2020高中生物 第1章 基本工程 第1节 基因工程概述 第2课时 基因工程的实施过程学案

第2课时基因工程的实施过程

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1.简述基因工程的一般过程。

2.理解获取目的基因的方法。（重、难点）

3.掌握将目的基因导入受体细胞的方法。（重点）

4.掌握目的基因的检测和鉴定方法。（重点）

知识点一I获取目的基因和构建基因表达载体

-----◊自主认知◊-----

1.获取目的基因

⑴通过基因文库获取目的基因：

①基因文库的含义：将某种生物细胞的整个基因组DNA切割成

大小合适的片段，分别与载体连接起来,导入受体菌的群体中储存,

各个堂也直分别含有这种生物的不同的基因.这个受体菌群体就被

称为基因文库。

②种类：

a.基因组文库:含有一种生物所有的基因。

b.部分基因文库:含有一种生物的一部分基因。

（2）利用PCR技术扩增目的基因：

①原理：DNA分子半保留复制。

②场所：生物体外(PCR仪)。

③优点:操作简单、容易掌握、结果可靠、能在较空时间内大量扩

增。

④发明家：美国科学家穆里斯。

(3)通过化学方法直接人工合成目的基因:

①仪器：DNA合成仪。

②基因特点：比较小、脱氧核普酸序列已知.

2.构建基因表达载体

⑴目的：使目的基因进入受体细胞并有效表达,能稳定存在且遗

货给后代。

(2)组成：一个基因表达载体除了目的基因外,还应包括启动子、

终止子和标记基因等.

-------◊核心突破◊--------

错误！

基因表达载体的构建是基因工程的核心，下面图1为基因表达载

体的构建过程图，图2为基因表达载体模式图。请据图分析:

载体（质粒）DNA分子

I①1①

一个切口两个切口

两个黏性末端获得目的基因

II

重组DNA分子（重组质粒）

图2

探讨错误!：图1中的①是什么物质?切割目的基因和载体要选用同

一种①吗?为什么？

提示：图1中①是限制性核酸内切酶。要，因为：选用同一种限

制性核酸内切酶切割会产生相同的黏性末端，可以在DNA连接酶

的作用下将切割的目的基因和载体连接起来.

探讨错误!：图1中②是什么物质？试探讨用②连接目的基因和载

体DNA时产生几种可能的连接方式?哪一种是符合要求的连接方

式。

提示：图1中②是DNA连接酶。可能有3种连接方式，即目的

基因和目的基因相连、载体DNA和载体DNA相连、目的基因和载

体DNA相连。其中符合要求的是目的基因和载体DNA相连形成的

重组DNA分子。

探讨错误!:图2中的抗生素抗性基因属于什么基因？能否将目的基

因插入该基因中？为什么？

提示：标记基因.不能.标记基因用于鉴定受体细胞是否成功导入

目的基因，以便将含目的基因的细胞筛选出来，若有目的基因插入,

则标记基因被破坏，无法进一步筛选。

［思维升华］

1.获取目的基因

(1)来源。

目的基因可以从自然界中已有的物种中分离出来，也可以用人工

方法合成。

(2)具体方法。

①从已有的物种中分离：从基因文库中提取目的基因.

②化学合成法:对于比较小，核甘酸序列已知的目的基因一般用人

工合成的方法。如已知氨基酸序列，合成DNA。

错误!错误!错误!错误！

结构基因的核普酸序列|错误!错误！

③反转录法：它是以目的基因的mRNA为模板，合成碱基互补

的单链DNA,然后在DNA聚合酶的作用下合成双链DNA。

错误!错误!错误!错误！

错误！

④利用PCR技术扩增目的基因.

a.PCR的含义：一项在生物体外通过酶促反应有选择地大量扩

增目的基因或DNA序列的技术。

b.目的：短时间内大量扩增目的基因或DNA序列.

c.原理:DNA分子半保留复制。

d.特点：操作简单、易掌握、结果可靠，能在短时间内大量复

制目的基因或DNA序列。

e.步骤：第一步，向离心管加入模板、原料、引物及方qDNA

聚合酶。

第二步，加热至94°C,双链DNA解旋为单链DNA。

第三步，冷却至55°C,引物与两条单链DNA上的特定部位相互

配对。

第四步，加热至72°C,热稳定DNA聚合酶（Z^DNA聚合酶）从

引物起始进行互补链的合成。

如此重复循环多次。

f.特点：指数形式扩增.

