因工程中最常用的载体是质粒。要获得序列未知的目的基因,可选择基因文库法。(2)限制性核酸内切酶可将目的基因与质粒切出粘性末端,DNA连接酶可将切好的片段连接起来,形成重组DNA,两类工具酶是基因工程中经常用到的。(3)在将重组质粒导入细菌时,一般使用CaCl2处理细菌,增加细菌细胞壁通透性,提高重组质粒导入细菌的效率。答案:(1)质粒C(2)限制性核酸内切酶DNA连接酶(3)CaCl2细胞壁通透性2.科学家将鱼抗冻蛋白基因转入番茄,使番茄的耐寒能力大大提高,可以在相对寒冷的环境中生长。质粒上有Pst、Sma、Hind、Alu等四种限制性核酸内

15、切酶切割位点,如图是转基因抗冻番茄培育过程的示意图(ampr为抗氨苄青霉素基因),其中是转基因抗冻番茄培育过程中的相关步骤,、表示相关结构或细胞。请据图作答:(1)在构建重组DNA时,可用一种或多种限制性核酸内切酶进行切割,为了避免目的基因和载体在酶切后产生的末端发生任意连接,在此实验中应该选用限制性核酸内切酶_分别对_、_进行切割,切割后产生的DNA片段分别为_、_种。(2)培养基中的氨苄青霉素会抑制番茄愈伤组织细胞的生长,要利用该培养基筛选已导入鱼的抗冻蛋白基因的番茄细胞,应使重组DNA中含有_,目的是作为标记基因。(3)研究人员通常采用_法将鱼抗冻蛋白基因导入番茄细胞。【解析】(1)在构

16、建重组DNA时,可用一种或多种限制性核酸内切酶进行切割,为了避免目的基因和载体在酶切后产生的末端发生任意连接,在此实验中应该选用限制性核酸内切酶Pst、Sma分别对含鱼抗冻蛋白基因的DNA、质粒进行切割;根据酶切位点分析切割后产生的DNA片段分别为4种和2种。(2)培养基中的氨苄青霉素会抑制番茄愈伤组织细胞的生长,要利用该培养基筛选已导入鱼的抗冻蛋白基因的番茄细胞,应使重组DNA中含有抗氨苄青霉素基因,目的是作为标记基因。(3)研究人员通常采用农杆菌转化法将鱼抗冻蛋白基因导入番茄细胞。答案:(1)Pst、Sma含鱼抗冻蛋白基因的DNA质粒42(2)抗氨苄青霉素基因(3)农杆菌转化【易错警示】基

17、因工程操作中的六个易错点(1)目的基因的插入位点不是随意的。基因表达需要启动子与终止子的调控,所以目的基因应插入启动子与终止子之间的部位。(2)基因工程操作过程中只有第三步(将目的基因导入受体细胞)没有碱基互补配对现象。第一步存在逆转录法获得DNA,第二步存在粘性末端连接现象,第四步检测存在分子水平杂交方法。(3)原核生物作为受体细胞的优点:繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少。(4)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。(5)目的基因进入受体细胞内,并且在

18、受体细胞内维持稳定和表达的过程,称为转化。转化的实质是目的基因整合到受体细胞染色体基因组中。(6)不熟悉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。类型三基因工程的应用1.(2016浙江4月选考真题节选)兔肝细胞中的基因E编码代谢甲醛的酶,拟利用基因工程技术将基因E转入矮牵牛中,以提高矮牵牛对甲醛的代谢能力。请回答:(1)从兔肝细胞中提取mRNA,在_酶的作用下形成互补DNA,然后以此DNA为模板扩增得到基因E,在相关酶的作用下,将基因E与Ti质粒连接在一起,形成_,再导入用氯化钙处理的_中,侵染矮牵牛叶

19、片。将被侵染的叶片除菌后进行培养,最终得到转基因矮牵牛。其中培养过程正确的是_(A.叶片在含合适浓度生长素的培养基上分化形成愈伤组织B.愈伤组织在含细胞分裂素和生长素配比较高的培养基上形成芽C.再生的芽在细胞分裂素含量高的培养基上生根D.愈伤组织在含合适浓度植物生长调节剂的培养基上脱分化形成再生植株)。(2)取转基因矮牵牛叶片,放入含MS液体培养基和适量浓度甲醛且密封的试管中。将试管置于_上,进行液体悬浮培养。一段时间后测定培养基中甲醛的含量,以判断基因E是否在转基因矮牵牛中正常表达。培养过程中液体培养基的作用:一是提供营养;二是_,从而使叶片保持正常的形态。【解析】(1)基因E是编码代谢甲醛的酶,可以从兔肝细胞中直接获取也可以从肝细胞中提取mRNA,逆转录形成DNA,再与Ti质粒连接形成重组DNA分子,再将该重组DNA分子用农杆菌转化法导入矮牵牛叶片细胞中,被侵染的叶片在固体培养基上形成愈伤组织后,先促进芽的生成,需要在细胞分裂素和生长素配比较高的培养基上诱导形成芽。(2)培养基的种类多样,其中液体培养基可维持细胞渗透压,从而使叶片保持正常的形态。答案:(1)逆转录重组DNA分子农杆菌B(2)摇床维持渗透压2.下