生物選修3《現(xiàn)代生物科技專題》專題1 基因工程綜合與測(cè)試學(xué)案

這是一份生物選修3《現(xiàn)代生物科技專題》專題1 基因工程綜合與測(cè)試學(xué)案，共7頁(yè)。
1.基因工程的三種工具:
限制性核酸內(nèi)切酶、DNA連接酶和載體。
2.兩種DNA連接酶:
(1)E·cli DNA連接酶:只連接黏性末端。
(2)T4 DNA連接酶:連接黏性末端或平末端。
3.三種常用的載體:
質(zhì)粒、λ噬菌體的衍生物、動(dòng)植物病毒。
4.基因工程的四步基本操作程序:
目的基因的獲取→基因表達(dá)載體的構(gòu)建→將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞→目的基因的檢測(cè)與鑒定。
5.獲取目的基因的三種方法:
基因文庫(kù)獲取、PCR技術(shù)擴(kuò)增和人工合成。
6.基因表達(dá)載體的組成:
目的基因+啟動(dòng)子+終止子+標(biāo)記基因+復(fù)制原點(diǎn)。
7.目的基因?qū)肴N受體細(xì)胞的常見方法:
(1)植物細(xì)胞:農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法、基因槍法和花粉管通道法。
(2)動(dòng)物細(xì)胞:顯微注射技術(shù)。
(3)微生物細(xì)胞:感受態(tài)細(xì)胞法。
8.目的基因的檢測(cè)與鑒定:
(1)目的基因是否插入檢測(cè)方法:DNA分子雜交技術(shù)。
(2)目的基因是否轉(zhuǎn)錄檢測(cè)方法:分子雜交技術(shù)。
(3)目的基因是否翻譯檢測(cè)方法:抗原-抗體雜交技術(shù)。
(4)個(gè)體水平檢測(cè)方法:抗蟲或抗病接種實(shí)驗(yàn)。
9.基因工程的應(yīng)用:
(1)植物基因工程的應(yīng)用:主要用于提高農(nóng)作物的抗逆能力(如抗除草劑、抗蟲、抗病、抗干旱和抗鹽堿等),以及改良農(nóng)作物的品質(zhì)和利用植物生產(chǎn)藥物等方面。
(2)動(dòng)物基因工程的應(yīng)用:品種改良、建立生物反應(yīng)器、器官移植等。
(3)基因治療:包括體外基因治療和體內(nèi)基因治療。
10.蛋白質(zhì)工程:
(1)目標(biāo):根據(jù)人們對(duì)蛋白質(zhì)功能的特定需求,對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子設(shè)計(jì)。
(2)實(shí)質(zhì):通過基因修飾或基因合成,實(shí)現(xiàn)改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新蛋白質(zhì)。
(3)途徑:預(yù)期蛋白質(zhì)功能→設(shè)計(jì)預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測(cè)應(yīng)有的氨基酸序列→找到相對(duì)應(yīng)的脫氧核苷酸序列。
易錯(cuò)點(diǎn)1 混淆啟動(dòng)子與起始密碼子,終止子與終止密碼子,不明確標(biāo)記基因的作用
提示:(1)啟動(dòng)子≠起始密碼子,終止子≠終止密碼子。
①啟動(dòng)子:一段有特殊結(jié)構(gòu)的DNA片段,位于基因的首端。它是RNA聚合酶識(shí)別、結(jié)合的部位。
②終止子:一段有特殊結(jié)構(gòu)的DNA片段,位于基因的尾端。作用是使轉(zhuǎn)錄過程停止。
③起始密碼子和終止密碼子位于mRNA上,分別控制翻譯過程的啟動(dòng)和終止。
