山东省泰安市岱岳区徂徕镇第一中学高中生物 1.1基因工

山东省泰安市岱岳区徂徕镇第一中学高中生物 1.1基因工程的概述（第1课时）学案新人教版选修3
1.1 基因工程的概述（第一课时）
教学目标 1.说出基因工程诞生的理论与实践依据、发展阶段和基因工程的含义及其主要实验成果。

2.举例说出限制性核酸内切酶的作用、特点。

3.举例说出DNA连接酶的作用。

4.简述质粒的含义、特性及其在基因工程中的作用。

一、基因工程的诞生和发展
1．基因工程是指在______通过人工“______”和“____________”等方法，对生物的基因进行的______和重新组合，然后______受体细胞并使重组基因在受体细胞中______，产生人类需要的____________的技术，又称为________技术。

基因工程是在______水平上操作、改变生物的______________的技术，包括基因的______、____________、______以及在受体细胞内的______和______等过程。

2．艾弗里证明了______是遗传物质、沃森和克里克阐明了______________________结构，尼伦贝格等破译了____________，这些都为基因工程的创立作出了重要的理论铺垫，而________________酶和________酶等工具酶、________等载体和________酶的发现，则直接促使了基因工程的诞生。

3．基因工程的诞生和发展经历了三个时期：1973～1976年为______期；1977～1981年为______期；1982年以后为迅猛发展和____________期。

1973年，美国科学家科恩和博耶等将________________的DNA分子进行体外重组，并首次实现了在大肠杆菌中的______，创立了________________的新技术——基因工程；不久，又有科学家将第一个____核生物的基因导入大肠杆菌，使大肠杆菌产生了相应的______；1977年，科学家使得生长激素抑制素基因在大肠杆菌中成功表达；1978年，____________在大肠杆菌中成功合成；1979年，____________基因在大肠杆菌中成功表达；1980年，____________基因在大肠杆菌中成功表达……1982年，美国科学家岶米特等采用____________法，将经过重组的带有________________基因的质粒转入小鼠的受精卵内，成功获得带有________________基因的小鼠。

该小鼠生长迅速，体型是同一胎其他小鼠的1.8倍，称为______小鼠。

这一实验被认为是基因工程的发展史上的一个里程碑。

二、基因工程中的工具——酶与载体
1．限制性核酸内切酶——分子手术刀
(1)来源：第一种限制酶从________________中分离并纯化。

(2)作用：每种限制性核酸内切酶只能识别DNA分子的________________，且在特定位点上切割DNA分子。

(3)切割结果：大部分限制性核酸内切酶在切开DNA双链时，切口处两个末端都带有由若干____________组成的单链，这种单链被称为______末端。

2．DNA连接酶——分子针线
(1)作用：把DNA分子“梯子”的__________________连接起来。

(2)结果：形成一条________分子。

3．载体——运载工具
(1)常用种类：______、________以及一些可以起载体作用的动植物病毒。

(2)质粒：来自于____________中的一种很小的____________分子。

课时训练
基础落实
1．人们将苏云金芽孢杆菌中的抗虫基因导入棉花细胞中培育成为抗虫棉，这个过程中所利用的主要原理是( )
A．基因突变B．基因重组
C．基因工程D．染色体变异
2．下列有关限制酶知识的叙述，错误的是( )
A．产生于细胞内，同时可以在细胞外起作用
B．一种限制酶可以识别多种特定的核苷酸序列
C．限制酶作用于两个核苷酸之间的磷酸二酯键
D．微生物中的限制酶对自身DNA无损害作用
3．属于“分子缝合针”的是( )
①E·coli DNA连接酶②T4DNA连接酶③DNA聚合酶④解旋酶⑤RNA聚合酶
A．①②③ B．①②
C．①②⑤ D．②④
4．限制性核酸内切酶Eco RⅠ对DNA的识别序列是GAATTC，当用它处理环状DNA分子时，可形成( )
A．两端相同的线性DNA，有黏性末端
B．两端相同的线性DNA，无黏性末端
C．两端不同的线性DNA，一端有黏性末端，一端无黏性末端
D．两种末端无法判断
5．在基因工程中用来修饰改造生物基因的工具是( )
A．限制酶和DNA连接酶
B．限制酶和DNA水解酶
C．限制酶和载体
D．连接酶和载体
6．如图为DNA分子在不同酶的作用下所发生的变化，图中依次表示限制性核酸内切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶、解旋酶作用的正确顺序是( )
A．①②③④ B．①②④③
C．①④②③ D．①④③②
能力提升
7．下列关于基因工程的叙述，错误的是( )
A．目的基因由载体导入受体细胞
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
8．2008年诺贝尔化学奖授予了“发现和发展了水母绿色荧光蛋白”的三位科学家。

如果将绿色荧光蛋白基因的片段与目的基因连接起来组成一个融合基因，再将该融合基因转入真核生物细胞内，表达出的蛋白质就会带有绿色荧光。

绿色荧光蛋白在该研究中的主要作用是( )
A．追踪目的基因在细胞内的复制过程
B．追踪目的基因插入到染色体上的位置
C．追踪目的基因编码的蛋白质在细胞内的分布
D．追踪目的基因编码的蛋白质的空间结构
9．某科学家从细菌中分离出耐高温淀粉酶(Amy)基因a，通过基因工程的方法，将基因a 与载体结合后导入马铃薯植株中，经检测发现Amy在成熟块茎细胞中存在。

