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(共56張PPT)
專題二十四 基因工程與細胞工程
REPORT
考情分析
1.考查內容：考查內容集中在基因工程特殊工具的作用和特點、基因工程操作步驟以及基因工程在工農業生產和實踐方面的應用、植物細胞工程和動物細胞工程，其中限制酶的種類和作用是基因工程的難點。
2.命題規律：考查方式上，多以最新科技信息材料的形式，且基因工程結合細胞工程和胚胎工程進行考查。
3.備考策略
試題多通過分析社會熱點話題中的轉基因技術方案，體現對科學探究素養的考查。復習時應注意加強與細胞工程、胚胎工程的橫向聯系。
網絡構建
考點清單
一、基因工程的概念和特點
（1）概念：基因工程是指按照人們的愿望，進行嚴格的設計，并通過體外DNA重組和轉基因等技術，賦予生物以新的遺傳特性，從而創造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產品。由于基因工程是在DNA分子水平上進行設計和施工的，因此又叫作DNA重組技術。
（2）基因工程得以實現的理論基礎：
①所有生物的DNA都是以4種脫氧核苷酸為基本組成單位，構成獨特的雙螺旋結構，這為不同種生物DNA的成功拼接提供了物質基礎。
②所有生物共用一套遺傳密碼子，為某種生物的基因能夠在其他生物細胞內指導蛋白質的合成提供了可能。
（3）基因工程育種區別于傳統育種方法的最明顯的特點是分子水平的改造和定向性。
考點清單
二、基因工程的工具
1.限制性核酸內切酶（限制酶）——“分子手術刀”
（1）存在：主要在原核生物中。
（2）作用：識別雙鏈DNA分子的某種特定核苷酸序列，并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。
（3）形成末端類型
在識別序列中心軸線兩側切開→黏性末端
在識別序列中心軸線處切開→平末端
（4）特點：大多數限制酶的識別序列由6個核苷酸組成，具有一定的特異性。
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2.DNA連接酶——“分子縫合針”
（1）作用：將雙鏈DNA片段“縫合”起來，恢復被限制酶切開的兩個核苷酸間的磷酸二酯鍵。
（2）種類：根據連接酶的來源可將其分為E·coli DNA連接酶（來自大腸桿菌）和T4DNA連接酶（來自T4噬菌體）兩類。
常用類型 E· coli DNA連接酶 T4 DNA連接酶
來源 大腸桿菌 來自T4噬菌體
功能 連接黏性末端 連接黏性末端或平末端（效率低）
結果 恢復被限制酶切開的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵
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3.載體——“分子運輸車”
（1）載體的功能
①作為運載工具，將外源基因（即目的基因）轉移到受體細胞中去。
②利用它能使目的基因在受體細胞內進行大量的復制（稱為克隆）。
（2）作為載體需具備的條件
①能在宿主細胞內大量復制并穩定地保存，且保持原有特性。
②具有一個至多個限制酶切割位點，以供外源DNA片段（即目的基因）插入其中，而且每種酶的切割位點最好只有一個。
③有特殊的標記基因（如抗生素抗性基因），供重組DNA的鑒定和選擇。
④對受體細胞無毒害，可自由出入細胞。
（3）常用載體
①質粒：質粒存在于細菌、放線菌、酵母菌中，含控制質粒DNA轉移的基因。是一種裸露的、結構簡單、獨立于細菌擬核DNA之外，并具有自我復制能力的小型雙鏈環狀DNA分子。
②λ噬菌體衍生物和動植物病毒等。
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三、基因工程的基本操作程序
