高中生物选修3精品学案：1.3 基因工程的应用

1.3 基因工程的应用

【目标导航】 1.举例说出植物基因工程取得的成果。2.关注动物基因工程的应用前景。

3.了解基因工程药物和基因治疗。

一、植物基因工程成果(阅读P17－19)

1．抗虫转基因植物与抗病转基因植物

项目抗虫转基因植物抗病转基因植物

方法从某些生物中分离出具有杀虫活性的

基因，将其导入作物中

将抗病基因导入植物中

基因种类Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、

淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因

等

①抗病毒基因：病毒外壳蛋白基因和

病毒的复制酶基因

②抗真菌基因：几丁质酶基因和抗毒

素合成基因

成果转基因抗虫棉、转基因抗虫水稻等抗烟草花叶病毒的转基因烟草和抗病毒的转基因小麦、甜椒、番茄等

意义减少了化学农药的使用，降低了生产成本，减少了环境污染，降低了对人体健康的损害

(1)抗逆基因：调节细胞渗透压的基因，提高农作物抗盐碱和抗干旱能力；鱼的抗冻蛋白基因使作物耐寒；抗除草剂基因使作物抗除草剂。

(2)成果：抗盐抗旱烟草、耐寒番茄、抗除草剂玉米等。

3．转基因改良植物品质

(1)优良基因：必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因、控制番茄果实成熟的基因和与植物花青素代谢有关的基因。

(2)成果：富含赖氨酸的转基因玉米、转基因延熟番茄和转基因矮牵牛。

二、动物基因工程的前景(阅读P20－21)

项目

应用

基因来源成果

提高动物的生长速度外源生长激素基因转基因绵羊、转基因鲤鱼

改善畜产品的品质肠乳糖酶基因转基因牛分泌的乳汁中乳糖含量大大减低

转基因动物生产药物药用蛋白基因＋乳腺蛋白基因的启动子

乳腺生物反应器

转基因动物作器官移植

的供体

抑制或除去抗原决定基

因

利用克隆技术培育没有免疫

排斥反应的猪器官

21－24

1．基因工程药物

(1)概念：基因工程药物是指利用转基因的工程菌生产的药物。

(2)原理：通过基因工程技术，使外源基因在工程菌细胞内高效表达。

(3)成果：人胰岛素、细胞因子、抗体、疫苗、激素等。

(4)作用：预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、遗传病、各种传染病、糖尿病、类风湿等疾病。

2．基因治疗

(1)概念：把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的。

(2)成果：将腺苷酸脱氨酶基因转入患者的淋巴细胞。

(3)途径：分为体内基因治疗和体外基因治疗。

(4)现状：处于初期的临床实验阶段。

判断正误：

(1)植物基因工程主要用于提高农作物产量。()

(2)转基因作物减少了化学农药的使用，降低了生产成本，减少了环境污染，但增加了对人体健康的损害。()

(3)利用小型猪来解决人类移植器官短缺问题，首先要解决免疫排斥难题。()

(4)利用动物乳腺生物反应器技术时，受体细胞应为受精卵或体细胞。()

(5)乳腺生物反应器，需将药用蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等重组在一起。()

(6)用基因工程方法，转入外源基因的菌类细胞株系一般称为工程菌。()

(7)基因治疗包括体外基因治疗和体内基因治疗。()

(8)基因工程中，要培育转基因植物和动物，选用的受体细胞都是受精卵。()

[答案](1)×(2)×(3)√(4)×(5)√(6)×(7)√(8)×

一、植物基因工程的应用

项

目

抗虫转基因植物抗病转基因植物抗逆转基因植物

转基因改良植物

的品质目的基因

Bt毒蛋白基因、

蛋白酶抑制剂基

因、淀粉酶抑制

剂基因、植物凝

集素基因

病毒外壳蛋白基

因、病毒的复制

酶基因、几丁质

酶基因、抗毒素

合成基因

①调节细胞渗透

压的基因；②抗

冻蛋白基因(从

鱼体内获取)；③

抗除草剂基因

①含必需氨基酸

较多的蛋白质编

码基因；②控制

番茄果实成熟的

基因；③与植物

花青素代谢有关

的基因

作

用

抗虫：①Bt毒蛋

白水解成多肽与

昆虫的肠上皮细

胞的特异性受体

结合，形成穿孔，

细胞肿胀裂解致

死；②蛋白酶抑

制剂和淀粉酶抑

制剂分别抑制相

应酶活性，影响

消化；③植物凝

集素基因控制合

成一种糖蛋白，

此糖蛋白能与昆

虫肠道黏膜上的

某种物质结合，

影响营养物质的

吸收和利用

前两种为抗病毒

基因；后两种为

抗真菌基因

①通过改变细胞

内渗透压，提高

抗盐碱、抗干旱

能力；②提高耐

寒能力；③提高

抗除草剂能力

①控制合成的蛋

白质含必需氨基

酸多；②延迟番

茄成熟；③改变

花瓣的颜色受体生物棉花、水稻等

烟草(抗病毒)、小

麦(抗病毒)