下列有关这一过程的叙述不正确的是( )
A．获取基因a的限制酶的作用部位是图中的①
B．连接基因a与载体的DNA连接酶的作用部位是图中的②
C．基因a进入马铃薯细胞后，可随马铃薯DNA分子的复制而复制，传给子代细胞
D．通过该技术人类实现了定向改造马铃薯的遗传性状
10．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Bam HⅠ、Eco RⅠ、HindⅢ和BglⅡ的识别序列和切割位点：
Bam HⅠEco RⅠHindⅢBglⅡ
↓ ↓ ↓ ↓
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．Bam HⅠ和Eco RⅠ
B．Bam HⅠ和HindⅢ
C．Bam HⅠ和BglⅡ
D．Eco RⅠ和HindⅢ
11.通过DNA重组技术使原有基因得以改造的动物称为转基因动物。

运用这一技术使羊奶
中含有人体蛋白质，下图表示了这一技术的基本过程，在该工程中所用的基因“剪刀”能识别的序列和切点是—G↓GATCC—，请回答：
(1)从羊染色体中“剪下”羊蛋白质基因的酶是________________。

人体蛋白质基因“插入”羊体细胞染色体中时需要的酶是________________。

(2)请画出质粒被切割形成黏性末端的过程图。

—G↓GATCC—
→
(3)人体蛋白质基因之所以能“插入”到羊的染色体内，原因是
_______________________________。

12．请根据下面的实验原理和材料用具，设计实验探究质粒的抗生素基因所控制的抗菌类别。

实验原理：作为载体的质粒须有标记基因，这一标记基因可以是抗生素抗性基因，故有抗生素抗性基因的细菌，其质粒可以选作为载体(抗生素抗性基因一般位于质粒上)。

材料用具：青霉素溶液、10万单位/mL的四环素溶液、菌种、灭菌的含有细菌培养基的培养皿、酒精灯、接种环、一次性注射器、蒸馏水、恒温箱等。

(1)方法步骤：
第一步：取三个含细菌培养基的培养皿，编号1、2、3，在酒精灯旁，用三支注射器分别注入1毫升的蒸馏水、青霉素溶液和四环素溶液，并使之在整个培养皿表面均匀分布；第二步：__________________________________________________________________；第三步：将接种后的三个培养皿放入37 ℃恒温箱中培养24小时。

(2)预期结果及结论：
①若1号培养皿中细菌正常生长，2、3号培养皿中细菌不能存活，说明该细菌质粒既无青霉素抗性基因，也无四环素抗性基因；
②________________________________________________________________________
________________________________________________________________________；
③________________________________________________________________________
________________________________________________________________________；
④________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。

(3)设置1号培养皿的目的是进行______________________________________________。

综合拓展
13．基因工程中，需使用限制酶切割目的基因和质粒，便于重组和筛选。

已知限制酶Ⅰ的识别序列和切点是—G↓GATCC—，限制酶Ⅱ的识别序列和切点是—↓GATC—。

(1)根据已知条件和图回答：
①上述质粒用限制酶__________切割，目的基因用限制酶________切割。

②将切下的目的基因片段插入质粒的切口处，还要加入适量的________________。

③请指出质粒上至少要有一个标记基因的理由：__________________________________ ________________________________________________________________________。

(2)不同生物的基因可以拼接的结构基础是______________________________________ ________________________________________________________________________。

(3)大肠杆菌是首先成功表达外源基因的宿主菌，但不能表达结构复杂的蛋白质，哺乳类细胞、昆虫细胞表达系统虽然能表达结构复杂的哺乳类细胞蛋白，但操作复杂，表达水平低，不易推广使用。

基因工程中常选用酵母菌作为受体细胞，请从细胞结构等方面分析用酵母菌作受体细胞能克服上述不足的理由：
____________________________________________
________________________________________________________________________。

答案
一、1.体外剪切拼接改造导入表达基因产物重组DNA 基因遗传性状分离体外重组转移复制表达 2.DNA DNA分子的双螺旋遗传密码限制性核酸内切DNA连接质粒逆转录 3.开始发展实际应用两种不同来源表达
定向改造生物真rRNA 人胰岛素人生长激素人干扰素显微注射大鼠生长激素大鼠生长激素巨型
二、1.(1)流感嗜血杆菌(2)特定核苷酸序列
(3)特定核苷酸黏性
2．(1)扶手断口(2)重组DNA 3.(1)质粒噬菌体(2)细菌细胞DNA
课时训练
1．B [将苏云金芽孢杆菌的抗虫基因导入棉花细胞中，通过DNA 转录、翻译合成特定的蛋白质，表现出特定的性状。

