1、第一节第一节 基因工程概述基因工程概述 第第 1 课时课时 基因工程的发展历程和工具基因工程的发展历程和工具 学习导航 1.结合教材 P79，简述基因工程的发展历程。2.结合教材 P912，举例说出限制性 核酸内切酶和 DNA 连接酶的作用、 特点。 3.概述质粒的含义、 特性及其在基因工程中的作用。 重难点击 基因工程的基本工具的作用和特点。 方式一 抗虫棉的研究开发是我国发展农业转基因技术，打破跨国公司垄断，抢占国际生物 技术制高点的成功事例。 抗虫棉的应用使棉铃虫得到了有效控制， 使杀虫剂用量降低了70% 80%，有效保护了农业生态环境，减少了农民喷药中毒事故，为棉花生产和农业的可持续发
2、 展做出了巨大贡献。 师：要实现抗虫基因在棉花中的表达，提前要做哪些关键工作？ 生：要将抗虫基因切割下来；要将抗虫基因整合到棉花的 DNA 上。 师：这里存在一个基因转移的实际问题，就是如何将控制抗虫的基因转入棉花细胞的问题。 师：中国有句俗语叫“没有金刚钻儿，不揽瓷器活儿”。科学家们在实施基因工程之前，苦 苦求索，终于找到了实施基因工程的三种“金刚钻儿”，使基因工程的设想成为了现实。这 三种“金刚钻儿”是什么？有什么特点和具体作用？下面我们就来学习这方面的内容。 方式二 科学设想，能否让禾本科植物也能固定空气中的氮？能否让细菌“吐出”蚕丝？能 否让微生物产生人的胰岛素、干扰素等珍贵的药物？经
3、过多年努力，科学家于 20 世纪 70 年 代创立了可以定向改造生物的新技术基因工程。 这一技术是在DNA分子水平上进行的， 在微小的 DNA 分子上进行的操作， 需要专用的工具。 这些工具是什么？各自的作用是什么？ 让我们一起来了解一下吧！ 一、基因工程的发展历程一、基因工程的发展历程 1理论与技术基础的发展 1953 年：沃森和克里克建立 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：罗思和赫林斯基等发现运转工
4、具质粒和 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：桑格首次完成基因组的测序工作。 2重组 DNA 技术的发展 (1)1972 年科学家伯格等进行的实验 过程 成就：世界上首次 DNA 分子体外重组。 (2)1973 年科学家科恩等进行的实验 大肠杆菌质粒DNA 含卡那霉素抗性基因 同一种限制性核酸内切酶 另一种大肠杆菌质粒DNA 含四环素抗性基因 DNA连接酶 重组 DNA 分子 转化 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
5、大肠杆菌质粒 重组 DNA 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 人工“剪切”和“拼接”等 原理 对生物的基因进行改造和重新组合(基因重组) 操作水平 基因(分子)水平 目的 产生人类需要的基因产物 操作环境 体外 优点 定向改造生物的遗传性状 1有性生殖中的基因重组是随机的，且只能在同一物种间进行。基因工程操作导致的基因重 组与前述基因重组有何区别？ 答案 基因工程可以在不同物种间进行基因重组，并且方向性强，可以定向地改变生物的性 状。 2基因工程的理论基础 (1)不同生物的 DNA 分子能拼接起来的原
6、因分析 基本组成单位相同：都是四种脱氧核苷酸。 双链 DNA 分子的空间结构相同：都是规则的双螺旋结构。 DNA 碱基对之间的关系相同：均遵循严格的碱基互补配对原则。 (2)外源基因能够在受体内表达，并使受体表现出相应的性状的原因分析 基因的功能特点：控制生物体性状的结构和功能单位，具有相对独立性。 遗传信息的传递方向都遵循中心法则。 生物界共用一套遗传密码。 1. 科学家们经过多年的努力，创立了一种新兴生物技术基因工程，实施该工程的最终目 的是( ) A定向提取生物体内的 DNA 分子 B定向地对 DNA 分子进行人工“剪切” C在生物体外对 DNA 分子进行改造 D定向地改造生物的遗传性状
