高中生物 第1章 第2节 基因工程的原理和技术教案 浙科版选修3-浙科版高中选修3生物教案

第二节基因工程的原理和技术课标解读重点难点1.简述基因工程的原理。

2.描述基因工程的基本步骤。

3.举例说明筛选含有目的基因的受体细胞的原理。

基因工程的原理及基因工程的基本操作步骤。

(重难点)基因工程的基本原理让人们感兴趣的基因(即目的基因)在宿主细胞中稳定和高效地表达。

基因工程的操作步骤1.获取目的基因(1)目的基因的种类抗虫基因、抗病基因、抗除草剂基因、人胰岛素基因和人干扰素基因等。

(2)①目的基因碱基序列已知时：a．用化学方法合成目的基因。

b．用聚合酶链式反应(PCR)扩增。

②目的基因碱基序列未知时：从基因文库中获取。

2．形成重组DNA分子(如图)据上图填充以下相关内容：1．表述图示重组载体中的amp R(标记基因)有何作用？【提示】 筛选、鉴定人乳铁蛋白基因是否导入受体细胞。

3．将重组DNA 分子导入受体细胞(如图)若上图中受体细胞为大肠杆菌，则导入过程的流程图为：受体细胞：大肠杆菌↓氯化钙细胞壁的通透性增大↓重组质粒导入受体细胞↓目的基因随着受体细胞的繁殖而复制4．筛选含有目的基因的受体细胞利用载体上的标记基因进行筛选。

如质粒上含有四环素抗性基因，可把受体细胞接种在含四环素的培养基上筛选，以获取含目的基因的受体细胞。

5．目的基因的表达目的基因(如胰岛素基因)――→转录mRNA ――→翻译相应蛋白质(如胰岛素原――→加工生物活性的胰岛素)。

2．基因工程中限制性核酸内切酶与DNA连接酶的作用场所是生物体内还是体外？【提示】在生物体外。

1．用PCR扩增目的基因时，目的基因的序列可以是未知的。

(×)【提示】目的基因的序列应是已知的。

2．构建重组DNA分子时，只需限制性核酸内切酶即可完成重组过程。

(×)【提示】还需DNA连接酶等工具。

3．基因工程中的宿主细胞可以是植物细胞、动物细胞或微生物细胞。

(√)4．抗虫棉的抗虫基因是否表达可用害虫感染抗虫棉进行检测。

(√)5．CaCl2处理大肠杆菌，可使其细胞膜的通透性增加。

(×)【提示】增加其细胞壁的通透性。

目的基因的获取途径及重组DNA分子的构建①目的基因的获取方法有哪几种？②PCR扩增技术与DNA复制有何区别？③重组DNA分子重要组成部分有哪些？1．获取目的基因方法(1)从基因文库中获取目的基因基因文库是指将含有某种生物不同基因的许多DNA片段导入受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有这种生物的不同的基因。

(2)人工合成目的基因①目的基因转录成的信使RNA通过逆转录合成单链DNA，再按碱基互补配对合成双链DNA(目的基因)。

②根据蛋白质中氨基酸序列推测信使RNA的碱基序列，再推测DNA碱基序列，最后通过DNA合成仪人工合成出目的基因。

由于一种氨基酸可对应一种或多种密码子，因此根据蛋白质中已知的氨基酸序列合成出的目的基因可能有多种，但并不影响目的基因表达的产物。

(3)利用PCR技术扩增目的基因①原理：DNA双链复制。

②扩增过程：目的基因DNA受热→变性解旋为单链→引物与单链相应互补序列结合→在Taq DNA聚合酶作用下延伸→形成新的DNA分子→循环重复以指数形式扩增。

2．PCR技术与生物体内DNA复制的比较项目PCR技术DNA复制相同点原理DNA双链复制(碱基互补配对) 原料四种游离的脱氧核苷酸条件模板、ATP、酶等不同点解旋方式DNA在高温下变性解旋解旋酶催化场所体外复制主要在细胞核内酶热稳定的DNA聚合酶细胞内含有的DNA聚合酶温度条件需控制温度，在较高温度下进行细胞内温和条件结果在短时间内形成大量的DNA片段形成整个DNA分子3.重组DNA分子的构建(1)构建重组DNA的目的：使目的基因在受体细胞内稳定存在，并可遗传给下一代，同时使目的基因能够表达和发挥作用。

