高三生物讲义《转基因技术》

第一讲转基因技术
1．1 基因工程的理论基础
1．基因工程
是指按照人们的愿望，进行严格的设计，并通过体外DNA重组和转基因等技术，赋予生物以新的遗传特性，从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。

由于基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，因此又叫做基因拼接技术或DNA重组技术。

2．理论基础
（1）基因拼接的理论基础：
①DNA是生物的主要遗传物质；
②DNA的基本组成单位都是4种脱氧核苷酸；
③双链DNA分子的空间结构都是规则的双螺旋结构。

（2）外源基因在受体内表达的理论基础：
①基因是控制生物性状的独立遗传单位；
②遗传信息的传递都遵循中心法则阐述的信息流动方向；
③生物界共用一套遗传密码。

1．2 DNA重组技术的基本工具
1．限制性核酸内切酶：“分子手术刀”
（1）来源：主要从原核生物分离纯化出来。

（2）作用：识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列；并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。

（3）举例：
Eco RⅠ限制酶SmaⅠ限制酶
2．DNA连接酶：“分子缝合针”
（1）作用：将双链DNA片段连接起来，恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。

（2）类型：
①E·coli DNA连接酶：从大肠杆菌中分离得到的，只能连接互补的黏性末端，不能连接平末端。

②T4DNA连接酶：从T4噬菌体中分离出来的，既能连接互补的黏性末端，又能连接平末端，但连
接平末端的效率比较低。

3．基因进入受体细胞的载体：“分子运输车”
（1）具备条件：
①能在宿主细胞内稳定保存并复制；
②有一个至多个限制酶切割位点，以便与外源基因相连；
③有标记基因，以便进行筛选。

（2）常用载体：质粒、噬菌体和动植物病毒的DNA。

例题精讲
【例1】与“限制性内切酶”作用部位完全相同的酶是（）
A．反转录酶B．RNA聚合酶C．DNA连接酶D．解旋酶
【答案】C
【例2】下列粘性末端属于同一种限制性内切酶切割而成的是（）
A．①③
B．②③
C．③④
D．②④
【答案】A
【例3】图示某DNA片段，有关该图的叙述中，不正确的是（）
A．①②③可形成DNA的基本组成单位
B．④在基因中的排列顺序包含着遗传信息
C．DNA复制时解旋酶作用于⑤
D．DNA连接酶可连接⑤处断裂的化学键
【答案】D
【例4】现有一长度为1000碱基对(bp）的DNA分子，用限制性核酸内切酶Eco RⅠ酶切后得到的DNA 分子仍是1000 bp，用KpnⅠ单独酶切得到400 bp和600 bp两种长度的DNA分子，用Eco RⅠ、KpnⅠ同时酶切后得到200 bp和600 bp两种长度的DNA分子。

该DNA分子的酶切图谱正确的
是（）
【答案】D
【例5】质粒是基因工程常用的运载体，它的主要特点是（）
①能自主复制②不能自主复制③结构很小④蛋白质
⑤环状RNA ⑥环状DNA ⑦能“友好”地“借居”在宿主细胞
A．①③⑤⑦B．②④⑥C．①③⑥⑦D．②③⑥⑦
【答案】C
【例6】下列关于染色体和质粒的叙述，正确的是（）
A．染色体只存在于真核生物细胞中，质粒只存在于原核生物细胞中
B．在基因工程中染色体和质粒均可以作为运载体
C．染色体和质粒均与生物的遗传有关
D．染色体和质粒的化学本质相同
【答案】C
【例7】基因工程的实质是（）
A．基因重组B．基因突变C．产生新的蛋白质D．产生新的基因
【答案】A
1．3 基因工程的基本操作程序
知识点睛
1．目的基因的获取
（1）目的基因的种类：
与生物抗逆性相关的基因、与优良品质相关的基因、与生物药物和保健品相关的基因、与毒物降解
相关的基因、与工业所需用酶相关的基因，等等。

（2）目的基因的获取方法：
①从已有物种中分离。

如，从基因文库中获取目的基因。

基因文库：将含有某种生物不同基因的许多DNA片段，导入到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，称为基因文库。

分为基因组文库和部分基因文库（如cDNA文库）。

②人工合成。

如，反转录法、根据已知氨基酸序列合成DNA。

③通过PCR技术对已获得的目的基因进行扩增。

2．基因表达载体的构建（核心）
（1）目的：使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代，同时使目的基因能够表达和发挥作用。

