高中生物专题1基因工程3基因工程的应用学案新人教选修31025120

基因工程的应用一、植物基因工程的成果1.植物基因工程的应用领域:(1)提高农作物的抗逆能力。(2)改良农作物的品质。(3)利用植物生产药物等。2.抗虫转基因植物:(1)方法:从某些生物中分离出具有杀虫活性的基因,将其导入作物中。(2)目的基因:主要是Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等。(3)成果:转基因抗虫棉、转基因抗虫水稻等。(4)意义:减少化学农药的使用,降低生产成本,减少环境污染,降低对人体健康的危害。3.抗病转基因植物:(1)方法:将抗病基因导入植物中。(2)目的基因。①抗病毒基因:病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因。②抗真菌基因:几丁质酶基因和抗毒素合成基因。(3)成果:抗烟草花叶病毒的转基因烟草,抗病毒的转基因小麦、甜椒、番茄等。(4)意义:能获得用常规育种方法很难培育出的抗病毒新品种。4.抗逆转基因植物:作物种类目的基因抗盐碱、抗干旱作物调节细胞渗透压基因耐寒作物鱼的抗冻蛋白基因抗除草剂作物抗除草剂基因5.利用转基因改良植物的品质:富含赖氨酸的转基因玉米、转基因延熟番茄、开变异花的转基因矮牵牛。二、动物基因工程的应用应用基因来源或处理成果提高动物的生长速度外源生长激素基因转基因绵羊、转基因鲤鱼改善畜产品的品质肠乳糖酶基因转基因牛分泌的乳汁中,乳糖含量降低用转基因动物生产药物药用蛋白基因+乳腺蛋白基因的启动子乳腺生物反应器或乳房生物反应器用转基因动物作器官移植的供体抑制抗原决定基因的表达或设法除去抗原决定基因结合克隆技术,培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆猪器官三、基因工程药物1.来源:转基因工程菌。2.成果:细胞因子、抗体、疫苗、激素等。3.作用:预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、传染病、糖尿病、类风湿等疾病。四、基因治疗1.概念:把正常基因导入病人体内,使该基因的表达产物发挥功能,从而达到治疗疾病的目的。2.方法:(1)体外基因治疗:从病人体内获得某种细胞,进行培养,在体外完成基因转移,筛选出成功转移的细胞扩增培养,最后重新输入患者体内。(2)体内基因治疗:直接向人体组织细胞中转移基因。3.成果:将腺苷酸脱氨酶基因转入患者的淋巴细胞中,治疗复合型免疫缺陷症。4.现状:(1)处于初期临床试验阶段。(2)存在着技术、伦理道德、安全性等方面的诸多困难。1.目的基因只能来源于微生物。 (×)【分析】目的基因既可以来源于细菌等微生物,也可来源于高等的植物、动物等生物。2.利用乳腺生物反应器能够获得一些重要的医药产品,如人的血清白蛋白,这是因为将人的血清白蛋白基因导入了动物的乳腺细胞中。 (×)【分析】利用乳腺生物反应器能够获得一些重要的医药产品,是将目的基因导入动物的受精卵而不是乳腺细胞。3.来自苏云金芽孢杆菌的Bt毒蛋白基因只能应用于棉花。 (×)【分析】Bt毒蛋白能杀死多种有害昆虫,而对哺乳动物无害,因而广泛用于多种转基因植物,如棉花、水稻等。4.转基因生物的目的基因来自不同的物种,可见,基因工程可以打破物种间的生殖隔离。 (√)5.由大肠杆菌工程菌获得人的干扰素后可直接应用。 (×)【分析】大肠杆菌是原核生物,没有内质网、高尔基体,无法对分泌蛋白进行加工修饰,合成的干扰素无生物活性,需要进一步加工,不能直接应用。一、基因工程的应用1.转基因植物生产过程图解(以抗虫棉生产过程为例):2.转基因动物生产过程图解(以转基因牛生产过程为例):3.转基因微生物生产过程图解(以可生产干扰素的酵母菌的培育过程为例):【易错提醒】转基因作物中的目的基因的两点提醒(1)目的基因并非都来自微生物:目的基因都是来自其他生物的能表现出优良性状的外源基因,并不都是来自细菌、病毒等微生物,如抗冻蛋白基因来自鱼类。(2)注意“抗虫”和“抗病”的区别,二者可以分别通过害虫接种和病毒接种来进行个体水平的检测。【选修对接必修】对接必修2:基因的表达(1)目的基因对性状的控制:有的目的基因通过控制蛋白质的合成,直接控制生物的某种性状,这反映了基因与性状的直接关系;有的目的基因通过控制酶的合成来控制代谢,进而控制生物的性状,这体现的是基因和性状的间接关系。(2)生物的表现型=基因型+环境。基因与基因、基因与基因产物、基因与环境之间相互作用,精细地调控着生物体的性状。为增加油菜种子的含油量,研究人员尝试将从陆地棉基因库中获取的酶D基因与位于拟南芥叶绿体膜上的转运肽基因相连,导入油菜细胞并获得转基因油菜品种。酶D基因、转运肽基因所含三种限制酶(ClaⅠ、SacⅠ、XbaⅠ)的切点如图甲所示。请回答下列问题。(1)用限制酶__________和__________酶处理两个基因后,可得到A、D端相连的目的基因。