(2)构建方法(以质粒为例)：用同一种限制性核酸内切酶分别切割质粒和目的基因，使其产生相同的粘性末端，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)图例用同一种限制性核酸内切酶(单酶切)分别切割目的基因与运载体是最简单的一种方法，因为切割后能产生相同的粘性末端，末端之间能发生碱基互补配对而形成重组DNA分子，操作简单，但连接后会出现两种不需要的连接产物：目的基因—目的基因(环状)连接物、质粒—质粒(环状)连接物，加大了筛选的工作量。

所以可用两种不同限制性核酸内切酶(双酶切)分别同时切割含目的基因的DNA片段和质粒，这样可以防止目的基因与质粒自身连接体的产生，克服单酶切的缺点。

但由于每种限制性核酸内切酶作用的条件不同，一般两种酶不能同时使用，而是用完一种酶后就要更换另一种酶作用的外界条件，以保证酶的高效性，因此双酶切操作复杂。

下图为某种质粒简图，小箭头所指分别为限制性核酸内切酶EcoRⅠ、Bam H Ⅰ的酶切位点，amp r为青霉素抗性基因，tet r为四环素抗性基因，P为启动子，T为终止子，ori为复制原点。

已知目的基因的两端分别有包括EcoRⅠ、Bam H Ⅰ 在内的多种酶的酶切位点。

据图回答：(1)将含有目的基因的DNA与质粒分别用Eco R Ⅰ 酶切，酶切产物用DNA连接酶进行连接后，其中由两个DNA片段之间连接形成的产物有__________、__________、__________三种。

(2)用上述3种连接产物与无任何抗药性的原核宿主细胞进行转化实验。

之后将这些宿主细胞接种到含四环素的培养基中，能生长的原核宿主细胞所含有的连接产物有_____________________________；若接种到含青霉素的培养基中，能生长的原核宿主细胞所含有的连接产物有________________。

(3)目的基因表达时，RNA聚合酶识别和结合的位点是________，其合成的产物是____________。

(4)在上述实验中，为了防止目的基因和质粒在酶切后产生的末端发生任意连接，酶切时应选用的酶是________________。

【思维导图】【精讲精析】(1)将含有目的的基因的DNA与质粒分别用Eco R Ⅰ酶切，所产生的黏性末端相同，用DNA连接酶处理后，不同的片段随机结合，可形成3种不同的连接物：目的基因—目的基因、目的基因—载体、载体—载体。

(2)在上述三种产物中，插入目的基因的都不能在四环素培养基上生长，只有载体—载体连接产物才能在含四环素的培养基上生长。

(3)启动子是RNA聚合酶识别和结合的位点，可启动转录过程，合成mRNA。

(4)由图示和题目中提供的信息可知，同时运用Eco R Ⅰ和Bam H Ⅰ进行酶切可有效防止酶切后产生的末端发生任意连接。

【答案】(1)目的基因—载体连接物载体——载体连接物目的基因—目的基因连接物(2)载体—载体连接物目的基因—载体连接物、载体、载体—载体连接物(3)启动子mRNA (4)Eco R Ⅰ和Bam H Ⅰ在已知某小片段基因碱基序列的情况下，获得该目的基因的最佳方法是( ) A．以mRNA为模板逆转录合成DNAB．以4种脱氧核苷酸为原料人工合成C．将供体DNA片段转入受体细胞中，再进一步筛选D．由蛋白质的氨基酸序列推测mRNA【审题导析】由题干关键信息“已知该目的基因碱基序列”可推出此段目的基因的脱氧核苷酸序列，用原料直接合成为最佳途径。