（2）过程：
（3）组成：目的基因、启动子、终止子、标记基因等。

3．将目的基因导入受体细胞
（1）将目的基因导入植物细胞
①农杆菌转化法：
将目的基因插入到Ti质粒的T-DNA上，获得含目的基因的重组Ti质粒
↓
将含目的基因的重组Ti质粒转入农杆菌，获得含重组Ti质粒的农杆菌
↓
将含重组Ti质粒的农杆菌导入植物受体细胞
↓
T-DNA转移至受体细胞并将目的基因整合到受体细胞的染色体DNA上，稳定维持和表达
②基因枪法
③花粉管通道法
（2）将目的基因导入动物细胞：显微注射法
将含目的基因的表达载体提纯
↓
取受体细胞，用显微注射仪进行显微注射
（3）将目的基因导入微生物细胞
常用受体细胞：大肠杆菌
方法：Ca2+处理细胞，使之成为感受态细胞
↓
将基因表达载体溶于缓冲液中与感受态细胞混合
↓
一定温度下促进感受态细胞吸收DNA分子，完成转化
4．目的基因的检测与鉴定
（1）目的基因是否导入受体细胞
方法：DNA分子杂交技术
操作：将转基因生物的基因组提取出来，在含目的基因的DNA片段上用放射性同位素（或荧光分子）标记，以此作为探针，使探针与基因组DNA杂交，若显示出杂交带，就表明目的基因已导入
受体细胞。

（2）目的基因是否表达：分子杂交技术
转录的检测：从转基因生物中提取出mRNA，同样用标记的目的基因作探针与mRNA杂交，若显示出杂交带，则表明目的基因转录出来mRNA。

翻译的检测：从转基因生物中提取出蛋白质，用相应的抗体进行抗原-抗体杂交。

若有杂交带出现，表明目的基因已表达合成出蛋白质。

（3）个体生物学水平的鉴定
例如，一个抗虫或抗病的目的基因导入植物细胞后，是否赋予了植物抗虫或抗病特性，需做抗虫或抗病的接种实验。

例题精讲
【例8】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
【答案】D
【例9】用基因工程技术可使大肠杆菌合成人的蛋白质。

下列叙述不正确的是（）
A．常用相同的限制性内切酶处理目的基因和质粒
B．DNA连接酶和RNA聚合酶是构建重组质粒必需的工具酶
C．可用含抗生素的培养基检测大肠杆菌中是否导入了重组质粒
D．导入大肠杆菌的目的基因不一定能成功表达
【答案】B
【例10】下图是将人的生长激素基因导入细菌B细胞内制备“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
B．能在含有氨苄青霉素的培养基上生长的只是导入了质粒A的细菌
C．能在含有四环素的培养基上生长的只是导入了重组质粒的细菌
D．目的基因成功表达的标志是工程菌能产生出人的生长激素
【答案】D
【例11】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．将目的基因导入受体细胞D．目的基因的检测和表达
【答案】C
【例12】酵母菌的维生素、蛋白质含量高，可生产食品和药品等。

科学家将大麦细胞的LTP1基因植入啤酒酵母菌中，获得的啤酒酵母菌种可产生LTP1蛋白，并酿出泡沫丰富的啤酒。

基本的操作过程
如下：
（1）该技术定向改变了酵母菌的性状，这在可遗传变异的来源中属于____________。

（2）从大麦细胞中可直接分离获得LTP1基因，还可采用方法获得目的基因。

本操作中为了将LTP1基因导入酵母菌细胞内，所用的运载体是。

（3）要使运载体与LTP1基因连接，首先应使用进行切割。

假如运载体被切割后，得到的分子末端序列为，则能与该运载体连接的LTP1基因分子末端为。

（4）切割完成后，采用将运载体与LTP1基因连接，连接后得到的DNA分
子称为。

（5）此操作中可以用分别含有青霉素、四环素的两种选择培养基进行筛选，则有C进入的酵母
菌在选择培养基上的生长情况是。

（6）除了看啤酒泡沫丰富与否外，还可以怎样检测LTP1基因在啤酒酵母菌中的表达？
____________________________________________。

【答案】（1）基因重组（2）人工合成质粒（3）限制性内切酶（限制酶） A （4）DNA连接酶重组DNA（重组质粒）
（5）在含有青霉素的培养基上能存活，但不能在含有四环素的培养基上存活
（6）检验转基因啤酒酶母能否产生LTP1蛋白
【例13】在培育转基因植物的研究中，卡那霉素抗性基因（kan）常作为标记基因，只有含卡那霉素抗性基因的细胞才能在卡那霉素培养基上生长。