(2)将上述目的基因插入如图乙所示质粒的__________中,构建__________,然后将其导入农杆菌中。

(3)利用__________法将目的基因导入油菜叶片中,并通过筛选获得转基因油菜细胞,通过__________技术可培育成转基因油菜植株。

(4)用__________技术可检测转基因油菜的染色体DNA上是否插入了目的基因,用__________技术可检测转基因油菜植株中的目的基因是否翻译成蛋白质。

【解题关键】(1)限制酶能够识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列,并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开。(2)同种限制酶切割能够产生相同的黏性末端,便于质粒和目的基因连接。【解析】(1)用限制酶ClaⅠ处理两个基因后,可露出相同的黏性末端,再用DNA连接酶连接,可得到A、D端相连的目的基因。(2)因为土壤农杆菌Ti质粒的T-DNA能够转移并整合到植物细胞的染色体DNA上,故要将上述目的基因插入图中Ti质粒的T-DNA中,构建基因表达载体即重组质粒,然后将其导入农杆菌中。(3)利用农杆菌转化法将目的基因导入油菜叶片中,并通过筛选获得转基因油菜细胞,通过植物组织培养技术可培育成转基因油菜植株。(4)用DNA分子杂交技术可检测转基因油菜的染色体DNA上是否插入了目的基因,用抗原-抗体杂交技术可检测转基因油菜植株中的目的基因是否翻译成蛋白质。答案:(1)ClaⅠDNA连接(2)T-DNA基因表达载体(3)农杆菌转化植物组织培养(4)DNA分子杂交抗原-抗体杂交【误区警示】(1)忽略图中关键信息:对图示三种限制酶的识别序列与切割位点认识不清,进而无法判断“剪切”产生的目的基因和载体的末端是否能够“缝合”。(2)不清楚分子水平上的检测方法:①检测转基因生物染色体的DNA是否插入目的基因——DNA分子杂交技术;②检测目的基因是否转录出了mRNA——分子杂交技术;③检测目的基因是否翻译成蛋白质——抗原-抗体杂交技术。1.基因疫苗是指将编码外源抗原的基因与质粒重组,构建出基因表达载体,导入人或动物细胞后利用宿主细胞的蛋白质合成系统合成外源抗原蛋白,并诱导机体产生对该抗原的免疫应答,以达到预防和治疗疾病的目的。可见,基因疫苗是一种 ()A.重组质粒 B.外源抗原的DNA片段C.外源抗原蛋白质 【解析】选A。从基因疫苗的制备过程可以看出,基因疫苗是目的基因与质粒重组后的结果,即重组质粒。2.“胰岛素A、B链分别表达法”是生产胰岛素的方法之一。图1是该方法所用的基因表达载体,图2表示利用大肠杆菌作为工程菌生产人胰岛素的基本流程(融合蛋白A、B分别表示β-半乳糖苷酶与胰岛素A、B链融合的蛋白)。请回答下列问题:(1)图1基因表达载体中没有标注出来的基本结构是_________________。

(2)图1中启动子是________酶识别和结合的部位,有了它才能启动目的基因的表达;氨苄青霉素抗性基因的作用是_____________________________。