【精讲精析】本题考查目的基因的获取途径。

在已知某小片段基因碱基序列的情况下，就能确定基因中脱氧核苷酸的排列顺序。

因此，获得该基因的最佳方法是在体外以4种脱氧核苷酸为原料人工合成基因。

【答案】 B将重组DNA分子导入受体细胞①不同受体细胞基因表达载体导入的方法是否相同？②CaCl2处理大肠杆菌的目的是什么？③对于动物而言，可否用体细胞(除受精卵外)作受体细胞？1．受体种类不同，导入方法不同生物种类植物细胞动物细胞微生物细胞常用方法农杆菌转化法显微注射法Ca2＋处理法受体细胞体细胞受精卵原核细胞转化过程目的基因插入Ti质粒的T­DNA上→农杆菌→导入植物细胞→整合到受体细胞的染色体DNA中→表达目的基因表达载体提纯→取卵(受精卵)→显微注射→受精卵发育→获得具有新性状的动物Ca2＋处理细胞→感受态细胞→重组表达载体与感受态细胞混合→感受态细胞吸收DNA分子2.受体种类不同，所用的受体细胞种类也不同(1)植物：可以是受精卵，也可以是体细胞(可经植物组织培养成为完整的个体)。

(2)动物：只能是受精卵(因为体细胞的全能性受到限制)。

采用基因工程的方法培育抗虫棉，下列导入目的基因的方法正确的是( )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，导入细菌，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．①②B．③④C．②③D．①④【审题导析】毒素蛋白具有抗虫作用，但不能遗传，基因工程中导入受体细胞的应为含有抗虫基因的重组DNA分子。

【精讲精析】基因工程中导入目的基因前，首先要获得目的基因(即题目中的编码毒素蛋白的DNA序列)，然后要将目的基因与载体结合(即与细菌质粒重组)。

完成上述两步以后才能将目的基因导入受体细胞(即棉花的体细胞或受精卵)，目的基因导入受体细胞后，可随受体细胞的繁殖而复制，所以上述③④操作是正确的。

【答案】 B目的基因的检测与表达①检测目的基因的方法有哪些？②怎样对受体细胞进行筛选？③目的基因表达的标志是什么？1．直接检测方法(1)检测目的基因翻译产物蛋白质：可把生物体内蛋白质提取出来，利用抗原—抗体反应检测。

(2)检测目的基因转录的产物mRNA：从生物体内提取mRNA，利用基因探针检测。

(3)检测生物的DNA分子是否插入目的基因：从生物细胞中提取DNA，利用DNA探针技术检测。

(4)其他检测：如从个体性状水平检测，把抗虫基因转入棉花细胞中，可让棉铃虫取食抗虫棉的叶片或棉铃直接检测。

以上为直接检测目的基因的方法，还可间接筛选检测。

2．筛选含有目的基因的受体细胞(1)依据：质粒上有抗生素的抗性基因。

(2)方法：利用选择培养基筛选。

(3)举例注意：根据标记基因所控制的性状，筛选出含有目的基因的受体细胞的方法有许多，如：①如果是抗性基因，可以直接用选择培养基筛选，存活的就是含有目的基因的受体细胞。

②根据菌落的颜色、形状等也可判断。

③通过如上的检测后，实际也不能确定细胞中就含有目的基因，因为可能有一些质粒并未插入目的基因。

3．目的基因的表达目的基因能在受体细胞中保持稳定，并指导合成相应的蛋白质。

1．进行转录水平的检测原理与复制水平的检测原理是相似的，只是被检测的物质不再是转基因生物的基因组DNA，而是转基因生物的细胞内的mRNA；进行翻译水平的检测，则是利用抗原与抗体特异性结合的原理。