下图为获得抗虫棉的技术流程。

请据图回答：
（1）A过程需要的酶有_ _。

（2）B过程及其结果体现了质粒作为运载体必须具备的两个条件是。

（3）C过程的培养基除含有必要营养物质、琼脂和激素外，还必须加入。

（4）如果利用DNA分子杂交原理对再生植株进行检测，D过程应该用作为探针。

（5）科学家发现转基因植株的卡那霉素抗性基因的传递符合孟德尔遗传规律。

①将转基因植株与杂交，其后代中抗卡那霉素型与卡那霉素敏感型的数量比为1：1。

②若该转基因植株自交，则其后代中抗卡那霉素型与卡那霉素敏感型的数量比为。

③若将该转基因植株的花药在卡那霉素培养基上作离体培养，则获得的再生植株群体中抗卡那
霉素型植株占。

【答案】（1）限制性内切酶和DNA连接酶
（2）具有标记基因；能在宿主细胞中稳定保存并复制
（3）卡那霉素（4）放射性同位素（或荧光分子）标记的抗虫基因
（5）非转基因植株3：1 100%
【例14】人工构建的大肠杆菌质粒pBR322是基因工程中应用最广泛的载体（见图1）。

除标注外，图中其他英文缩写表示该质粒上不同的限制性核酸内切酶的切割位点。

请分析回答：
氨苄青霉素抗性基因
四环素抗性基因
复制起始位点
图1 pBR322质粒
（1）此质粒的化学本质是，它可以作为多种目的基因的（运）载体，
原因是。

amp r和tet r在基因工程中的主要作用是。

（2）人胰岛素由两条肽链共有51个氨基酸组成，如图2所示。

图2 人胰岛素的结构
①通过基因工程培育能合成人胰岛素的工程菌时，可先依据推出序
列，再推出序列，然后用化学方法人工合成A链和B链基因的片段。

将此基因片
段分别与重组后，再导入大肠杆菌内。

②在大肠杆菌内合成的单独的A、B两条多肽链没有生物活性，是因为细菌中缺少
，不能。

若要直接获得有活性的转基因人胰岛素，可以选择作为受体细胞。

【答案】（1）DNA 含有多种限制性核酸内切酶的酶切位点（外加载体的其它条件不错给分，错不给分）作为标记基因
（2）①氨基酸的排列顺序（A链、B链的一级结构给分）信使RNA的碱基（核糖核苷酸的排列序列给分）DNA（基因）的碱基（脱氧核糖核苷酸给分）不同
质粒（２个质粒）②内质网、高尔基体等细胞器（答出任何一个内容均可得分，
只答线粒体不给分，但如果与内质网、高尔基体任何一个细胞器给分）对多
肽链进行加工（添加形成二硫键；形成空间结构不给分，因大肠杆菌也形成空间
结够）真核细胞（酵母菌）（人的瘤细胞给分）
1．4 基因工程的应用
应用方面 成果举例 植物基
因工程
的成果 抗虫转基因植物
抗虫水稻、抗虫棉、抗虫玉米、抗虫大豆 抗病转基因植物 抗烟草花叶病毒的转基因烟草、抗病毒小麦、抗病毒番茄 抗逆转基因植物
抗寒番茄、抗除草剂大豆 利用转基因改良植物品质
高赖氨酸玉米、耐存储番茄、新花色矮牵牛 动物基
因工程
的成果
提高动物生长速度
转基因绵羊、转基因鲤鱼 改善畜产品质量 乳汁中含乳糖较少的转基因奶牛 用转基因动物生产药物 利用转基因动物乳腺生物反应器表达了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素等 用转基因动物做器官移植的供体 无免疫排斥反应的转基因克隆猪器官 基因工
程药物
利用转基因工程菌生产细胞因子、抗体、疫苗、激素等药物 胰岛素、干扰素、乙肝疫苗、生长激素、白细胞介素、肿瘤坏死因子 基因治
疗 把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能 体外基因治疗复合型免疫缺陷症 体内基因治疗遗传性囊性纤维化病
1．安全性问题
（1）食品安全：可能合成出毒蛋白；可能出现新的过敏原；食物营养成分可能改变。

