1、第第 3 课时课时 基因工程的应用基因工程的应用 学习目标 1.举例说出基因工程在遗传育种、疾病治疗和生态环境保护方面的应用。2.举例 说出基因治疗的基本原理(含义、概念)。3.活动：提出生活中的疑难问题，设计用基因工程技 术解决的方案。 一、基因工程与遗传育种 1.转基因植物 (1)传统育种方法的不足：培育新品种所需时间较长，而且远缘亲本难以杂交。 (2)植物基因工程的优势：能打破远缘亲本杂交不亲和的障碍。 (3)培育成功的转基因农作物：抗除草剂的转基因烟草、番茄和马铃薯；抗植物病毒的转基因 烟草、番茄、苜蓿和马铃薯；抗害虫的转基因棉、番茄、烟草、马铃薯、水稻和杨树；耐贮 存的转基因番茄等。
2、 2.转基因动物 (1)含义：转入了外源基因的动物。 (2)培育优点：省时、省力。 (3)转基因动物优良性状举例： 生长速度加快的转基因鼠、鱼和猪。 具有抗病能力的转基因鸡和牛等。 归纳总结 传统杂交育种与基因工程育种的区别 项目 传统杂交育种 基因工程育种 原理 基因重组 异源 DNA(基因)重组 处理 方法 杂交自交筛选。 先通过两个具有不 同优良性状的纯种杂交得到 F1，然后 再将 F1自交，人工筛选获取所需品种 提取重组导入筛选表达。 即提取目 的基因形成重组 DNA 分子重组 DNA 分子导入受体细胞筛选含有目的基因的 受体细胞目的基因的表达 优点 操作简便 可以按人的意愿改造生物，
3、 克服远缘杂交不 亲和的障碍，目的性强，科技含量高 缺点 育种时间长 技术复杂、操作繁琐 例 1 如图是利用基因工程培育抗虫植物的示意图。以下相关叙述，正确的是( ) A.、的操作中使用了限制性核酸内切酶和 DNA 聚合酶 B.过程利用了膜的结构特性，显微镜下观察细胞的 Ti 质粒是筛选标志之一 C.应用 DNA 探针技术，可检测细胞中目的基因是否表达 D.一般情况下，只要表现出抗虫性状，就表明植株发生了可遗传变异 答案 D 解析 、的操作表示形成重组 DNA 分子，该过程中使用了限制性核酸内切酶和 DNA 连 接酶，A 项错误；光学显微镜下无法观察到质粒，该基因工程可以利用个体水平进行鉴定，
4、 即植株的叶片是否具有抗虫效果，B 项错误；检测细胞中目的基因是否表达需要利用抗原 抗体杂交技术或个体水平的检测，C 项错误；一般情况下，只要表现出抗虫性状，就表 明植株发生了可遗传变异，D 项正确。 特别提醒 有关转基因植物的 5 点提醒 (1)培育转基因植物应用的技术：转基因技术、植物组织培养技术。 (2)转基因植物的培育原理：基因重组、植物细胞的全能性。 (3)外源基因与 Ti 质粒连接需要限制性核酸内切酶和 DNA 连接酶。 (4)转基因植物的培育优点 所需时间较短 克服远缘亲本难以杂交的缺陷 (5)传统育种方法的不足：培育新品种所需时间较长，而且远缘亲本难以杂交。 例 2 (2018
5、 杭州高二检测)植物甲具有极强的耐旱性，其耐旱性与某个基因有关。若从该植 物中获得该耐旱基因，并将其转移到耐旱性低的植物乙中，有可能提高后者的耐旱性。回答 下列问题： (1)理论上，基因文库含有这种生物的_(填“全部”或“部分”)基因。 (2)若要从植物甲中获得耐旱基因，可首先建立该植物的基因组文库，再从中_出所需 的_。 (3)将耐旱基因导入农杆菌，并通过农杆菌转化法将其导入植物_的体细胞中，经过一 系列的过程得到再生植株。要确认该耐旱基因是否在再生植株中正确表达，应检测此再生植 株中该基因的_，如果检测结果呈阳性，再在田间实验中检测植株的_ 是否得到提高。 (4)假如用得到的二倍体转基因耐
