高中生物第一章基因工程第3节基因工程的.doc

第三节 基因工程的应用
课　标　解　读
重　点　难　点
1.举例说出基因工程在遗传育种、疾病治疗与生态环境保护方面的应用。
2.说出基因治疗的基本原理。
3.关注基因工程新进展。
4.尝试应用基因工程技术设计一个解决生活中疑难问题的方案。
基因工程与遗传育种、基因工程与癌症治疗以及设计一个用基因工程技术解决生活中的疑难问题的方案。(重难点)

转基因植物
1.基因工程方法培育转基因植物的优点
与传统的杂交育种相比，转基因育种可以克服传统育种方法育种时间长，而且远缘亲本难以杂交的缺点。
2．基因工程在植物育种方面的成果
(1)科学家利用基因工程技术培育出了多种转基因农作物，如抗除草剂的转基因烟草、番茄和马铃薯，抗害虫、抗病毒的农作物及耐贮存的番茄。
(2)用基因工程的方法可改变花卉的颜色。目前科学家将外源基因转入矮牵牛，培育出开橙色花的矮牵牛新品种。

1．基因能够在植物、动物和微生物之间转移且能完成其功能的理论基础主要是什么？
【提示】　植物、动物和微生物的DNA结构相似、组成相同，都遵循碱基互补配对原则，且密码子通用。

转基因动物
1.含义：指转入了外源基因的动物。
2．优点：解决了传统杂交育种方法费时、费力的问题。
3．成果：现在已经培育出了多种优良遗传性状的转基因牛、猪、鸡、鱼等。
4．前景：目前正在研究培育能生产彩色羊毛的转基因羊。

基因工程与疾病治疗
1.基因工程药物
(1)1977年，科学家在大肠杆菌中生产了生长素释放抑制激素。
(2)1978年，科学家在大肠杆菌中成功表达了人胰岛素。
(3)1980年，人的白细胞干扰素基因获得克隆和表达。
①干扰素定义：干扰素是病毒侵入细胞后产生的糖蛋白。
②干扰素种类：α、β、γ三种。
③干扰素作用：抗病毒、抗细胞分裂和免疫调节等多种生物学功能，是治疗病毒性肝炎和肿瘤的药物。
(4)乙型肝炎疫苗
1982年，乙肝抗原在酵母菌中表达成功。
1986年，酵母乙肝疫苗投放市场。
2．基因治疗
(1)概念：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，达到治疗疾病的目的，是治疗遗传病的最有效的手段。
(2)实例：重度免疫缺陷症是一种遗传病。病因：由于腺苷酸脱氨酶基因发生突变，造成体内缺少腺苷酸脱氨酶，此酶是人体免疫系统发挥正常作用所必需的，因此机体不能抵抗病原微生物的威胁。
(3)治疗：将腺苷酸脱氨酶基因转入取自患者的T淋巴细胞中，使T淋巴细胞能够产生腺苷酸脱氨酶，然后，再将这种T淋巴细胞转入患者体内。

2．(1)用箭头表示基因工程药物的生产过程。
【提示】　基因工程药物的产生：基因工程→工程菌→发酵工程→基因药物
(2)上述免疫缺陷患者治愈后，其后代能保证一定正常吗？
【提示】　不能，因患者治愈后，生殖细胞还可能有致病基因。

基因工程与生态环境保护
1.利用细菌发酵和转基因植物生产具有生物可降解的新型塑料。
2．改造分解石油的细菌，提高分解石油能力。
3．生产转基因微生物，吸收环境中的重金属，降解有毒化合物和处理工业废水。

1．转基因植物的产生过程中不需组织培养技术。(×)
【提示】　重建植物体时需进行组织培养。
2．转基因动物一般将外源基因直接转入动物的受精卵中。(×)
【提示】　先构建表达载体再转入。
3．重度免疫缺陷症患者治疗时一般将ADA基因通过技术手段转入患者的B淋巴细胞中。(×)
【提示】　应转入T淋巴细胞中。
4．利用转基因微生物可吸收环境中重金属、降解有毒化合物等。(√)