（2）生物安全：可能造成“基因污染”，危害生物多样性。

（3）环境安全：可能打破物种界限，破坏生态系统稳定性；重组微生物降解化合物过程中所产生的
中间产物可能造成二次污染；可能产生有危害的病原微生物或产物。

2．存在安全性问题的原因
（1）目前对基因的结构、调控机制以及基因间的相互作用了解有限。

（2）目的基因往往是异种生物的基因。

（3）外源基因插入宿主基因组的部位往往是随机的。

【例15】 培育转基因动物时所用的受体细胞是（ ）
A ．受精卵
B ．精细胞
C ．卵细胞
D ．体细胞
【答案】A
【例16】 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
例题精讲
1．5转基因生物的安全性
知识点睛
③该人胰岛A细胞中的mRNA ④该人肝细胞的DNA
A．①②③④B．①②③C．①②④D．②
【答案】C
【例17】运用转基因技术培养的单细胞“工程硅藻”，可把光合作用合成的有机物以脂质形式储存起来。

科学家计划在海水中大量培养“工程硅藻”，捕捞后从中提炼“生物柴油”。

与矿物柴油相比，
使用这种“生物柴油”的优点是（）
①可再生②不显著增加碳排放
③不排放含硫废气④不会对生态环境造成负面影响
A．①②③B．①③④C．①②④D．②③④
【答案】A
【例18】下列关于基因工程应用的叙述，正确的是（）
A．基因治疗就是把缺陷基因诱变成正常基因B．基因诊断的基本原理是DNA分子杂交
C．一种基因探针能检测水体中的各种病毒D．原核基因不能用来进行真核生物的遗传改良
【答案】B
【例19】在植物基因工程中，用土壤农杆菌中的Ti质粒作为运载体。

把目的基因重组到Ti质粒上的T-DNA片段中，再将重组的T-DNA插入植物细胞的染色体DNA中。

（1）上述基因操作时，要用分别切割质粒和目的基因，质粒的黏性末端与目的基因DNA片段的黏性末端就可通过而黏合。

（2）抗除草剂基因的重组Ti质粒导入二倍体油菜细胞，经培养、筛选获得一株有抗除草剂特性的转基因植株。

经分析，该植株含有一个携带目的基因的T-DNA片段，因此可以把它
看作是杂合子。

理论上，在该转基因植株自交F1代中，仍具有抗除草剂特性的植株占总
数的。

（3）上述转基因油菜，它所携带的目的基因可以通过花粉传递给近缘物种，造成“基因污染”。

如果把目的基因导入叶绿体DNA中，就可以避免“基因污染”，原因是。

【答案】（1）同一种限制性核酸内切酶碱基互补配对（2）3/4
（3）叶绿体遗传表现为母系遗传，目的基因不会通过花粉传递而在下一代显现出来。

【例20】医生对一位因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治疗。

采用的方法是首先将患者的白细胞取出作体外培养，然后用某种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）该病的治疗运用了基因工程技术，在这个实例中运载体是__________________，目的基因是_______________________，目的基因的受体细胞是_____________。

（2）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_____________和_____________。

（3）该病的治疗方法属于基因工程运用中的_____________，这种治疗方法的原理是_________ _________________________________。

【答案】（1）某种病毒腺苷脱氨酶基因白细胞（2）腺苷脱氨酶(或抗体)转录翻译（3）基因治疗把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞内从而达到治疗的目的
1．6蛋白质工程
1．蛋白质工程
是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础,通过基因修饰或合成,对
现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产和生活的需求。

2．基本途径
从预期的蛋白质功能出发
↓
设计预期的蛋白质结构
↓
推测应有的氨基酸序列
↓
找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）
例题精讲
【例21】蛋白质工程的实质是（）
A．改变氨基酸结构B．改造蛋白质结构C．改变肽链结构D．改造基因结构
【答案】D
【例22】科学家将β-干扰素基因进行定点突变导入大肠杆菌表达，使干扰素第17位的半胱氨酸改变成丝
氨酸，结果大大提高β-干扰素的抗病活性，并且提高了储存稳定性，该生物技术为（）
A．基因工程B．蛋白质工程C．基因突变D．细胞工程
【答案】B
【例23】当前医学上，蛋白质工程药物正逐步取代第一代基因工程多肽蛋白质类替代治疗剂，则基因工程药物与蛋白质工程药物的区别是（）
A．都与天然产物完全相同
B．都与天然产物不相同
C．基因工程药物与天然产物完全相同，蛋白质工程药物与天然产物不相同
D．基因工程药物与天然产物不相同，蛋白质工程药物与天然产物完全相同
【答案】C
【例24】下列有关蛋白质工程的叙述，不正确的是（）
A．收集大量的蛋白质分子结构的信息，以便分析结构与功能之间的关系
B．可以预测具有一定氨基酸序列的蛋白质的空间结构和生物功能
C．根据特定的生物功能，设计蛋白质的氨基酸序列和空间结构
D．根据人们的需要，直接对氨基酸的分子结构进行重新设计
【答案】D。