高三生物第二节-基因的结构---第三节--基因工程简介人教版知识精讲.doc

高三生物第二节 基因的结构 第三节 基因工程简介人教版
【同步教育信息】
一. 本周教学内容
第二节 基因的结构 第三节 基因工程简介

二. 学习重点
1. 原核细胞的基因结构。
2. 真核细胞的基因结构。
3. 基因工程的操作工具及过程。

三. 学习过程
无论是核基因还是质基因，都能够储存、传递和表达遗传信息，也都可能发生突变，从而决定生物体的性状。基因的结构究竟是怎样的呢？
（一）原核细胞的基因结构
原核细胞的基因是由成百上千个核苷酸对组成的。组成基因的核苷酸序列可以分为不同的区段。在基因表达的过程中，不同区段所起的作用并不相同。
1. 编码区：能够转录为相应的信使RNA，进而指导蛋白质的合成的区段。
2. 非编码区：不能转录为信使RNA，也就是说不能编码蛋白质的区段。
非编码区虽然不能编码蛋白质，但是对于遗传信息的表达是不可缺少的。在非编码区上，有调控遗传信息表达的核苷酸序列，主要包括启动子、终止子等。
启动子：位于编码区上游紧靠着转录起点的位置。它的主要功能是引导RNA聚合酶与基因的正确部位结合。RNA聚合酶才能准确地从转录起始点开始，沿着编码区正常地进行转录。
终止子：位于编码区下游紧靠着转录终点的位置。它能够阻碍RNA聚合酶的移动，并使其从DNA模板链上脱离下来。

（二）真核细胞的基因结构
真核细胞的基因也是由编码区和非编码区两部分组成的。
1. 编码区：是间隔的、不连续的。也就是说，能够编码蛋白质的序列被不能够编码蛋白质的序列分隔开来，成为一种断裂的形式。
外显子：最终能够编码蛋白质的序列。
内含子：不能够编码蛋白质的序列。
内含子的功能可能对基因的转录具有某种调控作用，或是作为一种进化过程中的残存物而存在于DNA序列中。
2. 非编码区上：同样有具有调控作用的启动子和终止子，只是要相对复杂。

（三）人类基因组计划（HGP，Human Genome Project）
1. 概念：人类基因组计划就是研究人类的基因组，即分析人类基因组的核苷酸序列。人类基因组是指人体DNA分子所携带的全部遗传信息。其主要内容包括绘制人类基因组的四张图，即遗传图、物理图、序列图和转录图。绘制这四张图好比是建立一个“人体地图”，沿着地图中一个个路标，如“遗传标记”、“物理标记”等，可以一步步地找到每一个基因，搞清楚每一个基因的核苷酸序列。
2. 意义：人类基因组研究的理论与技术上的进展，对于各种疾病，尤其是各种遗传病的诊断、治疗具有划时代的意义；对于进一步了解基因表达的调控机制、细胞的生长、分化和个体发育的机制，以及生物的进化等也具有重要的意义。同时，这一计划的实施，将推动生物高新技术的发展，并产生巨大的经济效益。

四. 基因工程简介
（一）基因工程的基本内容
基因工程又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。这种技术是在生物体外，通过对DNA分子进行人工“剪切”和“拼接”，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出人类所需要的基因产物。通俗地说，就是按照人们的主观意愿，把一种生物的个别基因复制出来，加以修饰改造，然后放到另一种生物的细胞里，定向地改造生物的遗传性状。

（二）基因操作的工具
1. 基因的剪刀——限制性内切酶：
（1）特点：识别特定序列，切割特定的位点。
（2）结果：暴露出粘性末端。
限制酶主要存在于微生物中。目前已经发现了二百多种限制酶，它们的切点各不相同。
2. 基因的针线——DNA连接酶：
（1）特点：连接相同粘性末端之间的酯键。
（2）结果：连接不同来源的DNA分子。实现DNA重组。
3. 基因的运输工具——运载体：
（1）特点：能够在宿主细胞中复制并稳定地保存；具有多个限制酶切点，以便与外源基因连接；具有某些标记基因，便于进行筛选。
（2）种类：经常使用的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒等。
质粒：是基因工程最常用的运载体，它广泛地存在于细菌中，质粒能够“友好”地“借居”在宿主细胞中，可以在宿主细胞内复制。大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌等细菌中都有质粒。因为土壤农杆菌很容易感染植物细胞，所以科学家培育转基因植物时，常常用土壤农杆菌中的质粒做运载体。