1.目的基因的獲取（3種方法）
（1）從基因文庫中獲取目的基因
文庫類型 cDNA文庫 基因組文庫
文庫大小 小 大
基因中啟動子 無 有
基因中內含子 無 有
基因多少 某種生物的部分基因 某種生物的全部基因
物種間的基因交流 可以 部分基因可以
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（2）人工合成目的基因
（3）利用PCR技術擴增目的基因
①原理：DNA復制。
②前提：已知目的基因的一段核苷酸序列，以便根據這一序列合成引物。
③條件：DNA模板、引物（2種）、熱穩定DNA聚合酶和4種脫氧核苷酸。
④擴增過程
變性：當溫度上升到90℃以上時，雙鏈DNA解聚為單鏈。
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復性：溫度下降到50℃左右，兩種引物通過堿基互補配對與兩條單鏈DNA結合。
延伸：72℃左右時，Taq DNA聚合酶活性高，可使DNA新鏈由5′端向3′端延伸。
⑤結果：上述三步反應完成后，一個DNA分子就變成了兩個DNA分子，隨著重復次數的增多，DNA分子就以指數形式擴增（均為2n，其中n為擴增循環的次數）。PCR的反應過程都是在PCR擴增儀中完成的。
2.基因表達載體的構建—基因工程的核心
（1）目的：使目的基因在受體細胞中穩定存在，并且可以遺傳給下一代，同時使目的基因能夠表達和發揮作用
（2）基因表達載體的組成
目的基因：外源DNA分子的有效片段。
復制原點：載體自我復制的起點。
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啟動子：RNA聚合酶識別和結合部位，驅動基因轉錄。
終止子：RNA聚合酶脫離部位，終止轉錄。
標記基因：鑒別受體細胞中是否含有目的基因。
（3）構建過程
（4）構建結果：由于目的基因的兩端和載體具有相同的黏性末端，所以有三種可能的結果：目的基因的兩端可能結合形成環狀DNA；載體的兩個末端重新結合形成環狀DNA；目的基因與載體的黏性末端結合形成重組質粒。
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3.將目的基因導入受體細胞（3種方法）
生物種類 植物細胞 動物細胞 微生物細胞
常用方法 農桿菌轉化法 顯微注射法 Ca2+參與的轉化法（感受態細胞法）
受體細胞 體細胞或受精卵 受精卵 原核細胞
過程 將目的基因插入Ti質粒的T-DNA上→導入農桿菌→侵染植物細胞→整合到受體細胞的染色體DNA上→表達 基因表達載體顯微注射形成受精卵，發育新性狀個體 Ca2+處理細胞→感受態細胞→重組表達載體與感受態細胞混合→感受態細胞吸收DNA分子
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4.目的基因的檢測與鑒定
項目 步驟 檢測內容 方法 結果顯示
分子水平檢測 第一步 轉基因生物染色體的DNA上是否插入了目的基因 DNA分子雜交技術（轉基因生物的基因組DNA與帶有目的基因DNA片段的分子探針雜交） 出現雜交帶則表明目的基因已插入
第二步 目的基因是否轉錄出mRNA 分子雜交技術（轉基因生物中的mRNA與帶有目的基因DNA片段的分子探針雜交） 出現雜交帶則表明目的基因已轉錄
第三步 目的基因是否翻譯成蛋白質 抗原—抗體雜交（轉基因生物的蛋白質與相應的抗體雜交） 出現雜交帶則表明目的基因已形成蛋白質產品
個體水平鑒定 抗蟲、抗病轉基因生物需要進行抗蟲、抗病的接種實驗，以確定是否有抗性以及抗性的程度：有的基因工程產品需要與天然產品的功能進行活性比較，以確定轉基因產品的功能活性是否與天然產品相同