烟草(抗干旱、抗

盐碱)；番茄(抗

寒)；大豆、玉米

(抗除草剂)

玉米、番茄、矮

牵牛等

1．转基因抗虫棉的目的基因是什么？是从哪种生物获取的？抗虫棉能抗病毒、细菌、真菌吗？

[答案]Bt毒蛋白基因；目的基因是从苏云金芽孢杆菌体内提取出来的；不能，因为抗虫基因具有专一性。

2．利用转基因技术改良植物品质的途径有哪些？

[答案](1)直接导入控制该性状的结构蛋白基因。

(2)导入与该性状有关的某种酶的基因或者改变关键酶的活性。

1．番茄营养丰富，是人们喜爱的蔬菜。普通番茄细胞中含有多聚半乳糖醛酸酶的控制基因，控制细胞产生多聚半乳糖醛酸酶，该酶能破坏细胞壁，使番茄软化，不耐贮藏。科学家通过基因工程将一种抗多聚半乳糖醛酸酶的基因导入番茄细胞，获得了抗软化番茄。下列关于培育抗软化番茄的叙述，错误的是()

A．运载工具是质粒

B．受体细胞是番茄细胞

C．目的基因为多聚半乳糖醛酸酶基因

D．目的基因的表达延缓了细胞的软化

【问题导析】(1)培育转基因抗软化番茄以农杆菌的质粒作为载体，将目的基因(抗多聚半乳糖醛酸酶的基因)与质粒结合形成基因表达载体。

(2)利用含基因表达载体的农杆菌去感染普通番茄细胞——受体细胞。

(3)目的基因进入受体细胞中，使多聚半乳糖醛酸酶基因不能表达。

[答案] C

【一题多变】

判断正误：

(1)转基因抗虫棉改善了作物的品质。()

(2)转入调节细胞渗透压的基因，有利于植物抗盐碱、抗干旱。()

(3)将毒素蛋白基因直接导入水稻的受精卵，可以得到抗虫水稻。()

(4)植物细胞中没有质粒，所以不能利用质粒作为植物基因工程的载体。()

[答案](1)×(2)√(3)×(4)×

二、乳腺(房)生物反应器的原理、操作及应用

1．原理

应用重组DNA技术和转基因技术，将目的基因转移到尚未分化的动物胚胎细胞(或受精卵)中，经胚胎移植，得到能在乳腺中表达转基因产品的个体，其乳腺组织可分泌生产“目的产品”，如具有药用价值的蛋白，这些蛋白进入乳汁中，再通过回收含转基因蛋白的动物乳汁，就可以提取有重要药用价值的生物活性蛋白。

2．操作过程

3．主要用途

生产多肽类药物、基因工程疫苗、抗体、营养品等。目前，科学家已在牛和山羊等动物乳腺生物反应器中表达出抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α－抗胰蛋白酶等重要医药产品。

1．分析用转基因动物生产药物的过程，思考以下问题：

(1)就药物基因而言，最理想的表达场所是哪里？

(2)乳腺生物反应器有哪些优点？

(3)讨论用基因工程技术实现动物乳腺生物反应器的操作过程是怎样的？

[答案](1)转基因动物的乳腺。

(2)产量高、质量好、成本低、易提取。

(3)①获取目的基因；②构建基因表达载体；③显微注射导入哺乳动物受精卵中；④将受精卵送入母体内发育成转基因动物。

2．分析用转基因动物作器官移植的供体时，应采取什么措施？

[答案]抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因。

2．继哺乳动物乳腺生物反应器研发成功后，膀胱生物反应器的研究也取得了一定进展。最近，科学家培育出一种转基因小鼠，其膀胱上皮细胞可以合成人的生长激素并分泌到尿液中。请回答：

(1)将人的生长激素基因导入小鼠受体细胞，常用的方法是____________。

(2)进行基因转移时，通常要将外源基因转入________中，原因是

________________________________________________________________________。

(3)通常采用________技术检测外源基因是否插入小鼠的基因组中。

(4)在研制膀胱生物反应器时，应使外源基因在小鼠的________细胞中特异性表达。

[答案](1)显微注射技术(2)受精卵(或早期胚胎细胞)

受精卵(或早期胚胎细胞)具有最高的全能性，可使外源基因在相应组织细胞中表达(3)DNA分子杂交(核酸探针)(4)膀胱上皮

【一题多变】

判断正误：

(1)动物基因工程的主要前景是提高动物生长的速度。()

(2)培育转基因动物常用显微注射技术将外源基因导入受精卵。()

(3)抑制或除去抗原决定基因可以培育出没有免疫排斥反应的猪器官。()

