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高二生物选修三导学案（1） 基因工程的概述 第一章 基因工程
第一章 基因工程
第一节 基因工程的概述
【学习目标】
1、简述基因工程的概念含义，简述基因工程的诞生历程，认同基因工程的诞生和发展离不开理
论突破和技术创新
2、简述基因工程的原理，说出DNA重组技术的基本工具及其作用、特点，简述基因工程基本操
作程序，以及各步骤的一般方法、原理，模拟重组DNA分子的操作过程
【课前预习】
1、 基因工程是指按照人们的愿望，进行严格的设计，在 通过人工 和 等方法，
对生物的基因进行 和 ， 然后导入 并使重组基因在
中表达，产生人类需要的基因产物的技术。因而又叫DNA重组技术。基因工程
是在 水平上操作、改变生物遗传性状的技术，包括基因的 、 以及在
受体细胞内的 和 过程。
2、 为基因工程的创立作出了重要的理
论铺垫，而 的发现，则直接
促进了基因工程的诞生。 1973年，美国科学家 将不同来源的两种DNA分子体外重组，
并首次实现了在大肠杆菌中的表达。
3、“分子手术刀”： 。其作用的特点是：
其产生的DNA末端有两种形式： 和 。
“分子针线” 将双链DNA片段缝合起来，恢复被限制酶切开的两个核苷酸
之间的 。
4、 “运载工具” 。通常利用质粒作为载体。作为载体必须具备以下条
件：载体DNA必需有一个或多个 的切割位点；载体DNA必需能在受体细胞
中 ；载体DNA必需带有特殊的 基因。
5、 基因工程的基本操作步骤包括：① ② 、
③ 、④
6、 PCR是一项在生物 复制特定DNA片段的核酸合成技术。目的基因受热形
成 ，与 结合，在 的作用下延伸形成DNA。
【共同探究】
知识点一：关于基因工程
基因工程的别名
DNA重组技术或转基因技术
操作环境
生物体外
操作对象
基因
操作水平
DNA分子水平
基本过程
剪切或合成→拼接→导入→表达
结果
人类需要的新的生物类型和生物产物
变异类型
基因重组
意义
打破生殖隔离（克服不同生物远缘杂交不亲和的障碍），在基因水平上定向改变生物的遗传信息，并通过工程化的手段为人类提供有用的产品和服务
【思考题1】（10全国2）下列叙述符合基因工程概念的是
A．B淋巴细胞与肿瘤细胞融合，杂交瘤细胞中含有B淋巴细胞中的抗体基因
B．将人的干扰素基因重组到质粒后导入大肠杆菌，获得能产生人干扰素的菌株
C．用紫外线照射青霉菌，使其DNA发生改变，通过筛选获得青霉素高产菌株
D．自然界中天然存在的噬菌体自行感染细菌后其DNA整合到细菌DNA上
（一）DNA重组技术的基本工具
1、 “分子手术刀”——限制性核酸内切酶
限制性核酸内切酶能将外来的DNA切断，即能够限制异源DNA的侵入并使之失去活力，但对自己的DNA却无损害作用，这样可以保护细胞原有的遗传信息。它在切割DNA时，特异性识别核苷酸序列，即只能在一定的DNA序列上进行切割，这种能被特意性识别的切割部位都具有回文序列。
这种酶主要在原核生物中存在，有何意义？这给我们在基因工程中有什么启发？

【思考题2】下列关于限制酶的说法正确的是
A、限制酶广泛存在于各种生物中，但微生物中很少
B、一种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列
C、不同的限制酶切割DNA后都会形成黏性末端
D、限制酶的作用部位是特定核苷酸形成的氢键
【思考题3】（10浙江卷）在用基因工程技术构建抗除草剂的转基因烟草过程中，下列操作错误的是
A.用限制性核酸内切酶切割烟草茶叶病毒的核酸
B.用DNA连接酶连接经切割的抗除草剂基因和载体
C.将重组DNA分子导入原生质体
D. 用含除草剂的培养基筛选转基因烟草细胞
【思考题4】（07广东）现有一长度为1000碱基对（by）的DNA分子，用限制性核酸内切酶Eco R1酶切后得到的DNA分子仍是1000 by，用Kpn1单独酶切得到400 by和600 by两种长度的DNA分子，用EcoRI,Kpnl同时酶切后得到200 by和600 by两种长度的DNA分子。该DNA分子的酶切图谱正确的是D

2、“分子针线”——DNA连接酶
DNA连接酶是将双链DNA片段”缝合”起来,恢复被限制性核酸内切酶切开了两个核苷酸之间的磷酸二酯键.
