第3章基因工程

第1節(jié)重組DNA技術(shù)的基本工具

1.P70從社會中來：番木瓜容易受番木瓜環(huán)斑病毒的侵襲。當(dāng)番木瓜被這種病毒感染后，產(chǎn)量會大大下降。

科學(xué)家通過精心設(shè)計，用“分子工具”培育出了轉(zhuǎn)基因番木瓜，它可以抵御番木瓜環(huán)斑病毒。

DNA雙螺旋的直徑只有2nm,對如此微小的分子進行操作，是一項非常精細的工作，更需要專門的“分子工

具”。那么，科學(xué)家究竟用到了哪些“分子工具”?這些“分子工具”各具有什么特征呢？

2.P"旁欄思考題：你能根據(jù)所掌握的知識，推測限制酶存在于原核生物中的主要作用是什么嗎?

3.P72旁欄思考題：DNA連接酶與DNA聚合酶是一回事嗎?為什么？

4.P73思考?討論：重組DNA分子

-ATAGCATGCrAlCCAIGAATTCGGCATAC-

-TATCGTACGATAGGTACTTAAGCCGTATG-

-TCCTAGAArrcrCGGIArGAAn'CCATAC-

-AGGATCTTAAGAGCCATACTTAAGGTATG-

請你根據(jù)圖3-3中的相關(guān)信息找到兩條片段上EcoRI的識別序列和切割位點。然后，用剪刀進行“切割”。

待切割位點全部切開后，將從下面那條DNA鏈上切下的片段重組到上面那條DNA鏈的切口處，并用透明

膠條將切口粘連起來。討論

（1）剪刀和透明膠條分別代表哪種“分子工具”？

（2）你制作的黏性末端的堿基能不能互補配對?如果不能，可能是什么原因造成的？

（3）你插入的DNA片段能稱得上一個基因嗎？

5.P73到社會中去：隨著生物技術(shù)的飛速發(fā)展，生產(chǎn)和銷售“分子工具的公司大量涌現(xiàn)。感興趣的話，你可以

登錄這些公司的網(wǎng)站，查詢和了解相關(guān)產(chǎn)品的特點、價格和使用說明等。有些這樣的公司已成功上市，你

還可以通過分析公司的股票價格走勢，大致了解公司的經(jīng)營狀況以及投資者目前對該行業(yè)的認可程度。

6.P74練習(xí)與應(yīng)用

一、概念檢測

1.DNA連接酶是重組DNA技術(shù)常用的一種工具酶。下列相關(guān)敘述正確的是（）

A.能連接DNA分子雙鏈堿基對之間的氫鍵

B.能將單個脫氧核甘酸加到DNA片段的末端，形成磷酸二酯健

C.能連接用同種限制酶切開的兩條DNA片段，重新形成磷酸二酯鍵

D.只能連接雙鏈DNA片段互補的帖性末端，不能連接雙鏈DNA片段的平末端

2.在重組DNA技術(shù)中，將外源基因送入受體細胞的載體可以是（）

A.大腸桿菌的質(zhì)粒B.切割DNA分子的酶C.DNA片段的黏性末端D.用來識別特定基因的DNA探

針

二、拓展應(yīng)用

1.想一想。為什么限制酶不切制細菌本身的DNA分子？

2.有2個不同來源的DNA片段A和B.A片段用限制酶Spel進行切制，B片段分別用限制酶HindULXbaL

EcoRV和Xhol進行切制。各限制酶的識別序列和切制位點如下。

夕-ACTAGT^y?

s,

3,-TGATCA--$?￡<?av-GATATC-3?

f3,-CTATAO-s*

1___t

$?-AAGCTT->,

A

3*-TTCGAA-.$?J*

fS*-CTCOAG-

1>>-GAGCTC-5?

s?-TCTAGA*3*t

-AGATCT-5*

（1）哪種限制酶切制B片段產(chǎn)生的DNA能與限制酶Spel切制A片段產(chǎn)生的DNA片連接?為什么?