基因工程与遗传育种
【问题导思】
①转基因作物有哪些优良性状？
②转基因植物是经过哪些过程产生的？
③基因工程的应用成果有哪些？
1．转基因植物的培养(如图示)

(1)过程：

(2)技术：转基因技术、植物组织培养技术。
(3)原理：基因重组、植物细胞的全能性。
2．转基因动物的培养(如图示)

(1)过程：

(2)技术：转基因技术、胚胎体外培养技术、胚胎移植技术。
(3)转基因动物与传统育种动物的区别：改善了传统的杂交育种费时、费力的缺点，所需时间较短，而且可实现不同物种之间的基因重组。

1．抗虫的转基因作物并不能抗寒、抗旱和抵抗各种病虫害，因为基因控制合成的抗虫蛋白具有专一性。
2．一些重要粮食作物的转基因效率不高，并且只在少数品种上获得成功。转基因技术如何达到高效、快速、简便、适应性更广的目的，仍是基因工程的一个重要课题。
　如图表示利用基因工程培育抗虫棉的过程，请据图回答下列有关问题：

(1)若限制性核酸内切酶Ⅰ的识别序列和切点是—↓GATC—，限制性核酸内切酶Ⅱ的识别序列和切点是—G↓GATCC—，那么在①过程中，应用限制性核酸内切酶______切割质粒，用限制性核酸内切酶________切割抗虫基因。①过程在________(填“体内”或“体外”)进行。
(2)将通过②过程得到的大肠杆菌涂布在含有________的培养基上，能够生长说明已导入了普通质粒或重组质粒，反之则说明没有导入。
(3)重组质粒导入大肠杆菌的目的是_________________________________。
(4)经筛选分析，该植株细胞中含有一个携带抗虫基因的DNA片段，因此可以把它看作是杂合子。理论上，该转基因植株自交产生的F1中，仍具有抗虫特性的植株占总数的________________。
【审题导析】　(1)质粒是最常用的运载体，不要把质粒和运载体等同。除质粒外，噬菌体和动植物病毒也可作为运载体。运载体的化学本质是DNA，其基本单位为脱氧核苷酸。(2)限制性核酸内切酶在基因工程操作的第一步和第二步中都会用到，一般情况下使用同一种限制性核酸内切酶切割目的基因和载体，有时也使用两种限制性核酸内切酶切割目的基因和载体，但目的都是产生相同的粘性末端。
【精讲精析】　本题以抗虫棉的培育过程考查基因工程的操作步骤。(1)从重组质粒中可以看出，目的基因插入的是氨苄青霉素抗性基因，再根据质粒中两个标记基因的碱基序列可以判断，需要用限制性核酸内切酶Ⅱ切割质粒，切割后会产生粘性末端，为了使目的基因和质粒重组，所以要用酶Ⅰ切割目的基因以获得相同的粘性末端。(2)检测目的基因是否进入受体细胞，需要用含四环素的培养基培养受体细胞，因为重组质粒中保留了四环素抗性基因，凡是能在培养基中生存的受体细胞，则都含有目的基因。(3)目的基因进入受体细胞后可以随载体的复制而大量复制。(4)可以将抗病基因看作是显性基因，一个杂合子自交后代中含显性基因的个体所占比例为3/4。
【答案】　(1)Ⅱ　Ⅰ　体外　(2)四环素　(3)大量复制目的基因(抗虫基因)　(4)3/4
　利用动物乳腺生产产品的技术称为动物乳腺反应器技术。青岛“崂山奶山羊乳腺反应器研制”项目通过鉴定，该项目产生的药用蛋白具有表达效率高、成本低、安全性高、易于分离纯化的优点，可产生干扰素、乙肝表面抗原及抗凝血酶Ⅲ等医药产品，造福人类。