此题易错选C 。

基因工程是一种技术手段，而不是生物学原理，抗虫棉的培育利用的是基因工程这一技术手段使基因发生重组。

]
2．B [微生物中限制酶被提取出来之后，可以在细胞外起作用，进行DNA 的切割，例如基因工程中的限制酶的应用就是在细胞外进行的。

限制酶作用于两个核苷酸之间的磷酸二酯键，每种限制酶只能识别一种特定的核苷酸序列。

]
3．B [“分子缝合针”是指DNA 连接酶。

]
4．A [不同限制性核酸内切酶切割位点是不相同的，DNA 分子经限制酶切割产生的DNA 片段末端通常有两种形式，即黏性末端和平口末端。

如果是限制酶Eco R Ⅰ，则在它识别序列的中心轴线两侧进行切割，产生黏性末端；如果是限制酶Sma Ⅰ，则在它识别序列的中心轴线处切割，产生的是平口末端。

]
5．A [解答本题的关键是“修饰、改造”二词。

限制性核酸内切酶(即限制酶)是剪切基因的“剪刀”，DNA 连接酶是将DNA 末端之间的缝隙“缝合”起来的“分子缝合针”。

所以修饰改造工具是限制酶和DNA 连接酶。

]
6．C [限制性核酸内切酶、DNA 聚合酶、DNA 连接酶三者均作用于磷酸二酯键处，限制性核酸内切酶使键断开，而DNA 聚合酶连接的是单个脱氧核苷酸，DNA 连接酶作用于DNA 片段，解旋酶作用于氢键，使DNA 双链打开，形成DNA 单链。

]
7．D [载体上的抗性基因有利于筛选含重组DNA 的细胞，但由于它和目的基因是相互独立的，不能促进目的基因的表达。

]
8．C [将绿色荧光蛋白基因的片段与目的基因连接起来组成一个融合基因，将该融合基因转入真核生物细胞内，表达出的蛋白质带有绿色荧光，从而可以追踪目的基因编码的蛋白质在细胞内的分布。

]
9．B [限制酶和DNA 连接酶的作用部位都位于①，但两者作用相反，载体具有在宿主细胞中复制的能力，与目的基因结合后，目的基因也会在宿主细胞中一起复制。

基因工程的目的就是定向改造生物的遗传性状。

]
10．C [从图中可以看出Bam H Ⅰ、Eco R Ⅰ、Hind Ⅲ和Bgl Ⅱ四种限制酶切割出来的黏性末端分别是GATC 、AATT 、AGCT 、GATC ，Bam H Ⅰ和Bgl Ⅱ切割出来的黏性末端相同，可以互补配对。

]
11．(1)限制性核酸内切酶 DNA 连接酶
(2)
—CCTAG↑G 用限制性核酸内切酶切割—G GATCC ——CCTAG G —
(3)人的遗传物质(基因)与羊的都为DNA ，其物质组成和空间结构相同
解析 在基因工程中用到的工具酶有限制性核酸内切酶和DNA 连接酶，在对载体和目的基因进行切割的时候，一定要用同一种限制性核酸内切酶，才能切出相同的黏性末端，当插入目的基因时，常用DNA 连接酶在二者之间形成磷酸二酯键。

12．(1)第二步：将接种环在酒精灯上灼烧，并在酒精灯火焰旁对三个培养皿接种
(2)②若仅1、2号中细菌存活，3号中细菌死亡，说明该细菌质粒上有青霉素抗性基因，无四环素抗性基因
③若仅1、3号中细菌存活，2号细菌死亡，说明该细菌质粒上无青霉素抗性基因，有四环素抗性基因
④若1、2、3号中细菌都存活，说明该细菌质粒上既有青霉素抗性基因，又有四环素抗性基因
(3)对照
解析 本实验的目的是探究细菌质粒上的抗性基因。

1号培养皿中未加抗生素，不管细菌质粒上有无抗生素基因，该培养皿中的细菌都能存活，所以是起对照作用的；2号培养皿中加入了青霉素，只有细菌质粒上有抗青霉素的基因，其中的细菌才能存活，否则，其中的细菌就会死亡；3号培养皿中加入了四环素，只有细菌质粒上有抗四环素的基因，其中的细菌才能存活，否则，就会被四环素杀死。

注意预测结果时考虑问题要全面，几种可能的情况都应该考虑到，而且每种可能结果要和相应的结论对应起来。

13．(1)①Ⅰ Ⅱ ②DNA 连接酶 ③检测重组质粒(或目的基因)是否导入受体细胞
(2)DNA 结构基本相同(其他合理答案均可)
(3)①单细胞真核生物，含有加工、修饰蛋白质的内质网和高尔基体；②繁殖速度快，能很快得到大量的目的基因；③培养成本低；④容易培养
解析 要形成重组质粒，质粒只能出现一个切口，并且至少保留一个标记基因，因=====
GGATCC CCTAGG 序列在Gene Ⅱ上，因此用限制酶Ⅰ切割，保留Gene Ⅰ标记基因；目的基因必须切割两次，
切割后产生的黏性末端能与质粒的黏性末端互补，=====GGATCC CCTAGG
序列中有酶Ⅱ的切割序列，因此用酶Ⅱ，产生的末端互补。