(3)溴化氰能切断肽链中甲硫氨酸羧基端的肽键,用溴化氰处理相应的融合蛋白能获得完整的A链或B链,且β-半乳糖苷酶被切成多个肽段,推测这是因为___________________________________________________________________________。

【解析】(1)根据题意和图示分析可以知道:图1基因表达载体中已包含目的基因、启动子和标记基因,所以没有标注出来的基本结构是终止子。(2)图1中启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位,有了它才能启动目的基因的表达即转录过程;氨苄青霉素抗性基因的作用是作为标记基因,将含有重组质粒的大肠杆菌筛选出来。(3)溴化氰能切断肽链中甲硫氨酸羧基端的肽键,因为β-半乳糖苷酶中含有多个甲硫氨酸,而胰岛素的A、B链中不含甲硫氨酸,所以用溴化氰处理相应的融合蛋白能获得完整的A链或B链,且β-半乳糖苷酶被切成多个肽段。答案:(1)终止子(2)RNA聚合作为标记基因,将含有重组质粒的大肠杆菌筛选出来(3)β-半乳糖苷酶中含多个甲硫氨酸,而胰岛素A、B链中不含甲硫氨酸二、乳腺生物反应器与基因治疗1.乳腺生物反应器:(1)操作过程:(2)乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别:比较内容乳腺生物反应器工程菌含义指让外源基因在哺乳动物的乳腺中特异性表达,利用动物的乳腺组织生产药物蛋白指用基因工程的方法,使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系受体基因结构与人类基因结构差异动物基因结构与人类的基因结构基本相同细菌和酵母菌的基因结构与人类有较大差异基因表达合成的药物蛋白与天然蛋白质相同细菌合成的药物蛋白可能没有活性受体细胞动物受精卵微生物细胞目的基因导入方式显微注射法感受态细胞法(3)乳腺生物反应器的特点:活性高,成本低,易提纯,产量高。2.基因治疗:(1)实质:正常基因表达掩盖病变基因的表达,达到治疗疾病的目的。(2)过程。以治疗复合型免疫缺陷症为例:(3)治疗途径的异同点:比较体外基因治疗体内基因治疗不同点操作复杂,但效果较为可靠方法较简单,但效果难以控制相同点都是将外源基因导入靶细胞,以纠正缺陷基因,目前两种方法都处于初期临床试验阶段(4)基因诊断与基因治疗的比较:项目方法备注基因诊断制作相应探针,利用DNA分子杂交原理,快速、准确检测人类某种疾病临床应用阶段基因治疗把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中,达到治疗疾病的目的仅处于初期的临床试验阶段【易错提醒】基因治疗时正常基因没有改变病变基因的表达途径在基因治疗的过程中,正常基因、病变基因都可以表达,只是正常基因的表达掩盖了病变基因控制的性状,使病人表现正常,最终达到治疗疾病的目的。【选修对接必修】对接必修3:免疫调节(1)吞噬细胞既参与非特异性免疫,又参与特异性免疫;T淋巴细胞既参与体液免疫,又参与细胞免疫。(2)免疫预防与免疫治疗的区别:项目时间注射的物质目的免疫预防病原体感染前的预防疫苗(经处理的抗原)激发机体自身免疫反应,产生抗体和记忆细胞免疫治疗病原体感染后的治疗抗体、淋巴因子、血清等直接清除病原体或产生的毒素,使患者恢复健康据报道,研究人员提取了重症联合免疫缺陷患儿的骨髓,插入目的基因拷贝,将修饰的细胞重新输回患者体内。最终结果令人惊叹:经过治疗,16名患儿中有14名免疫系统得到了修复,还有很多基本治愈,这是基因治疗成功的典型案例。理论上,基因治疗可以治愈很多人类遗传疾病。但科研人员实施安全有效的基因治疗却并非易事,他们面临许多挑战,首先要明确患病的遗传基础,其次要寻找合适的载体作用于机体的发病组织,同时还要能避免意外的后果。根据以上材料,回答下列问题:(1)基因治疗属于____________(生物技术)的应用范畴,这种技术的变异原理是______________。

(2)基因治疗常选用逆转录病毒作为目的基因载体,但需敲除病毒的包装蛋白基因,原因是________________________________________。

(3)构建基因表达载体后,可直接将其转入患者体内受体细胞,也可在体外__________________,形成重组细胞,经体外培养后再输入患者体内。体外培养重组细胞的条件包括____________________________________。

