2020届高考生物艺考生大二轮总复习 上篇 专题九 生物技术与工程 第15讲 生物技术 高频命题点1 基因工程教学案

第15讲基因工程和细胞工程 最新考纲1基因工程的诞生()；2.基因工程的原理及技术(含PCR技术)()；3.基因工程的应用()；4.蛋白质工程()；5.植物的组织培养()；6.动物细胞培养与体细胞克隆()；7.细胞融合与单克隆抗体()；8.DNA的粗提取与鉴定。精读教材记一记1与目的基因相关的两类“检测”(1)标记基因：检测受体细胞中是否含“重组DNA”或运载体。在依据标记基因(如四环素抗性基因)制备的特定选择培养基(如加入了四环素的培养基)中能够生存下来的受体细胞才可能含重组DNA(目的基因运载体)或运载体。(2)DNA分子杂交技术(基因探针)检测转基因生物中是否含目的基因、在含有目的基因的DNA片段上用放射性同位素作标记，制作探针，以此与已提取到的转基因生物基因组DNA杂交，若显示出杂交带，则表明目的基因已插入到受体细胞基因组中。(P14正文)2基因工程的常考点(1)目的基因插入位置：启动子与终止子之间。(2)将目的基因导入受体细胞不发生碱基互补配对。(3)常用的受体细胞植物：受精卵、体细胞。动物：受精卵。微生物：大肠杆菌、酵母菌等。(4)原核生物作为受体细胞的优点：多为单细胞、繁殖快、遗传物质相对较少。3动物细胞培养关键点(1)培养基的特有成分：动物血清。(2)培养过程：原代培养、传代培养。(3)两次使用胰蛋白酶：第一次用于制备细胞悬液，开始原代培养，第二次用于处理瓶(壁)上的细胞。4关注植物细胞工程的几个问题(1)植物细胞A和植物细胞B杂交获得的杂种细胞有三种类型：AA型、BB型、AB型，符合要求的只有AB型，需要进行筛选。(2)杂种细胞形成的标志：新的细胞壁的生成。(3)杂种植株遗传物质的变化：杂种植株的变异类型属于染色体变异，其染色体数通常是两亲本细胞染色体数目之和，杂种植株属于异源多倍体。(4)植物组织培养时植物激素和光照的使用植物激素的使用：脱分化阶段先使用生长素，后使用细胞分裂素，以促进细胞的分裂；再分化阶段生长素比例较高，以促进根的形成。光照的使用：脱分化阶段不需要给予光照，再分化阶段需要给予光照，以利于叶绿素的形成。(5)利用植物组织培养生产细胞产物时，有时只需将外植体培养到愈伤组织，从愈伤组织中获取产物。5关注制备单克隆抗体的两个常考点(1)三种细胞的特点B淋巴细胞：能分泌抗体，不能大量增殖。骨髓瘤细胞：能大量增殖，不能分泌抗体。杂交瘤细胞：既能分泌抗体，又能大量增殖。(2)两次筛选目的不同第1次：获得能分泌抗体的杂种细胞。第2次：获得能分泌所需特异性抗体的杂交瘤细胞。自我诊断判一判(1)携带链霉素抗性基因受体菌的筛选必须通过分子检测。()(2)转基因抗虫棉植株抗虫效果的鉴定必须通过分子检测。()(3)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。()(4)用限制性核酸内切酶切割烟草花叶病毒的核酸。()(5)每个重组质粒至少含有一个限制性核酸内切酶识别位点。()(6)自然界中天然存在的噬菌体自行感染细菌后其DNA整合到细菌DNA上，属于基因工程。()(7)重组质粒与探针能进行分子杂交是因为DNA分子中脱氧核糖和磷酸交替连接。()(8)应用DNA探针技术，可以检测转基因抗冻番茄植株中目的基因的存在及其完全表达。