图1　　　图2
请根据这一科技成果的研究过程回答问题：
(1)研究人员用DNA测序仪显示了基因组的某DNA片段一条链的碱基排列顺序图片。其中图1的碱基排列顺序已经解读，其顺序是：GGTTATGCGT，请解读图2显示的碱基排列顺序：_________________________________。
(2)科学家从相关基因组中获取了目的基因，并采用____________技术对目的基因进行扩增，然后将目的基因与质粒等载体结合形成了重组载体。在重组载体的构建过程中需要的工具酶有___________________________________。
(3)在基因工程操作过程中，基因工程的核心是________________，一个基因表达载体的组成必须有标记基因，其作用是___________________________。
(4)如何检测和鉴定目的基因已被成功导入羊体内？请写出两种方法。
_______________________________________________________________
______________________________________________________________。
【审题导析】　解答此题应注意以下两点：
(1)由给定的碱基序列及图示可推得图示第一、二、三、四列对应碱基分别为A、C、G、T。
(2)目的基因表达的检测与鉴定可采用分子杂交或个体水平检测。
【精讲精析】　根据图1与相对应的碱基序列可知，由左到右第一列是碱基A，第二列是碱基C，第三列是碱基G，第四列是碱基T，由此推知图2的碱基序列为
GATGCGTTCG；目的基因的扩增用PCR技术；在将目的基因与载体结合时需要用到限制性核酸内切酶和DNA连接酶；标记基因的作用是鉴定受体细胞中是否导入了目的基因。目的基因的检测与鉴定方法有：DNA分子杂交(检测是否导入了目的基因)、DNA与mRNA分子杂交、抗原与抗体杂交等。
【答案】　(1)GATGCGTTCG
(2)PCR(聚合酶链式反应)　限制性核酸内切酶、DNA连接酶　(3)基因表达载体的构建　为了鉴别受体细胞中是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来 　(4)DNA分子杂交；DNA与mRNA分子杂交；抗原—抗体杂交；从羊的乳汁中提取干扰素(写出以上任意两点即可)

基因治疗
【问题导思】
①什么是基因治疗？
②用于基因治疗的基因种类有哪些？
③基因治疗的方法有哪些？
基因治疗是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，这是治疗遗传病的最有效的手段。
1．基因治疗的种类和方法
(1)体外基因治疗：
①概念：先从病人体内获得某种细胞进行培养，然后在体外完成基因转移，再筛选转移成功的细胞进行扩增培养，最后重新输入患者体内，如腺苷酸脱氨酶基因的转移。
②图例

(2)体内基因治疗：用基因工程的方法，把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，或使异常表达的基因停止表达或降低表达。
2．基因治疗现状
基因治疗目前处于初期的临床试验阶段。可以说，在没有完全解释人类基因组的运转机制，也没有充分了解基因调控机制和疾病的分子机理之前，进行基因治疗是十分困难的。另外，还存在着技术方面、伦理道德方面以及安全性方面的诸多问题。
3．用于基因治疗的基因种类
第一类是从健康人体上分离得到的功能正常的基因，用以纠正或依靠其表达产物来补偿病变基因带来的生理缺陷，如对血友病和地中海贫血症的治疗。
第二类是反义基因，即通过产生的mRNA分子，与病变基因产生的mRNA进行互补，来阻断非正常蛋白质的合成。
第三类是编码可以杀死癌变细胞的蛋白酶基因，又叫做自杀基因。
　美国一科研小组发现一种新型RNA病毒X，并对其进行研究，发现有可能感染人类的抗原为S蛋白。于是着手研制疫苗，其简要操作流程如下。

