2020年高考生物专题复习：基因工程

一、教学内容

基因工程

二、要点扫描

基因工程的概念和发展基因工程的操作工具基因工程的操作步骤基因工程的应用蛋白质工程

三、全面突破

知识点1：基因工程的诞生和发展

1、基因工程的诞生

（1）理论基础：①艾弗里实验证明了DNA是遗传物质；②沃森和克里克阐述了DNA 双螺旋结构模型；③尼伦贝格等人破译了遗传密码.

（2）工具基础：①酶：限制性核酸内切酶、DNA连接酶和逆转录酶；②载体：质粒和病毒（包括噬菌体，动、植物病毒）.

（3）实例：科恩等将两种不同来源的DNA分子进行体外重组，并首次实现了在大肠杆菌中的表达，创立了定向改造生物的新技术——基因工程.

2、基因工程的概念

（1）概念：基因工程是指在体外运用人工剪切和拼接等方法，对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞并使重组基因在受体细胞中表达，产生人们需要的基因产物或创造出更符合人们需要的新的生物类型的技术.由于基因工程是在分子水平上进行设计和施工的，因此又叫做重组DNA技术.

（2

转入小鼠受精卵内，培育出了巨型小鼠.

3、基因工程的工具

（1）限制性核酸内切酶

从流感嗜血杆菌等细菌中分离出来，具有专一性，能识别双链DNA上特定的核苷酸序列并从特定的位点切断磷酸二酯键形成平整末端或黏性末端（切口末端带有互补的单链序列）.

（2）

通过形成磷酸二酯键将DNA末端连接起来，结果形成重组DNA分子.

运载体包括细菌质粒、病毒.质粒主要来自细菌细胞中的一种很小的双链环状DNA分子.通过同一种限制酶切割质粒与目的基因，并通过DNA连接酶连接形成重组DNA分子.

①载体的作用：一是作为运载工具将目的基因转移到宿主细胞中去，二是利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制.

②载体必须具备的三个条件：a.能够在宿主细胞中稳定保存并大量复制；b.有多个限制酶切位点，以便于与外源基因连接；c.具有某些标记基因，以便于筛选.

③目的基因与载体结合的过程：

【典型例题】

例1.下列有关基因工程中限制性核酸内切酶的描述，错误的是（）

A.限制性核酸内切酶能识别和切割RNA

B.限制性核酸内切酶的活性受温度影响

C.一种限制性核酸内切酶只能识别一种特定的脱氧核苷酸序列

D.限制性核酸内切酶可从原核生物中提取

解析：限制性核酸内切酶能够识别双链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开.

答案：A

例2.下图为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内切酶、DNA聚合酶、DNA连接酶、DNA解旋酶作用的正确顺序是（）

A.①②③④

B.①②④③

C.①④②③

D.①④③②

解析：本题考查DNA复制和基因工程中所用的各种酶的作用.限制酶的作用是识别DNA分子中的核苷酸序列，并使每一条链的特定的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断裂.而DNA连接酶是连接被限制酶切开的磷酸二酯键.DNA解旋酶在DNA复制和转录过程中使氢键断裂而解开双链，DNA聚合酶在DNA复制过程中将脱氧核苷酸通过磷酸二酯键连接到子链，使得子链不断延伸.看图容易判断图中①是将DNA分子切为带有黏性末端的两个DNA片断，属于限制酶的功能；②是将带有黏性末端的两个DNA片断形成重组DNA的过程，属于DNA 连接酶的功能；③是将双链DNA分子解开变成单链的过程，属于DNA解旋酶的功能；④是分别以DNA解开的每条链作为模板，合成子代DNA分子的过程，属于DNA聚合酶的功能.

据此判断Ｃ答案正确. 答案：C

知识点2：基因工程的一般过程与技术:

1、基因工程的技术环节

①获取目的基因；②制备重组DNA 分子；③转化受体细胞；④筛选出获得目的基因的受体细胞；⑤培养受体细胞并诱导目的基因表达，获得新品种或目的基因表达产物.