()(9)动物的生长激素基因转入植物后不能表达。()(10)培育草莓脱毒苗所采用的主要技术是组织培养。()(11)去除植物细胞的细胞壁和将动物组织分散成单个细胞均需酶处理。()(12)产生抗人白细胞介素8抗体的杂交瘤细胞的筛选必须通过分子检测。()(13)21三体综合征的诊断必须通过分子检测。()(14)乳腺细胞比乳腺癌细胞更容易进行离体培养。()(15)培养保留接触抑制的细胞在培养瓶壁上可形成多层细胞。()(16)动物杂交瘤细胞产生单克隆抗体体现了细胞的全能性。()(17)细胞核移植主要在同种动物、同种组织的细胞之间进行。()答案：(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)高频命题点1基因工程真题领航目标方向导入高考1(2019全国卷，38)基因工程中可以通过PCR技术扩增目的基因。回答下列问题。(1)基因工程中所用的目的基因可以人工合成，也可以从基因文库中获得。基因文库包括_和_。(2)生物体细胞内的DNA复制开始时，解开DNA双链的酶是_。在体外利用PCR技术扩增目的基因时，使反应体系中的模板DNA解链为单链的条件是_。上述两个解链过程的共同点是破坏了DNA双链分子中的_。(3)目前在PCR反应中使用Taq酶而不使用大肠杆菌DNA聚合酶的主要原因是_。解析：本题借助基因工程的相关知识，考查考生对生物学问题进行解释的能力；通过PCR与体内DNA复制的比较，体现了科学思维中分析与推断要素。(1)基因文库包括基因组文库和cDNA文库；(2)体内DNA复制时，需用解旋酶打开氢键使双链DNA解旋，而PCR扩增目的基因时，是借助高温加热至9095 使DNA变性解旋；(3)PCR反应体系中进行互补链的合成时，温度需控制在7075 ，则应使用耐高温的DNA聚合酶，即Taq酶，而不能使用大肠杆菌DNA聚合酶(高温下会失活)。答案：(1)基因组文库cDNA文库(2)解旋酶加热至9095氢键(3)Taq酶热稳定性高，而大肠杆菌DNA聚合酶在高温下会失活2(2018全国卷，38)回答下列问题：(1)博耶(H.Boyer)和科恩(S.Cohen)将非洲爪蟾核糖体蛋白基因与质粒重组后导入大肠杆菌细胞中进行了表达，该研究除证明了质粒可以作为载体外，还证明了_(答出两点即可)。(2)体外重组的质粒可通过Ca2参与的_方法导入大肠杆菌细胞；而体外重组的噬菌体DNA通常需与_组装成完整噬菌体后，才能通过侵染的方法将重组的噬菌体DNA导入宿主细胞。在细菌、心肌细胞、叶肉细胞中，可作为重组噬菌体宿主细胞的是_。(3)真核生物基因(目的基因)在大肠杆菌细胞内表达时，表达出的蛋白质可能会被降解。为防止蛋白质被降解，在实验中应选用_的大肠杆菌作为受体细胞，在蛋白质纯化的过程中应添加_的抑制剂。解析：(1)非洲爪蟾是真核生物，大肠杆菌是原核生物，将非洲爪蟾核糖体蛋白基因与质粒重组后导入大肠杆菌细胞后能进行表达，说明该基因工程操作实验能够成功，实验成功的前提是体外重组的质粒可以进入受体细胞；真核生物基因可在原核细胞中表达；不同物种间可以进行基因交流；(2)当受体细胞是大肠杆菌等微生物时，可以用Ca2处理后转化的方法进行导入；噬菌体是由噬菌体DNA和外壳蛋白组成专一性侵染细菌的病毒，不能将心肌细胞或者叶肉细胞作为宿主细胞；(3)真核生物目的基因表达时，蛋白质会被降解，所以应选择缺少蛋白酶基因的大肠杆菌作为受体细胞，因为大肠杆菌没有缺少蛋白酶，属于蛋白酶缺陷型细胞，在纯化蛋白质时也要添加蛋白酶抑制剂来避免蛋白质被降解。