資源簡介

選修三　現(xiàn)代生物科技專題
第1講　基因工程
1．(2020·山東省淄博市高三三模)土壤農(nóng)桿菌是一種植物病原菌，它通過根部傷口侵入植物體，刺激植物在被侵入部位形成根瘤，引發(fā)根癌。根癌土壤農(nóng)桿菌質(zhì)粒的結(jié)構(gòu)如下圖所示。請回答：
(1)質(zhì)粒存在于許多細菌細胞中，是擬核外能夠自我復制的小型環(huán)狀DNA，在基因工程中常用作運載體。
(2)根癌土壤農(nóng)桿菌侵染根細胞后，質(zhì)粒上的T－DNA能轉(zhuǎn)移并整合到根細胞基因組中。被侵染的根細胞增殖形成根瘤，原理是細胞分裂素基因、生長素基因在植物根細胞內(nèi)表達，合成的細胞分裂素和生長素促進根細胞分裂和生長形成根瘤。
(3)冠癭堿中含有豐富的碳源和氮源，研究表明，根細胞及大部分微生物不能利用冠癭堿，因此，在根瘤細胞中冠癭堿的作用是為根癌土壤農(nóng)桿菌提供營養(yǎng)物質(zhì)。
(4)基因工程中所用的農(nóng)桿菌質(zhì)粒需要改造，為不破壞轉(zhuǎn)基因植物的激素平衡，同時又能運載更大的目的基因，改造時應刪除農(nóng)桿菌質(zhì)粒上的生長素基因、細胞分裂素基因(也可以多答上冠癭堿合成基因)。
[解析]　(1)質(zhì)粒存在于許多細菌細胞中，是一種裸露的、結(jié)構(gòu)簡單、獨立于細菌擬核DNA之外，并具有自我復制能力的很小的雙鏈環(huán)狀DNA分子，在基因工程中常用作運載體。(2)根癌土壤農(nóng)桿菌侵染根細胞后，質(zhì)粒上的T－DNA可轉(zhuǎn)移并整合到根細胞基因組中。由圖示可知，根癌土壤農(nóng)桿菌質(zhì)粒上的T－DNA中含有細胞分裂素基因和生長素基因，當根癌土壤農(nóng)桿菌侵染根細胞后，細胞分裂素基因、生長素基因在植物根細胞內(nèi)表達，合成的細胞分裂素和生長素促進根細胞分裂和生長，因此能夠形成根瘤。(3)冠癭堿中含有豐富的碳源和氮源，根細胞及大部分微生物不能利用冠癭堿，因此，在根瘤細胞中冠癭堿的作用是為根癌土壤農(nóng)桿菌提供營養(yǎng)物質(zhì)，有利于其生長和發(fā)揮侵染作用。(4)基因工程中所用的農(nóng)桿菌質(zhì)粒需要改造，由于受體植物本身含有生長素基因和細胞分裂素基因，為不破壞轉(zhuǎn)基因植物的激素平衡，同時又能運載更大的目的基因，改造時應刪除農(nóng)桿菌質(zhì)粒上的生長素基因、細胞分裂素基因，冠癭堿合成基因也可刪除。
2．(2021·山東省威海市文登區(qū)高三上學期期末)真核生物基因中通常有內(nèi)含子，動物和植物具有的切除內(nèi)含子對應的RNA序列的機制不同。科學家將某種魚的抗凍蛋白基因?qū)敕眩嘤瞿秃姆研缕贩N。回答下列問題：
(1)獲取抗凍蛋白基因時，需要使用限制酶，這種限制酶的專一性表現(xiàn)為能夠識別雙鏈DNA分子的某種特定核苷酸序列，并且使每一條鏈中特定部位的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開。將抗凍蛋白基因?qū)胧荏w細胞之前要構(gòu)建基因表達載體，該操作的目的是使目的基因在受體細胞中復制、穩(wěn)定存在并且可以遺傳給下一代，該步驟中常用兩種能產(chǎn)生不同黏性末端的限制酶對運載體進行切割，這樣做的優(yōu)點可以防止質(zhì)粒(運載體)自身環(huán)化。
(2)科學家構(gòu)建了這種魚的基因組文庫和cDNA文庫，兩種文庫中都含有魚的抗凍蛋白基因。若要培育耐寒的番茄，應從這種魚的cDNA文庫(“基因組文庫”或“cDNA文庫”)中篩選目的基因，不從另一種文庫中篩選的原因是從基因組文庫獲取的目的基因含有內(nèi)含子，動物和植物具有的切除內(nèi)含子對應的RNA序列的機制不同，導致目的基因在受體細胞中無法正常表達。
(3)培育出轉(zhuǎn)基因番茄植株后，需要使用放射性標記的核酸做探針進行檢測，可檢測的內(nèi)容有轉(zhuǎn)基因生物的DNA上是否插入了目的基因、目的基因是否轉(zhuǎn)錄mRNA(答出兩點)，其原理是探針序列可特異性地與目的基因及其轉(zhuǎn)錄的RNA序列堿基互補配對。