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四、基因工程的應用
1.動物基因工程：用于提高動物生長速度從而提高產品產量用于改善畜產品品質；用轉基因動物生產藥物；用轉基因動物作器官移植的供體等
2.植物基因工程：培育抗蟲轉基因植物、抗病轉基因植物和抗逆轉基因植物；利用轉基因改良植物的品質。
（1）動物基因工程的實施主要是為了改善畜產品的品質，不是為了產生體型巨大的個體。
（2）用基因工程生產的藥品，從化學成分上分析都應該是蛋白質類。
3基因診斷與基因治療
（1）基因診斷：又稱為DNA診斷，是采用基因檢測的方法來判斷患者是否出現了基因異常或攜帶病原體。
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（2）基因治療
①概念：把正常基因導入病人體內，使該基因的表達產物發揮功能，從而達到治療疾病的目的
②成果：將腺苷酸脫氨酶基因轉入取自患者的淋巴細胞中，使淋巴細胞能產生腺苷酸脫氨酶，然后，再將這種淋巴細胞轉入患者體內，從而治療復合型免疫缺陷癥
③途徑：分為體內途徑和體外途徑。
基因治療的體內治療：將基因通過載體直接送入人體內受體細胞的治療方法。
基因治療的體外治療（回輸）：將病人的部分組織或細胞取出，在體外培養導入帶有治療作用的基因后，再回輸入體內。
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五、蛋白質工程
1.蛋白質工程崛起的緣由
（1）基因工程的實質：將一種生物的基因轉移到另一種生物體內，后者可以產生它本不能產生的蛋白質，進而表現出新的性狀。
（2）基因工程的不足：在原則上只能產生自然界已存在的蛋白質。
（3）蛋白質工程的基礎：基因工程。
（4）蛋白質工程的目標
根據人們對蛋白質功能的特定需求，對蛋白質的結構進行分子設計與改造，對現有蛋白質進行改造或造一種新的蛋白質，產生人們所需要的蛋白質。
2.蛋白質工程的基本原理
基礎：蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系
考點清單
手段：基因修飾或基因合成。
目的：合成滿足人類生產和生活需求的蛋白質。
3.蛋白質工程的基本途徑
預期蛋白質的功能
↓
設計預期的蛋白質結構
↓
推測應有的氨基酸序列
↓
找到相對應的脫氧核苷酸序列
考點清單
4.蛋白質工程的主要障礙
蛋白質發揮功能必須依賴于正確的高級結構，這種高級結構十分復雜，目前科學家對大多數蛋白質的高級結構的了解還不夠，要設計出更符合人類需要的蛋白質還要經過艱辛的探索。
六、細胞工程的概念與理論基礎
1.細胞工程
（1）操作水平：細胞水平或細胞器水平
（2）目的：按照人的意愿來改變細胞內的遺傳物質或獲得細胞產品。
2.細胞的全能性
（1）概念：具有某種生物全部遺傳信息的任何一個細胞，都具有發育成完整生物體的潛能。
考點清單
（2）原理：細胞內含有本物種的全套遺傳信息。
（3）全能性表達條件：具有完整的細胞結構，處于離體狀態提供一定的營養、激素和其他適宜外界條件。
（4）細胞全能性大小與細胞分化程度成反比。
（5）全能性大小
①植物細胞：受精卵>生殖細胞>體細胞
②動物細胞：受精卵>生殖細胞>體細胞核（動物細胞全能性受限制，但細胞核具有全能性）
3.細胞工程的分類
（1）按照操作（研究）對象的不同，細胞工程可分為植物細胞工程和動物細胞工程兩大領域。
考點清單
①植物細胞工程通常采用的技術手段有植物組織培養技術和植物體細胞雜交技術。這些技術的理論基礎是植物細胞的全能性。
②動物細胞工程一般包括動物細胞培養、動物細胞核移植、動物細胞融合等技術。其中動物細胞培養是動物細胞工程的基礎。
（2）根據所使用技術的不同，細胞工程主要包括植物組織培養、細胞融合細胞核移植、染色體工程等內容。
七、植物組織培養