答案：(1)体外重组的质粒可以进入受体细胞；真核生物基因可在原核细胞中表达(2)转化外壳蛋白(或噬菌体蛋白)细菌(3)蛋白酶缺陷型蛋白酶3(2018全国卷，38)某种荧光蛋白(GFP)在紫外光或蓝光激发下会发出绿色荧光，这一特性可用于检测细胞中目的基因的表达。某科研团队将某种病毒的外壳蛋白(L1)基因连接在GFP基因的5末端，获得了L1GFP融合基因(简称为甲)，并将其插入质粒P0，构建了真核表达载体P1，其部分结构和酶切位点的示意图如下，图中E1E4四种限制酶产生的黏性末端各不相同。回答下列问题：(1)据图推断，该团队在将甲插入质粒P0时，使用了两种限制酶，这两种酶是_。使用这两种酶进行酶切是为了保证_，也是为了保证_。(2)将P1转入体外培养的牛皮肤细胞后，若在该细胞中观察到了绿色荧光，则说明L1基因在牛的皮肤细胞中完成了_和_过程。(3)为了获得含有甲的牛，该团队需要做的工作包括：将能够产生绿色荧光细胞的_移入牛的_中、体外培养、胚胎移植等。(4)为了检测甲是否存在于克隆牛的不同组织细胞中，某同学用PCR方法进行鉴定。在鉴定时应分别以该牛不同组织细胞中的_(填“mRNA”“总RNA”或“核DNA”)作为PCR模板。解析：(1)为了保证L1基因和GFP基因的完整性，应用酶E1和E4切割甲和质粒P0。(2)细胞中观察到了绿色荧光，说明L1基因完成了表达过程。(3)动物细胞核移植，应将目标细胞核移植到去核的卵母细胞中。(4)L1基因存在于核DNA上，鉴定时应取不同组织细胞中的核DNA。答案：(1)E1和E4甲的完整甲与载体正确连接(2)转录翻译(3)细胞核去核卵母细胞(4)核DNA知识拓展培养学生文字表达能力1(1)基因工程诞生的理论前提是什么？_答案：DNA是遗传物质的证明；DNA双螺旋结构和中心法则的确立；遗传密码的破译。(2)哪些技术发明使基因工程的实现成为可能？_答案：转移载体的发现工具酶的发现DNA合成和测序技术的应用DNA体外重组的实现重组DNA表达实验的成功PCR技术的发明第一例转基因物体的问世。2(1)为了防止目的基因自身环化，一般应如何操作？_答案：用两种不同的限制酶去切割含目的基因的DNA。(2)为了防止目的基因在质粒上反接，应怎样操作？_答案：对质粒和目的基因用两种限制酶切割。3(1)将真核生物的基因直接导入原核细胞，基因能表达 吗？如何才能表达？_答案：不能表达，只有将cDNA导入原核细胞才可能表达。(2)病毒对受体有特别要求吗？_答案：有。病毒为专一性侵染宿主的生物。(即病毒必须有对应的宿主细胞)核心整合掌握必备生物知识1基因工程常考的3种基本工具(填空)(1)限制性核酸内切酶：识别特定核苷酸序列，并在特定位点上切割DNA分子。(2)DNA连接酶：a.EcoliDNA连接酶只能连接黏性末端；b.T4DNA连接酶能连接黏性末端和平末端。(3)载体：a.能在宿主细胞内稳定存在并大量复制；b有一个至多个限制酶切割位点，便于外源DNA片段(基因)插入其中；c具有特殊的标记基因以便对含目的基因的受体细胞进行筛选。2理清基因工程的操作流程(填空)(1)获取目的基因的三种方法a从基因文库中获取；c化学法人工合成：通过DNA合成仪利用化学方法直接合成。