（2）不同的限制酶切制可能產(chǎn)生相同的末端，這在基因工程操作中有什么意義？

7.P75探究與實踐：DNA的粗提取及鑒定結(jié)果分析與評價

（1）你提取出白色絲狀物或沉淀物了嗎?用二苯胺試劑鑒定的結(jié)果如何？

（2）你能分析出粗提取的DNA中可能含有哪些雜質(zhì)嗎？

（3）與其他同學(xué)提取的DNA進行比較，看看實驗結(jié)果有何不同，分析產(chǎn)生差異的原因。

8.P75進一步探究：本實驗只是對DNA進行了粗提取，請查閱資料，了解實驗室提取純度較高的DNA的一

一種方法，并與本實驗中所使用的方法進行比較，總結(jié)兩種方法的異同。

第2節(jié)基因工程的基本操作程序

1.P76從社會中來：1997年，我國政府首次批準(zhǔn)商業(yè)化種

RNA鏈DNA集

植轉(zhuǎn)基因抗蟲棉。到2015年，我國已有成轉(zhuǎn)基因抗蟲棉X/

逆轉(zhuǎn)錄酬,核酸醉HrDNA聚合解

新品種100多個，減少農(nóng)藥用量40萬噸，增收節(jié)支社會

(RNaseH)

經(jīng)濟效益450億元。你知道轉(zhuǎn)基因抗蟲棉抗蟲的機制是什單鏈RNA雜交雙鏈里6JDNA雙儲DNA

么嗎?培育轉(zhuǎn)基因抗蟲棉一般需要哪些步驟？圖3-1由mRNA逆轉(zhuǎn)錄形成cDNA的過程示意圖

2.P79旁欄思考題：用PCR技術(shù)可以擴增mRNA嗎?

3.P80旁欄思考題：將生物的所有DNA直接導(dǎo)入受體細胞不是更簡便嗎?如果這么做，效果會怎樣？

4.P83到社會中去：轉(zhuǎn)基因抗蟲棉在世界范圍內(nèi)被廣泛種植，有效控制了棉鈴蟲的種群數(shù)量，顯著減少了農(nóng)

藥的用量。面對棉鈴蟲的危害，有了抗蟲棉是否就可以一勞永逸、高枕無憂呢?根據(jù)棉鈴蟲對傳統(tǒng)農(nóng)藥產(chǎn)生

抗性的發(fā)展歷史，科研人員推測棉鈴蟲存在對Bt抗蟲蛋白產(chǎn)生抗性的可能。請你查閱資料，了解以下問題。

(1)在實際種植過程中，棉鈴蟲是否對轉(zhuǎn)Bt基因的抗蟲棉產(chǎn)生了嚴(yán)重的抗性?證據(jù)是什么？

(2)科研工作者在沒有發(fā)現(xiàn)棉鈴蟲出現(xiàn)抗性之前，就應(yīng)該想辦法應(yīng)對。他們想出的延緩棉鈴蟲對Bt抗蟲

蛋白產(chǎn)生抗性的措施有哪些?這些措施的原理是什么?有效嗎？

2.P83練習(xí)與應(yīng)用

一、概念檢測

1.研究人員將一種海魚的抗凍蛋白基因afp整合到土壤農(nóng)桿菌的Ti質(zhì)粒上，然后用它侵染番茄細胞，獲得了

抗凍的番茄品種。判斷下列相關(guān)表述是否正確。

(l)afp基因是培育抗凍番茄用到的目的基因。()

(2)構(gòu)建含有afp基因的Ti質(zhì)粒需要限制酶、DNA連接酶和核酸酶。()

(3)只要檢測出番茄細胞中含有afp基因，就代表抗凍番茄培育成功。()

2.利用PCR既可以快速擴增特定基因，也可以檢測基因的表達。下列有關(guān)PCR的敘述錯誤的是()

