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2020-2021学年高中生物 第3章 基因工程 3 基因工程的应用学案 新人教版选择性必修3

2020-2021学年高中生物 第3章 基因工程 3 基因工程的应用学案 新人教版选择性必修3

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第3节　基因工程的应用

必备知识·素养奠基
一、基因工程在农牧业方面的应用
1.发展:
(1)农牧业:1996-2017年,全世界转基因作物的种植面积增加了一百多倍,美国是世界上转基因作物种植面积最大的国家。2017年,我国转基因作物种植面积居世界第八位。
(2)动物:第一种用于食用的转基因动物——转基因大西洋鲑在美国获得批准上市。
2.实例:
连一连:基于基因工程在改良动植物品种、提高作物和畜产品的产量等方面的应用,将下列转基因生物和选用的目的基因连线

二、基因工程在医药卫生领域的应用
1.生产药物:
(1)常见的药物:细胞因子、抗体、疫苗和激素等。我国生
产的重组人干扰素、血小板生成素、促红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子等基因工程药物均已投放市场。
(2)批量生产药物:乳腺(房)生物反应器。
①目的基因:药用蛋白基因。
②启动子:乳腺中特异性表达的基因的启动子。
③受体细胞:受精卵。
2.移植器官:在器官供体的基因组中导入某种调节因子,以抑制抗原决定基因的表达,或设法除去抗原决定基因,培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。

培养乳腺生物反应器转基因动物时为什么要选用乳腺中特异性表达的基因的启动子?
提示:乳腺生物反应器通过分泌的乳汁提取相应的基因表达的产品,乳腺中特异性表达的启动子可让目的基因在乳腺细胞中表达。
三、基因工程在食品工业方面的应用
1.氨基酸:利用转基因生物合成阿斯巴甜的原料——天冬氨酸和苯丙氨酸。
2.酶:利用转基因生物生产奶酪的凝乳酶;利用转基因生物加工转化糖浆的淀粉酶;利用转基因生物加工烘烤食品、制造生物能源的脂酶等。
3.维生素。

关键能力·素养形成
知识点　基因工程的应用
1.三种转基因生物的培育过程:
(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):

2.乳腺生物反应器:
(1)操作过程:
获取目的基因(如人血清白蛋白基因、人生长激素基因等)

构建基因表达载体(目的基因与乳腺中特异表达的基因
的启动子等调控组件重组)

导入哺乳动物受精卵(显微注射技术)

进行早期胚胎培养后送入母体

发育成转基因动物 利用分泌的乳汁生
产所需的药品
(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
生产条件
不需严格灭菌;温度等外界条件对其影响不大
需严格灭菌,严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件
药物提取
从动物乳汁中提取
从微生物细胞或其
培养液中提取
生产设备
畜牧业生产、提取
设备
工业生产,设备精良
【特别提醒】目的基因的来源
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。

　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形成的重组质粒具有人的药用蛋白基因、乳腺中特异表达的基因的启动子、终止子和标记基因等
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
【解题导引】解答本题思维流程如下:

【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,重组质粒上还必须具有乳腺中特异表达的基因的启动子等调控组件,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,乳汁中含有药物,C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。
【素养·探究——母题追问】
　(1)科学思维——演绎与推理
培育转基因牛,为什么不选用体细胞而选用受精卵作为受体细胞?
提示:动物已分化的体细胞全能性受到限制,而受精卵分化程度低,全能性容易表达。
(2)科学思维——批判性思维
某同学认为过程①②获得的精子和卵母细胞可以直接受精获得受精卵,你认为他的说法对吗?说明你的理由。
提示:不正确,精子需要获能,卵母细胞需要发育到MⅡ才能具有受精的能力。
【素养·迁移】
　下列有关动物基因工程的说法,错误的是 (　　)
A.将外源生长激素基因导入动物体内可提高动物生长速率
B.将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组中,使获得的转基因牛分泌的乳汁中乳糖的含量大大减低
C.利用基因工程技术,得到的乳腺生物反应器可以解决很多重要的药品的生产问题
D.用转基因动物作为器官移植的供体时,由于导入的是调节因子,而不是目的基因,因此无法抑制抗原的合成
【解析】选D。用转基因动物作为器官移植的供体时,可将器官供体基因组导入某种调节因子,以抑制抗原决定基因的表达,或设法除去抗原决定基因,再结合克隆技术,培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆器官。
【补偿训练】
　　在实验室里用四环素培育转基因的雄性蚊子,这些蚊子与雌性蚊子交配的后代也需要四环素才能生存,但在环境中不可能找到,于是会慢慢死去。该技术有望减少登革热等疾病的发生。下列关于该技术的说法正确的是 (　　)
A.转基因技术能定向改变蚊子的基因,属于基因突变
B.该转基因蚊子属于新的物种
C.需要四环素才能生存这一特性是基因和环境共同作用的结果
D.该技术的其中一个环节是构建基因表达载体,需要用到限制酶和DNA聚合酶
【解析】选C。转基因技术能定向改变蚊子的基因,属于基因重组,A项错误;该转基因蚊子具有新的基因,但仍能与雌性蚊子交配产生后代,没有出现生殖隔离,所以不属于新的物种,B项错误;由于产生的后代需要四环素才能生存,说明这一特性是基因和环境共同作用的结果,C项正确;该技术的其中一个环节是构建基因表达载体,需要用到限制酶和DNA连接酶,D项错误。
【课堂回眸】