2.PCR技术扩增目的基因与DNA复制的比较

PCR技术DNA复制

相原则碱基互补配对

同原料四种脱氧核甘酸

点条件模板、ATP、酶

解旋方

DNA在高温下变性解旋解旋酶催化

式

不场所体外复制细胞核内

同热稳定的DNA聚合酶细胞内含有的DNA

酶

点(TaqDNA聚合酶)聚合酶

在短时间内形成大量的DNA

结果形成整个DNA分子

片段

［特别提醒］

提取目的基因的三种方法的应用情况

(1)如果不知道目的基因的核普酸序列，可以通过构建基因文库

的方法，即通过用受体菌储存并扩增目的基因后，从基因文库中获取

目的基因。

⑵如果知道目的基因的核甘酸序列，而且基因比较小，可以通过

DNA合成仪利用化学方法人工合成。

(3)如果知道扩增目的基因及两端的核普酸序列，而且基因又比较

大，则可以通过PCR技术扩增目的基因。

3.构建基因表达载体

⑴基因表达载体结构

质粒nnnnDNA分子

同一种限制性核酸内切酶

、

插入

涌动子

因

基

基

的

目

囿

止

终

DNA连接醉子

复制原点

)重组DNA分子少

麻记基因

(基因表达载体)

基因表达载体模式图

(2)分析

①启动子：一段有特殊结构的DNA片段，位于目的基因上游的

一段核首酸序列，是RNA聚合酶识别和结合的部位.

②目的基因：编码相关蛋白质，并形成基因工程产品或产生新的

生物性状.

③终止子：一段有特殊结构的DNA片段，位于目的基因的尾端,

作用是使转录在所需要的地方停止。

④标记基因：一般为抗生素抗性基因或荧光蛋白基因等，其作用

是鉴别受体细胞中是否含有目的基因(或目的基因是否导入成功)。

(3)基因表达载体的功能

将目的基因导入受体细胞并使之有效表达.

(4)基因表达载体的构建步骤

①用同一种限制酶切割目的基因和质粒，使其产生相同末端。

②将切下的目的基因片段与切开的质粒混合，再加入适量DNA

连接酶，使目的基因插入质粒的切口处，形成一个重组DNA分子(重

组质粒)。

［特别提醒］

启动子和终止子、起始密码子与终止密码子的区别

(1)启动子和终止子都在DNA上，在遗传信息转录时起作用。

启动子是启动转录的开始，终止子是DNA分子上决定转录停止的

一段DNA序列，其组成单位都是脱氧核甘酸。

(2)起始密码子和终止密码子都是mRNA上的三个相邻碱基。起

始密码子决定翻译的开始，终止密码子决定翻译的停止。

-------◊题组冲关◊--------

1.下列属于获取目的基因的方法的是()

①利用mRNA反转录形成②从基因文库中提取③从受体细

胞中提取④利用PCR技术⑤利用DNA转录⑥人工合成

A.①②③⑤B.①②⑤⑥

C.①②③④D.①②④⑥

【解析】获取目的基因的方法包括从基因文库中获取目的基

因、利用PCR技术扩增目的基因和利用DNA合成仪用化学方法直

接人工合成。目的基因属于外源基因，不能从受体细胞中提取，利用

DNA转录合成的是RNA,不是目的基因。

【答案】D

2.下图为某种质粒表达载体简图，小箭头所指分别为限制性核

酸内切酶EcoRI、BamHI的酶切位点，amp为青霉素抗性基

因,绫，为四环素抗性基因，P为启动子，T为终止子，。力为复制原点。

已知目的基因的两端分别有包括石coRII在内的多种酶的

酶切位点。据图回答：

⑴将含有目的基因的DNA与质粒分别用EcoRI酶切，酶切产

物用DNA连接酶进行连接后，其中由两个DNA片段之间连接形成

的产物有、、三种.

(2)用上述三种连接产物与无任何抗药性的原核宿主细胞进行转

化实验。之后将这些宿主细胞接种到含四环素的培养基中，能生长

的原核宿主细胞所含有的连接产物有；若接种到含青

霉素的培养基中，能生长的原核宿主细胞所含有的连接产物有

（3）目的基因表达时,RNA聚合酶识别和结合的位点是

,其合成的产物是0

（4）在上述实验中，为了防止目的基因和质粒在酶切后产生的末端

发生任意连接，酶切时应选用的酶是.