(2)基因表达载体的构建重组质粒的构建a基因表达载体的组成 b.构建过程(3)将目的基因导入受体细胞的“三种类型”a导入植物细胞农杆菌转化法、花粉管通道法、基因枪法(本法针对单子叶植物)b导入动物细胞显微注射法c导入微生物(细菌)转化法(4)目的基因的检测与鉴定的方法a检测目的基因是否导入受体细胞：DNA分子杂交技术。b检测目的基因是否转录出mRNA：分子杂交技术。c检测目的基因是否翻译成蛋白质：抗原抗体杂交技术d个体生物学水平鉴定：根据表达性状判断。3理清蛋白质工程(填空)4DNA粗提取与鉴定的“五个步骤”考向立意突显科学思维和科学探究能力考向一以基因工程的操作工具或操作程序为载体，考查学生对基因工程的理解能力1图(a)中的三个DNA片段上依次表示出了EcoR、BamH和Sau3A三种限制性内切酶的识别序列与切割位点，图(b)为某种表达载体的示意图(载体上的EcoR、Sau3A的切点是唯一的)。根据基因工程的有关知识，回答下列问题：(1)经BamH酶切后得到的目的基因可以与上述表达载体被_酶切后的产物连接，理由是_。(2)若某人利用图(b)所示的表达载体获得了甲、乙、丙三种含有目的基因的重组子，如图(c)所示。这三种重组子中，不能在宿主细胞中表达目的基因产物的有_，不能表达的原因是_。(3)DNA连接酶是将两个DNA片段连接起来的酶，常见的有_和_，其中既能连接黏性末端又能连接平末端的是_。解析：(1)分析图(a)可知，限制酶Sau3A与BamH切割DNA后形成的黏性末端相同，故经这两种酶切割得到的产物可以用DNA连接酶进行连接。(2)构建基因表达载体时，为保证目的基因能在宿主细胞中成功表达，目的基因应插入在启动子和终止子之间，据此可判断甲、丙均不符合要求，目的基因均不能被转录。(3)常见的DNA连接酶有EcoliDNA连接酶和T4DNA连接酶，其中T4DNA连接酶既能连接黏性末端又能连接平末端。答案：(1)Sau3A两种酶切割后产生的片段具有相同的黏性末端(2)甲和丙甲中目的基因插入在启动子的上游，丙中目的基因插入在终止子的下游，二者的目的基因均不能被转录(其他合理答案均可)(3)Ecoli DNA连接酶T4DNA连接酶T4DNA连接酶(其他合理答案均可)2真核生物基因中通常有内含子，而原核生物基因中没有，原核生物没有真核生物所具有的切除内含子对应的RNA序列的机制。已知在人体中，基因A(有内含子)可以表达出某种特定蛋白(简称蛋白A)。回答下列问题：(1)某同学从人的基因组文库中获得了基因A，以大肠杆菌作为受体细胞却未得到蛋白A，其原因是_。(2)若用家蚕作为表达基因A的受体，在噬菌体和昆虫病毒两种载体中，不选用_作为载体。其原因是_。(3)若要高效地获得蛋白A，可选用大肠杆菌作为受体。因为与家蚕相比，大肠杆菌具有_(答出两点即可)等优点。(4)若要检测基因A是否翻译出蛋白A，可用的检测物质是_(填“蛋白A的基因”或“蛋白A的抗体”)。(5)艾弗里等人的肺炎双球菌转化实验为证明DNA是遗传物质作出了重要贡献，也可以说是基因工程的先导，如果说他们的工作为基因工程理论的建立提供了启示，那么，这一启示是_。解析：本题主要考查基因工程的相关知识。(1)从人的基因组文库中获得的基因A中含有内含子，而大肠杆菌属于原核生物，故大肠杆菌不能切除基因A初始转录产物中与内含子对应的RNA序列，故基因A在大肠杆菌中无法表达出蛋白A。