[答案](1)×(2)√(3)√

三、基因治疗

1．基因治疗的原理

把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的。

2．过程

3．途径

途径

比较

体外基因治疗体内基因治疗

不

同

点

方

法

从患者体内获得某种细胞→体外完

成基因转移→筛选、细胞扩增→输入

体内

直接向患者体内组织细胞中转移

基因

特点操作复杂，但效果可靠方法较简单，但效果难以控制相同点

都是将外源基因导入靶细胞，以纠正缺陷基因，目前两种方法都处于临

床试验阶段

分析教材P23复合型免疫缺陷症的基因治疗，回答下列问题：

(1)研究人员将腺苷酸脱氨酶基因转入患者的什么细胞？为什么不能转入其他的体细胞？

(2)如何鉴定该患者是否治疗成功？

[答案](1)淋巴细胞。腺苷酸脱氨酶是人体免疫系统发挥正常功能所必需的，淋巴细胞中具有这种酶才能产生抗体等免疫活性物质。

(2)鉴定患者产生抗体的能力是否明显改善，免疫能力是否明显提高。

3．《人类基因治疗》报道，在美国佛罗里达大学基因治疗中心接受基因治疗的三名遗传性失明患者都重新获得了一定的视力，并且没有严重的副作用。基因治疗是指() A．把健康外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的

B．对有缺陷的细胞进行修复，从而使其恢复正常，达到治疗疾病的目的

C．运用人工诱变方法，使有基因缺陷的细胞发生基因突变，从而恢复正常

D．运用基因工程技术，把有缺陷的基因切除，达到治疗疾病的目的

[答案] A

[解析]基因治疗只是将正常的基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，而细胞中的缺陷基因并未修复，和正常基因同时存在，基因治疗也不是切除病变基因或诱发其突变，因而B、C、D的说法都不符合基因治疗的概念。

【一题多变】

判断正误：

(1)治疗遗传性疾病最有效的手段就是基因治疗。()

(2)把缺陷基因除去，就可以达到治疗疾病的目的。()

(3)某些动物病毒可作为基因治疗的载体。()

(4)基因治疗过程中，由于正常基因的表达掩盖了病变基因的表达，从而达到治疗疾病的目的。()

[答案](1)√(2)×(3)√(4)√

1．提高农作物抗盐碱和抗干旱能力的目的基因是()

A．抗除草剂基因

B．调节细胞渗透压的基因

C．抗冻蛋白基因

D．Bt毒蛋白基因

[答案] B

[解析]由于盐碱和干旱对农作物的危害与细胞内渗透压调节有关，所以可以利用一些调节细胞渗透压的基因来提高农作物抗盐碱和抗干旱的能力。

2．抗逆转基因作物的培育与推广给社会带来的巨大社会效益是()

①在一定程度上使作物摆脱了土壤和气候条件的限制②减少化学农药对环境的污染和人畜的危害③减少了化肥的制造和使用量，有利于环境保护④使得作物在不良环境下更好地生长，提高产量

A．①②③B．①②④

C．①③④D．②③④

[答案] B

3．关于用转基因动物作器官移植供体的研究的叙述，不正确的是()

A．器官短缺和免疫排斥是目前制约人体器官移植的两大难题

B．猪的内脏构造、大小和血管分布与人极为相似

C．灵长类动物体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒少于猪

D．无论以哪种动物作为供体，都需在其基因组中导入某种调节因子以抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因

[答案] C

[解析]猪体内隐藏的、可导致人类疾病的病毒远远少于灵长类动物，是目前人体最理想的器官供体。

4．利用基因工程生产蛋白质药物，经历了三个发展阶段。第一阶段：将人的基因转入细菌细胞；第二阶段：将人的基因转入小鼠等动物的细胞。前两个阶段都是进行细胞培养，

提取药物；第三阶段：将人的基因转入高等动物体，饲养这些动物，从乳汁、尿液等中提取药物。

(1)将人的基因转入异种生物的细胞或个体内，能够产生药物蛋白的原理是基因能控制____________过程(以遗传信息图示表示)。

(2)为了获得更多的目的基因，可以用____________技术使目的基因在生物体外大量扩增。

(3)由于重组DNA分子成功导入受体细胞的频率________，所以在转化后通常需要进行________操作。

(4)利用转基因牛、羊乳汁提取药物工艺简单，甚至可以直接饮用治病。如果将药物蛋白基因转移到动物如牛、羊的膀胱上皮细胞中，利用转基因牛、羊尿液生产提取药物比乳汁提取药物的更大优越性在于：处于不同发育时期的________(填性别)动物均可生产药物。

[答案](1)DNA→RNA→蛋白质(性状)(2)PCR(多聚酶链式反应)(3)低筛选(4)雌性、雄性

[解析]基因工程成功的标志是合成相应的蛋白质，表达出相应的性状来；在实验室中可以通过PCR技术对目的基因进行扩增；目前条件下，基因工程的成功率还是比较低的，所以要进行逐步地筛选；在选择基因表达生物时，要注意其方便与可行性。