特别提醒：

（1）获取目的基因的方法：

获取目的基因常用的方法是人工合成或直接分离，目前主要从基因文库中获取，也可以利用PCR 技术扩增DNA .常见的获取目的基因的方法如下：

①直接分离法（鸟枪法）：提取供体细胞DNA ????→?限制酶切割许多DNA 片断→分别与运载体结合→分别导入受体细胞→在细胞中扩增→分离目的基因

②化学合成法：已知蛋白质??→?分析

氨基酸序列??→?推测RNA 碱基序列??→?推测DNA 碱基序列??????????????→?合成仪合成

，利用四种脱氧核苷酸为原料DNA 目的基因

③反转录法：供体细胞??→?提取

目的基因的mRNA ????→?聚合酶

DNA 单链DNA ??→?合成目的基因

（2）基因表达载体的构建

人工合成的目的基因没有非编码区，直接导入受体细胞不能转录，因此必须构建基因表达载体.基因表达载体包括目的基因上游启动目的基因转录的RNA 聚合酶结合位点（启动子）、以及目的基因下游的使转录过程停止的终止子，还要具有标记基因（如抗生素抗性基因）便于检测体细胞是否导入目的基因，以及有利于目的基因扩增的复制原点.如图所示：

（3）转化受体细胞的方法：

①导入检测：DNA杂交法，即使用DNA探针（目的基因的单链DNA）检测受体细胞是否有目的基因

②表达检测：A、转录检测：用DNA探针检测mRNA（分子杂交）；B、翻译检测：免疫法，提取蛋白质用相应抗体进行抗原－抗体反应.

③个体生物学水平检测：检测目的基因控制的性状，如作物抗性等.

2、实例：抗软化番茄的培育

番茄软化是因为多聚半乳糖醛酸酶（一种果胶酶）溶解细胞间的果胶引起的.因此，培育抗软化番茄应该选用抗多聚半乳糖醛酸酶基因为目的基因；转化方法采用土壤农杆菌转化法，即将重组质粒导入土壤农杆菌中，再通过土壤农杆菌感染番茄细胞，通过组织培养获得抗软化番茄新品种.

抗软化番茄的机理：多聚半乳糖醛酸酶基因和抗多聚半乳糖醛酸酶基因转录产生的mRNA互补，导致番茄细胞不能合成多聚半乳糖醛酸酶.

【典型例题】

例1.应用基因工程技术能获得人们需要的生物新品种或新产品.请据图回答下列问题：

（1）在培育转人生长激素基因牛的过程中，①过程需要的工具酶是，②过程常用的方法是.

（2）转基因牛可通过分泌的乳汁来生产人生长激素，则说明基因工程能够突破自然界的.在基因表达载体中，人生长激素基因的前端必须有.③过程培养到一定阶段，可以采用技术，培育出多头完全相同的转基因牛犊.

（3）prG能激发细胞不断分裂，通过基因工程导入该调控基因来制备单克隆抗体，Ⅱ最可能是细胞，Ⅲ代表的细胞具有的特点.

（4）在培育抗虫棉的过程中，进行④过程最常用的方法是.

解析：培养转人生长激素基因牛的过程中，①是基因表达载体的构建过程，需限制酶和DNA 连接酶；②是目的基因导入受体细胞受精卵，常用显微注射法.基因表达载体组成包括目的基因、启动子、终止子和标记基因.胚胎分割移植可以培育出多个完全相同的个体.浆（或效应B）细胞能合成和分泌抗体，但不能无限增殖，把prG导入浆细胞后，浆细胞就会变成既能无限增殖又能产生特定抗体的细胞.重组Ti质粒导入受体细胞最常用的是土壤农杆菌转化法.

答案：（1）限制酶、DNA连接酶显微注射法（2）生殖隔离启动子胚胎分割移植（胚胎分割和胚胎移植）（3）浆（或效应B）既能无限增殖又能产生特定抗体（4）土壤农杆菌转化法

知识点3：基因工程的应用

1、动物基因工程应用举例

（1）提高动物的抗病能力

主要成果是抗猪瘟病毒的转基因猪、抗口蹄疫病毒的转基因兔.

（2）提高产品质量：

采用目的基因为生长激素基因所获得的转基因鲑鱼明显大于野生鲑鱼.

（3）改善产品品质：

人会对牛奶中的乳糖过敏或消化不良，在转基因牛的乳腺细胞中含有乳糖酶基因，使得牛奶中不含乳糖.

（4）生产药用蛋白

乳腺是公认的生产药用蛋白的理想器官，将外源蛋白基因转入牛等泌乳动物体内，乳腺就成了“反应器”，能生产大量的药用蛋白.