（三）基因操作的基本步骤
进行基因操作一般要经历四个基本步骤，也就是基因操作的“四步曲”。
1. 提取目的基因：
主要有两条途径：一条是从供体细胞的DNA中直接分离基因；另一条是人工合成基因。
（1）“鸟枪法”：用限制酶将供体细胞中的DNA切成许多片段，将这些片段分别载入运载体，然后通过运载体分别转入不同的受体细胞，让供体细胞所提供的DNA(外源DNA)的所有片段分别在各个受体细胞中大量复制(在遗传学中叫做扩增)，从中找出含有目的基因的细胞，再用一定的方法把带有目的基因的DNA片段分离出来。如许多抗虫、抗病毒的基因都可以用上述方法获得。
用“鸟枪法”获取目的基因的缺点是工作量大，具有一定的盲目性。用于提取原核细胞的基因。
（2）人工合成基因的方法：目前人工合成基因的方法主要有两条途径。
一条途径是以目的基因转录成的信使RNA为模板，反转录成互补的单链DNA，然后在酶的作用下合成双链DNA，从而获得所需要的基因。
另一条途径是根据已知的蛋白质的氨基酸序列，推测出相应的信使RNA序列，然后按照碱基互补配对原则，推测出它的结构基因的核苷酸序列，再通过化学的方法，以单核苷酸为原料合成目的基因。
对提取出来的基因通过一种扩增DNA的新技术（也叫PCR技术），使目的基因片段在短时间内成百万倍地扩增。
2. 目的基因与运载体结合：
将目的基因与运载体结合的过程，实际上是不同来源的DNA重新组合的过程。
先利用相同的限制酶分别切割运载体和目的基因，使其产生相同的黏性末端。
再利用适量的DNA连接酶，连接质粒的黏性末端与目的基因DNA片段的黏性末端，形成了一个重组DNA分子，也叫重组质粒。
3. 目的基因导入受体细胞：
用人工的方法使体外重组的DNA分子转移到受体细胞，主要是借鉴细菌或病毒侵染细胞的途径。例如，如果运载体是质粒，受体细胞是细菌，一般是将细菌用氯化钙处理，以增大细菌细胞壁的通透性，使含有目的基因的重组质粒进入受体细胞。目的基因导入受体细胞后，就可以随着受体细胞的繁殖而复制，由于细菌繁殖的速度非常快，在很短的时间内就能够获得大量的目的基因。
4. 目的基因的检测和表达：
检测：主要检测受体细胞是否获得了重组DNA分子。例如，大肠杆菌的某种质粒具有青霉素抗性基因，当这种质粒与外源DNA组合在一起形成重组质粒，并被转入受体细胞后，就可以根据受体细胞是否具有青霉素抗性来判断受体细胞是否获得了目的基因。
表达：重组的DNA分子进入受体细胞后，受体细胞必须表现出特定的性状，才能说明目的基因完成了表达过程。例如，科学家最初做抗虫棉试验时，虽然已经检测出棉的植株中含有抗虫的基因，但让棉铃虫食用棉的叶片时，棉铃虫并没有被杀死，这说明抗虫基因还不能在高等植物中表达。科学家在研究的基础上，又一次对棉植株中的抗虫基因进行了修饰，然后再让棉铃虫食用棉的叶片，结果食用的第二天棉铃虫就中毒死亡了。这说明抗虫基因在棉植株中得到了表达。