6、旱植株自交，子代中耐旱与不耐旱植株的数量比为 31 时， 则可推测该耐旱基因整合到了_(填“同源染色体的一条上”或“同 源染色体的两条上”)。 答案 (1)全部 (2)筛选 耐旱基因 (3)乙 表达产物 耐旱性 (4)同源染色体的一条上 解析 (1)基因文库含有生物的全部基因。(2)植物甲具有极强的耐旱性，其耐旱性与某个基因 有关，若要从植物甲中获得耐旱基因，可首先建立该植物的基因组文库，然后再从中筛选出 所需的耐旱基因。(3)若从植物甲中获得该耐旱基因，并将其转移到耐旱性低的植物乙中，通 常采用的方法是农杆菌转化法。将耐旱基因导入植物乙的体细胞后，经过植物组织培养得到 再生植株。要确认该耐旱
7、基因是否在再生植株中正确表达，应检测该耐旱基因是否合成了相 应的蛋白质，即检测此再生植株中该基因的表达产物，如果检测结果呈阳性，说明已经合成 了相应的蛋白质，这时再进行个体生物学检测，即在田间实验中检测植株的耐旱性是否得到 提高。(4)假如用得到的二倍体转基因耐旱植株自交，子代中耐旱与不耐旱植株的数量比为 31，符合基因的分离定律，说明得到的二倍体转基因耐旱植株为杂合子，因此可推测该耐 旱基因整合到了同源染色体的一条上。 二、基因工程与疾病治疗、生态环境保护 1.基因工程药物 (1)来源：利用基因工程培育“工程菌”来生产的药品。 (2)几种药物比较 名称 成分 用途 传统方法 基因工程方法 胰
8、岛素 蛋白质 治疗胰岛素依赖 型(IDDM)糖尿病 从猪和羊的 胰腺中提取 通过大肠杆菌生产 干扰素 糖蛋白 治疗病毒性肝炎 和肿瘤 从人血液中 提取 通过基因工程， 使人白细胞干 扰素基因获得克隆和表达 乙型肝 炎疫苗 蛋白质 预防和治疗乙型 肝炎 通过基因工程利用酵母菌和 哺乳动物细胞生产 2.基因治疗 (1)概念：基因治疗是向目标细胞中引入正常功能的基因，以纠正或补偿基因的缺陷，达到治 疗的目的。 (2)原理：正常基因导入病人体内细胞并且表达产物发挥作用。 (3)成功的首例：重度免疫缺陷症的临床基因治疗。治疗过程如下图： s 克隆人体正常的腺苷 酸脱氨酶基因ada 转入 有缺陷的 T 淋
9、巴细胞 培养、转化 患者的症状缓解患者的骨髓组织 注射 T淋巴细胞可以产生 腺苷酸脱氨酶ADA 特别提醒 必须将腺苷酸脱氨酶基因转入患者的 T 淋巴细胞而不能是其他的细胞。腺苷酸 脱氨酶是人体免疫系统发挥正常功能所必需的，T 淋巴细胞中具有这种酶(ADA)才能使患者 的免疫功能得到修复。 3.基因工程的应用与生态环境保护(连线) 归纳总结 归纳基因工程应用的 7 个易错点 (1)Bt 毒蛋白基因控制合成的 Bt 毒蛋白并无毒性， 进入昆虫消化道被分解为多肽后产生毒性。 (2)具有抗虫基因的作物并不能抗寒、抗旱和抵抗各种病虫害，因为基因具有特异性。 (3)动物基因工程主要是为了改善畜产品的品质，
10、而不是为了产生体型巨大的个体。 (4)工程菌不能生产人类所需要的所有蛋白质：对于复杂的蛋白质，如干扰素属于糖蛋白，不 能利用细菌生产，可以通过酵母菌等真核生物生产。因为酵母菌为真核细胞，有内质网和高 尔基体等细胞器，可以对核糖体合成的多肽进行糖基化等加工处理，从而得到人类所需要的 蛋白质。 (5)青霉素是青霉菌产生的，不是通过基因工程产生的。 (6)并非所有个体都可作为乳腺生物反应器。操作成功的应该是雌性个体，个体本身的繁殖速 度、泌乳量、蛋白质含量等都是应该考虑的因素。 (7)基因治疗是将人的正常基因或有治疗作用的基因通过一定方式导入人体靶细胞，以正常基 因产物掩盖有缺陷基因产物达到治疗疾病
11、的目的。受体细胞一般为体细胞而不是受精卵，基 因治疗后只有一部分细胞含有正常基因。基因治疗没有影响原有基因，所以细胞中两种基因 同时存在。 例 3 据报道，深圳某生物制品公司将人的乙肝抗原基因导入酵母菌，生产出的乙型肝炎疫 苗致使婴儿接种后发生疑似预防接种异常反应，并已出现死亡病例。下列关于此乙肝疫苗的 说法正确的是( ) A.乙肝抗原基因可从酵母菌基因文库中获得 B.转基因酵母菌生产乙肝疫苗的理论基础之一是生物共用一套遗传密码 C.转基因过程中用到的质粒是一种类似于染色体上链状 DNA 的遗传物质 D.将乙肝抗原基因导入酵母菌时用氯化钙处理酵母菌，可增大细胞膜的通透性 答案 B 解析 乙肝抗
