2019-2020学年高中生物 第1章 基本工程 第1节 基因工程概述 第1课时 基因工程的发展历程和工具学案 苏教版选修3

第1课时基因工程的发展历程和工具1简述基因工程的发展历程。2掌握限制性核酸内切酶和DNA连接酶的作用、特点。(重、难点)3掌握质粒的含义、特性及其在基因工程中的作用。(重、难点)知识点一| 基因工程的发展历程和概念1理论与技术基础的发展1953年：沃森和克里克建立了DNA分子双螺旋结构模型。1957年：科恩伯格等首次发现DNA聚合酶。1958年：梅塞尔森和斯塔尔发现DNA半保留复制的机理。克里克提出中心法则。19611966年：尼伦伯格等破译遗传密码。1967年：罗思和赫林斯基发现运转工具质粒。同年，科学家在大肠杆菌细胞中发现DNA连接酶。1970年：特明和巴尔的摩各自在RNA病毒中发现逆转录酶。史密斯等人分离到限制性核酸内切酶。1977年：桑格首次完整基因组的测序工作。2重组DNA技术的发展(1)1972年科学家伯格等实验。过程：成就：世界上首次DNA分子体外重组。(2)1973年科学家科恩等实验。重组DNA分子大肠杆菌子代大肠杆菌(双重抗性)(3)不同物种间DNA重组实验。过程：非洲爪蟾核糖体蛋白基因的DNA片段大肠杆菌质粒重组DNA转入大肠杆菌转录出相应 mRNA。成就：打破了传统的种间遗传物质不能交换的重重壁垒，开创了基因工程。3基因工程的概念方法在体外通过人工“剪切”和“拼接”等方法原理对生物的基因进行改造和重新组合操作水平基因水平目的产生人类需要的基因产物使大米拥有某些细菌才具有的抗虫基因能够减少化学杀虫剂的使用量，既高产又环保。请你结合以上内容探究下列问题。探讨：你知道拥有某些细菌抗虫基因的大米是通过何种技术培育出来的吗？提示：基因工程。探讨：通过分析基因工程的概念，讨论基因工程的原理是什么？与有性杂交育种有何区别？提示：原理：基因重组。区别：打破物种限制，实现不同物种间的基因交流。探讨：将人的胰岛素基因导入大肠杆菌体内，通过大肠杆菌能大量生产人胰岛素。请分析人胰岛素基因能在大肠杆菌体内表达的理论基础是什么？提示：生物共用一套遗传密码。1基因重组的三种主要类型(1)交叉互换：减数第一次分裂四分体时期，同源染色体上的非姐妹染色单体间的交叉互换。(2)自由组合：减数第一次分裂后期，非同源染色体上的非等位基因随着非同源染色体的自由组合而组合。(3)基因工程：转基因生物因外源基因导入而获得的新性状是可以遗传的。2基因工程的理论基础(1)拼接的基础：基本组成单位相同：不同生物的DNA分子都是由脱氧核苷酸构成的。空间结构相同：不同生物的DNA分子一般都是由两条反向平行的脱氧核苷酸长链形成的规则的双螺旋结构。碱基配对方式相同：不同生物的DNA分子中两条链之间的碱基配对方式均是A与T配对，G与C配对。(2)表达的基础：生物界共用一套遗传密码，相同的遗传信息在不同生物体内可表达出相同的蛋白质。1干扰素是治疗癌症的重要药物，它必须从血液中提取，每升人血中只能提取0.5 g，所以价格昂贵。美国加利福尼亚的某生物制品公司用如下方法生产干扰素。如图所示，可以看出该公司生产干扰素运用的方法是()A个体间的杂交B基因工程C细胞融合D器官移植【解析】从图中可以看出整个过程为将人的淋巴细胞中控制干扰素合成的基因与质粒结合后导入酵母菌，并从酵母菌产物中提取干扰素，这项技术为基因工程。【答案】B2下列对基因工程的理解，正确的是()它是一种按照人们的意愿，定向改造生物遗传特性的工程可对基因随意进行人为改造是体外进行的人为的基因重组在实验室内，利用相关的酶和原料合成DNA主要技术为体外DNA重组技术和转基因技术在DNA分子水平上进行操作 一旦成功，便可遗传ABCD【解析】基因工程可以对生物的基因进行改造和重新组合，然后导入受体细胞内进行无性繁殖，使重组基因在受体细胞内表达，产生出人类所需要的基因产物，而不是对基因进行人为改造。【答案】C知识点二| 基因工程的工具酶与载体1限制性核酸内切酶(也称“限制酶”)(1)来源：主要来自于原核生物。(2)特点：具有专一性。识别双链DNA分子的某种特定的脱氧核苷酸序列。切割特定脱氧核苷酸序列中的特定位点。(3)作用：断开每一条链中特定部位的两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键。(4)结果：产生黏性末端或平口末端。