（四）基因工程的应用
蛋白质产品的生产；生物性状的改变；基因诊断和基因治疗；水质监测等。

【模拟试题】
一. 选择题
1. 以下说法正确的是（ 　 ）
A. 在真核细胞的基因结构中，编码区也含有不能编码蛋白质的序列
B. 终止子是转录终止的信号，因此它的DNA序列与终止密码TAA相同
C. 基因的非编码区通常不起什么作用
D. 启动子的作用是阻碍RNA聚合酶的移动，并使其从DNA模板链上脱离下来
2. 下面关于真核生物基因的认识完全正确的一组是（ 　）
① 编码区能够转录为相应的信使RNA，经加工参与蛋白质的生物合成
② 在非编码区有RNA聚合酶结合点
③ 真核细胞与原核细胞的基因结构完全一样
④ 内含子不能够编码蛋白质序列
A. ①②③ 　　B. ②③④ 　 C. ③④① 　 D. ①②④
3. 原核细胞基因的非编码区组成是（ 　 ）
A. 基因的全部碱基序列组成
B. 信使RNA上的密码序列组成
C. 编码区上游和编码区下游的DNA序列组成
D. 能转录相应信使RNA的DNA序列组成
4. 关于一个典型的真核基因和原核基因结构特点的叙述，不正确的是（ ）
A. 都有不能转录为信使RNA的区段
B. 都有与RNA聚合酶结合的位点
C. 都有调控作用的核苷酸序列 　　
D. 都有内含子
5. 真核生物中编码蛋白质的基因，经转录产生有功能的成熟信使RNA的过程是（ ）
A. 转录直接产生的信使RNA
B. 将内含子转录部分切掉，外显子转录部分拼接起来形成
C. 将外显子转录部分切掉，内含子转录部分拼接起来形成
D. ABC三种情况都有
6. 生物的每个细胞都含有一整套该物种的基因，对这些基因表达正确的说法是（ ）
A. 整套基因同时表达 　　　　　　　 B. 每种基因时时开启着
C. 可随特定情况开启或关闭某些基因 　 D. 一旦开启便不能关闭
7. 以下对DNA的描述，错误的是（ ）
A. 人的正常T淋巴细胞中含有人体全部遗传信息
B. 同种生物个体间DNA完全相同
C. DNA的基本功能是遗传信息的复制与表达
D. 一个DNA分子可以控制多个性状
8. 人的一种凝血因子的基因，含186 000个碱基对，有26个外显子，25个内含子，能编码2 552个氨基酸，这个基因中外显子的碱基对在整个基因碱基对中所占的比例为（ ）
A. 4%   B. 51.76%   C. 1.3%   D. 25.76%
9. 下列关于基因的叙述中，正确的是（ ）
A. 每一个DNA片段都是一个基因 
B. 每一个基因都控制着一定的性状
C. 有多少基因就控制着多少遗传性状
D. 基因控制的性状都能在后代表现出来
10. 人胰岛细胞能产生胰岛素，但不能产生血红蛋白，关于胰岛细胞中（　 ）
A. 只有胰岛素基因
B. 比人受精卵的基因要少
C. 既有胰岛素基因，也有血红蛋白基因和其他基因
D. 有胰岛素基因和其他基因，但没有血红蛋白基因
11. 以下说法正确的是（ ）
A. 所有的限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列
B. 质粒是基因工程中唯一的运载体
C. 运载体必须具备的条件之一是：具有多个限制酶切点，以便与外源基因连接
D. 基因治疗主要是对有缺陷的细胞进行修复
12. 不属于质粒被选为基因运载体的理由是（ ）
A. 能复制 　　　B. 有多个限制酶切点 C. 具有标记基因 　 D. 它是环状DNA
13. 有关基因工程的叙述中，错误的是（ 　 ）
A. DNA连接酶将黏性未端的碱基对连接起来
B. 限制性内切酶用于目的基因的获得
C. 目的基因须由运载体导入受体细胞
D. 人工合成目的基因不用限制性内切酶
14. 实施基因工程第一步的一种方法是把所需的基因从供体细胞内分离出来，这要利用限性内切酶。一种限制性内切酶能识别DNA子中的GAATTC顺序，切点在G和A之间，这是应用了酶的（　 ）
A. 高效性 　　B. 专一性 C. 多样性 　　D. 催化活性受外界条件影响
15. 基因工程的操作步骤：① 使目的基因与运载体相结合，② 将目的基因导入受体细胞，③ 检测目的基因的表达是否符合特定性状要求，④ 提取目的基因，正确的操作顺序是（　 ）
A. ③②④① 　　B. ②④①③ 　 C. ④①②③ 　 D. ③④①②
16. 上海医学遗传研究所成功培育出第一头携带白蛋白的转基因牛，他们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物蛋白含量提高30多倍，转基因动物是指（　 ）
A. 提供基因的动物 　　 B. 基因组中增加外源基因的动物
C. 能产生白蛋白的动物 D. 能表达基因信息的动物
17. 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步骤是（ 　）
A. 人工合成基因 　　　　　 B. 目的基因与运载体结合
C. 目的基因导入受体细胞 D. 目的基因的检测和表达
18. 有关基因工程的叙述正确的是（ 　 ）
A. 限制性内切酶只在获得目的基因时才用
B. 重组质粒的形成在细胞内完成
C. 质粒都可作运载体
D. 蛋白质的结构可为合成目的基因提供资料

二. 非选择题
1. 番茄在运输和贮藏过程中，由于过早成熟而易腐烂。应用基因工程技术，通过抑制某种促进果实成熟激素的合成，可使番茄贮藏时间延长，培育成耐贮藏的番茄新品种。这种转基因番茄已于1993年在美国上市，请回答：
（1）促进果实成熟的重要激素是　　 　，它能够发生的化学反应类型有　　　、　　　　　和　　　。
（2）在培育转基因番茄的操作中，所用的基因的“剪刀”是　　　　，基因的“针线”是　　　　，基因的“运输工具”是　　　　。
（3）与杂交育种、诱变育种相比，通过基因工程来培育新品种的主要优点是　　　、　　　　　　　　和　　　　。
2. 1990年对一位缺乏腺苷脱氨酶基因，而患先天性体液免疫缺陷病的美国女孩进行基因治疗，其方法是首先将患者的白细胞取出作体外培养，然后用逆转录病毒将正常腺苷脱氨酶基因转入人工培养的白细胞中，再将这些转基因白细胞回输到患者的体内，经过多次治疗，患者的免疫功能趋于正常。
（1）为使体外培养细胞的工作成功，必须考虑的培养条件是　　　，培养液须含有　　　。
（2）在基因治疗过程中，逆转录病毒的作用相当于基因工程中基因操作工具中的　　　，此基因工程中的目的基因是　　　，目的基因的受体细胞是　　　。
（3）将转基因白细胞多次回输到患者体内后，免疫能力趋于正常是由于产生了　　　，产生这种物质的两个基本步骤是　　　、　　　。
3. 右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”示意图，所用载体为质粒A。已知细菌B细胞内不含质粒A，也不含质粒A上的基因，质粒A导入细菌B后，其上的基因能得到表达。请回答下列问题。
（1）人工合成目的基因的途径一
般有哪两条？
（2）如何将目的基因和质粒结合成重组质粒？
（3）目前把重组质粒导入细菌细胞时，效率还不高，导入完成后得到的细菌，实际上有的根本没有导入质粒，有的导入的是普通质粒A，只有少数导入的是重组质粒。此外可以通过如下步骤鉴别得到的细菌是否导入了质粒A或重组质粒：