DNA连接酶与DNA聚合酶的相同点是：两者都是形成磷酸二酯键；成分都属于蛋白质。不同点：DNA聚合酶只能将单个核苷酸加到已有的核酸片段形成磷酸二酯键；而DNA连接酶是在两个DNA片段之间形成磷酸二酯键将两个缺口同时连接起来，不是在单个核苷酸与DNA片段之间形成磷酸二酯键
【思考题5】下图为DNA分子的切割和连接过程。
（1）EcoRI是一种 酶，其识别序列是 ，切割位点是 与 之间的 键。切割结果产生的DNA片段末端形式为 。
（2）不同来源DNA片段结合，在这里需要的酶应是 连接酶，此酶的作用是在 与 之间形成 键，而起“缝合”作用的。
3、“运载工具”——目的基因进入受体细胞的载体
目的基因的载体是基因的运输工具，在基因操作过程中，使用目的基因的载体有两个目的：一是用它作为运载工具，将目的基因送到宿主细胞中去；二是利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制。因此作为目的基因的载体必须具备三个条件：一是能在宿主细胞内稳定保存并大量复制，二是具有多个限制性内切酶的切点，以便与外源基因连接，三是具有某些标记基因，以便进行筛选。
实际上自然存在的质粒DNA分子并不完全具备上述条件，都要进行人工改造后才能用于基因工程操作。
【思考题6】作为基因的运输工具——载体，必须具备的条件及理由是
A、能够在宿主细胞中稳定地保存下来并大量复制，以便提供大量的目的基因
B、具有多个限制酶切点，以便于目的基因的表达
C．具有某些标记基因，以便为目的基因的表达提供条件
D、能够在宿主细胞中复制并稳定保存，以便于进行筛选
（二）基因工程的基本操作程序
1、获得目的基因
DNA复制和PCR技术
DNA复制主要在细胞内完成，以DNA的两条链为模板，根据碱基互补配对原则合成两个完全相同的DNA分子的过程。复制的条件是：以DNA双链为模板，以四中脱氧核苷酸为原料，需要线立体供应能量，还需要多种酶，如解旋酶、DNA聚合酶等。
PCR技术是一项在生物体外复制特定DNA片段的核酸合成技术。它遵循的原理与DNA复制原理相同，条件是有一段以知目的基因的核苷酸序列和根据核苷酸序列合成的引物，原料是四种脱氧核苷酸，也需要多种酶，如（耐高温的）DNA聚合酶，此酶和普通DNA聚合酶相比，要耐高温。结果使目的基因的片段在短时间内成百万倍地扩增
PCR扩增是获取目的基因的一种非常有用的方法，也是进行分子鉴定和检测的一种很灵敏的方法。
【思考题7】下列获取目的基因的方法中需要模板链的是
①从基因文库中获取目的基因 ②利用PCR技术扩增目的基因 ③反转录法 ④通过DNA合成仪利用化学方法人工合成
A．①②③④ B．①②③ C．②③④ D．②③
【思考题8】下列有关PCR过程的叙述中，不正确的是
A．变性过程中破坏的是DNA分子内碱基对之间的氢键，也可以利用解旋酶来实现
B．复制过程中引物与DNA模板链的结合是依靠碱基互补配对原则完成
C．延伸过程中需要DNA聚合酶、能量、四种核糖核苷酸
D．PCR技术与细胞内DNA复制相比所需要的酶最适温度较高
2、制备重组DNA分子（基因表达载体的构建）——基因工程的核心
目的基因和质粒相结合形成重组质粒的过程是：
（1）：用一种的限制性内切酶切割质粒，使其出现一个有黏性末端的切口；
（2）：用同一种限制性内切酶切断目的基因，产生相同的黏性末端；
（3）：将切下的目的基因片段插入到质粒的切口处，在加入适量的DNA连接酶，使质粒与目的基因结合成重组质粒。
不同的受体细胞及目的基因导入受体细胞的方法不同，基因表达载体的构建上也会有所差别（如启动子不同等）。