1.原理：植物細胞的全能性。
2.概念理解
（1）培養對象：離體的植物器官、組織、細胞
（2）培養條件：
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①離體狀態；
②營養物質：包括有機營養和無機營養；
③激素：主要是生長素和細胞分裂素；
④適宜的外界條件。
（3）培養結果：產生愈傷組織、叢芽（或叢根、胚狀體），最終形成完整植株。
3.操作流程
考點清單
4.植物組織培養過程中應注意的問題
①滅菌：培養基及所有實驗用具都要嚴格滅菌；接種過程及繼代培養的轉移要在無菌條件下操作。
②嚴格控制光照：在愈傷組織的誘導階段往往需要暗培養，因為在無光條件下，愈傷組織長得更快，有光則容易分化產生維管等組織；在分化再生階段一定要有光照，否則形成的試管苗不能合成葉綠素。
③植物激素比值的控制：生長素和細胞分裂素之間的用量比能調節芽和根的形成。生長素用量比細胞分裂素用量，比值高時，有利于根的分化、抑制芽的形成；比值低時，有利于芽的分化、抑制根的形成；比值適中時，促進愈傷組織的形成。
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八、植物體細胞雜交
1.概念
（1）概念：植物體細胞雜交技術是指將不同種的植物體細胞，在一定條件下融合成雜種細胞，并把雜種細胞培育成新的植物體的技術。
（2）原理：原生質體融合的過程利用了細胞膜的流動性，雜種細胞發育成雜種植株利用了細胞的全能性
2.操作流程
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3.意義：克服不同種生物遠緣雜交的不親和性
4.植物體細胞雜交育種的優點和局限性
（1）優點：植物體細胞雜交的最大突破是克服了遠緣雜交不親和的種間或屬間障礙。
（2）局限性：由于目前仍有許多理論和技術問題沒有解決，尚不能讓雜種植株按照人們的需要表現出親代的優良性狀。
九、植物組織培養技術的實踐應用
1.植物繁殖的新途徑
（1）微型繁殖：優點是繁殖快，并可保持親本的優良性狀。
（2）作物脫毒：利用莖尖組織培養技術獲得脫毒苗。
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（3）人工種子：以植物組織培養得到的胚狀體、不定芽、頂芽、腋芽等為材料，經過人工薄膜包裝得到的種子。
2.作物新品種的培育：單倍體育種和突變體的利用。
優點：穩定遺傳，縮短育種年限。
3.細胞產物的工廠化生產
細胞產物種類：蛋白質、藥物、香料、生物堿等。
技術基礎：植物組織培養技術。
培養階段：愈傷組織階段。
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十、動物細胞培養
1.概念
動物細胞培養是指在體外模擬動物體內環境，將動物細胞在無菌、溫度適宜和營養充足的條件下培養，使其繼續生長、增殖并維持原有結構和功能的技術。
2.原理：細胞增殖。
3.地位：動物細胞工程常用的技術手段有動物細胞培養、動物細胞核移植、動物細胞融合等。其中動物細胞培養是其他動物細胞工程技術的基礎。
4.過程
考點清單
5.培養的條件
①無菌、無毒的環境。培養液和所有培養用具需進行無菌處理，培養液中要加抗生素，并定期更換，防止代謝物積累對細胞自身造成危害。
②營養物質。與動物體內環境基本相同，培養液中應有糖、氨基酸、促生長因子、無機鹽、微量元素等，此外還應添加血清、血漿等物質。
③溫度和pH。培養環境的溫度一般與動物體溫接近，哺乳動物細胞的培養以36.5±0.5℃為宜；多數細胞生存的適宜pH為7.2~7.4。
④氣體環境。動物細胞培養過程中所需氣體為O2和CO2。O2為細胞代謝所必需的，CO2主要維持培養液的pH。一般置于含95%空氣加5%CO2混合氣體的培養箱中進行培養。
