1、第第 1 节节 基因工程的基本原理和技术基因工程的基本原理和技术 目标导读 1.阅读教材 P6667内容，阐明基因工程的概念、特点及理论基础。2.结合教材 P68图 44、P69图 45，理解 DNA 分子的切割技术和连接技术。3.分析教材 P7071图文， 认识 DNA 分子的运输工具运载体。 重难点击 1.基因工程的概念、特点及理论基础。2.DNA 分子的切割技术、连接技术及运 载工具。 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
2、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！ 解决学生疑难点 _ _ 一、基因工程的概述 1.基因工程的概念 基因工程也叫 DNA 重组技术，它是在分子水平上进行的一种外科手术式的遗传操作，借助 于实验室的技术，将某种生物的基因或基因组提取出来，在生物体外进行加工改造或重新组 合，再转移到另一种生物中去，从而定向地改变生物的遗传特性，创造出新型的生物。 2.基因工程研究的理论基础 理论基础 操作技术 DNA 是主要的遗传物质，是生物大分子 提取 DNA 和对 DNA 分子在体外进
3、行 遗传操作 DNA 进行半保留复制 异源 DNA 片段连接后可在体内或者 体外扩增 “中心法则”和操纵子学说、遗传密码的通用性 不同生物间基因转移和表达 根据基因工程的基本原理分析回答： 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重组，并且方向性强，可以定向地改变生物的性状。 2.分析不同生物的 DNA 分子能拼接起来的原因。 答案 基本组成单位相同：都是四种脱氧核糖核苷酸；双链 DNA 分子的空间结构相同：都 是规则的双螺旋结构。 3.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
4、原因是什么？ 答案 生物界共用一套遗传密码，相同的遗传信息在不同生物体内表达出相同的蛋白质。 1.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 都是由四种脱氧核糖核苷酸构成的，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
5、密码 子决定相同的氨基酸，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 是四种脱氧核糖核苷酸，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、DNA 分子的切割技术和连接技术 1.DNA 分子的切割技术 (1)工具：限制性内切酶(限制酶)。 (2)来源：主要存在于微生物中。 (3)限制性内切酶的功能特点 会识别 DNA 上某种核苷酸的特定序列和位置。 在特定序列中的特定位点将 DNA 切开。 (4)实例：限制性内切酶 EcoR 只能识别 G
6、AATTC 序列的位点，并且在 G 和 A 之间将这段 DNA 序列切开。 切开的 DNA 两条单链的切口之间正好互补配对，这样的切口叫做黏性末端。 2.DNA 分子的连接技术 (1)工具：DNA 连接酶。 (2)作用 用同一种限制酶分别把两种不同来源的 DNA 切成片段，混合后它们就会通过黏性末端互 相识别，自动靠拢，进行碱基配对。 末端与末端之间留有的空隙则靠 DNA 连接酶进行“缝合”，如图。 归纳总结 限制性内切酶的作用是切割识别特定的核苷酸序列的两个核苷酸之间的磷酸二 酯键。DNA 连接酶的作用是催化两条 DNA 链之间形成磷酸二酯键，从而将相邻的脱氧核糖 核苷酸连接起来，而不是连接
7、互补碱基之间的氢键。 下图为 DNA 分子的切割和连接过程，请据图分析： 1.限制性内切酶 EcoR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。 2.由图可知 DNA 连接酶的作用部位是“”还是“”，形成了什么化学键？ 答案 DNA 连接酶的作用部位是，形成了磷酸二酯键。 3.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 核糖核苷酸加到已有的 DNA 片段上。 2.下表为常用的限制性内切酶(限制酶)及
8、其识别序列和切割位点， 由此推断以下说法中， 正确 的是( ) 限制性内切酶 识别序列和切割位点 限制性内切酶 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 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，
9、A 项错误；限制酶切割后能形成黏性末端或平末端，如限制酶 Hind切割后露出平末端，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切割后露出的黏性末端相同，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。 题后归纳 (1)DNA 连接酶与 DNA 聚合酶的比较 比较项目 DNA 连接酶 DNA 聚合酶 相同点 催化两个脱氧核糖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 过程 在两个 DNA 片段之间形成磷酸二 酯键 将单个核苷酸加到已存在的核酸 片段的 3端的羟基上，形成