(1)实验步骤①所代表的反应过程是_______________________________。
(2)步骤②构建重组质粒A和重组质粒B必须使用限制性核酸内切酶和________酶，后者的作用是将用限制性核酸内切酶切割的________和________连接起来。
(3)如果省略步骤②而将大量扩增的S基因直接导入大肠杆菌，一般情况下，不能得到表达的S蛋白，其原因是S基因在大肠杆菌中不能________，也不能________________。
(4)为了检验步骤④与⑥中产生的S蛋白是否有相同的免疫反应特性，可用________与S蛋白抗体进行抗原—抗体特异性反应实验。
(5)步骤④和⑥的结果相比，原核细胞表达的S蛋白与真核细胞表达的S蛋白的氨基酸序列________(填“相同”或“不同”)，根本原因是________________。
【思维导图】　解答此题的思维流程如下：

【精讲精析】　由RNA→DNA表示的是逆转录。重组表达载体的构建需要将目的基因(S基因)与载体在DNA连接酶的作用下连接起来。而重组表达载体导入细胞中才能够在细胞中复制和转录。检验是否产生了S蛋白，可用表达的S蛋白进行抗原—抗体结合反应实验。无论是原核细胞还是真核细胞，其表达的蛋白质的氨基酸序列是相同的，根本原因是所表达的基因相同。
【答案】　(1)逆转录　(2)DNA连接　载体　S基因　(3)复制　合成S基因的mRNA　(4)表达的S蛋白 (5)相同　表达蛋白质所用的基因相同
　《人类基因治疗》报道，在美国佛罗里达大学基因治疗中心接受基因治疗的三名遗传性失明患者都重新获得了一定的视力，并且没有严重的副作用。基因治疗是指(　　)
A．把健康外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的
B．对有缺陷的细胞进行修复，从而使其恢复正常，达到治疗疾病的目的
C．运用人工诱变方法，使有基因缺陷的细胞发生基因突变，从而恢复正常
D．运用基因工程技术，把有缺陷的基因切除，达到治疗疾病的目的
【审题导析】　(1)基因治疗并非对缺陷基因的修复和切除。(2)在基因治疗的过程中，正常基因、病变基因都可以表达，由于正常基因的表达掩盖了病变基因的表达，使病人表现正常，最终达到治疗疾病的目的。
【精讲精析】　基因治疗只是将正常的基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，而细胞中的缺陷基因并未修复，和正常基因同时存在，基因治疗也不是切除病变基因或诱发其突变，因而B、C、D的说法都不符合基因治疗的概念。
【答案】　A
本 课 知 识 小 结
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结 论 语 句
1．基因工程方法育种可以克服传统育种方法育种时间长，而且远缘亲本难以杂交的缺陷。
2．通过基因工程技术利用大肠杆菌生产的胰岛素，用以治疗胰岛素依赖型糖尿病。
3．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，从而达到治疗疾病的目的，这个过程叫基因治疗。
4．基因治疗是治疗遗传病最有效的手段。

1．下列不属于基因工程在遗传育种方面取得的成果是(　　)
A．抗虫棉
B．抗旱转基因植物
C．三倍体鲫鱼
D．通过羊的乳腺生产人的抗体
【解析】　通过基因工程可以培育一些抗性强的作物新品种，还可以改善生物的品质，当然也可以让一些动物为人类生产人体蛋白质。而三倍体鲫鱼的培育是通过染色体变异实现的。
【答案】　C
2．动物基因工程的主要目的是(　　)
A．提高动物的生长速度
B．改善畜产品的品质
C．用转基因动物生产药物
D．以上都有
【解析】　动物基因工程主要应用于提高动物生长速度、改良动物品种、建立动物生物反应器和器官移植等方面。
【答案】　D
3．抗逆转基因作物的培育与推广带来的巨大社会效益是(　　)
①使作物完全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人畜的危害
③使得作物在不良环境下更好地生长，提高产量
A．①②③ B．①②
C．①③ D．②③
【解析】　抗逆转基因作物体内含有抵抗不良环境的基因，如抗病毒、抗虫、抗除草剂、抗盐碱、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。
【答案】　D
4．土壤农杆菌是基因工程中将目的基因导入植物细胞时常用的中间媒介。它含有一个大型的Ti质粒(如下图所示)，在侵染植物细胞的过程中，其中的T－DNA片段转入植物的基因组。若想用基因工程并通过土壤农杆菌向某种植物中导入抗旱基因，以下分析不合理的是(　　)

