專(zhuān)題一基因工程

一【高考目標(biāo)定位】

1、專(zhuān)題重點(diǎn):DNA重組技術(shù)所需的三種基本工具;基因工程的基本操作程序

四個(gè)步驟;基因工程在農(nóng)業(yè)和醫(yī)療等方面的應(yīng)用；蛋白質(zhì)工程的原理。

2、專(zhuān)題難點(diǎn)：基因工程載體需要具備的條件;從基因文庫(kù)中獲取目的基因；

利用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因；基因治療；蛋白質(zhì)工程的原理。

二【課時(shí)安排】2課時(shí)

三【考綱知識(shí)梳理】

第1節(jié)DNA重組技術(shù)的基本工具

教材梳理：

知識(shí)點(diǎn)一基因工程的概念：基因工程是指按照人們的愿望，進(jìn)行嚴(yán)格的

設(shè)計(jì)，并通過(guò)體外DNA重組和轉(zhuǎn)基因等技術(shù)，賦予生物以新的遺傳特性，

從而創(chuàng)造出更符合人們需要的新的生物類(lèi)型和生物產(chǎn)品。由于基因工程是

在DNA分子水平上進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工的，因此又叫做DNA重組技術(shù)。

注意：對(duì)本概念應(yīng)從以下幾個(gè)方面理解：

操作環(huán)境生物體外

操作對(duì)象基因

操作水平DNA分子水平

基本過(guò)程剪切一拼接一導(dǎo)入一表達(dá)

結(jié)果人類(lèi)需要的基因產(chǎn)物

工程的基本工具

1.限制性核酸內(nèi)切酶一“分子手術(shù)刀”

(1)限制性?xún)?nèi)切酶的來(lái)源：主要是從原核生物中分離純化來(lái)的。

(2)限制性?xún)?nèi)切酶的作用：能夠識(shí)別雙鏈DNA分子的某種特定的核甘酸序

列，并能將每一條鏈上特定部位的兩個(gè)核甘酸之間的磷酸二酯鍵切開(kāi)。

(3)限制性?xún)?nèi)切酶的切割方式及結(jié)果：①在中心軸線(xiàn)兩側(cè)將DNA切開(kāi)，切

口是黏性末端。②沿著中心軸線(xiàn)切開(kāi)DNA,切口是平末端。

2。DNA連接酶--“分子縫合針”

(1)來(lái)源:大腸桿菌、T4噬菌體

(2)DNA連接酶的種類(lèi)：EocoliDNA連接酶和T/NA連接酶。

(3)作用及作用部位：E.coliDNA連接酶作用于黏性末端被切開(kāi)的磷酸二

1

酯鍵，T/NA連接酶作用于黏性末端和平末端被切開(kāi)的磷酸二酯鍵。

注意：比較有關(guān)的DNA酶

(l)DNA水解酶：能夠?qū)NA水解成四種脫氧核甘酸，徹底水解成瞬酸、

脫氧核糖和含氮堿基

(2)DNA解旋酶：能夠?qū)NA或DNA的某一段解成兩條長(zhǎng)鏈，作用的部位是

堿基和堿基之間的氫鍵。注意：使DNA解成兩條長(zhǎng)鏈的方法除用解旋酶以

外，在適當(dāng)?shù)母邷?如94℃)、重金屬鹽的作用下，也可使DNA解旋。

(3)DNA聚合酶:能將單個(gè)的核昔酸通過(guò)磷酸二酯鍵連接成DNA長(zhǎng)鏈.

(4)DNA連接酶：是通過(guò)磷酸二酯鍵連接雙鏈DNA的缺口.注意比較DNA

聚合酶和DNA連接酶的異同點(diǎn)。

3.基因進(jìn)入受體細(xì)胞的載體一一“分子運(yùn)輸車(chē)”