[解析]　(1)限制酶的專一性表現(xiàn)為能夠識別雙鏈DNA分子的某種特定核苷酸序列，并且使每一條鏈中特定部位的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開。構(gòu)建基因表達載體的目的是使目的基因在受體細胞中復制、穩(wěn)定存在并且可以遺傳給下一代。該步驟中常用兩種能產(chǎn)生不同黏性末端的限制酶對運載體進行切割，這樣可以防止質(zhì)粒(運載體)自身環(huán)化。(2)從基因組文庫獲取的目的基因含有內(nèi)含子，動物和植物具有的切除內(nèi)含子對應的RNA序列的機制不同，導致目的基因在受體細胞中無法正常表達，故若要培育耐寒的番茄，應從這種魚的cDNA文庫中獲取。(3)培育出轉(zhuǎn)基因番茄植株后，需要使用放射性標記的核酸做探針檢測轉(zhuǎn)基因生物的DNA上是否插入了目的基因、目的基因是否轉(zhuǎn)錄mRNA，其原理是探針序列可特異性地與目的基因及其轉(zhuǎn)錄的RNA序列堿基互補配對。
3．(2020·廣東高考模擬)回答下列基因工程的相關(guān)問題：
(1)基因工程中，闡明遺傳信息流動方向的基礎(chǔ)理論是中心法則；自然界中的原核生物容易受到外源DNA的入侵，但依然可以達到保護自身的目的，這為人們尋找限制性核酸內(nèi)切酶(答基因工程的工具)提供了啟示。質(zhì)粒作為基因工程的載體，應具備的基本條件：能夠自我復制、具有標記基因和一個至多個酶切位點。
(2)動物和植物中內(nèi)含子的剪接系統(tǒng)不同，如果要將一個來自動物且含有內(nèi)含子的目的基因轉(zhuǎn)入植物中進行表達，只能用該基因的cDNA(mRNA反轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的互補DNA)。利用乳腺生物反應器批量生產(chǎn)藥物時，需要將藥用蛋白基因與乳腺蛋白基因的啟動子等調(diào)控組件重組在一起，才能最終實現(xiàn)目的基因的表達。
(3)基因工程中，某些噬菌體經(jīng)改造后可以作載體，其DNA復制所需的原料來自于受體細胞。
(4)用目的基因的片段作為探針，在基因工程中可以檢測目的基因是否插入到染色體DNA中，目的基因是否轉(zhuǎn)錄出mRNA。
[解析]　(1)細胞內(nèi)，遺傳信息流動方向概括為中心法則，所以基因工程也是以中心法則闡明遺傳信息的流動方向為理論基礎(chǔ)的。細胞內(nèi)能破壞外來DNA和自身損傷的DNA的物質(zhì)是限制酶，原核生物也不例外。所以在自然界中的原核生物的細胞內(nèi)存在限制酶。質(zhì)粒作為基因工程的載體，應具備的基本條件：能夠自我復制、具有標記基因和一個至多個酶切位點。(2)由于動物和植物中內(nèi)含子的剪接系統(tǒng)不同，所以希望跨物種轉(zhuǎn)入的基因能得到表達，只能用該基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA作為模板，通過反轉(zhuǎn)錄得到的cDNA片段。利用乳腺生物反應器批量生產(chǎn)藥物時，希望動物乳腺細胞內(nèi)合成的藥物能隨乳汁分泌，需要將藥用蛋白基因與乳腺蛋白基因的啟動子等調(diào)控組件重組在一起，才能最終實現(xiàn)目的基因的表達并分泌。(3)由于噬菌體沒有細胞結(jié)構(gòu)，所以基因工程中用某些噬菌體作載體，其DNA復制所需的原料、能量和酶等都來自于受體細胞。(4)用目的基因的片段作為探針，在基因工程中可以檢測目的基因是否插入到染色體DNA中以及目的基因是否轉(zhuǎn)錄出mRNA，其原理都是利用核酸分子雜交技術(shù)。
4．(2020·四川高考模擬)如圖是從酵母菌中獲取某種酶基因的流程示意圖。回答下列問題：
(1)從圖示流程可知，目的基因可以從基因文庫中獲取。
(2)圖中基因組文庫大于(填“大于”“等于”或“小于”)cDNA文庫。B過程所需的酶是逆轉(zhuǎn)錄酶。
(3)將該目的基因?qū)胫参锛毎ǔ２捎玫姆椒ㄊ寝r(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法；導入微生物細胞，通常采用Ca2＋處理細胞，使之轉(zhuǎn)化為感受態(tài)細胞。