植物基因工程应用举例

（1）提高植物的光合作用效率

措施：①改造二氧化碳固定酶，提高植物对二氧化碳的固定效率；②通过增强对光能的吸收、转化的功能，提高光合作用效率.

（2）延长果实的储藏期

通过基因工程可以获得能够抑制乙烯合成酶基因表达的植物新品种，从而使乙烯的形成减少，既保持了果实原有的品质，又延长了储藏期.

（3）提高植物次生代谢产物的产率

将产碱杆菌的有关基因转入拟南芥，生产可生物降解塑料，对消除白色污染有重要意义.

（4）提高植物的抗性

通过基因工程培育具有抗虫、抗除草剂、抗干旱、抗涝、抗盐等抗性的转基因植物.

3、转基因生物

利用基因工程技术，导入外源基因培育出能将新性状稳定遗传给后代的基因工程生物.转基因生物的培育打破了常规育种难以突破的物种之间的障碍.

4、基因工程与人类健康

（1）基因诊断

采用基因检测的方法判断是否出现基因异常或携带病原体.

（2）基因治疗

用正常基因替换或弥补缺陷基因.例如用腺苷脱氨酶基因治愈了重度复合免疫缺陷症女孩.

【典型例题】

例1.水母发光蛋白由236个氨基酸构成，现已将编码这种蛋白质的基因作为生物转基因的标记，应用在转基因技术中.这种蛋白质的作用是（）

A.促使目的基因顺利导入受体细胞中

B.促使目的基因在宿主细胞中进行复制

C.检测目的基因是否导入成功

D.检测目的基因是否成功表达

解析：本题考查标记基因的作用.在基因工程中，用含有标记基因的载体，目的是通过检测标记基因的表达产物来确定目的基因是否导入受体细胞.

答案：C

知识点4：蛋白质工程

1、蛋白质工程的概念

（1）了解蛋白质结构和功能的技术：物化、生化技术.

（2）改造对象：基因

（3）方法：计算机辅助设计、基因定点诱变和重组DNA技术.

（4）目的：定向改造天然蛋白质，甚至创造自然界不存在的蛋白质.

（5）基因工程是蛋白质工程的关键技术，因此，蛋白质工程又被称为第二代基因工程.

（1）方法：通过X射线晶体衍射了解蛋白质的三维结构；通过核磁共振法了解蛋白质的构象；通过分析蛋白质的氨基酸序列了解蛋白质的一级结构.

（2）改造类型：大改：制造自然界不存在的全新的蛋白质；中改：替代某一肽段或一

个特定的结构域；小改：通常采用定点诱变技术改变活性部位的一个或几个氨基酸残基；采用PCR扩增技术获得定点突变的基因.

3、蛋白质工程的应用

（1）提高酶的热稳定性：通过改变酶的几个氨基酸或引入二硫键，改变酶的结构.

（2）实例1：鼠源杂交瘤抗体的改造：①在基因水平上对抗体进行重组；②产生人恒定区和鼠可变区的嵌合抗体；③对人体的不良反应减少.

实例2：纤维蛋白的溶（解）酶原激活因子（t－PA）的改造：利用基因定点诱变技术，将t－PA分子中的天门冬氨酸替换为谷氨酰胺，使得t－PA在血液循环中停留时间延长，疗效更加显著.

【典型例题】

例1.人们发现，蛛丝蛋白比蚕丝蛋白更细，但强度却更大，于是就有人试图通过破解蛛丝蛋白的结构从而推测出其基因结构，以指导对蚕丝蛋白基因的修改，从而让蚕也吐出像蛛丝蛋白一样坚韧的丝，此过程的名称和依据的原理分别是（）

A.基因突变：DNA→ RNA→蛋白质

B.基因工程：RNA→ RNA→蛋白质

C.基因工程：DNA→ RNA→蛋白质

D.蛋白质工程：蛋白质→ RNA→DNA→蛋白质

解析：本题考查蛋白质工程的步骤.和基因工程相比，蛋白质工程特有的程序是：预期蛋白质的功能，设计蛋白质的结构，推测氨基酸序列，先预测mRNA的序列，然后确定基因结构，进而合成目的基因，并使其表达出相应的蛋白质.

答案：D

【本讲小结】