(2)標(biāo)記基因:一般為抗生素抗性基因或熒光基因等,其作用是鑒別受體細(xì)胞中是否含有目的基因(目的基因是否導(dǎo)入成功),從而將含目的基因的細(xì)胞篩選出來(lái)。
易錯(cuò)點(diǎn)2 誤認(rèn)為切取目的基因與切取載體時(shí)“只能”使用“同一種酶”
提示:(1)在獲取目的基因和切割載體時(shí)通常用同種限制酶,以獲得相同的黏性末端。但如果用兩種不同限制酶切割后形成的黏性末端相同時(shí),在DNA連接酶的作用下目的基因與載體也可以連接起來(lái)。
(2)為了防止載體或目的基因的黏性末端自己連接即所謂“環(huán)化”,可用不同的限制酶分別處理目的基因和載體,使目的基因兩側(cè)及載體上具有兩個(gè)不同的黏性末端。
易錯(cuò)點(diǎn)3 誤認(rèn)為限制酶、DNA連接酶和DNA聚合酶三種酶的功能和作用部位都不同
提示:限制酶、DNA連接酶和DNA聚合酶三種酶的功能不同,但其作用部位相同,都是磷酸二酯鍵。
1.青蒿素是青蒿植株的次級(jí)代謝產(chǎn)物,其化學(xué)本質(zhì)是一種萜類化合物,其生物合成途徑如圖1所示。正常青蒿植株的青蒿素產(chǎn)量很低,難以滿足臨床需求,科學(xué)家為了提高青蒿素產(chǎn)量,將棉花中的FPP合成酶基因?qū)肓饲噍镏仓瓴⒆屍涑晒Ρ磉_(dá),獲得了高產(chǎn)青蒿植株,過程如圖2所示。請(qǐng)據(jù)圖回答問題:
(1)研究人員從棉花基因文庫(kù)中獲取FPP合成酶基因后,可以采用__________技術(shù)對(duì)該目的基因進(jìn)行大量擴(kuò)增,該技術(shù)除了需要提供模板和原料外,還需要提供________酶、________種引物等條件。
(2)圖2中的①為________;將酶切后的棉花FPP合成酶基因和質(zhì)粒連接形成①時(shí),需要________酶;①上的__________是目的基因轉(zhuǎn)錄時(shí)RNA聚合酶的結(jié)合位點(diǎn)。
(3)若②不能在含有抗生素Kan的培養(yǎng)基上生存,說明__________________。
(4)由題意可知,除了通過提高FPP的含量來(lái)提高青蒿素的產(chǎn)量外,還可以通過哪些途徑來(lái)提高青蒿素的產(chǎn)量? (試舉一例)__________________。
【解析】(1)研究人員已經(jīng)從棉花基因文庫(kù)中獲取FPP合成酶基因,目的基因的序列已知,可以用化學(xué)方法合成FPP合成酶基因或者采用PCR技術(shù)擴(kuò)增FPP合成酶基因。PCR技術(shù)除了需要提供模板和原料外,還需要提供熱穩(wěn)定的DNA聚合酶、兩種引物等條件。
(2)棉花FPP合成酶基因和酶切后的基因和質(zhì)粒連接形成圖2中的①,因此①是重組質(zhì)粒(基因表達(dá)載體),這個(gè)過程需要DNA連接酶。重組質(zhì)粒上的啟動(dòng)子是目的基因轉(zhuǎn)錄時(shí)RNA聚合酶的結(jié)合位點(diǎn)。
(3)質(zhì)粒中含有抗生素Kan抗性基因,可以在含有抗生素Kan的培養(yǎng)基上生存。若②不能在含有抗生素Kan的培養(yǎng)基上生存,說明重組質(zhì)粒(目的基因)沒有導(dǎo)入農(nóng)桿菌。
(4)據(jù)圖1分析可知,FPP在ADS基因表達(dá)的情況下,生成青蒿素。此外,FPP在SQS基因表達(dá)的情況下,生成其他萜類化合物。因此,青蒿素除了通過提高FPP的含量來(lái)提高青蒿素的產(chǎn)量外,還可以通過抑制SQS基因表達(dá)或增強(qiáng)ADS基因的表達(dá)來(lái)提高青蒿素的產(chǎn)量。