(4)檢測目的基因是否翻譯出蛋白質(zhì)可采用抗原－抗體雜交技術(shù)。導入細菌受體細胞中的目的基因成功表達的標志是細菌細胞中提取到相應蛋白質(zhì)。
[解析]　(1)由圖可知，目的基因可以從基因文庫(基因組文庫或cDNA文庫)中獲取。(2)基因組文庫包括了該種生物所有的基因，而部分基因文庫只包含一種生物的部分基因，因此基因組文庫大于cDNA文庫。B表示逆轉(zhuǎn)錄過程，需要逆轉(zhuǎn)錄酶。
(3)將該目的基因?qū)胫参锛毎Ｓ棉r(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法；將目的基因?qū)胛⑸锛毎Ｓ酶惺軕B(tài)細胞轉(zhuǎn)化法，即用Ca2＋
處理細胞，使之轉(zhuǎn)化為感受態(tài)細胞。
(4)檢測目的基因是否翻譯出蛋白質(zhì)可用抗原－抗體雜交技術(shù)，導入細菌受體細胞中的目的基因成功表達的標志是細菌細胞中提取到相應蛋白質(zhì)。
5．(2020·陜西高考模擬)研究人員發(fā)現(xiàn)，從錐形蝸牛體內(nèi)提取出的毒液有望幫助人類開發(fā)出超級速效的胰島素。他們研究表明錐形蝸牛毒蛋白(Con－Ins
GI)能加速受體細胞信號轉(zhuǎn)換，比人類胰島素更加快速的發(fā)揮作用。因此制造這類“速效胰島素”以及利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)實現(xiàn)批量生產(chǎn)成為I型糖尿病治療的新思路。請回答下列問題：
(1)利用基因工程制造這種速效胰島素過程中，構(gòu)建基因表達的載體一般包括目的基因、啟動子、標記基因、終止子和復制原點，標記基因的作用是鑒別和篩選含有目的基因的細胞。
(2)為了獲得目的基因可以通過提取分析毒蛋白中的氨基酸序列推知毒蛋白基因的核苷酸序列，再用DNA合成儀直接大量合成。基因工程中需要DNA連接酶，根據(jù)酶的來源不同分為E·coliDNA連接酶和T4DNA連接酶兩類。
(3)將人工合成的目的基因?qū)氪竽c桿菌體內(nèi)，一般先用藥物處理大腸桿菌使之成為感受態(tài)細胞，再將重組DNA溶于緩沖液中與該類細胞融合，在一定溫度下促進細胞吸收重組DNA分子完成轉(zhuǎn)化過程。
(4)經(jīng)過目的基因的檢測和表達，獲得的Con－Ins
GI毒蛋白活性未能達到期待的“速效胰島素”的生物活性，導致這種差異的原因可能是大腸桿菌中基因表達獲得的蛋白質(zhì)未加工。
[解析]　(1)構(gòu)建的表達載體含有目的基因(速效胰島素基因)、標記基因、啟動子及終止子等，其中啟動子、終止子也是一段DNA分子，標記基因的作用是鑒別和篩選含有目的基因的細胞。(2)目的基因的獲取可采用的方法有：原核基因采取直接分離獲得，真核基因是人工合成。人工合成目的基因的常用方法有反轉(zhuǎn)錄法和化學合成法。為了獲得目的基因可以通過提取分析Con－Ins
Gl毒蛋白中的氨基酸序列推知毒蛋白基因的核苷酸序列，再用DNA合成儀直接大量合成。基因工程中需要DNA連接酶，根據(jù)酶的來源不同分為E·coliDNA連接酶和T4DNA連接酶兩類。(3)將人工合成的目的基因?qū)氪竽c桿菌體內(nèi)，一般先用藥物處理大腸桿菌使之成為感受態(tài)細胞，再將重組DNA溶于緩沖液中與該類細胞融合，在一定溫度下促進細胞吸收重組DNA分子完成轉(zhuǎn)化過程。(4)經(jīng)過目的基因的檢測和表達，獲得的Con－Ins
Gl毒蛋白活性未能達到期待的“速效胰島素”的生物活性，導致這種差異的原因可能是大腸桿菌屬于原核生物，其細胞中不含內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體，基因表達獲得的蛋白質(zhì)未加工。
6．(2021·蕪湖市高三期末理綜)國際水稻研究所人員從產(chǎn)量低的耐淹水稻中找到一種耐淹基因，將其移入到高產(chǎn)熱帶水稻中，終于培育出耐淹的高產(chǎn)水稻品系，其產(chǎn)量比高產(chǎn)熱帶水稻產(chǎn)量還要高。耐淹基因移入的方法可通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)實現(xiàn)。請回答下列相關(guān)問題：