(1)分子運(yùn)載車(chē)的種類(lèi)：①質(zhì)粒：常存在于原核細(xì)胞和酵母菌中，是一種

分子質(zhì)量較小的環(huán)狀的裸露的DNA分子，獨(dú)立于擬核之外。②病毒：常用

的病毒有噬菌體、動(dòng)植物病毒等。

(2)運(yùn)載體作用：①是用它做運(yùn)載工具，將目的基因轉(zhuǎn)運(yùn)到宿主細(xì)胞中去。

②是利用它在受體細(xì)胞內(nèi)對(duì)目的基因進(jìn)行大量復(fù)制。

(3)作為運(yùn)載體必須具備的條件:①在宿主細(xì)胞中保存下來(lái)并大量復(fù)制②

有多個(gè)限制性?xún)?nèi)切酶切點(diǎn)③有一定的標(biāo)記基因，便于篩選。

思維探究：知識(shí)點(diǎn)3、4、5主要是介紹DNA重組技術(shù)的三種基本工具

及其作用.限制酶——“分子手術(shù)刀”，主要是介紹限制酶的作用，切割后

產(chǎn)生的結(jié)果。在這部分內(nèi)容學(xué)習(xí)時(shí)，應(yīng)關(guān)心的問(wèn)題之一是：限制酶從哪里

尋找？我們可以聯(lián)想從前學(xué)過(guò)的內(nèi)容—噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而認(rèn)

識(shí)細(xì)菌等單細(xì)胞生物容易受到自然界外源DNA的入侵。那么這類(lèi)原核生物

之所以長(zhǎng)期進(jìn)化而不絕滅，有何保護(hù)機(jī)制？進(jìn)而聯(lián)想到可能是有什么酶來(lái)

切割外源DNA,而使之失效，達(dá)到保護(hù)自身的目的”。這樣就對(duì)“限制酶

主要是從原核生物中分離純化出來(lái)”的認(rèn)識(shí)提高了一個(gè)層次。

基因進(jìn)入受體細(xì)胞的載體—“分子運(yùn)輸車(chē)”的學(xué)習(xí)內(nèi)容，不能僅僅

著眼于記住這幾個(gè)條件，而應(yīng)該深入思考每一個(gè)條件的內(nèi)涵，通過(guò)深思熟

慮,才能真正明確為什么要有這些條件才能充當(dāng)載體。

教材拓展：

拓展點(diǎn)一限制酶所識(shí)別序列的特點(diǎn)

限制酶所識(shí)別的序列的特點(diǎn)是：呈現(xiàn)堿基互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)，無(wú)論是奇數(shù)個(gè)堿

基還是偶數(shù)個(gè)堿基，都可以找到一條中心軸線(xiàn)，如圖，中軸線(xiàn)兩側(cè)的雙鏈

DNA上的堿基是反向?qū)ΨQ(chēng)重復(fù)排列的。如：以中心線(xiàn)為軸,兩側(cè)堿基互補(bǔ)對(duì)

稱(chēng)；以為軸，兩側(cè)堿基互補(bǔ)對(duì)稱(chēng).

拓展點(diǎn)二DNA連接酶連接的是什么部位？

DNA連接酶是將一段DNA片段3'端的羥基與另一DM片段5'端磷酸

2

基團(tuán)上的羥基連接起來(lái)形成酯鍵，而不是連接互補(bǔ)堿基之間的氫鍵。

第2節(jié)基因工程的基本操作程序

教材梳理：

基因工程的基本操作步驟為四步曲：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。

一.目的基因的獲取

i.目的基因：主要是指編碼蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因。

2.目的基因的獲取方法：

廠(chǎng)基因組文庫(kù)

'從基因文庫(kù)中獲取《

?[[cDNA文庫(kù)

、人工合成1逆轉(zhuǎn)錄法、根據(jù)已知的氨基酸序列推測(cè)脫氧核昔

（真核生物）[列、PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因、DNA合成儀合成等。

注：需要重點(diǎn)復(fù)習(xí)的內(nèi)容有：a基因組文庫(kù)與部分基因文庫(kù)的含義及區(qū)別

（教材P10表格），建立基因文庫(kù)的目的？如何從基因文庫(kù)中獲取目的基

因？b逆轉(zhuǎn)錄法的過(guò)程cPCR技術(shù)（原理、場(chǎng)所、條件、過(guò)程、特點(diǎn)）

DNA復(fù)制與PCR技術(shù)列表比較。如下所示：

（1）從基因文庫(kù)中獲取

基因文庫(kù)：將含有某種生物不同基因的許多DNA片段，導(dǎo)入受體菌的

群體儲(chǔ)存，各個(gè)受體菌分別含有這種生物的不同的基因。

構(gòu)建基因文庫(kù)的目的：為了在不知目的基因序列的情況下，便于獲得

所需的目的基因.