A．若用Ti质粒作为抗旱基因的载体，目的基因的插入位置应该在T­DNA片段内，且要保证复制起始点和用于转移T­DNA的基因片段不被破坏
B．将重组Ti质粒导入土壤农杆菌中时，可以用CaCl2处理细菌以增加细胞壁的通透性
C．用含有重组Ti质粒的土壤农杆菌感染正在组织培养中的植物细胞，再将被感染后的细胞培养成植株，就可能获得具有抗旱基因的植物
D．若能够在植物细胞中检测到抗旱目的基因，则说明该基因工程项目获得成功
【解析】　本题以植物基因工程的一个成果为例考查基因工程操作过程的知识。抗旱基因为目的基因，以Ti质粒为载体，目的基因插入后应该不影响质粒的复制以及用于转移T­DNA的基因，因此插入点应在T­DNA片段内； CaCl2处理土壤农杆菌，可增加其细胞壁的通透性，使重组DNA分子(重组Ti质粒)易于导入土壤农杆菌中；用含有重组Ti质粒的土壤农杆菌感染植物细胞，即可获得具重组DNA分子的植物细胞，将含重组质粒的细胞培养成植株需要用到植物组织培养技术；目的基因在宿主细胞内成功表达并且产生人们所需要的功能物质或使得生物体获得某种优良性状，才能说明基因工程获得成功。
【答案】　D
5．上海医学遗传研究所成功地培育出了第一头携带人白蛋白的转基因牛，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用蛋白含量提高30多倍，标志着我国转基因研究向产业化目标又迈进了一大步。下列有关叙述中正确的是(　　)
A．“转基因动物”是指体细胞中出现了新基因的动物
B．所谓“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．转基因牛的肌肉细胞中也有人白蛋白基因，但因种种原因，不发生转录、翻译，故不合成人白蛋白
D．人们只在转基因牛的乳汁中才能获得人白蛋白，是因为人白蛋白基因只在转基因牛的乳腺细胞中是纯合的，而在其他细胞中则是杂合的
【解析】　“转基因动物”是指基因组中增加外源基因的动物，所以在转基因牛的乳腺和其他细胞中都有人白蛋白基因。基因突变也可使体细胞出现新的基因。“提高基因表达水平”是在牛的乳腺细胞中产生更多的人白蛋白，而非含有更多的基因。
【答案】　C
6．科学家通过基因工程方法，将苏云金芽孢杆菌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：

据图回答问题：
(1)基因工程的操作程序主要包括的五个步骤是________________、______________、________________、________________、________________。
(2)Ti质粒是农杆菌中的一种质粒，其上有T­DNA。能把目的基因插入Ti质粒的T­DNA中，利用了T­DNA________________的特点。
(3)Bt毒蛋白基因转入普通植株细胞中并成功实现表达的过程，在基因工程中称为________________。
(4)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______________________________________________________________。
(5)目的基因能否在棉株体内维持稳定和表达其遗传特性的关键是_________________，这需要通过检测才能知道，检测采用的方法是__________________________________________________________________
______________________________________________________________。
【解析】　农杆菌侵染双子叶植物后，其Ti质粒上的T­DNA可转移到受体细胞，并整合到受体细胞的染色体DNA上，因此可将目的基因插入到Ti质粒的T­DNA上，通过农杆菌的转化作用，使目的基因进入植物细胞。
【答案】　(1)目的基因的获取　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　(2)可转移至受体细胞并且整合到受体细胞染色体DNA上　(3)转化　(4)农杆菌转化法　(5)目的基因是否插入到受体细胞的染色体DNA上　DNA分子杂交技术

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