A.PCR用的DNA聚合酶是一種耐高溫酶

B.變性過程中雙鏈DNA的解開不需要解旋酶

C.復(fù)性過程中引物與模板鏈的結(jié)合遵循堿基互補配對原則

D.延伸過程中需要DNA聚合酶、ATP和4種核糖核甘酸

二、拓展應(yīng)用

1.研究人員在研究轉(zhuǎn)基因煙草中外源卡那霉素抗性基因的遺傳穩(wěn)定性時，發(fā)現(xiàn)44株轉(zhuǎn)基因煙草中有4株該

基因的遺傳不符合孟德爾遺傳規(guī)律，在它們的自交后代中出現(xiàn)了較多的沒有卡那霉素抗性的植株。請查找

相關(guān)資料，嘗試對這個問題作出解釋。

2.八氫番茄紅素合酶(其基因用psy表示)和胡蘿卜素脫飽和酶(其基因用crtl表示)參與(3-胡蘿卜素的合成。pmi

為磷酸甘露醇異構(gòu)酶基因，它編碼的蛋白質(zhì)可使細胞在特殊培養(yǎng)基上生長?？茖W(xué)家將psy和crtl基因轉(zhuǎn)入水

稻，使水稻胚乳中富含隹胡蘿卜素，由此生產(chǎn)出的大米稱為“黃金大米”。請根據(jù)以上信息回答下列問題。

(1)科學(xué)家在培育“黃金大米”時，將crtl和psy基因?qū)撕琾mi基因的質(zhì)粒中，構(gòu)建了質(zhì)粒pSYN12424。該

項研究的目的基因是標(biāo)記基因是,質(zhì)粒pSYN12424的作用是

(2)在構(gòu)建質(zhì)粒載體時，目的基因序列中能否含有用到的限制酶的識別序列?為什么?

(3)請查找相關(guān)資料，了解科學(xué)家為什么要培育“黃金大米”以及當(dāng)前關(guān)于“是否要推廣*黃金大米"”的各種爭論。

你還可以提出自己的看法，并與同學(xué)交流討論。

3.P85探究?實踐：DNA片段的擴增及電泳鑒定結(jié)果分析與評價

(1)你是否成功擴增出DNA片段?判|斷的依據(jù)是什么？

(2)你進行電泳鑒定的結(jié)果是幾條條帶?如果不止一+條條帶，請分析產(chǎn)|生這個結(jié)果的可能原因。

第3節(jié)基因工程的應(yīng)用

1.P87從社會中來：胰島素是治療糖尿病的特效藥物。傳統(tǒng)生產(chǎn)胰島素的方法是從豬、牛等動物的胰腺中提

取。曾經(jīng)生產(chǎn)供一位糖尿病病人使用一年的胰島素，需要上千頭牛，生產(chǎn)的成本非常高。1978年，科學(xué)家

將編碼人胰島素的基因?qū)氪竽c桿菌細胞中，使大腸桿菌表達重組人胰島素。我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的基

因工程藥物-重組人胰島素己經(jīng)研制成功并得到廣泛應(yīng)用。除了生產(chǎn)胰島素，基因工程還有哪些應(yīng)用呢？

2.P91異想天開：假如某位心臟病病人換上經(jīng)過改造的豬心臟后，過上了健康人的生活。在生活中，他會遭

到歧視嗎?對此你怎么看？

3.P92到社會中去：轉(zhuǎn)基因技術(shù)自誕生以來，發(fā)展迅速，研發(fā)對象已涵蓋至少35科、200多種的植物，涉及

大豆、玉米和棉花等重要作物，以及牧草、花卉和林木等。請調(diào)查：

（1）目前我國批準(zhǔn)發(fā)放了哪些轉(zhuǎn)基因作物的生產(chǎn)應(yīng)用安全證書和進口安全證書？

（2）你或你的親朋好友在日常生活中使用的生物產(chǎn)品，哪些在生產(chǎn)過程中用到了轉(zhuǎn)基因技術(shù)?