r基因組文庫(kù)：含有一種生物的所有基因。

t部分基因文庫(kù)（如cDNA文庫(kù)）：含部分基因，可由mRNA反轉(zhuǎn)錄而來(lái)。

（2）利用PCR技術(shù)擴(kuò)增目的基因

PCR：是一項(xiàng)在生物體外復(fù)制特定DNA片段的核酸合成技術(shù)。

原理:DNA雙鏈復(fù)制

原料：模板DNA；RNA引物；四種脫氧核甘酸；熱穩(wěn)定DNA聚合酶（Taq

酶）；

方法：DNA受熱變性解旋為單鏈、冷卻后RNA引物與單鏈相應(yīng)互補(bǔ)序

列結(jié)合、DNA聚合酶作用下延伸合成互補(bǔ)鏈。

過(guò)程：熱變性（90-95）、退火（55—60）、延伸（70—75）。

特點(diǎn)：指數(shù)形式擴(kuò)增

二.基因表達(dá)載體的構(gòu)建（基因工程的核心一體外進(jìn)行）

3

1.目的：使目的基因在受體細(xì)胞中穩(wěn)定存在；可以遺傳給下一代;使

目的基因能夠表達(dá)和發(fā)揮作用.

＜目的基因：根據(jù)需要來(lái)選擇。

2.基因表達(dá)啟動(dòng)子：位于基因首端，RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合的部

位，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)錄基因。

載體的組M終止子:位于基因尾端，使轉(zhuǎn)錄在所需要的地方停下

來(lái)。

i標(biāo)記基因:鑒別受體細(xì)胞中是否含有目的基因.

3.方法:同種限制酶分別切割載體和目的基因,再用DNA連接酶把兩者

連接。

目的基因與運(yùn)載體結(jié)合（以質(zhì)粒為運(yùn)載體）

4.條件：同種限制酶、DNA連接酶、（目的基因、啟動(dòng)子、終止子、

標(biāo)記基因）

三.將目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞

轉(zhuǎn)化：目的基因進(jìn)入受體細(xì)胞內(nèi)，并且在受體細(xì)胞內(nèi)維持穩(wěn)定和表達(dá)

的過(guò)程。

①導(dǎo)入植物細(xì)胞：常用農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法（將構(gòu)建的載體導(dǎo)入農(nóng)桿菌，

再讓農(nóng)桿菌感染植物細(xì)胞），基因槍法、花粉管通道法。（過(guò)程重

點(diǎn)介紹）

②導(dǎo)入動(dòng)物細(xì)胞:顯微注射法（將基因表達(dá)載體提純，用顯微儀注射到

受精卵中）（過(guò)程重點(diǎn)介紹）

③導(dǎo)入微生物細(xì)胞:Ca2”處理受體細(xì)胞成為感受態(tài)細(xì)胞,再進(jìn)行混合.

提示：農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法的原理是利用農(nóng)桿菌（胞內(nèi)寄生菌）對(duì)植物的感染

而把目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞。

四.目的基因的檢測(cè)和鑒定

分子檢測(cè)：導(dǎo)入檢測(cè)+表達(dá)檢測(cè)