(2)由于病毒对宿主细胞的感染具有特异性，噬菌体只能寄生在细菌细胞中，不能感染家蚕细胞，故应选用可感染家蚕的昆虫病毒作为载体。(3)与真核生物相比，大肠杆菌等原核生物具有繁殖快、容易培养、遗传物质相对较少等优点。(4)检测基因A是否翻译出蛋白A，一般用抗原抗体杂交的方法，即用蛋白A的抗体与从细胞中提取的蛋白质进行杂交，观察是否出现杂交带。(5)肺炎双球菌转化实验的实质是S型菌的DNA进入R型菌体内，并可在R型菌体内完成表达，这证明了DNA可以从一种生物个体转移到另一种生物个体，为基因工程奠定了基础。答案：(1)基因A有内含子，在大肠杆菌中，其初始转录产物中与内含子对应的RNA序列不能被切除，无法表达出蛋白A(2)噬菌体噬菌体的宿主是细菌，而不是家蚕(3)繁殖快、容易培养(4)蛋白A的抗体(5)DNA可以从一种生物个体转移到另一种生物个体考向二以基因工程的应用和蛋白质工程为载体，考查学生对基因工程与蛋白质工程的理解能力和解决实际问题的能力3(2019广东深圳实验等六校第一次联考，38)MAP30蛋白是一种能使型核酸核糖体失活的蛋白质，存在于苦瓜果实和种子中。MAP30蛋白具有抗肿瘤、抗菌、抗病毒、抗艾滋病的功能，近年来引起人们的广泛关注。(1)人们已经清楚MAP30蛋白的氨基酸序列，可以用_方法获得MAP30蛋白的基因。再利用PCR技术扩增该基因，PCR反应体系的主要成分应该包含：_、_、_、_、扩增缓冲液(含Mg2)和水等。(2)科学家将MAP30蛋白的基因与某种病毒的DNA构建基因表达载体，导入南瓜细胞中，在这个过程中，需要使用到的酶是_。为了避免出现“目的基因自我环化”“目的基因在运载体上反向连接”的问题，请提出一种解决该问题的思路：_。(3)可用_技术得到愈伤组织大规模生产MAP30蛋白，用_技术检测MAP30的基因是否在南瓜果实中成功表达。(4)弧菌是克氏原鳌虾养殖中重要的致病菌，大规模暴发会给水产养殖带来巨大的经济损失。科研人员为了研究MAP30蛋白抗弧菌的效果，用含不同浓度MAP30蛋白培养液培养弧菌，绘制弧菌生长曲线如图：由图可以得出的结论是_。解析：(1)已知MAP30蛋白的氨基酸序列，可以用化学合成方法获得MAP30蛋白的基因。利用PCR技术扩增该基因。PCR反应体系的主要成分应该包含4种脱氧核糖核苷酸、模板DNA、引物、热稳定DNA聚合酶、扩增缓冲液(含Mg2)和水等。(2)构建基因表达载体需要使用到的酶是限制酶和DNA连接酶；为了避免出现“目的基因自我环化”“目的基因在运载体上反向连接”的问题，可分别使用两种限制酶去剪切目的基因和运载体。(3)可用植物组织培养技术得到愈伤组织大规模生产MAP30蛋白，可通过抗原抗体杂交技术检测MAP30的基因是否在南瓜果实中成功表达。(4)用含不同浓度MAP30蛋白培养液培养弧菌，根据图中曲线显示，随着MAP30蛋白浓度的升高，MAP30蛋白对弧菌生长的抑制作用增强；当MAP30蛋白浓度达到或高于500 g/mL时，弧菌生长完全被抑制。答案：(1)化学合成4种脱氧(核糖)核苷酸模板DNA引物(对)热稳定DNA聚合酶(Taq酶)(2)限制酶和DNA连接酶分别使用两种限制酶去剪切目的基因和运载体(3)植物组织培养抗原抗体杂交(4)随着MAP30蛋白浓度的升高，MAP30蛋白对弧菌生长的抑制作用增强；当MAP30蛋白浓度达到或高于500 g/mL时，弧菌生长完全被抑制4已知生物体内有一种蛋白质(P)，该蛋白质是一种转运蛋白，由305个氨基酸组成。