重组DNA（基因表达载体）组成：目的基因、启动子、终止子、标记基因、复制原点
【思考题9】制备重组DNA分子的目的是什么？
使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下代，同时使目的基因能够表达和发挥作用。
【思考题10】（09上海理综卷）科学家运用基因工程技术将人胰岛素基因与大肠杆菌的质粒DNA分子重组，并且在大肠杆菌体内获得成功表达。图示a处为胰岛素基因与大肠杆菌质粒DNA结合的位置，它们彼此能结合的依据是
A．基因自由组合定律 B．半保留复制原则
C．基因分离定律 D．碱基互补配对原则
【思考题11】科学家在培育抗虫棉时，经过了许多复杂的过程和不懈的努力，才获得成功。起初把苏云金芽孢杆菌的抗虫基因插入载体质粒中，然后导入棉花的受精卵中，结果抗虫基因在棉花体内没有表达。然后在插入抗虫基因的质粒中插入启动子(抗虫基因首端)，导人棉花受精卵，长成的棉花植株还是没有抗虫能力。科学家又在有启动子、抗虫基因的质粒中插入终止子(抗虫基因末端)，导入棉花受精卵，结果成长的植株，有了抗虫能力。由以上过程推知，作为目的基因的运载体应具备的结构是
A．目的基因、启动子 B．目的基因、终止子
C．目的基因、启动子、终止子 D．目的基因、启动子、终止子、标记基因
【思考题12】（09浙江卷）下列关于基因工程的叙述，错误的是
A．目的基因和受体细胞均可来自动、植物或微生物
B．限制性核酸内切酶和DNA连接酶是两类常用的工具酶
C．人胰岛素原基因在大肠杆菌中表达的胰岛素原无生物活性
D．载体上的抗性基因有利于筛选含重组DNA的细胞和促进目的基因的表达
3、转化受体细胞（将目的基因导入受体细胞）
转化的方法：农杆菌介导转化技术、基因枪介导转化技术、花粉管通道技术、显微注射技术
【思考题13】采用基因工程的方法培育抗虫棉，下列导入目的基因的做法正确的是( )
①将毒素蛋白注射到棉受精卵中 ②将编码毒素蛋白的DNA序列，注射到棉受精卵中 ③将编码毒素蛋白的DNA序列，与质粒重组，导人细菌，用该细菌感染棉的体细胞，再进行组织培养 ④将编码毒素蛋白的DNA序列，与细菌质粒重组，注射到棉的子房并进入受精卵
A、①② B、②③ C、③④ D、①④
4、筛选出获得目的基因的受体细胞、培养受体细胞并诱导目的基因的表达（目的基因的检测与鉴定）
检测质粒或重组质粒是否导入受体细胞，需利用质粒上某些标记基因（抗性基因）的特性，即对已经导入质粒或重组质粒、本身无相应特性的受体细胞进行检测，根据受体细胞是否具有相应的特性来确定重组质粒是否进入受体细胞。例如质粒上有抗四环素和抗氨苄青霉素这两个特性基因，用含四环素或氨苄青霉素的选择培养基，受体细胞凡能生长则表明质粒导入成功。基因成功表达的标志是受体细胞通过转录、翻译过程合成出目的基因的相应的蛋白质，可通过抗原---抗体反应进行检测。也可通过个体生物学水平的鉴定：如抗虫鉴定、抗病鉴定、活性鉴定等。
【思考题14】用某人的胰岛素基因制成的DNA探针，检测下列物质，能形成杂交分子的是
①该人胰岛A细胞中的DNA ②该人胰岛B细胞的mRNA
③该人胰岛A细胞的mRNA ④该人肝细胞的DNA
A．①②③④ B．①②③ C．①②④ D．②
【课堂巩固】
1．生命活动中起催化作用的酶都具有一定的专一性，下列四种酶作用的部位分别是
①限制性内切酶 ②解旋酶 ③肠肽酶 ④ATP水解酶
A．氢键、磷酸二酯键、氨基、高能磷酸键
B．磷酸二酯键、碱基、肽键、高能磷酸键
C．磷酸二酯键、氢键、氨基、磷酸键
D．磷酸二酯键、氢键、肽键、高能磷酸键