①導(dǎo)入檢測(cè)：利用DNA分子雜交技術(shù)，目的基因DNA一條鏈（作探針）

與受體細(xì)胞中提取的DNA雜交，看是否有雜交帶。

②表達(dá)檢測(cè)：目的為了檢測(cè)是否轉(zhuǎn)錄出了mRNA,利用DNA-mRNA分子

雜交技術(shù)，目的基因DNA一條鏈（作探針）與受體細(xì)胞中提取的mRNA雜交，

看是否有雜交帶。

③表達(dá)檢測(cè)：目的為了檢測(cè)目的基因是否翻譯成蛋白質(zhì)?？贵w與蛋白

質(zhì)進(jìn)行抗原一抗體雜交，看是否有雜交帶。

個(gè)體水平的鑒定：進(jìn)行抗蟲(chóng)、抗病的接種實(shí)驗(yàn)，根據(jù)其性狀判斷是否表

達(dá)。

提示:①DNA分子雜交技術(shù)首先提取受體細(xì)胞中的DNA,然后高溫解成單鏈，

4

再與同位素標(biāo)記的DNA探針雜交;②抗原一抗體雜交所用到的抗體是用表

達(dá)出的蛋白質(zhì)注射動(dòng)物進(jìn)行免疫，產(chǎn)生相應(yīng)的抗體，并提取出而來(lái)的

第3節(jié)基因工程的應(yīng)用

教材梳理：

知識(shí)點(diǎn)一植物基因工程的應(yīng)用

植物基因工程技術(shù)主要用于提高農(nóng)作物的抗逆能力（如抗除草劑、抗蟲(chóng)、

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。

1.提高抗逆性

（1）常用抗蟲(chóng)基因：用于抗蟲(chóng)（殺蟲(chóng)）的基因主要是Bt毒蛋白基因、蛋白

酶抑制劑基因、淀粉酶抑制劑基因、植物凝集素基因等。

（2）常用抗病基因:a.抗病毒基因有：病毒外殼蛋白基因和病毒的復(fù)制酶

基因；bo抗真菌基因有:幾丁質(zhì)酶基因和抗毒素合成基因

（3）其他抗逆基因：環(huán)境條件對(duì)農(nóng)作物的生產(chǎn)會(huì)造成很大影響，并且這些

影響是多方面的，因此，抗逆性基因也有多種多樣，如:抗鹽堿和干旱的調(diào)

節(jié)細(xì)胞滲透壓基因、抗凍基因、抗除草劑基因等等。

2。改良植物品質(zhì)

由于人們的食品含有的營(yíng)養(yǎng)不平衡，不能滿(mǎn)足人們對(duì)食品的要求，這樣，

可以通過(guò)轉(zhuǎn)基因技術(shù)，使植物能夠合成某些本來(lái)不能合成的物質(zhì)。如科學(xué)家

將必需氨基酸含量多的蛋白質(zhì)編碼基因?qū)胫参镏?，或者改變這些氨基酸

合成途徑中某種關(guān)鍵酶的活性，以提高氨基酸的含量.

知識(shí)點(diǎn)二動(dòng)物基因工程的應(yīng)用

lo用于提高動(dòng)物生長(zhǎng)速度：由于外援生長(zhǎng)激素基因的表達(dá)可以使轉(zhuǎn)基因

動(dòng)物生長(zhǎng)得更快，將這類(lèi)基因?qū)雱?dòng)物體內(nèi)，以提高動(dòng)物的生長(zhǎng)速率。如：

轉(zhuǎn)基因綿羊和轉(zhuǎn)基因鯉魚(yú)。

2o用于改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)：基因工程可用于改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)。如:有些

人對(duì)牛奶中的乳糖不能完全消化或食用后會(huì)出現(xiàn)過(guò)敏、腹瀉、惡心等不適

癥狀，科學(xué)家將腸乳糖酶基因?qū)肽膛；蚪M，這樣所獲得的牛奶其成分

不受影響，但乳糖的含量大大減低。

3,生產(chǎn)藥物

基因工程不但促進(jìn)了傳統(tǒng)技術(shù)的變革，也為人類(lèi)提供了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)難以得到

的許多昂貴藥品，并已形成基因工程制藥業(yè)的雛形。目前諸如人胰島素、

人生長(zhǎng)激素、人腦激素、a一干擾素、乙肝疫苗、蛋白C、組織血纖維蛋

白溶酶原激活劑等數(shù)十種基因工程藥物已實(shí)現(xiàn)商品化。止匕外，還有促紅細(xì)

胞生成素、白細(xì)胞介素-2、腎素、心鈉素等一大批珍貴藥品正處于試用或

臨床試驗(yàn)階段。

5

4o用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物做器官移植的供體：目前，人體移植器官短缺是一個(gè)世

界性的難題，用其它動(dòng)物的器官替代，又會(huì)出現(xiàn)免疫排斥現(xiàn)象，現(xiàn)在，科

學(xué)家正試圖利用基因工程方法對(duì)一些動(dòng)物的器官進(jìn)行改造，培育出沒(méi)有免

疫排斥反應(yīng)的轉(zhuǎn)基因克隆器官.