答案:(1)PCR 熱穩(wěn)定的DNA聚合(Taq) 兩
(2)基因表達(dá)載體(重組質(zhì)粒) DNA連接 啟動(dòng)子
(3)重組質(zhì)粒(目的基因)沒有導(dǎo)入農(nóng)桿菌
(4)抑制SQS基因的表達(dá)(或增強(qiáng)ADS基因的表達(dá))
2.(2021·濟(jì)南高二檢測(cè))逆轉(zhuǎn)錄病毒載體是目前應(yīng)用較多的動(dòng)物基因工程載體之一。運(yùn)用逆轉(zhuǎn)錄病毒載體可以將外源基因插入受體細(xì)胞染色體,使外源基因隨染色體DNA一起復(fù)制和表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄病毒基因組的核心部分包括三個(gè)基因:Gag基因(編碼病毒的核心蛋白)、pl基因(編碼逆轉(zhuǎn)錄酶)、env基因(編碼病毒的表面糖蛋白)。這些基因的兩端有LTR序列(含有啟動(dòng)子、調(diào)節(jié)基因等),控制著逆轉(zhuǎn)錄基因組核心基因的表達(dá)及轉(zhuǎn)移。如圖是構(gòu)建逆轉(zhuǎn)錄病毒載體及用于培育轉(zhuǎn)基因小鼠的過程?；卮鹣铝袉栴}:
(1)逆轉(zhuǎn)錄病毒的主要組成物質(zhì)有__________________。
(2)催化過程①的酶是____________,過程②③中需要的工具酶分別是____________________,過程④⑤常用的導(dǎo)入方法是______________。
(3)過程③中,外源基因一定要插入病毒DNA的LTR序列中的啟動(dòng)子后,其主要目的是______________________。
(4)過程④中,導(dǎo)入病毒蛋白編碼基因(Gag、pl和env)的目的是________________________。
(5)如利用牛乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)人胰島素,則應(yīng)在構(gòu)建基因表達(dá)載體時(shí),使目的基因與______________________等調(diào)控組件重組在一起,一般導(dǎo)入牛________細(xì)胞中,最終牛的乳汁中就含有人胰島素。
【解析】(1)逆轉(zhuǎn)錄病毒的主要組成物質(zhì)有RNA和蛋白質(zhì)。
(2)過程①是以RNA為模板合成DNA,其酶是逆轉(zhuǎn)錄酶,過程②是提取目的基因,③是將目的基因與載體結(jié)合,需要的工具酶分別是限制酶和DNA連接酶,過程④⑤都是導(dǎo)入動(dòng)物細(xì)胞,常用的導(dǎo)入方法是顯微注射法。
(3)過程③中,外源基因一定要插入病毒DNA的LTR序列中的啟動(dòng)子后,啟動(dòng)子是RNA聚合酶的結(jié)合位點(diǎn),啟動(dòng)外源基因的轉(zhuǎn)錄,其主要目的是控制外源基因的表達(dá)與轉(zhuǎn)移。
(4)過程④中,導(dǎo)入病毒蛋白編碼基因(Gag、pl和env)的目的是合成組成病毒的蛋白質(zhì)。
(5)如利用牛乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)人胰島素,則應(yīng)在構(gòu)建基因表達(dá)載體時(shí),使目的基因與乳腺蛋白基因的啟動(dòng)子等調(diào)控組件重組在一起,這樣在乳腺細(xì)胞啟動(dòng)乳腺蛋白基因轉(zhuǎn)錄的同時(shí),也啟動(dòng)人胰島素基因的轉(zhuǎn)錄,可以在乳汁中提取人胰島素;一般將牛受精卵細(xì)胞作為受體細(xì)胞,最終發(fā)育的母牛的乳汁中就含有人胰島素。