2．下图是将人的生长激素基因导入细菌B细胞内制造“工程菌”的示意图。已知细菌B细胞内不含质粒A，也不含质粒A上的基因。判断下列说法正确的是

A．将重组质粒导入细菌B常用的方法是显微注射法或基因枪法
B．将完成导入过程后的细菌涂布在含有氨苄青霉素的培养基上，能生长的只是导入了重组质粒的细菌
C．将完成导入过程后的细菌涂布在含有四环素的培养基上，能生长的就是导入了质粒A的细菌
D．目的基因成功表达的标志是受体细胞能在含有氨苄青霉素的培养基上生长
3．限制酶是一种核酸内切酶，可识别并切割DNA分子上特定的核苷酸序列。下图为四种限制酶BamHⅠ、EcoRⅠ、Hind Ⅲ和BglⅡ的识别序列和切割位点
BamHⅠ
↓
EcoRⅠ
↓
Hind Ⅲ
↓
BglⅡ
↓
↑
GGATCC GAATTC AAGCTT AGATCT
CCTAGG CTTAAG TTCGAA TCTAGA
↑
↑
↑

切割出来的DNA黏性末端可以互补配对的是
A．BamHⅠ和EcoRⅠ B．BamHⅠ和 Hind Ⅲ
C．BamHⅠ和BglⅡ D．EcoRⅠ和 Hind Ⅲ
4．关于限制性内切酶的说法中，正确的是（多选）
A．主要从真核生物中分离纯化出来 B．能在特定的位点上切割DNA分子
C．对目的基因和运载体必需用两种特定的限制性内切酶进行切割，产生特定的黏性末端
D．一种限制性内切酶只能识别一种特定的核苷酸序列
5．用于判断目的基因是否转移成功的方法中，属于分子检测的是（多选）
A．通过害虫吃棉叶看其是否死亡 B．目的基因片段与DNA探针能否形成杂交带
C．目的基因转录形成的mRNA与DNA探针能否形成杂交带
D．目的基因表达产物蛋白质能否与抗体形成杂交带
6.（09上海卷）人体细胞内含有抑制癌症发生的P53基因，生物技术可对此类基因的变化进行检测。
（1）目的基因的获取方法通常包括________和________。
（2）上图表示从正常人和患者体内获取的P53基因的部分区域。与正常人相比，患者在该区域的碱基会发生改变，在上图中用方框圈出发生改编的碱基对，这种变异被称为________。
（3）已知限制酶E识别序列为CCGG,若用限制酶E分别完全切割正常人和患者的P53基因部分区域（见上图），那么正常人的会被切成________个片段，而患者的则被切割成长度为________对碱基和________对碱基的两种片段。
（4）如果某人的P53基因部分区域经限制酶E完全切割后，共出现170、220、290和460碱基对的四种片段，那么该人的基因型是________（以P+表示正常基因，Pn表示异常基因）。
7、（10江苏卷）下表中列出了几种限制酶识别序列及其切割位点，圈l、圈2中箭头表示相关限制酶的酶切位点。请回答下列问题：
（1） 一个图1所示的质粒分子经Sma Ⅰ
切割前后，分别含有 个游离的磷
酸基团。
（2） 若对图中质粒进行改造，插入的
SmaⅠ酶切位点越多，质粒的热稳定性
越 。
（3） 用图中的质粒和外源DNA构建重组
质粒，不能使用Srna Ⅰ切割，原因是 。
（4） 与只使用EcoR I相比较，使用BamH Ⅰ
和Hind Ⅲ两种限制酶同时处理质粒、外源DNA的优点在于可以防止 。
（5）为了获取重组质粒，将切割后的质粒与目的基因片段混合，并加入 酶。
（6）重组质粒中抗生素抗性基因的作用是为了 。
（7）为了从cDNA文库中分离获取蔗糖转运蛋白基因，将重组质粒导入丧失吸收蔗糖能力的大
肠杆菌突变体，然后在 的培养基中培养，以完成目的基因表达的初步检测。

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