10、磷酸 二酯键 对象 游离的 DNA 片段 单个的脱氧核糖核苷酸 作用结果 形成完整的 DNA 分子 形成 DNA 的一条链 用途 基因工程 DNA 复制 (2)四种酶的作用部位 限制性内切酶、DNA 连接酶、DNA 聚合酶作用于部位，DNA 解旋酶作用于部位。 三、DNA 分子的运载工具 1.作为运载体的条件 (1)能够比较自由地进出细胞，并能在细胞内自我复制。 (2)能使带进去的 DNA 在细胞里面进行复制，并且保持原有特性。 (3)具有某些简单的特性，如抗药性、免疫性等，供重组 DNA 的鉴定和选择。 2.运载体的种类 质粒、噬菌体、动植物病毒，最理想的运载体是质粒。 3.质粒 (1)来源
11、：细菌等生物。 (2)本质：细菌染色体外的一种很小的环状 DNA 分子。 (3)特点：能够自我复制，带有某些抗性基因(报告基因)，能够在细胞间钻进穿出。 归纳总结 质粒上还应具有一个或者多个限制性内切酶的识别序列和切割位点， 以便连接上 外源 DNA， 天然的质粒很难具有上述的所有条件， 因此基因工程中使用的质粒往往是人为加 工过的。 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： 1.a 代表的物质和质粒都能进行自我复制，它们的化学本质是什么？ 答案 化学本质都是 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
12、性内切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。 3.质粒之所以能做基因工程的载体，是由于它( ) A.含蛋白质，从而能完成生命活动 B.能够自我复制，且能保持连续性 C.含 RNA，能够指导蛋白质的合成 D.具有环状结构，能够携带目的基因 答案 B 解析 质粒存在于细菌和酵母菌等生物中，是一种很小的环状 DNA 分子，其上有报告基因，
13、便 于检测。质粒在受体细胞中，能随受体细胞DNA 的复制而复制，进行目的基因的扩增和表达。 4.质粒是基因工程最常用的运载体，下列关于质粒的说法正确的是( ) A.质粒在宿主细胞内都要整合到染色体 DNA 上 B.质粒是独立于细菌拟核 DNA 之外的小型细胞器 C.基因工程使用的质粒一定含有标记基因和复制原点 D.质粒上碱基之间数量存在 AGUC 答案 C 解析 基因工程使用的运载体需有一至多个酶切位点，具有自我复制的能力，有标记基因， 对受体细胞安全，且分子大小适合。质粒进入宿主细胞后不一定都要整合到染色体 DNA 上， 如宿主细胞是细菌细胞则不需整合。质粒是小型环状双链 DNA 分子而不是
14、细胞器，也不会 有碱基 U。 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：将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，没被杀死的是具有抗性的受 体细胞，含有目的基因的细胞得以筛选。 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.工具酶和运载体的发现使基因工程的实施
15、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.下列黏性末端可能由同一种限制酶切割而成的是( ) A. B. C. D. 答案 B 解析 只有和两个黏性末端的碱基是互补的，可能是由同一种限制酶切割而成的。 3.DNA 连接酶的重要功能是( ) A.DNA 复制时催化母链与子链之间形成氢键 B.连接黏性末端的碱基之间的化学键 C.将两条 DNA 片段末端之间的缝隙连接起来 D.催化 DNA 片段与单个核苷酸之间形成磷酸二酯键 答案 C 解析 DNA
16、连接酶的作用只是催化 DNA 片段的“缝合”，即恢复被限制酶切开的两个核苷 酸之间的磷酸二酯键；它不能催化氢键的形成，也不能使已有的 DNA 片段与单个核苷酸之 间形成磷酸二酯键。 4.作为基因的运输工具基因的运载体，必须具备的条件之一及理由是( ) A.能够在宿主细胞中稳定地保存下来并大量复制，以便提供大量的目的基因 B.具有一个至多个限制酶切点，以便于目的基因的表达 C.具有某些报告基因，以便为目的基因的表达提供条件 D.能够在宿主细胞中复制并稳定保存，以便于进行筛选 答案 A 解析 作为运载体要携带目的基因进入受体细胞并使之表达，必须能够在宿主细胞内稳定地 保存并大量复制，以便通过复制提
17、供大量的目的基因。同时要具有某些报告基因，是为了通 过报告基因是否表达来判断目的基因是否进入了受体细胞，从而对受体细胞进行筛选。运载 体要具有一个至多个限制酶切点，则是为了便于与外源基因连接。 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。 科学家运用这一技术使羊 奶中含有人体蛋白质，下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”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_。人的蛋白 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(限制性内切酶) 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 运载体 质粒、动植物病毒、噬菌体等 解析 基因工程所用的工具酶是限制酶(限制性内切酶)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，离不开运载体的协助，基因工程中常用的运载体除质粒外，还有动植物病毒、噬 菌体等。