答案:(1)RNA和蛋白質(zhì) (2)逆轉(zhuǎn)錄酶 限制酶和DNA連接酶 顯微注射法 (3)控制外源基因的表達(dá)與轉(zhuǎn)移 (4)合成組成病毒的蛋白質(zhì) (5)乳腺蛋白基因的啟動(dòng)子 受精卵
3.為獲得含Bt殺蟲蛋白的轉(zhuǎn)基因馬鈴薯,研究人員把蘇云金芽孢桿菌中的Bt殺蟲蛋白基因?qū)腭R鈴薯體細(xì)胞,培育出轉(zhuǎn)基因馬鈴薯新品種。
回答下列問題:
(1)Bt殺蟲蛋白基因來(lái)自蘇云金芽孢桿菌。可利用蘇云金芽孢桿菌細(xì)胞內(nèi)合成的____________通過逆轉(zhuǎn)錄形成單鏈DNA片段,從而獲得目的基因。在生物體外采用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因,擴(kuò)增時(shí)需要加入引物,其引物是______________________。
(2)除了通過上述方法可以獲取Bt殺蟲蛋白基因外,還可以通過化學(xué)合成的方法獲取Bt殺蟲蛋白基因,其前提條件是通過Bt殺蟲蛋白的____________推導(dǎo)出mRNA核苷酸序列,再合成該基因的脫氧核苷酸序列,這樣合成的目的基因與從cDNA文庫(kù)獲取的目的基因相比,脫氧核苷酸序列可能不相同,原因是__________________________。
(3)構(gòu)建基因表達(dá)載體時(shí),通常用同種限制性核酸內(nèi)切酶分別切割含目的基因的DNA片段和質(zhì)粒,原因是________________________________。
(4)從個(gè)體生物學(xué)水平鑒定轉(zhuǎn)基因馬鈴薯的培育是否成功,需要對(duì)轉(zhuǎn)基因馬鈴薯進(jìn)行____________。
【解析】(1)Bt殺蟲蛋白基因來(lái)自蘇云金芽孢桿菌,是一種原核基因,可利用蘇云金芽孢桿菌細(xì)胞內(nèi)合成的mRNA通過逆轉(zhuǎn)錄形成單鏈DNA片段,從而獲得目的基因。在生物體外采用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因,擴(kuò)增時(shí)需要加入引物,其引物是能與目的基因配對(duì)的一段脫氧核苷酸序列。
(2)除了通過上述方法可以獲取Bt殺蟲蛋白基因外,還可以通過化學(xué)合成的方法獲取Bt殺蟲蛋白基因,其前提條件是先獲知Bt殺蟲蛋白的氨基酸序列,再通過Bt殺蟲蛋白的氨基酸序列推導(dǎo)出mRNA核苷酸序列,最后合成該基因的脫氧核苷酸序列;由于密碼子具有簡(jiǎn)并性(一個(gè)氨基酸可能有多個(gè)密碼子),這樣合成的目的基因與從cDNA文庫(kù)獲取的目的基因相比,脫氧核苷酸序列可能不相同。
(3)構(gòu)建基因表達(dá)載體時(shí),為了使目的基因的DNA片段和質(zhì)粒具有相同的黏性末端,便于構(gòu)建基因表達(dá)載體,通常用同種限制性核酸內(nèi)切酶分別切割含目的基因的DNA片段和質(zhì)粒。
(4)從個(gè)體生物學(xué)水平鑒定轉(zhuǎn)基因馬鈴薯的培育是否成功,需要對(duì)轉(zhuǎn)基因馬鈴薯進(jìn)行抗蟲的接種實(shí)驗(yàn),若害蟲食用馬鈴薯后死亡,則表明轉(zhuǎn)基因馬鈴薯培育成功。
答案:(1)mRNA 能與目的基因配對(duì)的一段脫氧核苷酸序列
(2)氨基酸序列 密碼子具有簡(jiǎn)并性(一個(gè)氨基酸可對(duì)應(yīng)多種密碼子)
(3)使目的基因的DNA片段和質(zhì)粒具有相同的黏性末端,便于構(gòu)建基因表達(dá)載體(答案合理即可)
(4)抗蟲的接種實(shí)驗(yàn)