将得到的细菌涂布在一个含有氨苄青霉素的培养基上，能够生长的就导入了质粒A或重组质粒，反之则没有。使用这种方法鉴别的原因是             　。
（4）若把通过鉴定证明导入了普通质粒A或重组质粒的细菌放在含有四环素的培养基上培养，会发生的现象是　　　　 ，原因是　　　　。
（5）导入细菌B细胞中的目的基因成功表达的标志是什么？
4. 干扰素是治疗癌症的重要物质，人血液中每升只能提取0.05 mg干扰素，因而其价格昂贵，平民百姓用不起。但美国有一家公司用遗传工程方法合成了价格低廉、药性一样的干扰素，其具体做法是：
（1）从人的淋巴细胞中提取能指导干扰素合成的       　，并使之与一种叫质粒的DNA结合，然后移植到酵母菌内，从而让酵母素来　　　　。
（2）酵母菌能用　　　　　方式繁殖，速度很快，所以能在较短的时间内大量生产　　　　。利用这种方法不仅产量高，并且成本较低。
（3）科学家陈炬在这一方向也做出了突出贡献，他成功地把人的干扰素基因嫁接到了烟草的DNA分子上，其物质基础和结构基础是　　　　　。
（4）烟草具有了抗病毒能力，这表明烟草体内产生了 ，由此可见，烟草和人体合成蛋白质的方式是　　　　，从进化的角度来考虑，证明了人和植物的起源是　　　。

【试题答案】
一. 选择题
1. A 2. D 3. C 4. D 5. B 6. C 7. B 8. A 9. B
10. C 11. C 12. D 13. A 14. B 15. C 16. B 17. C 18. D

二. 选择题
1.
（1）乙烯 加成 氧化 聚合
（2）限制性内切酶 DNA连接酶 运载体
（3）目的性强 育种周期短 克服远缘杂交的障碍
2.
（1）渗透压、温度及无菌等 有机物、无机盐、维生素、氧气、水等。
（2）运载体 腺苷脱氨酶基因 白细胞
（3）抗体（腺苷脱氨酶） 转录 翻译
3.
（1）① 将从细胞中提取分离出的目的基因作为模板转录成单链双链DNA；② 据蛋白质中氨基酸序列中碱基序列DNA碱基序列目的基因。
（2）将目的基因和质粒结合形成重组质粒的过程是：① 用一定的限制酶切割质粒，使其出现一个有粘性末端的切口；② 用同种限制酶切割目的基因，产生相同的粘性末端；③ 将切下的目的基因片段插入到质粒的切口处，再加入适量的DNA连接酶，使质粒与目的基因结合成重组质粒。
（3）检测质粒或重组质粒是否导入受体细胞，均需利用质粒上某些标记基因的特性。即对已经做了导入处理的、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。抗氨苄青霉素基因在质粒A80重组质粒上，因为目的基因插入了四环素抗性基因的a处，所以用含氨苄青霉素这种选择培养基培养经导入质粒处理的受体细胞。凡能生长的则表明质粒导入成功；不能生长的则无质粒导入。
（4）抗四环素基因不仅在质粒A上，而且它的位置正是目的基因插入之处，因此当目的基因插入质粒A形成重组质粒时，此处的抗四环素基因的结构和功能就会被破坏，含重组质粒的受体细胞就不能在含四环素的培养基上生长，而质粒A上无目的基因插入的四环素基因结构是完整的，这种受体细胞就能在含四环素的培养基上生长。
（5）基因成功表达的标志是受体细胞通过转录、翻译合成相应的蛋白质，即人的生长激素。
4.
（1）干扰素基因 合成干扰素
（2）出芽生殖 干扰素
（3）都是脱氧核苷酸组成的 都具有双螺旋结构
（4）干扰素 相同的 相同的