课堂检测·素养达标
【概念·诊断】　　　　　　　　　　　　　　　　　
1.基因工程20世纪70年代兴起后,得到飞速的发展,在农牧业、医药卫生和食品工业等方面展示了广阔的前景,下列有关描述正确的是________。 
①转基因抗虫棉能抗病毒、细菌、真菌
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、生长激素等
③科学家利用基因工程技术除去抗原决定基因培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆器官
④应用工程菌生产乙肝疫苗,在制造该工程菌时,应向酵母菌中导入乙肝病毒的表面抗原基因
⑤“转基因植物”是指植物体细胞中出现了新基因的植物
【解析】选②③④。转基因抗虫棉具有抗虫的特性,但不具有抗病毒、细菌和真菌的特性,①错误;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、生长激素等,②正确;科学家利用基因工程技术除去抗原决定基因或者导入抑制因子抑制抗原决定基因的表达,培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆器官,③正确;应用工程菌生产乙肝疫苗,在制造该工程菌时,应向酵母菌中导入乙肝病毒的表面抗原基因,使工程菌能够合成乙肝病毒的表面抗原,④正确;“转基因植物”是指利用基因工程获得的植物体,植物体出现新基因不一定是转基因植物,如基因突变产生新基因的植物不是转基因植物,⑤错误。
2.动物基因工程前景广阔,最令人兴奋的是利用基因工程技术使哺乳动物成为乳腺生物反应器,以生产所需要的药品,如转基因动物生产人的生长激素。科学家培养转基因动物成为乳腺生物反应器时 (　　)
A.仅仅利用了基因工程技术
B.不需要乳腺中特异表达的基因的启动子
C.利用农杆菌转化法将人的生长激素基因导入受精卵中
D.需要进入泌乳期才能成为“批量生产药物的工厂”
【解析】选D。科学家培养转基因动物时除涉及基因工程外,还涉及其他现代生物技术;生产生长激素时需要将人的生长激素基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起,通过显微注射技术导入哺乳动物的受精卵中,然后将受精卵送入母体内使其生长发育成转基因动物。因为药物是伴随乳汁产生的,所以要进入泌乳期才能批量生产。
3.下列有关目的基因的操作能够改善畜产品品质的是 (　　)
A.将草鱼的生长激素基因导入鲤鱼体内
B.将肠乳糖酶的基因导入奶牛的基因组
C.将人血清白蛋白的基因改造后在山羊的乳腺中表达
D.将Bt毒蛋白基因整合到烟草或棉花的基因组并实现表达
【解析】选B。将草鱼的生长激素基因导入鲤鱼体内是提高鲤鱼的生长速率;导入肠乳糖酶基因的奶牛的牛奶中乳糖含量少,改善了牛奶的品质;将人血清白蛋白的基因改造后在山羊的乳腺中表达是乳腺生物反应器的应用;Bt毒蛋白基因是抗虫基因,能够提高植物的抗性。
4.2020年5月22日国际医学权威期刊《柳叶刀》上发表了新冠病毒疫苗1期临床试验的成果。该试验是由陈薇院士等人领衔的团队开展的研究,试验中使用的疫苗是一种腺病毒载体重组新冠病毒疫苗(基因重组疫苗),该疫苗接种108名健康的成年志愿者后,在志愿者体内均产生了特定的免疫应答。下列叙述正确的是 (　　)
A.该疫苗的制备不需要用到DNA连接酶
B.志愿者接受重组新冠病毒疫苗的接种后,体内产生被动免疫
C.主要通过检测志愿者体内新冠病毒的含量来评价试验的有效性
D.相对于普通人来说,对腺病毒已具有免疫力的个体使用该疫苗的效果要差
【解析】选D。重组基因疫苗需要将腺病毒的基因和新冠病毒的基因进行连接,所以需要DNA连接酶,A错误;疫苗刺激机体产生特异性免疫属于主动免疫,B错误;接种疫苗后,主要通过检测志愿者体内新冠病毒的抗体来评价试验的有效性,C错误;由于重组病毒含有腺病毒的抗原,所以对腺病毒已具有免疫力的个体使用该疫苗的效果比普通人要差,D正确。
5.(2020·浙江7月选考)下列关于基因工程的叙述,正确的是 (　　)
A.若受体大肠杆菌含有构建重组质粒时用到的限制性核酸内切酶,则一定有利于该重组质粒进入受体并保持结构稳定
B.抗除草剂基因转入某抗盐植物获得2个稳定遗传转基因品系,抗性鉴定为抗除草剂抗盐和抗除草剂不抗盐。表明一定是抗盐性的改变与抗除草剂基因的转入无关
C.抗除草剂基因转入某植物获得转基因植株,其DNA检测均含目的基因,抗性鉴定为抗除草剂和不抗除草剂。表明一定是前者表达了抗性蛋白而后者只表达抗性基因RNA
D.已知不同分子量DNA可分开成不同条带,相同分子量的为一条带。用某种限制性核酸内切酶完全酶切环状质粒后,出现3条带。表明该质粒上一定至少有3个被该酶切开的位置
【解析】选D。本题主要考查基因工程的内容。若受体大肠杆菌含有构建重组质粒时用到的限制性核酸内切酶,则该酶会对进入受体的重组质粒进行切割,不利于其保持结构稳定,A项错误;抗除草剂基因转入抗盐植物,获得了抗除草剂抗盐品系和抗除草剂不抗盐品系,不抗盐品系的产生可能是转入的抗除草剂基因插入抗盐基因内,影响其表达造成的,B项错误;转基因植物中均含抗除草剂基因,但存在抗除草剂和不抗除草剂两种植株,前者表达了抗性蛋白,后者抗除草剂基因可能未转录出mRNA,或转录出的mRNA未能翻译成蛋白质,C项错误;某种限制性核酸内切酶完全酶切环状质粒后,出现3条带,即3种不同分子量DNA,因此环状质粒上至少有3个酶切位点,D项正确。
【思维·跃迁】
6.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PstⅠ、SmaⅠ、HindⅢ、AluⅠ四种限制性内切核酸酶切割位点,下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①～④是转基因抗冻番茄培育过程中的相关步骤,甲、乙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内切核酸酶进行切割,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内切核酸酶______________分别对鱼抗冻蛋白基因和质粒进行切割,切割后产生的DNA片段分别为____________、__________种。 
(2)基因工程中核心步骤是__________(填序号),该步骤的目的是____________
______________________________________。为了使目的基因正常表达,其首端必须有启动子,它是______________识别和结合的部位。若限制酶切出了平末端,要选择______________(填“E.coli DNA连接酶”或“T4DNA连接酶”)进行连接。 
(3)图中将鱼抗冻蛋白基因导入番茄细胞的方法称为______________。它是利用载体Ti质粒中含有__________________,可以将目的基因整合到宿主细胞的染色体上。 
【解析】(1)据图分析,鱼的抗冻蛋白基因(目的基因)上具有三种限制酶切割位点,PstⅠ酶的切割位点位于目的基因的两侧,SmaⅠ酶的切割位点位于目的基因的左侧,而 AluⅠ酶的切割位点位于目的基因的中央,因此不宜选用 AluⅠ酶;质粒上有 PstⅠ、SmaⅠ、HindⅢ、AluⅠ四种限制酶切割位点,因此应该选择 PstⅠ、SmaⅠ 分别切割目的基因和质粒,切割后目的基因所在的 DNA 产生 4 种DNA 片段,质粒产生 2 种 DNA 片段。
(2)图中①～④分别表示:基因表达载体的构建、目的基因导入受体细胞、脱分化、再分化。基因工程的核心步骤是基因表达载体的构建,即图中的①步骤,目的是使目的基因稳定存在并能遗传下去,使目的基因能表达及发挥作用;基因表达载体中的启动子是 RNA聚合酶识别和结合的位点;T4 DNA 连接酶可以连接平末端。
(3)将目的基因导入番茄细胞等植物细胞常用农杆菌转化法,利用载体 Ti 质粒中含有 T-DNA,可以将目的基因整合到宿主细胞的染色体上。
答案:(1)PstⅠ、SmaⅠ　4 　2
(2)①　使目的基因稳定存在并能遗传下去,使目的基因能表达及发挥作用　RNA 聚合酶　T4 DNA连接酶
(3)农杆菌转化法　T-DNA
【拓展·探究】
7.冠状病毒是一类具有包膜的RNA病毒,某些冠状病毒如新型冠状病毒(SARS-CoV-2)会感染人类并引起呼吸综合征。应对传染性强的病毒感染,需要灵敏的检测试剂盒及免疫效果持久的疫苗。最新的疫苗开发技术是核酸疫苗(包括DNA疫苗和RNA疫苗),其制作流程如图所示。