(4)从遗传物质变化和免疫调节角度看,基因治疗可能导致的意外后果分别是__________________________________________________________________。

【解题关键】基因治疗利用的原理是基因重组,成功的关键在于将目的基因整合到人体的染色体DNA上并能够表达。【解析】(1)基因治疗属于基因工程的应用范畴,原理是基因重组。(2)基因治疗过程中,获得目的基因后,需构建基因表达载体,以保证目的基因在受体细胞内顺利表达并发挥作用。以病毒作为基因的载体,需使目的基因高效转移并有效表达,而其不断繁殖的特性必须消除。敲除病毒的包装蛋白基因,就是不让病毒合成相应蛋白进行繁殖。(3)基因表达载体构建后,可通过两种途径发挥作用:一是直接将表达载体导入患者体内的受体细胞,二是在体外将基因表达载体导入受体细胞,形成重组细胞,在体外进行细胞培养后输入患者体内。体外细胞培养时要提供的条件包括:无菌、无毒的环境,营养,适宜的温度和pH,气体环境。(4)基因治疗可能导致的意外后果包括:基因表达载体整合时引起相关基因突变或细胞癌变,重组细胞输入患者体内时有可能引发机体产生免疫排斥反应和并发症。答案:(1)基因工程基因重组(2)防止病毒合成包装蛋白进行繁殖(3)将基因表达载体导入受体细胞无菌、无毒的环境,营养,适宜的温度和pH,气体环境(4)细胞癌变(或基因突变)、免疫排斥(并发症)【误区警示】(1)目的基因需要构建表达载体后才可导入受体细胞,不可直接将目的基因导入。(2)基因治疗常选用逆转录病毒作为目的基因载体,便于将目的基因整合到受体细胞染色体DNA上。(3)病毒作载体时,为防止病毒合成包装蛋白进行繁殖,务必敲除其包装蛋白基因。1.动物乳腺生物反应器是一项利用转基因动物的乳腺代替传统的生物发酵,进行大规模生产可供治疗人类疾病或用于保健的活性蛋白质的现代生物技术。目前科学家已在牛和羊等动物的乳腺生物反应器中表达出了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素等重要药品。大致过程如图所示:下列有关说法,错误的是 ()A.通过③形成的重组质粒除了具有人的药用蛋白基因之外,还要有启动子、终止子和标记基因B.④通常采用农杆菌转化法C.在转基因母牛的乳腺细胞中人的药用蛋白基因才会得以表达,因此可以从乳汁中提取药物D.该技术生产药物的优点是产量高、质量好、易提取【解析】选B。要让药用蛋白基因在乳腺细胞内表达并分泌含药物的乳汁,重组质粒上必须具有人的药用蛋白基因、启动子和终止子等调控组件,A项正确;转基因动物通常利用的受体细胞是受精卵,采用显微注射技术,B项错误;只有转基因母牛到达泌乳期,乳腺细胞才会表达相应的药用蛋白基因,乳汁中才会含有药物,C项正确;从乳汁里提取药物,优点突出,使动物本身成为“批量生产药物的工厂”,D项正确。2.(2021·广东适应性测试节选)CRISPR/Cas9基因编辑技术可以按照人们的意愿精准剪切、改变任意靶基因的遗传信息,对该研究有突出贡献的科学家被授予2020年诺贝尔化学奖。我国科学家领衔的团队利用CRISPR/Cas9等技术,将人的亨廷顿舞蹈病致病基因(HTT基因)第1外显子(其中含150个CAG三核苷酸重复序列)“敲入”猪基因组内,获得了人-猪“镶嵌”HTT基因,利用胚胎工程技术成功地构建了亨廷顿舞蹈病的动物模型。回答下列问题:(1)PCR技术是获得人HTT基因常用的方法,制备PCR反应体系时,向缓冲溶液中分别加入人HTT基因模板、4种脱氧核糖核苷酸及________等,最后补足H2O。

(2)CRISPR/Cas9基因编辑技术中,SgRNA是根据靶基因设计的引导RNA,准确引导Cas9切割与SgRNA配对的靶基因DNA序列,由此可见,Cas9在功能上属于________酶。与CRISPR/Cas9相比,限制酶的特性决定了其具有____________________________的局限性。

(3)在实验过程中,为