4.許多大腸桿菌的質(zhì)粒上含有l(wèi)acZ基因,其編碼的產(chǎn)物β-半乳糖苷酶在X-gal和IPTG存在下,可以產(chǎn)生藍(lán)色沉淀,使菌落呈現(xiàn)藍(lán)色,否則菌落呈現(xiàn)白色。基因工程中常利用該原理從導(dǎo)入質(zhì)粒的受體細(xì)胞中篩選出真正導(dǎo)入重組質(zhì)粒的細(xì)胞,過程如圖所示。請(qǐng)據(jù)圖回答:
(1)基因工程中,能使目的基因在受體細(xì)胞中特異性表達(dá)的調(diào)控序列是______________。
(2)限制酶EcR Ⅰ的識(shí)別序列和切割位點(diǎn)是-G↓AATTC-,Sma Ⅰ的識(shí)別序列和切割位點(diǎn)是-CCC↓GGG-。圖中目的基因被切割下來(lái)和質(zhì)粒連接之前,需在目的基因的右側(cè)連接相應(yīng)的末端,連接的末端序列是______________,連接過程中需要的基本工具是______________。
(3)轉(zhuǎn)化過程中,大腸桿菌應(yīng)先用______________處理,使其處于能吸收周圍DNA的感受態(tài)。
(4)菌落顏色為白色的是______________,原因是________________________________________________。
(5)菌落③中的目的基因是否表達(dá),可采用的檢測(cè)方法是______________。
【解析】(1)啟動(dòng)子是一段具有特殊序列的DNA片段,位于目的基因的首端,它是RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合的部位,在啟動(dòng)子存在時(shí)才能驅(qū)動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄出mRNA,最終獲得所需要的蛋白質(zhì)。因此在基因工程中,能使目的基因在受體細(xì)胞中特異性表達(dá)的調(diào)控序列是啟動(dòng)子。
(2)由圖可知,目的基因的左側(cè)有限制酶EcRⅠ的識(shí)別序列,右側(cè)是限制酶Sma Ⅰ的識(shí)別序列,而質(zhì)粒上只有限制酶EcRⅠ的識(shí)別序列,所以需要用限制酶EcRⅠ來(lái)切割質(zhì)粒,用限制酶EcRⅠ和Sma Ⅰ來(lái)切割含有目的基因的外源DNA分子,這樣就使目的基因右側(cè)無(wú)法與質(zhì)粒連接,所以目的基因被切割下來(lái)和質(zhì)粒連接之前,需在目的基因的右側(cè)連接限制酶EcRⅠ切割形成的末端,即-TTAA,連接過程中需要DNA連接酶。
(3)將目的基因?qū)氪竽c桿菌細(xì)胞之前,應(yīng)先用Ca2+處理大腸桿菌,使其處于能吸收周圍DNA的感受態(tài)。
(4)用限制酶EcRⅠ切割質(zhì)粒時(shí),會(huì)破壞質(zhì)粒上的lacZ'基因,但切割后的質(zhì)粒自身環(huán)化后,lacZ'基因又被修復(fù),能表達(dá)產(chǎn)生β-半乳糖苷酶,在X-gal和IPTG 存在下,可以產(chǎn)生藍(lán)色沉淀,使菌落呈現(xiàn)藍(lán)色,所以菌落①②呈現(xiàn)藍(lán)色;菌落③導(dǎo)入的是重組質(zhì)粒,其lacZ'基因被破壞,不能表達(dá)產(chǎn)生β-半乳糖苷酶,在X-gal和IPTG 存在下,菌落顏色為白色。
(5)檢測(cè)目的基因是否表達(dá)產(chǎn)生蛋白質(zhì),可采用抗原—抗體雜交法。
答案:(1)啟動(dòng)子 (2) -TTAA DNA連接酶
(3)Ca2+ (4)菌落③ lacZ標(biāo)記基因區(qū)插入外源基因后被破壞,不能表達(dá)出β-半乳糖苷酶,故菌落為白色 (5)抗原—抗體雜交