(1)為培育耐淹的高產(chǎn)水稻品系，應需將耐淹基因進行體外擴增。在PCR反應體系中加入了熱穩(wěn)定DNA聚合酶、引物等，還加入耐淹基因作為模板，加入dNTP(dATP、dTTP、dGTP、dCTP)作為合成DNA的原料。
(2)質(zhì)粒常被用作運載體，因為質(zhì)粒具有能在宿主細胞內(nèi)復制并穩(wěn)定存在；具有多個限制酶切位點，便于目的基因插入；具有標記基因，便于檢測和篩選(答2點即可)。構(gòu)建耐淹基因的質(zhì)粒表達載體時，常用不同的限制酶對耐淹基因和質(zhì)粒進行切割，目的是減少耐淹基因及質(zhì)粒的自身環(huán)化、增大耐淹基因正向(正確)連接的概率。
(3)根據(jù)耐淹基因表達的蛋白質(zhì)，研究人員通過對它的氨基酸序列設(shè)計并人工合成耐淹基因。與水稻的耐淹基因相比，人工合成的耐淹基因在結(jié)構(gòu)上缺少了啟動子、終止子和內(nèi)含子。雖然兩種基因轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物不同，但最終表達出相同的蛋白質(zhì)，可能的原因是密碼子具有簡并性。
(4)蛋白質(zhì)工程中，要對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計改造，必須通過基因修飾或基因合成來完成，而不直接改造蛋白質(zhì)的原因是改造基因易于操作且改造后能夠遺傳。
[解析]　(1)利用PCR技術(shù)在體外擴增耐淹基因(目的基因)時，在PCR反應體系中除了加入熱穩(wěn)定DNA聚合酶、引物等外，還加入耐淹基因作為模板，加入dNTP(dATP、dTTP、dGTP、dCTP)作為合成DNA的原料。(2)
質(zhì)粒被用作運載體，應具備的條件有：能在宿主細胞內(nèi)復制并穩(wěn)定存在；具有多個限制酶切位點，便于目的基因插入；具有標記基因，便于檢測和篩選。構(gòu)建耐淹基因的質(zhì)粒表達載體時，用不同的限制酶對耐淹基因和質(zhì)粒進行切割，可以減少耐淹基因及質(zhì)粒的自身環(huán)化、使耐淹基因定向連接到質(zhì)粒上，以增大耐淹基因正向(正確)連接的概率。(3)
與水稻的耐淹基因相比，根據(jù)耐淹基因表達的蛋白質(zhì)的氨基酸序列推測出的mRNA分子中，缺乏與基因中的啟動子、終止子和內(nèi)含子相對應的堿基序列，據(jù)此設(shè)計并人工合成的耐淹基因在結(jié)構(gòu)上缺少了啟動子、終止子和內(nèi)含子。由于密碼子具有簡并性，雖然兩種基因轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物不同，但最終能夠表達出相同的蛋白質(zhì)。(4)由于直接改造的蛋白質(zhì)不能遺傳，而改造基因易于操作且改造后能夠遺傳，所以在蛋白質(zhì)工程中，要對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計改造，必須通過基因修飾或基因合成來完成，而不直接改造蛋白質(zhì)。
7．(2020·陜西高考模擬)通過基因工程利用小球藻生產(chǎn)人胰島素能克服利用細菌生產(chǎn)時的諸多不利影響。小球藻可大規(guī)模種植，并且所生產(chǎn)的胰島素可以直接用于醫(yī)療和保健，該技術(shù)能提高小球藻的藥用價值，形成高附加值的生物技術(shù)產(chǎn)品，同時也能降低醫(yī)用蛋白的價格，使人胰島素的應用得到普及。回答下列問題：
(1)基因工程中的目的基因可以從自然界中原有的物種中獲得，也可以利用人工化學合成的方法獲得目的基因。將目的基因?qū)胫参锛毎淖畛Ｓ梅椒ㄊ寝r(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法。
(2)在生物體外常用PCR技術(shù)來擴增目的基因。在PCR體系中需要加入dNTP(dATP、dTTP、dGTP、dCTP)，dNTP脫去兩個磷酸后形成的物質(zhì)能作為DNA合成的原料，則dATP和ATP在組成成分上的差別是構(gòu)成dATP的五碳糖是脫氧核糖，構(gòu)成ATP的五碳糖是核糖。在PCR體系中不需要(填“需要”或“不需要”)加入ATP。