知識(shí)點(diǎn)三基因治療

1.概念:基因治療是把正常基因?qū)氩∪梭w內(nèi),使該基因的表達(dá)產(chǎn)物發(fā)揮功

能，從而達(dá)到治療疾病的目的，這是治療遺傳病的最有效的手段

2.方法：體外基因治療和體內(nèi)基因治療

體外基因治療：先從病人體內(nèi)獲得某種相關(guān)細(xì)胞，進(jìn)行培養(yǎng)，然后在體外

完成基因轉(zhuǎn)移，再篩選成功轉(zhuǎn)移的細(xì)胞擴(kuò)增培養(yǎng)，最后重

新輸入患者體內(nèi)，這種方法叫做體外基因治療。

體內(nèi)基因治療：直接向人體組織細(xì)胞中轉(zhuǎn)移基因的治療方法叫做體內(nèi)基因

治療。

說(shuō)明：對(duì)于遺傳病的治療最根本的方法是進(jìn)行基因替換或修復(fù)基因治

療的最佳時(shí)期理論上是受精卵時(shí)期，這樣可以使個(gè)體的每個(gè)細(xì)胞都含有正

?；?，但在現(xiàn)實(shí)生活中是不可能的，因?yàn)椴豢赡苋巳嗽谑芫褧r(shí)期進(jìn)行基

因檢查。其次是對(duì)患者進(jìn)行相關(guān)細(xì)胞的基因替換，如：對(duì)于遺傳性糖尿病

患者，只對(duì)胰腺的B細(xì)胞進(jìn)行基因替換，該個(gè)體就能正常分泌胰島素，糖尿

病得以治療；但這種局部細(xì)胞的基因替換，并沒(méi)有改變其它部位細(xì)胞的基

因，如精原細(xì)胞，其后代很大可能還會(huì)患遺傳性糖尿病。

教材拓展

拓展點(diǎn)一該節(jié)內(nèi)容是對(duì)第2節(jié)知識(shí)的綜合運(yùn)用，是近幾年及今后幾年高

考的主考點(diǎn).在學(xué)習(xí)這部分知識(shí)時(shí),要注意以下幾點(diǎn)：

L熟練、靈活掌握第2節(jié)的基礎(chǔ)知識(shí)，形成系統(tǒng)的、完善的知識(shí)體系

2o目的基因來(lái)自其他生物，目的基因和受體細(xì)胞的基因構(gòu)成基因重組，這

是基因工程的原理。

3.?？贾R(shí)為基因操作的基本步驟

4。相關(guān)知識(shí)為DNA的結(jié)構(gòu)和復(fù)制、基因控制蛋白質(zhì)的合成及對(duì)性狀的控制、

基因突變、酶的性質(zhì)和作用、其他生物工程等

5.解決的方法是學(xué)好相關(guān)知識(shí)，達(dá)到靈活運(yùn)用程度，進(jìn)行知識(shí)遷移

拓展點(diǎn)二基因治療的過(guò)程（以鐮刀形細(xì)胞貧血癥的治療為例）

步驟過(guò)程

獲取正常的血紅用限制性核酸內(nèi)切酶從人的DNA分子中切取血紅蛋

蛋白基因白基因

形成重組載體用同一種限制性核酸內(nèi)切酶在載體DNA上切開(kāi)一個(gè)

切口，用DNA連接酶將正常血紅蛋白基因連接在載

體DNA上，形成重組載體

6

重組載體的轉(zhuǎn)化將攜帶正常血紅蛋白基因的重組載體導(dǎo)入患者的

與篩選造血干細(xì)胞中，并將重組載體插入到染色體。用選

擇培養(yǎng)基篩選出含重組質(zhì)粒的造血干細(xì)胞。

將含正常血紅蛋將攜帶正常血紅蛋白基因的造血干細(xì)胞輸入患者

白基因的造血干骨髓中，此造血干細(xì)胞產(chǎn)生含正常血紅蛋白的紅細(xì)

細(xì)胞回輸給患者胞，以根治鐮刀形細(xì)胞貧血癥

骨髓

拓展點(diǎn)三利用微生物生產(chǎn)藥物的優(yōu)越性

所謂利用微生物生產(chǎn)蛋白質(zhì)類(lèi)藥物，是指將人們需要的某種蛋白質(zhì)的

編碼基因，構(gòu)建成表達(dá)載體后導(dǎo)入微生物，然后利用微生物發(fā)酵來(lái)生產(chǎn)蛋白

質(zhì)類(lèi)藥物。與傳統(tǒng)的制藥相比有以下優(yōu)越性：

1。利用活細(xì)胞作為表達(dá)系統(tǒng),表達(dá)效率高,無(wú)需大型裝置和大面積廠(chǎng)房

就可以生產(chǎn)出大量藥品.

2o可以解決傳統(tǒng)制藥中原料來(lái)源的不足.例如，胰島素是治療糖尿病

患者的藥物，一名糖尿病患者每年需用的胰島素需要從4