2DNA连接酶“分子针线”(1)作用：将双链DNA片段“缝合”，恢复被限制性核酸内切酶切开的两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键。(2)结果：形成重组DNA分子。3载体运载工具(1)功能：将外源基因导入受体细胞。(2)种类：质粒、噬菌体的衍生物以及一些动、植物病毒。(3)质粒本质：来自细菌细胞中的一种很小的环状DNA分子，是最早应用的载体。组成：最简单的质粒载体必须包括复制区、标记基因、目的基因插入位点。我国科学家已成功将与植物花青素代谢有关的基因导入花卉植物矮牵牛中，转基因矮牵牛呈现出自然界没有的颜色变异，大大提高了花卉的观赏价值。请你依据以上材料探究下列问题：探讨：科学家进行转基因技术操作时，需要用到哪些基本的工具？提示：限制性核酸内切酶、DNA连接酶和载体。探讨：结合DNA复制的过程分析，限制性核酸内切酶和DNA解旋酶的作用部位有何不同？提示：限制性核酸内切酶作用于磷酸和脱氧核糖之间的磷酸二酯键，DNA解旋酶作用于碱基对之间的氢键。探讨：下图所示过程是哪类酶作用的结果？该酶识别的碱基序列及切点是什么？这体现了该类酶具有什么特性？提示：限制性核酸内切酶。识别的碱基序列为GAATTC，切点在G和A之间。特异性。探讨：质粒的化学本质是什么？来源于何类生物？提示：化学本质：环状DNA分子。来源：细菌、酵母菌。1限制性核酸内切酶与DNA连接酶的比较(1)区别：作用应用限制性核酸内切酶使特定部位的磷酸二酯键断开用于提取目的基因和切割载体DNA连接酶在DNA片段之间重新形成磷酸二酯键用于基因表达载体的构建(2)两者的关系可表示为：2DNA连接酶与DNA聚合酶的比较项目DNA连接酶DNA聚合酶相同点催化两个脱氧核苷酸之间形成磷酸二酯键不同点模板不需要模板需要DNA的一条链为模板作用对象游离的DNA片段单个的脱氧核苷酸作用结果形成完整的DNA分子形成DNA的一条链用途基因工程DNA复制特别提醒(1)不同DNA分子用同一种限制性核酸内切酶切割形成的黏性末端都相同；同一个DNA分子用不同的限制性核酸内切酶切割，产生的黏性末端一般不相同。(2)DNA连接酶无识别的特异性，DNA连接酶对于黏性末端或平口末端都能催化其“缝合”，重新形成DNA分子。3载体的作用、条件、种类及质粒的相关知识作用将外源基因送入受体细胞条件能在宿主细胞内复制并稳定地保存具有多个限制性核酸内切酶切点具有某些标记基因种类常用的载体有质粒、噬菌体、动植物病毒质粒质粒是最早应用的载体结构：细菌细胞中的很小的环状DNA分子特性：质粒的存在对宿主细胞无影响重组质粒的形成：用同一种限制性核酸内切酶切割质粒和外源DNA分子，并通过DNA连接酶的连接，就能将质粒和外源DNA分子组成一个重组质粒(重组DNA分子)特别提醒(1)一般来说，天然载体往往不能满足人类的所有要求，因此人们常根据不同的目的和需要，对某些天然的载体进行人工改造。(2)常见的标记基因有抗生素抗性基因、产生特定颜色的表达产物基因、发光基因等。(3)注意与细胞膜上载体的区别，两者的化学本质和作用都不相同。(4)质粒能自我复制，其复制场所既可是自身细胞、受体细胞内，也可以是体外。1基因的运输工具载体，必须具备的条件之一及理由是()A能够在宿主细胞中稳定地保存下来并大量复制，以便提供大量的目的基因B具有多个限制酶切点，以便于目的基因的表达C具有某些标记基因，以便为目的基因的表达提供条件D能够在宿主细胞中复制并稳定保存，以便于进行筛选【解析】载体作为目的基因的运输工具，能将目的基因导入受体细胞。作为载体必须具备三个条件：能够在宿主细胞中稳定地保存，并能够复制，以便提供大量的目的基因；有一个至多个限制酶切割位点，便于与外源基因结合；具有标记基因，便于进行检测和筛选。【答案】A2目前基因工程所用的质粒载体主要是以天然细菌质粒的各种元件为基础重新组建的人工质粒，pBR322质粒是较早构建的质粒载体，其主要结构如下图所示。(1)构建人工质粒时要有抗性基因，以便于_。(2) pBR322质粒中有单个EcoR 限制酶作用位点，EcoR 只能识别序列GAATTC，并只能在G和A之间切割。若在某目的基因的两侧各有1个EcoR 的切点，请画出目的基因两侧被限制酶EcoR 切割后所形成的黏性末端：_。(3)pBR322质粒中另有单个的Bam H 限制酶作用位点，现将经Bam H 处理后的质粒与用另一种限制酶Bgl 处理得到的目的基因，通过DNA连接酶作用恢复_键，成功获得了重组质粒，说明_。