高中生物 专题1 基因工程 1.2 基因工程的基本操作程序课堂探究素材 新人教版选修3.doc

1.2 基因工程的基本操作程序课堂探究探究点一 目的基因的获取和基因表达载体的构建问题导引基因疫苗指的是DNA疫苗，即将编码外源性抗原的基因插入含真核表达系统的质粒上，然后将质粒直接导入人或动物体内，让其在宿主细胞中表达抗原蛋白，诱导机体产生免疫应答。抗原基因在一定时限内的持续表达，不断刺激机体免疫系统，使之达到防病的目的。思考：（1）如何获得更多数量的编码外源性抗原的基因以用于基因工程？该过程必需的酶是什么？（2）含有目的基因和表达系统的质粒在基因工程中叫什么名称？该结构必需的组成部分包括哪些？提示：（1）通过PCR技术能获得更多数量的编码外源性抗原的基因。PCR必需的酶是热稳定DNA聚合酶即Taq酶。（2）含有目的基因和表达系统的质粒在基因工程中叫基因表达载体，基因表达载体必需的组成部分包括启动子、目的基因、终止子、标记基因和复制原点等。名师精讲1DNA复制与PCR技术比较DNA复制PCR技术区别解旋方式解旋酶催化DNA在高温作用下变性解旋场所细胞内（主要在细胞核内）在PCR扩增仪内酶DNA解旋酶、普通的DNA聚合酶等耐热的DNA聚合酶（Taq酶）温度条件细胞内温和条件需控制温度，在较高温度下进行合成的对象DNA分子DNA片段或基因联系模板：均需要脱氧核苷酸链作为模板进行物质合成原料：均为四种脱氧核苷酸酶：均需要DNA聚合酶进行催化引物：均需要引物，使DNA聚合酶从引物的3端开始连接脱氧核苷酸特别提醒 PCR技术不需要解旋酶，但需利用9095 高温使DNA分子解旋。热稳定的DNA聚合酶能在高温中保持酶的活性，具有耐高温的特点，是PCR技术的关键工具之一。2从基因文库中获取和人工合成目的基因的比较方法从基因文库中获取人工合成从基因组文库中获取从通过反转录法形成的cDNA文库中获取化学合成法反转录法过程优点操作简单专一性强专一性强，可产生自然界中不存在的新基因专一性强缺点工作量大，盲目性大，专一性差操作过程较复杂，技术要求过高适用范围小操作过程复杂，mRNA生存时间短，技术要求高3.基因表达载体的组成（见下图）基因表达载体模式图（1）目的基因：外源DNA分子的有效片段。（2）启动子：是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端，它是RNA聚合酶识别和结合的部位，有了它才能驱动基因转录出mRNA，最终获得所需要的蛋白质。（3）终止子：位于基因的尾端，也是一段有特殊结构的DNA短片段。终止子相当于一盏红色信号灯，使转录到此终止。（4）标记基因：作用是鉴别受体细胞中是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来，如抗生素抗性基因就可以作为这种基因。特别提醒 启动子与目的基因的表达有关，复制原点与表达载体的复制有关。不同的组织细胞需要的启动子不同即启动子具有组织细胞特异性。4基因表达载体的功能（1）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。（2）使目的基因能够表达和发挥作用。5基因表达载体的构建步骤（1）用同一种限制酶切割目的基因和质粒，使其产生相同末端。（2）将切下的目的基因片段与切开的质粒混合，再加入适量DNA连接酶，使目的基因插入质粒的切口处，形成一个重组DNA分子（重组质粒）。构建过程如下图所示。特别提醒 选择限制酶处理质粒和外源DNA时，应保证酶切位点不在目的基因内部和启动子、终止子、标记基因（至少一个）、复制原点内部，以避免基因表达载体必需的这些结构失去原有作用。【例题1】 请据图回答下列问题。（1）基因工程的核心步骤是_。（2）利用_技术可以获得大量的目的基因。该技术利用_的原理，将基因的核苷酸序列不断加以复制，使其数量呈指数增长。（3）图中a_位于基因的首端，是_识别和结合的部位。抗生素抗性基因的作用是作为_，用于鉴别受体细胞中是否导入了目的基因。解析：基因工程的核心步骤是基因表达载体的构建。要得到大量的目的基因，可以通过PCR技术扩增，PCR技术的原理是DNA分子复制。该基因表达载体中a表示的是启动子，其中有与RNA聚合酶识别和结合的部位。抗生素抗性基因的作用是作为标记基因，用于鉴别受体细胞是否导入了目的基因。答案：（1）基因表达载体的构建（2）PCRDNA双链复制（3）启动子RNA聚合酶标记基因典型方法 识记基因表达载体的应有片段及各片段的作用是解答此类题型的关键。应依据基因表达载体的作用围绕目的基因按顺序识记基因表达载体应有的片段：变式训练 1 下列关于对基因表达载体构建的一些说法，不正确的是（）A需要限制酶和DNA连接酶参与B基因表达载体中含有启动子和终止密码C通常用抗生素抗性基因作为标记基因D基因表达载体的构建是基因工程的核心解析：基因表达载体的构建关系到目的基因在受体细胞中能否表达，它是基因工程的核心，它的构建需要限制酶和DNA连接酶参与，它的结构应由目的基因、启动子、终止子、标记基因等组成，终止密码是指位于mRNA上的不编码蛋白质的三个相邻碱基，是翻译结束的位点，而终止子是位于DNA上三个相邻的碱基，它是转录结束的位点。