如果将P分子中158位的丝氨酸变成亮氨酸，240位的谷氨酰胺变成苯丙氨酸，改变后的蛋白质(P1)不但保留P的功能，而且具有了酶的催化活性。回答下列问题：(1)从上述资料可知，若要改变蛋白质的功能，可以考虑对蛋白质的_进行改造。(2)以P基因序列为基础，获得P1基因的途径有修饰_基因或合成_基因。所获得的基因表达时是遵循中心法则的，中心法则的全部内容包括_的复制；以及遗传信息在不同分子之间的流动，即：_。(3)蛋白质工程也被称为第二代基因工程，其基本途径是从预期蛋白质功能出发，通过_和_，进而确定相对应的脱氧核苷酸序列，据此获得基因，再经表达、纯化获得蛋白质，之后还需要对蛋白质的生物_进行鉴定。解析：(1)蛋白质的功能与结构相关，若要改变蛋白质的功能，需要对其结构进行改造。(2)确定目的基因的碱基序列后，可通过对现有基因进行改造或者重新合成来获得目的基因。中心法则的内容包括遗传信息的复制、转录、逆转录和翻译。(3)蛋白质工程的基本途径是从预期蛋白质功能出发，通过设计蛋白质的结构和推测氨基酸序列，进而确定相对应的脱氧核苷酸序列。获得蛋白质之后要对蛋白质的生物功能进行鉴定。答案：(1)氨基酸序列(或结构)(2)PP1DNA和RNA(或遗传物质)DNARNA、RNADNA、RNA蛋白质(或转录、逆转录、翻译)(3)设计蛋白质的结构推测氨基酸序列功能考向三以DNA的粗提取与分离为载体，考查学生的科学探究能力5某生物兴趣小组开展DNA粗提取的相关探究活动，具体步骤如下：材料处理：称取新鲜的菜花、辣椒和蒜黄各2份，每份10 g。剪碎后分成两组，一组置于20 ，另一组置于20 条件下保存24 h。DNA粗提取：第一步：将上述材料分别放入研钵中，各加入15 mL研磨液，充分研磨。用两层纱布过滤，取滤液备用。第二步：先向6只小烧杯中分别注入10 mL滤液，再加入20 mL体积分数为95%的冷酒精溶液，然后用玻璃棒缓缓地向一个方向搅拌，使絮状物缠绕在玻璃棒上。第三步：取6支试管，分别加入等量的2 mol/L NaCl溶液溶解上述絮状物。DNA检测：在上述试管中各加入4 mL二苯胺试剂，混合均匀后，置于沸水中加热5 min，待试管冷却后比较溶液的颜色深浅，结果如下表：材料保存温度菜花辣椒蒜黄20 20 注：“”越多表示蓝色越深。分析上述实验过程，回答下列问题：(1)该探究性实验的课题名称是_。(2)第二步中缓缓地搅拌，这是为了减少_。(3)根据实验结果，得出结论并分析。结论1：与20 相比，相同实验材料在20 条件下保存，DNA的提取量较多。结论2：_。针对结论1，请给出合理的解释：_。(4)氯仿密度大于水，能使蛋白质变性沉淀，与水和DNA均不相溶，且对DNA影响极小。为了进一步提高DNA纯度，依据氯仿的特性，在DNA粗提取第三步的基础上继续操作的步骤是：_，然后用体积分数为95%的冷酒精溶液使DNA析出。答案：(1)探究不同材料和不同保存温度对DNA提取量的影响(2)DNA断裂(3)等质量的不同实验材料，在相同的保存温度下，从蒜黄中提取的DNA量最多低温抑制了相关酶的活性，DNA降解速度慢(4)将第三步获得的溶液与等量的氯仿充分混合，静置一段时间，吸取上清液- 15 -