7、 答案 D 解析 基因工程能按照人们的意愿通过相关技术操作赋予生物以新的遗传特性。 2目前，科学家把兔子血红蛋白基因导入大肠杆菌细胞中，在大肠杆菌细胞中合成了兔子的 血红蛋白。下列不是这一先进技术的理论依据的是( ) A所有生物共用一套遗传密码 B基因能控制蛋白质的合成 C兔子血红蛋白基因与大肠杆菌的 DNA 都是由四种脱氧核苷酸构成，都遵循相同的碱基互 补配对原则 D兔子与大肠杆菌有共同的原始祖先 答案 D 解析 题干表述的是将目的基因导入受体细胞并得以表达的过程，目的基因在不同生物细胞 中能够表达出相同的蛋白质，说明控制其合成的信使 RNA 上的密码子是共用的，相同的密 码子决定相同的氨基
8、酸，A 正确；基因通过转录出信使 RNA，进而控制蛋白质的合成，B 正 确；基因是有遗传效应的 DNA 片段，只要是双链 DNA 都遵循碱基互补配对原则，其组成原 料都是四种脱氧核苷酸，C 正确；生物之间是否有共同的原始祖先与转基因技术之间没有必 然关系，D 错误。 二、基因工程操作的两种工具酶二、基因工程操作的两种工具酶 1“分子手术刀”限制性核酸内切酶(又称限制酶) (1)来源：主要从原核生物中分离出来。 (2)特点：具有特异性(专一性)。 识别 DNA 分子上特定的脱氧核苷酸序列。 断开每条链中特定部位的两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键。 (3)识别序列 组成：大多数由 6 个核苷酸组成。
9、 特点：一般具有回文序列。 (4)作用结果：产生黏性末端或平口末端。 2“分子针线”DNA 连接酶 (1)作用：连接 DNA 分子基本骨架之间的磷酸二酯键。 (2)结果：形成重组 DNA 分子。 1仔细观察下列两种限制酶作用示意图，尝试回答下列问题： (1)两种限制酶的识别序列和切割位点分别是什么？ 答案 EcoR的识别序列为 GAATTC，切割位点是在 G 和 A 之间。Hae的识别序列为 AGGCCT，切割位点在 G 和 C 之间。 (2)由以上分析可知限制酶的作用是什么？有何作用特点？ 答案 限制酶的作用是：能够识别双链 DNA 分子上特定的核苷酸序列，并且使每一条链中 特定部位的两个脱
10、氧核苷酸之间的磷酸二酯键断开。特点是特异性地识别和切割双链 DNA 分子。 2 E coli DNA 连接酶和 T4 DNA 连接酶均可把黏性末端之间的缝隙“缝合”起来， 相当于把 梯子两边的扶手的断口连接起来， 如图 1 所示。 DNA 连接酶和限制性核酸内切酶的关系如图 2 所示。 由图可知 DNA 连接酶的作用部位是“”还是“”，形成了什么化学键？与限制性核酸 内切酶相比作用部位和作用结果有何异同？ 答案 DNA 连接酶的作用部位为，形成了磷酸二酯键。DNA 连接酶和限制性核酸内切酶 的作用部位都是磷酸二酯键，但作用结果不同，前者是形成磷酸二酯键，连接 DNA 片段， 后者是断裂磷酸二酯
11、键，形成 DNA 片段。 3DNA 连接酶和 DNA 聚合酶的异同 (1)DNA 连接酶和 DNA 聚合酶均能形成磷酸二酯键，二者的作用对象相同吗？为什么？ 答案 不相同。DNA 连接酶是将两个 DNA 片段连接起来，而 DNA 聚合酶是将单个的脱氧 核苷酸加到已有的 DNA 片段上。 (2)比较 DNA 连接酶和 DNA 聚合酶的异同点 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 分子的一条
12、链 用途 基因工程 DNA 分子复制 4.在下图中标出限制酶、DNA 连接酶、DNA 聚合酶和 DNA 解旋酶的作用部位并做必要的说 明。 答案 如图所示 限制酶、DNA 连接酶和 DNA 聚合酶作用于 a 处化学键，而解旋酶作用于 b 处化学键。 3 下表为常用的限制性核酸内切酶(限制酶)及其识别序列和切割位点， 由此推断以下说法中， 正确的是( ) 限制性核 酸内切酶 识别序列和 切割位点 限制性核 酸内切酶 识别序列和 切割位点 BamH G GATCC Kpn GGTAC C EcoR G AATTC Sau3A GATC Hind GTY RAC Sma CCC GGG 注：Y 表示