12、原基因应从乙肝病毒中获得，A 错误；乙肝病毒的基因能在酵母菌中表达出乙 肝病毒的蛋白质是因为生物共用一套遗传密码，B 正确；质粒是位于细胞质中的环状 DNA， C 错误；用氯化钙处理酵母菌，可增大细胞壁的通透性，D 错误。 例 4 人类基因治疗报道，在美国佛罗里达大学基因治疗中心接受基因治疗的三名遗 传性失明患者都重新获得了一定的视力，并且没有严重的副作用。基因治疗是指( ) A.把健康外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的 B.对有缺陷的细胞进行修复，从而使其恢复正常，达到治疗疾病的目的 C.运用人工诱变方法，使有基因缺陷的细胞发生基因突变，从而恢复正常 D.运用基因工程技术，把
13、有缺陷的基因切除，达到治疗疾病的目的 答案 A 解析 基因治疗只是将正常的基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到 治疗疾病的目的，而细胞中的缺陷基因并未修复，和正常基因同时存在，基因治疗也不是切 除病变基因或诱发其突变，因而 B、C、D 的说法都不符合基因治疗的概念。 方法技巧 基因治疗的原理和过程 (1)基因治疗的原理 将正常基因或有治疗作用的基因通过一定方式导入靶细胞内，可以纠正基因缺陷而达到治疗 疾病的目的。这种生物医学技术称为基因治疗。 (2)基因治疗的过程图解 基因工程与遗传育种 转基因植物 转基因动物 基因工程与疾病治疗 基因工程药物：胰岛素、干扰素、乙型肝炎疫苗
14、基因治疗：重度免疫缺陷症ADA基因发生了突变 基因工程与生态环境保护 1.判断正误： (1)转基因抗虫棉的抗虫效果的鉴定必须通过分子检测( ) (2)科学家培育出的抗害虫的转基因棉可以抵抗各种害虫( ) (3)转基因育种针对性强，可克服远缘杂交不亲和的障碍( ) (4)基因治疗就是用正常基因替换掉目标细胞中的缺陷基因( ) (5)基因治疗可以治疗各种疾病( ) (6)科学家已利用基因工程培育出能分解各种污染物的超级细菌( ) (7)大肠杆菌获得的能产生人生长激素的变异可以遗传( ) (8)转基因作物被动物食用后目的基因会转入动物体细胞中( ) (9)基因治疗已经在重度免疫缺陷症、B 型血友病治
15、疗方面取得了令人满意的成果，说明该技 术已经成熟( ) 答案 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) 2.目前人类利用基因工程的方法成功培育出转基因抗虫棉，以下说法正确的是( ) A.抗虫基因与质粒结合后直接进入棉花的叶肉细胞表达 B.抗虫基因导入棉花叶肉细胞后，可通过传粉、受精的方法，使抗虫性状遗传下去 C.标记基因的作用是鉴别受体细胞中是否含有目的基因 D.转基因抗虫棉经过种植，棉铃虫不会产生抗性，这样可以有效消灭棉铃虫 答案 C 解析 抗虫基因与质粒结合后需用农杆菌转化法导入棉花的叶肉细胞，不能直接进入棉花的 叶肉细胞表达，A 项错误；叶肉细胞是体细胞，其
16、基因不能通过有性生殖进行遗传，可以通 过植物组织培养技术，使抗虫性状遗传下去，B 项错误；构建好的重组 DNA 分子中必须含 有标记基因，以便于确定目的基因是否进入受体细胞内，C 项正确；棉铃虫抗性的产生是基 因突变的结果，但抗虫棉的自然选择会使棉铃虫的抗性基因频率升高，D 项错误。 3.北极比目鱼中有抗冻基因，其编码的抗冻蛋白具有 11 个氨基酸的重复序列，该序列重复次 数越多，抗冻能力越强。下图是获取转基因抗冻番茄植株的过程示意图，有关叙述正确的是 ( ) A.过程获取的目的基因，可用于基因工程和比目鱼基因组测序 B.将多个抗冻基因编码区依次相连成能表达的新基因，不能得到抗冻性增强的抗冻蛋