4.P92練習(xí)與應(yīng)用

一、概念檢測

1.將大腸桿菌的質(zhì)粒連接上人生長激素的基因后，重新導(dǎo)入大腸桿菌的細胞內(nèi)，再通過發(fā)酵工程就能大量生

產(chǎn)人生長激素。下列敘述，正確的是（）

A.轉(zhuǎn)錄生長激素基因需要解旋酶和DNA連接酶B.發(fā)酵產(chǎn)生的生長激素屬于大腸桿菌的初生代謝

物

C.大腸桿菌獲得的能產(chǎn)生人生長澈素的變異可以遺傳D.大腸桿菌質(zhì)粒標(biāo)記基因中腺喋吟和尿嚏咤的含量

相等

2.下列不屬于基因工程應(yīng)用的是()

A.培育青霉菌并從中提取青霉素B.利用乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)藥物

C.制造一種能分解石油的“超級細菌”D.制造一種能產(chǎn)生干擾索的基因工程菌

二、拓展應(yīng)用

1.除草劑的有效成分草甘瞬能夠?qū)Ｒ坏匾种艵PSP合酶的活性，從而使植物體內(nèi)多種代謝途徑受到影響而導(dǎo)

致植物死亡。草甘瞬沒有選擇性，它在除掉雜草的同時也會使作物受損。解決這個問題的方法之一.就是培育

抗草甘瞬的作物。

(1)下面是探究“轉(zhuǎn)人外源EPSP合酶基因能否使矮牽?？共莞黍v”的流程，請補充完整。

①用等處理目的基因和Ti質(zhì)粒，構(gòu)建重組Ti質(zhì)粒；

②將重組Ti質(zhì)粒轉(zhuǎn)入農(nóng)桿菌中；

③利用含有重組Ti質(zhì)粒的農(nóng)桿菌侵染細胞，再通過培育得到轉(zhuǎn)基因植株；

④用草甘瞬同時噴灑轉(zhuǎn)基因植株和對照組植株。結(jié)果:對照組植株死亡，轉(zhuǎn)基因植株存活，但也受到了影響。

結(jié)論:______________________________________________________________

⑵請思考并回答下列問題。

①在該實驗中，對照組是怎樣設(shè)計的？

②如果增加轉(zhuǎn)入的外源EPSP合酶基因的數(shù)量，轉(zhuǎn)基因矮牽牛對草甘瞬的抗性是否會增加?請你給出進-一步

探究的思路。

2.下圖是某同學(xué)畫的兩幅基因工程卡通圖。一幅是一頭能進行光合作用的奶牛，一幅是一株能同時結(jié)出多種

蔬滎和水果的植物。你能像這位同學(xué)-樣，展開想象的翅膀，用圖畫、文字或用音樂創(chuàng)作等，來暢想基因工

程的未來嗎？

第4節(jié)蛋白質(zhì)工程的原理和應(yīng)用

1.P93從社會中來：你見過用細菌畫畫嗎?右圖是用發(fā)出不同顏色熒光的細茵“畫”的美妙圖案。這些細茵能夠

發(fā)出熒光，是因為在它們的體內(nèi)導(dǎo)入了熒光蛋白的基因。

最早被發(fā)現(xiàn)的熒光蛋白是綠色熒光蛋白，科學(xué)家通過改造它，獲得了黃色熒光蛋白等。這些熒光蛋白在細

胞內(nèi)生命活動的檢測、腫瘤的示蹤研究等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。那么，科學(xué)家是怎樣對蛋白質(zhì)分子進行設(shè)計

和改造的呢？

2.P93旁欄思考題：你知道人類蛋白質(zhì)組計劃嗎?它與蛋白質(zhì)工程有什么關(guān)系?我國科學(xué)家承擔(dān)了什么任務(wù)?