(4)为了检测上述重组质粒是否导入原本无ampR和tetR的大肠杆菌，将大肠杆菌在含氨苄青霉素的培养基上培养，得到如图二的菌落。再将灭菌绒布按到培养基上，使绒布面沾上菌落，然后将绒布按到含四环素的培养基上培养，得到如图三的结果(空圈表示与图二对照无菌落的位置)，与图三空圈相对应的图二中的菌落表现型是_，图三结果显示，多数大肠杆菌导入的是_。【解析】(1)质粒作为基因表达载体的条件之一是要有抗性基因，以便于鉴别目的基因是否导入受体细胞或筛选导入目的基因的受体细胞。(2)同一限制酶切割DNA分子产生的黏性末端相同，根据题意可知：该目的基因两侧被限制酶EcoR切割后所形成的黏性末端为：目的基因GAATTCGAATTCCTTAAGCTTAAG(3)DNA连接酶催化两个DNA片段形成磷酸二酯键；而通过DNA连接酶作用能将两个DNA分子片段连接，表明经两种限制酶(BamH 和Bgl )切割得到的DNA片段，其黏性末端相同。(4)由题意知：由于与图三空圈相对应的大肠杆菌能在含氨苄青霉素的培养基上生长，而不能在含四环素的培养基上生长，故可推知与图三空圈相对应的图二中的菌落能抗氨苄青霉素，但不能抗四环素。由图二、图三结果显示，多数大肠杆菌都能抗氨苄青霉素，而经限制酶BamH 作用后，标记基因tetR被破坏，故导入目的基因的大肠杆菌不能抗四环素，即多数大肠杆菌导入的是pBR322质粒。【答案】(1)鉴别目的基因是否导入受体细胞或筛选导入目的基因的受体细胞(2)如下所示：目的基因GAATTCGAATTCCTTAAGCTTAAG(3)磷酸二酯两种限制酶(BamH 和Bgl )切割得到的黏性末端相同(4)能抗氨苄青霉素，但不能抗四环素pBR322质粒课堂小结知识网络构建核心语句归纳1.基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，又叫做DNA重组技术。2.基因工程的原理是基因重组，处理对象是DNA或基因。3.限制性核酸内切酶是能够识别和切割DNA分子的酶，又叫限制酶。DNA连接酶能将被限制性核酸内切酶切开的磷酸二酯键重新形成。4.载体的作用是与含有外源基因(目的基因)的DNA片段结合，将外源基因送入受体细胞中。1基因工程是一种新兴生物技术，实施该工程的最终目的是()A定向提取生物体DNA分子B定向对DNA分子进行人工“剪切”C在生物体外对DNA分子进行改造D定向改造生物的遗传性状【解析】基因工程也称DNA重组技术，它是按照人类的意愿，将某种基因有计划地转移到另一种生物中的新技术，故实施该工程的最终目的是定向改造生物的遗传性状。【答案】D2限制性内切酶的作用实际上就是把DNA上某些化学键打断，一种能对GAATTC专一识别的限制酶，打断的化学键是()AG与A之间的键BG与C之间的键CA与T之间的键D磷酸与脱氧核糖之间的键【解析】限制酶主要从原核生物中分离、纯化出来，它能够识别双链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裂。限制酶的作用部位是磷酸和脱氧核糖之间的磷酸二酯键，而一条链中相邻两个碱基之间的化学键为脱氧核糖磷酸脱氧核糖。【答案】D3如下图，两个核酸片段在适宜条件下，经X酶的催化作用，发生下述变化，则X酶是()ADNA连接酶BRNA聚合酶CDNA聚合酶D限制性核酸内切酶【解析】DNA连接酶的作用是将两个黏性末端的磷酸和脱氧核糖连接在一起；RNA聚合酶是在RNA复制或转录过程中，把核糖核苷酸连接在一起；DNA聚合酶是在DNA复制过程催化脱氧核苷酸的聚合反应；限制性核酸内切酶是在获取目的基因时识别特定的碱基序列，切出黏性末端或平口末端。图示为将两个黏性末端的磷酸和脱氧核糖连接在一起。【答案】A4下列四条DNA片段，可能是由同一种限制酶切割而成的是()A B C D【解析】只有和的黏性末端的碱基都是互补的，它们可能是由同一种限制酶切割而成的。【答案】D5下列关于限制性核酸内切酶识别序列和切开部位的特点的叙述，错误的是()A所识别的序列都可以找到一条中轴线B中轴线两侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列C只识别和切断特定的脱氧核苷酸序列的D在任何部位都能将DNA切开【解析】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，并且能在特定的切点上切割DNA分子。【答案】D- 10 -