13、 C 或 T，R 表示 A 或 G。 A一种限制酶只能识别一种核苷酸序列 B限制酶切割后一定形成黏性末端 C不同的限制酶可以形成相同的黏性末端 D限制酶的切割位点在识别序列内部 答案 C 解析 根据表格内容可以推知，每种限制酶都能识别特定的核苷酸序列，但不一定只能识别 一种序列，如限制酶 Hind，A 项错误；限制酶切割后能形成黏性末端或平口末端，如限制 酶 Hind切割后形成平口末端，B 项错误；不同的限制酶切割后可能形成相同的黏性末端， 如限制酶 BamH和 Sau3A切割后形成的黏性末端相同，C 项正确；限制酶的切割位点可 以位于识别序列的外侧，如 Sau3A，D 项错误。 一题多变 判
14、断正误： (1)一种限制性核酸内切酶只能识别一种特定的核糖核苷酸序列( ) (2)限制性核酸内切酶的活性受温度、pH 的影响，总有一个最合适的条件( ) (3)限制性核酸内切酶能破坏相邻脱氧核苷酸之间的化学键( ) (4)限制性核酸内切酶不只存在于原核生物中，其合成场所是核糖体( ) 答案 (1) (2) (3) (4) 解析 限制性核酸内切酶只能够识别双链 DNA 分子上的特定的脱氧核苷酸序列，不能识别 RNA 分子的核糖核苷酸序列，(1)错误；同其他的酶一样，限制性核酸内切酶同样受温度和 pH 的影响，而且具有发挥最大催化效率的最适温度和最适 pH，(2)正确；限制性核酸内切酶 催化的是特
15、定部位磷酸二酯键的断裂，属于水解反应，(3)正确；限制性核酸内切酶主要从原 核生物中分离纯化， 也有来自真核细胞的， 其化学本质是蛋白质， 在核糖体上合成， (4)正确。 4下列关于 DNA 连接酶作用的叙述，正确的是( ) A将单个核苷酸加到某个 DNA 片段的末端，形成磷酸二酯键 B将断开的 2 个 DNA 片段的骨架连接起来，重新形成磷酸二酯键 C连接 2 条 DNA 链上碱基之间的氢键 D 只能将双链 DNA 片段互补的黏性末端连接起来，而不能将两者之间的平口末端进行连接 答案 B 解析 DNA 连接酶和 DNA 聚合酶都是催化 2 个脱氧核苷酸分子之间形成磷酸二酯键。但 DNA 连接
16、酶是在 2 个 DNA 片段之间形成磷酸二酯键， 将 2 个 DNA 片段连接成重组 DNA 分 子；DNA 聚合酶是将单个的脱氧核苷酸分子加到已存在的 DNA 片段上形成磷酸二酯键，合 成新的 DNA 分子。 三、基因工程中的工具三、基因工程中的工具载体载体 1常用的载体：质粒、 噬菌体的衍生物、动植物病毒等。质粒是最早被应用的载体，它是 细菌细胞中的一类祼露的、结构简单、独立于细菌拟核 DNA 之外，并具有自我复制能力的 环状 DNA 分子。 2质粒的基本结构 (1)重组质粒进入受体细胞后要扩增产生更多的带有目的基因的质粒，因此应具备复制原点。 (2)重组质粒进入受体细胞后要进行鉴定和筛选
17、，一般利用质粒上特殊的标记基因。 (3)为了便于外源 DNA 分子的插入，要求质粒必须有一个至多个限制性核酸内切酶的切割位 点。 如图为大肠杆菌及质粒载体的结构模式图，据图探究以下问题： 1a 代表的物质和质粒都能进行自我复制，它们的化学本质都是什么？ 答案 DNA。 2某目的基因切割末端为 A TGCGC ，为使质粒和目的基因连接在一起，质粒应有的一段 核苷酸序列及被限制酶切割的末端分别是什么？ 答案 ACGCGT CGCGT TGCGCA； A 3氨苄青霉素抗性基因，能控制某物质的合成，该物质能抵抗氨苄青霉素，使含有该基因的 生物能在含氨苄青霉素的环境中存活。因此，氨苄青霉素抗性基因在基因
18、工程载体上能起什 么作用？ 答案 用作标记基因，供重组 DNA 的鉴定与选择。 4由以上分析总结作为载体必须具备哪些条件？ 答案 作为载体必须具备的条件：(1)必须有一个至多个限制酶切割位点；(2)必须具备自我复 制的能力；(3)必须有标记基因。 拓展提升 标记基因的筛选原理 (1)前提：载体上的标记基因一般是一些抗生素的抗性基因。目的基因要转入的受体细胞没有 抵抗相关抗生素的能力。 (2)过程：含有某抗生素抗性基因的载体导入受体细胞，抗性基因在受体细胞内表达，受体细 胞对该抗生素产生抗性，然后在培养基中加入该抗生素。 (3)结果：在培养基上，被抗生素杀死的是没有抗性的受体细胞，没被杀死的具有