(3)某PCR體系中用到的引物序列是
GGCCATT
和CCGGTAA，這兩種引物設(shè)計是否合理？不合理(填“合理”或“不合理”)，理由是兩種引物之間能夠發(fā)生堿基互補配對，會降低引物的使用效率。
(4)利用小球藻合成的人胰島素和利用細菌合成的人胰島素在空間結(jié)構(gòu)上存在較大差異，其原因是小球藻是真核生物，其細胞中的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體能對人胰島素進行加工，而細菌則不能。
[解析]　(1)基因工程所需的目的基因除可以從自然界中原有的物種中獲得外，還可以利用人工化學合成的方法獲得目的基因。將目的基因?qū)胫参锛毎淖畛Ｓ梅椒ㄊ寝r(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法。(2)在生物體外常用PCR技術(shù)來擴增目的基因。在PCR體系中需要加入dNTP(dATP、dTTP、dGTP、dCTP)，dNTP脫去兩個磷酸后形成的物質(zhì)能作為DNA合成的原料，則dATP的含義是脫氧三磷酸腺苷，而ATP的含義是三磷酸腺苷，二者在化學組成成分上的差別是前者所含的五碳糖是脫氧核糖，后者所含的五碳糖是核糖。由于每種原料中都含有高能磷酸鍵，所以在PCR體系中不需要再加入ATP分解供能了。(3)如果在PCR體系中加入的兩種引物序列是
GGCCATT
和CCGGTAA，二者之間剛好能夠發(fā)生堿基互補配對，這樣會降低引物的使用效率，所以用這樣兩種序列作為引物是不合理的。(4)小球藻是真核生物，細胞內(nèi)有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體等加工分泌蛋白的細胞器，而細菌是原核生物，細胞沒有具有膜結(jié)構(gòu)的細胞器，所以利用小球藻合成的人胰島素和利用細菌合成的人胰島素在空間結(jié)構(gòu)上存在較大差異。
8．(2021·六盤水市第七中學高三月考)科學家通過基因工程方法，將蘇云金芽孢桿菌的Bt毒蛋白基因轉(zhuǎn)入普通棉株細胞內(nèi)，并成功實現(xiàn)了表達，從而培育出了能抗棉鈴蟲的棉花植株——抗蟲棉。其過程大致如圖所示：
(1)基因工程的操作程序中的核心步驟是：基因表達載體的構(gòu)建，需要的工具酶有限制性核酸內(nèi)切酶(限制酶)
和DNA連接酶。
(2)Ti質(zhì)粒是農(nóng)桿菌中的一種質(zhì)粒，其上有T－DNA，能把目的基因插入Ti質(zhì)粒的T－DNA中是利用了T－DNA可轉(zhuǎn)移至受體細胞并且整合到受體細胞染色體的DNA上的特點。
(3)Bt毒蛋白基因轉(zhuǎn)入普通棉株細胞中并成功實現(xiàn)表達的過程，在基因工程中稱為轉(zhuǎn)化。
(4)將目的基因?qū)胧荏w細胞的方法有很多種，該題中涉及的是農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法。
(5)目的基因能否在棉株體內(nèi)穩(wěn)定維持和表達其遺傳特性的關(guān)鍵是目的基因是否插入受體細胞染色體的DNA上，這需要通過檢測才能知道，檢測采用的方法是DNA分子雜交。
[解析]　(1)基因表達載體的構(gòu)建是基因工程的核心步驟；工具酶包括限制酶和DNA連接酶。(2)農(nóng)桿菌中的Ti質(zhì)粒上的T－DNA具有可轉(zhuǎn)移至受體細胞，并且整合到受體細胞染色體的DNA上的特點，因此可以用來導入目的基因。(3)Bt毒蛋白基因轉(zhuǎn)入普通棉株細胞內(nèi)并成功實現(xiàn)了表達的過程，在基因工程中稱為轉(zhuǎn)化。(4)本題中將目的基因?qū)胧荏w細胞的方法是農(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法。(5)目的基因是否插入到受體細胞染色體DNA上是目的基因能否在棉株體內(nèi)穩(wěn)定遺傳的關(guān)鍵，可通過DNA分子雜交技術(shù)進行檢測。

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