【解析】（1）将含有目的基因的DNA与质粒分别用EcoRI酶

切，所产生的黏性末端相同，用DNA连接酶处理后，不同的片段

随机结合,可形成3种不同的连接物：目的基因——目的基因、目的

基因——载体、载体一一载体。（2）在上述三种产物中，插入目的基

因的都不能在四环素培养基上生长，只有载体——载体连接产物才

能在含四环素的培养基上生长。（3）启动子是RNA聚合酶识别和结

合的位点，可启动转录过程，合成mRNA。（4）由图示和题目中提供

的信息可知，同时运用&oRI和RmHI进行酶切可有效防止酶

切后产生的末端发生任意连接。

【答案】（1）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

（2）载体——载体连接物目的基因——载体连接物、载体--载

体连接物

(3)启动子mRNA(4)石coRI和BamHI

知识点二|目的基因的导入、检测和鉴定

-------◊自主认知◊--------

1.导入目的基因

⑴将目的基因导入植物细胞最常用的是农杆菌转化法.

(2)将目的基因导入动物细胞常用的是显微注射法。

(3)将目的基因导入微生物细胞常用的方法是C/+处理法.

2.检测和鉴定目的基因

(1)从DNA水平检测：DNA分子杂交法。

(2)从RNA水平检测重组体：分子杂交技术。

(3)从蛋白质水平检测：抗原一抗体杂交。

(4)从个体水平对其生物学特定性状进行检测。

-------◊核心突破◊--------

［合作探讨］

图一图二图三

将苏云金芽花杆菌(图一)的毒蛋白基因提取出来导入普通棉花

(图二)细胞可培育成转基因抗虫棉(图三).请依据以上内容探究下

列问题。

探讨7：为什么植物的体细胞可以作为受体细胞，而动物的体细胞

不能作为受体细胞？

提示: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;动物体细胞全能

性受到限制，不能发育为一个新个体，因此动物基因工程中的受体

细胞一般是受精卵。

探讨错误!：从细胞器的功能上分析，若通过基因工程生产人的糖蛋

白，可以用大肠杆菌作受体细胞吗？

提示：不可以。糖蛋白上的糖链是在内质网和高尔基体上加工完

成的，而内质网和高尔基体存在于真核细胞中，大肠杆菌是原核生

物，细胞中不含有这两种细胞器。

探讨错误!：检测棉花中导入的抗虫基因是否表达的最简便的方法

是什么？

提示：用叶片饲养棉铃虫，观察棉铃虫是否死亡。

探讨错误!：DNA分子杂交的原理是什么？有哪些应用？

提示：碱基互补配对原则.可用于亲子鉴定、刑事侦查、生物亲缘

关系鉴定等。

［思维升华］

1.导入目的基因

目的基因导入受体细胞的方法。

细胞类型方法转化过程特点

目的基因插入Ti质粒的T°DNA

农杆经济、有效，适

上一转入农杆菌-导入植物细

植物细胞菌转用于双子叶植

胞一插入植物细胞中的染色体

化法物和裸子植物

DNA上->目的基因表达

最为有效的将

显微目的基因表达载体提纯一取卵

目的基因导入

动物细胞注射（受精卵）-显微注射一受精卵发

动物细胞的方

法育一获得具有新性状的动物

法

Ca2+处理微生物细胞一感受态

Ca2+细胞一将基因表达载体与感受

微生物细简便、经济、有

处理态细胞混合在缓冲液中一—定

月包效

法温度下促使感受态细胞吸收

DNA分子

［特别提醒］

（1）将目的基因导入植物细胞培育转基因植物时，受体细胞可以

是体细胞和受精卵，因为植物体细胞具有全能性。

⑵将目的基因导入动物细胞培育转基因动物时，受体细胞是受精

卵，不能用体细胞，因为高度分化的动物体细胞的全能性受到限制。

（3）微生物细胞作为受体细胞具有繁殖快、多为单细胞、遗传物质

相对较少等优点。

（4）将基因表达载体（重组质粒）导入农杆菌的常用方法是Ca2

+处理法。Ca2+（Cad2溶液）对微生物细胞的作用是增加细胞壁的

通透性。

2.检测和鉴定目的基因

检测水平检测内容方法结果显示

检测转基因生物DNA分子杂交技

是否显示

的染色体上是否术（基因探针+转

出杂交带

插入了目的基因基因生物的DNA）

分子水平

分子杂交技术（基

的检测检测目的基因是是否显示