19、抗性的受体 细胞得以筛选，如图所示。 5.质粒是基因工程中最常用的载体，它存在于许多细菌体内。某细菌质粒上有标记基因如图 所示， 通过标记基因可以推知外源基因(目的基因)是否转入成功。 外源基因插入的位置不同， 细菌在培养基上的生长情况也不同，如图所示是外源基因插入位置(插入点有 a、b、c)，请根 据表中提供的细菌生长情况，推测三种重组后细菌的外源基因插入点，正确的一组是 ( ) 细菌在含氨苄青霉素的培养基上的 生长状况 细菌在含四环素的培养基上 的生长状况 能生长 能生长 能生长 不能生长 不能生长 能生长 A.是 c；是 b；是 a B是 a 和 b；是 a；是 b C是 a 和 b；是
20、 b；是 a D是 c；是 a；是 b 答案 A 解析 细菌在含氨苄青霉素和四环素的培养基上都能生长，说明抗氨苄青霉素基因和抗四 环素基因没有被破坏，所以插入点是 c。细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，说明其抗氨苄青霉素基因正常而抗四环素基因被破坏，插入点 为 b。 细菌不能在含氨苄青霉素的培养基上生长， 说明其抗氨苄青霉素基因被插入而破坏， 故插入点为 a。 一题多变 判断正误： (1)为供外源 DNA 插入质粒，质粒 DNA 分子上有一个至多个限制酶切割位点( ) (2)质粒上的特殊标记基因可以供外源 DNA 片段插入质粒( ) (3)细菌核区的 DNA
21、 也常被用做载体( ) 答案 (1) (2) (3) 1下列有关基因工程诞生的说法，不正确的是( ) A基因工程是在生物化学、分子生物学和微生物学等学科的基础上发展起来的 B工具酶和载体的发现使基因工程的实施成为可能 C遗传密码的破译为基因的分离和合成提供了理论依据 D基因工程必须在同物种间进行 答案 D 解析 基因工程可在不同物种间进行， 它可打破生殖隔离的界限， 定向改造生物的遗传性状。 2(2017 广东深圳中学期末)下列关于基因工程中的 DNA 连接酶的叙述不正确的是( ) ADNA 连接酶的化学本质是蛋白质 BDNA 连接酶能够连接两个 DNA 片段之间的磷酸二酯键 C基因工程中可以
22、用 DNA 聚合酶替代 DNA 连接酶 D根据来源不同，DNA 连接酶可分为 E coli DNA 连接酶和 T4 DNA 连接酶两大类 答案 C 解析 DNA 连接酶的化学本质是蛋白质， 根据来源不同可分为 E coli DNA 连接酶和 T4 DNA 连接酶两大类，DNA 连接酶连接的是两个 DNA 片段之间的磷酸二酯键，而 DNA 聚合酶连 接的是 DNA 片段与游离的脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键， 因此在基因工程中不能用 DNA 聚 合酶替代 DNA 连接酶，故选 C。 3下列所示的末端至少是由几种限制酶作用产生的( ) A1 种 B2 种 C3 种 D4 种 答案 C 解析 图中为相同
23、的平口末端，可能由同一种限制酶切割所得，故图示四种末端至少是 由 3 种限制酶作用产生的。 4下列有关细菌质粒的叙述，正确的是 ( ) A质粒是存在于细菌细胞中的一种颗粒状的细胞器 B质粒是细菌细胞中能自我复制的小型环状 DNA 分子 C质粒只有在侵入宿主细胞后在宿主细胞内才能复制 D细菌质粒的复制过程一定是在宿主细胞外独立进行 答案 B 解析 质粒是细菌细胞质中能自我复制的小型环状 DNA 分子，可以在细菌细胞内或宿主细 胞内复制。 5通过 DNA 重组技术使原有基因得以改造的动物称为转基因动物。运用这一技术使羊奶中 含有人体蛋白质，如图表示了这一技术的基本过程，在该工程中所用的基因“剪刀”
24、能识别 的序列和切点是G GATCC，请回答下列问题： (1)从羊染色体中“剪下”羊蛋白质基因的酶是_。 人体蛋白质基因“插入”后连接在羊体细胞染色体中时需要的酶是_。 (2)请画出质粒被切割形成黏性末端的过程图。 G GATCC (3)人体蛋白质基因之所以能“插入”到羊的染色体内，原因是_，“插 入”时用的工具是_， 其种类有_。 答案 (1)限制酶 DNA 连接酶 (2) (3)基因的组成、碱基配对方式和空间结构是相同的 载体 质粒、动植物病毒、 噬菌体的 衍生物等 解析 基因工程所用的工具酶是限制酶和 DNA 连接酶。不同生物的基因之所以能整合在一 起，是因为基因的组成、碱基配对方式和空间结构是相同的。将目的基因导入受体细胞，离 不开载体的协助，基因工程中用的载体除质粒外，还有动植物病毒、 噬菌体的衍生物等。