17、白 C.过程构建的重组质粒缺乏标记基因，需要转入农杆菌才能进行筛选 D.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 答案 B 解析 图中是获取目的基因的过程，获取的目的基因可用于基因工程，但不能用于比目鱼 基因组测序，A 错误；将多个抗冻基因编码区相连形成的能表达的新基因不再是抗冻基因， 所以不能得到抗冻性增强的抗冻蛋白，B 正确；是重组 DNA 分子的构建过程，重组 DNA 分子通常由启动子、目的基因、终止子和标记基因构成，其中标记基因的作用是筛选重组质 粒，利用农杆菌转化法只能将质粒导入受体细胞，不能对重组质粒进行筛选，C 错误；利用 DNA 探针技术检
18、测目的基因是否导入受体细胞， 利用抗原抗体杂交技术检测目的基因是否 表达，D 错误。 4.(2019 湖州高二检测)单纯疱疹病毒胸苷激酶(HSVTK)基因是最常用的“自杀”基因，其 编码的胸苷激酶将原先对细胞无毒或毒性较低的药物前体，转化为毒性较强的活性药物，以 达到杀死肿瘤细胞的目的。如图所示为 HSVTK 基因导致的“自杀”原理，下列分析错误 的是( ) A.肿瘤细胞的形成是原癌基因选择性表达的结果 B.肿瘤细胞的“自杀”现象属于细胞凋亡 C.“自杀”基因的成功表达对邻近肿瘤细胞有毒害作用 D.向肿瘤细胞中导入 HSVTK 的治疗方法属于基因治疗 答案 A 解析 肿瘤细胞的形成是原癌基因和
19、抑癌基因发生突变的结果， A 错误； 肿瘤细胞的“自杀” 是由于导入的 HSVTK 基因编码的胸苷激酶将原先对细胞无毒或毒性较低的药物前体转化 为强毒性的活性药物，所以该现象属于细胞凋亡，B 正确；“自杀”基因的成功表达也会导 致邻近肿瘤细胞死亡，即对邻近肿瘤细胞有毒害作用，C 正确；向肿瘤细胞中导入 HSVTK 的治疗方法属于基因治疗，D 正确。 5.(2018 浙江五校联考)请回答下列有关基因工程方面的问题： (1)科学家以卡那霉素抗性基因为标记基因，将来自加州月桂的硫酯酶编码基因(te)转入双低 油菜品种中，获得了高油酸和高豆蔻酸转基因油菜新品种。在获取硫酯酶编码基因(te)的过程 中，
20、常使用_对供体的核酸分子进行特异性切割。为了提高重组 DNA 分子导入细菌的概率，一般常用_处理。最终的受体细胞表达产生_，标志着 转基因育种初步成功。 (2)下列关于基因工程的叙述正确的是( ) A.标记基因在受体细胞中的表达标志转基因育种成功 B.限制性核酸内切酶、DNA 连接酶及载体是基因工程中常用的工具酶 C.卡那霉素抗性基因的表达提高了目的基因的导入概率 D.虽然目的基因来源于自然界，但依然存在安全性问题 答案 (1)限制性核酸内切酶 氯化钙 硫酯酶 (2)D 解析 (1)获取目的基因(硫酯酶编码基因)，需用限制性核酸内切酶对含有目的基因的 DNA 片段进行酶切。重组 DNA 分子导入细菌时，一般用氯化钙处理细菌，以增加细胞壁的通透 性，提高重组 DNA 分子导入细菌的概率。基因工程完成的标志是获得目的基因产物，因此 对于本题而言， 获得硫酯酶即标志着转基因育种初步成功。 (2)标记基因(如卡那霉素抗性基因) 用于筛选含有目的基因的受体细胞，目的基因在受体细胞中表达才标志着转基因育种成功， A、C 错误；限制性核酸内切酶、DNA 连接酶是基因工程中常用的工具酶，载体是基因工程 的工具，不是工具酶，B 错误；转基因食品可能会造成过敏、基因污染等，因此依然存在安 全性问题，D 正确。