(1)新型冠状病毒流行期间,建议市民外出一定要戴口罩,其目的是________。(多选) 
A.控制传染源
B.切断传播途径
C.防止病原体扩散
D.发挥非特异性免疫作用
(2)如图新型冠状病毒标出的四种结构中,最先激活免疫系统的是________
____________。(用图中的字母做答) 
(3)在DNA疫苗制备过程中,通常需要使用限制酶切割DNA分子。在如图所示的限制酶识别序列中,限制酶作用的化学键是[　 ]____________。 
(4)写出图中能表示制备DNA疫苗过程的编号__________。 
(5)DNA或RNA疫苗接种到人体后,其表达产物均会刺激机体产生免疫反应。据图和所学知识,描述两者在人体内表达过程的差异______________。 
【解析】(1)传染病的流行必须具备三个基本环节:传染源、传播途径和易感人群。在这三个环节中,缺少其中的任何一个环节,新的传染都不会发生。在新型冠状病毒流行期间,建议市民外出一定要戴口罩的目的是切断传播途径和防止病原体扩散,即B、C正确。(2)如图新型冠状病毒标出的四种结构a、b、c、d分别表示表面蛋白质、脂质包膜、衣壳、RNA,其中最先激活免疫系统的是a。(3)限制酶能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列,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裂。据此可知:在如图所示的限制酶识别序列中,限制酶作用的化学键是[e]磷酸二酯键。(4)图中能表示制备DNA疫苗过程的编号是[①]提取病毒的RNA→[②]逆转录→[③]构建基因表达载体→[④]将构建的基因表达载体导入受体细胞(大肠杆菌)→[⑥]利用工程菌生产DNA疫苗。(5)DNA疫苗接种到人体后,经历转录和翻译表达出病毒的抗原结构,而RNA疫苗接种到人体后,直接翻译出病毒的抗原结构。
答案:(1)B、C　(2)a　(3)[e]磷酸二酯键
(4)①②③④⑥
(5)DNA疫苗接种到人体后,经历转录和翻译表达出病毒的抗原结构,而RNA疫苗接种到人体后,直接翻译出病毒的抗原结构