答案：B探究点二 将目的基因导入受体细胞和目的基,因的检测与鉴定问题导引运用基因工程技术，将抗菜青虫的Bt基因转移到优质油菜中，培育出转基因抗虫油菜。这一品种在生长过程中能产生特异的杀虫蛋白，对菜青虫有显著抗性，能大大减轻菜青虫对油菜的危害，提高油菜产量，减少农药使用量，保护农业生态环境。思考：（1）将抗菜青虫的Bt基因转移到优质油菜细胞并在其中维持稳定和表达的过程在基因工程中称为什么？列举将目的基因转移到植物细胞并在其中维持稳定和表达常用的方法。（2）转基因抗虫油菜是否培育成功需要检测该品种在生长过程中能否产生特异的杀虫蛋白，简述该过程常用的检测方法。提示：（1）转化。植物基因工程常用的转化方法包括农杆菌转化法、基因枪法和花粉管通道法等。（2）从转基因生物中提取蛋白质，用相应的抗体进行抗原抗体杂交，若有杂交带出现，表明目的基因已形成蛋白质产品（例如杀虫蛋白）。名师精讲1 目的基因导入受体细胞的方法细胞类型方法转化过程特点植物细胞农杆菌转化法目的基因插入到Ti质粒的TDNA上转入农杆菌导入植物细胞插入到植物细胞中的染色体DNA上目的基因表达经济、有效，适用于双子叶植物和裸子植物基因枪法目的基因包裹在微小的金粒子或钨粒子表面用基因枪高速射入受体细胞或组织中目的基因表达成本较高，是单子叶植物中常用的转化方法花粉管通道法在植物受粉后，花粉形成的花粉管还未愈合前，剪去柱头，滴加目的基因，使目的基因借助花粉管通道进入受体细胞简便、经济，我国科学家独创动物细胞显微注射法目的基因表达载体提纯取卵（受精卵）显微注射受精卵发育获得具有新性状的动物最为有效的将目的基因导入动物细胞的方法微生物细胞Ca2处理法Ca2处理微生物细胞感受态细胞将基因表达载体与感受态细胞混合在缓冲液中一定温度下促使感受态细胞吸收DNA分子简便、经济、有效特别提醒 将目的基因导入植物细胞培育转基因植物时，受体细胞可以是体细胞和受精卵，因为植物体细胞具有全能性。将目的基因导入动物细胞培育转基因动物时，受体细胞是受精卵，不能用体细胞，因为高度分化的动物体细胞的全能性受到限制。微生物细胞作为受体细胞具有繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少等优点。将基因表达载体（重组质粒）导入农杆菌的常用方法是Ca2处理法。Ca2（或CaCl2溶液）对微生物细胞的作用是增加细胞壁的通透性。2目的基因的检测与鉴定类型步骤检测内容方法结果分子检测第一步目的基因是否进入受体细胞DNA分子杂交技术（DNA和DNA杂交）是否显示出杂交带第二步目的基因是否转录出mRNA分子杂交技术（DNA和mRNA杂交）是否显示出杂交带第三步目的基因是否翻译出蛋白质抗原抗体杂交是否显示出杂交带个体水平鉴定包括抗虫、抗病的接种实验，以确定是否具有抗性以及抗性的程度；基因工程产品与天然产品的活性比较，以确定功能是否相同特别提醒 不论是复制水平、转录水平还是翻译水平的检测，都是在体外进行的。基因操作过程中有多个步骤需要检测，此处只讲了目的基因的检测，还有目的基因是否被整合到了运载体上、运载体是否进入了受体细胞等都需要检测。几个检测步骤环环相扣，从前到后依次进行，缺一不可。【例题2】 下列用于判断目的基因是否转移成功的方法中，不属于分子检测的是（）A通过害虫吃棉叶看其是否死亡B转基因生物基因组DNA与DNA探针能否形成杂交带C转基因生物中提取的mRNA与DNA探针能否形成杂交带D转基因生物中提取的蛋白质能否与抗体形成杂交带解析：分子水平的检测包括三个方面：通过DNA杂交检测目的基因是否插入受体细胞染色体的DNA上；通过RNA与DNA杂交，检测目的基因是否转录；通过抗原抗体杂交，检测目的基因是否翻译。通过害虫取食棉叶看其是否死亡，属于个体生物学水平的检测。答案：A典型方法 明确目的基因检测的水平、步骤、方法原理是解答此类题型的关键。DNA分子杂交、DNA与mRNA杂交的原理都是碱基互补配对；抗原和抗体杂交的原理是抗原和抗体的特异性识别与结合；个体水平的鉴定原理是对有关转基因性状进行个体水平的对照实验。变式训练 2 目的基因导入受体细胞后，是否可以稳定维持和表达其遗传特性，只有通过鉴定和检测才能知道。下列属于目的基因检测和鉴定的是（）检测受体细胞是否有目的基因检测受体细胞是否有致病基因检测目的基因是否转录出了mRNA检测目的基因是否翻译成蛋白质A BC D解析：目的基因的检测包括：检测转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因和检测目的基因是否转录出了mRNA的方法都是采用了DNA分子技术。检测目的基因是否翻译成蛋白质的方法是进行抗原抗体杂交。答案：C