3.P94思考?討論:

(1)怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核甘酸序列?請把相應(yīng)的堿基序列寫出

某多肽鏈的一段氨基酸序列是:

來。

丙氨酸色氨酸就氮酸谷氨酸

(2)確定目的基因的堿基序列后，怎樣才能合成或改造目的基因?

4.P94異想天開：能不能根據(jù)人類需要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計相應(yīng)的基因，導(dǎo)入合適的宿主細胞中，讓宿主

細胞生產(chǎn)

5.P96到社會中去：酶制劑在食品工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)等方面都有廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在，酶制劑的生產(chǎn)已經(jīng)形成一

個市場可觀的新興產(chǎn)業(yè)。蛋白質(zhì)工程的應(yīng)用又為酶制劑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了強大助力。請查閱資料，了解我

國酶制劑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢，分析蛋白質(zhì)工程在酶制劑產(chǎn)業(yè)中的作用。

6.P96練習(xí)與應(yīng)用

一、概念檢測

1.蛋白質(zhì)工程可以說是基因工程的延伸。判斷下列相關(guān)表述是否正確。

(1)基因工程需要在分子水平對基因進行操作，蛋白質(zhì)工程不需要對基因進行操作。()

(2)蛋白質(zhì)工程需要改變蛋白質(zhì)分子的所有()

(3)蛋白質(zhì)工程可以改造酶，提高酶的熱穩(wěn)定性。()

2.蛋白質(zhì)工程是在深人了解蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的基礎(chǔ)上進行的，它最終要達到的目的是()

A.分析蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)B.研究蛋白質(zhì)的氨基酸組成

C.獲取編碼蛋白質(zhì)的基因序列信息D.改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)或制造新的蛋白質(zhì)，滿足人類的需求

3.水蛭素是一種蛋白質(zhì)，可用于預(yù)防和治療血栓。研究人員發(fā)現(xiàn)，用賴氨酸替換水蛭素第47位的天冬酰胺

可以提高它的抗凝血活性。在這項替換研究中，目前可行的直接操作對象是()

A.基因B.氨基酸C.多肽鏈D.蛋白質(zhì)

二、拓展應(yīng)用

T4溶菌酶是一種重要的工業(yè)用酶，但是它在溫度較高時容易失去活性。為了提高T4溶菌酶的耐熱性，科

學(xué)家首先對影響T4溶菌酶耐熱性的一些重要結(jié)構(gòu)進行了研究。然后以此為依據(jù)對相關(guān)基因進行改造，使

T4溶菌酶的第3位異亮氨酸變?yōu)榘腚装彼?。于是，在該半胱氨酸與第97位的半胱氨酸之間形成了一個二硫

鍵，T4溶菌酶的耐熱性得到了提高。這項工作屬于什么工程的范疇?在該實例中引起T4溶菌酶空間結(jié)構(gòu)發(fā)

生改變的根本原因是什么?如果要將該研究成果應(yīng)用到生產(chǎn)實踐，還需要做哪些方面的工作？

6.P98復(fù)習(xí)與提局

1.某動物體內(nèi)含有研究者感興趣的日的基因，研究者欲將該基因?qū)舜竽c桿菌的質(zhì)粒中保存。該質(zhì)粒含有氨

葦青霉素抗性基因(AmpR).LacZ基因及-些酶切位點，其結(jié)構(gòu)和簡單的操作步驟如下圖所示。

請根據(jù)以上信息回答下列問題。

SZ基因g\

(1)在第②步中，應(yīng)怎樣選擇限制酶?

一\^/■切位點

質(zhì)粒②用限制第處理

質(zhì)粒和含有目的

①獲取質(zhì)粒和含育目基因的DNA片段

的基因的DNA片段

(2)在第③步中，為了使質(zhì)粒DNA與目的基因能連接，還需要在混合物中加入OO

④將連渡產(chǎn)物

哪種物質(zhì)？寫入大腸桿曲

(3)選用含有AmpR和LacZ基因的質(zhì)粒進行實驗有哪些優(yōu)勢？