因探针十转基因

否转录出杂交带

生物的mRNA）

检测目的基因是抗原-抗体杂交是否显示

否翻译成蛋白质出杂交带

包括抗虫、抗病的接种实验，以确定是否有抗性及抗

个体水平

性程度；基因工程产品需要与天然产品进行活性比

的检测

较等

［特别提醒］

不同分子检测的原理、场所、探针的异同

(1)进行转录水平的检测原理与复制水平的检测原理是相似的,

只是被检测的物质不再是转基因生物的基因组DNA,而是转基因生

物的细胞内的mRNA;进行翻译水平的检测，则是利用抗原与抗体

特异性结合的原理。

(2)不论是复制水平、转录水平还是翻译水平的检测，都是在体外

进行的。

(3)在DNA分子，mRNA分子上检测目的基因是否插入、目的

基因是否转录时，用的探针都是放射性同位素等标记的含有目的基

因的DNA片段.

-------◊题组冲关◊--------

1.基因工程中科学家常采用细菌、酵母菌等微生物作为受体细

胞，主要原因是()

A.结构简单，操作方便B.繁殖速度快

C.遗传物质含量少D.性状稳定,变异少

【解析】目的基因导入受体细胞后，随着受体细胞的繁殖而复

制，由于细菌等微生物繁殖速度非常快，在很短的时间内就能获得

大量的目的基因。因此,基因工程常用的受体细胞有细菌、真菌等。

【答案】B

2.科学家通过基因工程方法，将苏云金芽抱杆菌的Bt毒蛋白基

因转入普通棉株细胞内，并成功实现了表达，从而培育出了能抗棉

铃虫的棉花植株--抗虫棉。其过程大致如图所示。根据题意,回答下

列问题。

⑴基因工程操作程序的一般步骤是

⑵Ti质粒是农杆菌中的一种质粒，其上有T。DNA,把目的基因

插入Ti质粒的ToDNA中是利用ToDNA的的特

点。

(3)将目的基因导入受体细胞的方法有很多种，该题中涉及的是

____________________________o

(4)若目的基因能在棉株体内稳定维持和表达，主要是因为

,分子水平检测目的基因是否表达的方法是

【解析】本题以抗虫棉的培育为背景，考查了运用基因工程技

术培育转基因作物的步骤、方法。农杆菌转化法是将目的基因导入

植物细胞的常用方法，利用它能在自然条件下感染双子叶植物和裸

子植物，以及其Ti质粒上的T。DNA能转移至受体细胞，并且整合

到受体细胞染色体DNA上的特点，可以把目的基因插入其Ti质粒

的T-DNA中，借助其作用使目的的基因成功导入受体细胞。

【答案】(1)获取目的基因构建基因表达载体导入目的基

因检测和鉴定目的基因

(2)可转移至受体细胞并且整合到受体细胞染色体DNA上

(3)农杆菌转化法

(4)目的基因插入了受体细胞的染色体DNA中抗原一抗体杂交

［课堂小结］

知识网络构建

,从基因文库中获取

一

一一获取目的基四--I利用PCR技术扩增

U人工合成|

基

实

因

施构建基因t

一

工4基因表达载体的组成

过V表铁囊体「

一

程1

程

的

」H的基因的导入导入方法|

一

目的基因的检测T检测内容和方法|

一-与鉴定

核心语句归纳

1.基因工程的操作步骤:获取目的基因-构建基因表达载体一目

的基因的导入目的基因的检测与鉴定

2.获取目的基因的三种方法：基因文库直接获得、PCR扩增、人

工合成。

3.基因表达载体的构成：目的基因、启动子、终止子、标记基因

等.

4.导入目的基因的方法有：农杆菌转化法、显微注射法、Ca2+处

理法。

5.检测目的基因的方法:DNA分子杂交法、DNA-RNA分子杂交、

抗原一抗体杂交、个体水平检测.

当堂巩固。即时达标

1)AZGTAZ(XQZCK)AI3IAC

1.下列不属于获取目的基因的方法的是（）

A.利用DNA连接酶复制目的基因

B.化学方法直接合成

C.从基因文库中获取目的基因

D.利用PCR技术扩增目的基因

【解析】本题考查目的基因的获取方法及DNA聚合酶和DNA

连接酶的区别。对目的基因（DNA片段）进行复制需利用DNA聚合

酶而不是DNA连接酶。

【答案】A

2.基因工程是在DNA分子水平上进行设计施工的。在基因操作

的基本步骤中，不进行碱基互补配对的是（）

A.目的基因与载体的结合

B.将目的基因导入受体细胞

C.目的基因的表达

D.