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6.動物細胞培養技術的應用
（1）生產具有重要價值的生物制品，如病毒疫苗、干擾素、單克隆抗體等。
（2）檢測有毒物質判斷某種物質的毒性。
（3）為燒傷病人植皮。
（4）生產基因工程中的受體細胞。
（5）用于生理、病理、藥理等科學研究。
十一、動物體細胞克隆技術（核移植技術）
1.原理：動物細胞核具有全能性。
2.核移植分類：胚胎細胞核移植和體細胞核移植。
考點清單
3.核移植過程（以克隆高產奶牛為例）
考點清單
4.選用去核卵（母）細胞的原因
卵（母）細胞比較大，容易操作；卵（母）細胞細胞質多，營養豐富，含有促進核全能性表達的物質。
5.體細胞核移植技術存在的問題：許多克隆動物存在著健康問題、表現出遺傳和生理缺陷等。
6.體細胞核移植技術的應用前景
（1）在畜牧生產中，加速家畜遺傳改良進程，促進優良畜群的繁育。
（2）保護瀕危物種，增加這些動物的存活數量。
（3）轉基因克隆動物可作為生物反應器，生產醫用蛋白。
（4）提供異種移植的供體。
考點清單
（5）人的核移植胚胎干細胞經誘導分化，形成相應的組織、器官后，可用于組織器官移植。
（6）利用克隆動物和克隆細胞進行科學研究。
十二、動物細胞融合及單克隆抗體制備
1.動物細胞融合
（1）概念：動物細胞融合也稱細胞雜交，是指兩個或多個動物細胞結合形成一個細胞的過程。融合后形成的具有原來兩個或多個細胞遺傳信息的單核細胞，稱為雜交細胞
（2）原理：細胞膜具有一定的流動性。
（3）完成標志：兩個細胞核形成一個核。
（4）方法：物理法（離心、振動、電激）化學法和生物法（滅活病毒處理）。
考點清單
（5）操作步驟
①細胞準備：培養的動物細胞分貼壁細胞和懸浮細胞兩種。后者可直接將兩親本細胞混合培養，前者需先制成一定濃度的細胞懸浮液。
②細胞融合：加促融因子于將進行融合的細胞中，誘導融合。
誘導融合的方法：
a.物理法：離心、振動、電激。
b.化學法：聚乙二醇（PEG）
c.生物法：滅活的病毒（動物細胞融合特有的促融劑）。滅活是指用物理或化學手段使病毒或細菌失去感染能力，但是并不破壞這些病原體的抗原結構。
③雜種細胞選擇利用選擇性培養基等，使親本細胞死亡，而讓雜種細胞存活。
④雜種細胞克隆：對選出的雜種細胞進行克隆（選擇與純化），經過培養，就能獲得所需要的無性繁殖系。
考點清單
（6）結果：形成雜交細胞。
（7）意義：突破了遠緣雜交不親和的障礙。
（8）應用：制備單克隆抗體。
2.單克隆抗體制備
（1）概念：由一個細胞經多次無性繁殖形成一個細胞系稱為單克隆。單克隆細胞合成的針對一種抗原的抗體，稱為單克隆抗體。
（2）血清抗體與單克隆抗體
名稱 產生 特點
血清抗體 由漿細胞分泌 一般從血清中分離，產量低、純度低、特異性差
單克隆抗體 由雜交瘤細胞分泌 特異性強，靈敏度高，能大量制備
考點清單
（3）過程
考點清單
（4）優點單克隆抗體最主要的優點在于它的特異性強、靈敏度高，并可大量制備。
（5）應用
單克隆抗體主要有以下幾方面的用途
①作為診斷試劑。單克隆抗體在診斷疾病方面具有準確、高效、簡易、快速的優點。
②用于治療疾病和運載藥物。從目前臨床試驗來看，單克隆抗體主要用于癌癥治療，制成“生物導彈”，定向消滅癌細胞，不損害健康細胞。
考點1 酶的應用問題綜合
考點1 考查基因工程的基本工具
考點通關
1.下面是4種限制酶所識別的DNA分子序列和剪切位點
（↓表示剪切點、切出的斷面為黏性末端）：
限制酶1：—↓GATC—。限制酶2：—CATG↓—。
限制酶3：—G↓GATCC—。限制酶4：—CCGC↓GG—。
請指出下列哪項表達正確（ ）
A.在使用限制酶的同時還需要解旋酶
B.限制酶1和3剪出的黏性末端相同
C.限制酶1、2、4識別的序列都由4個脫氧核苷酸組成
D.限制酶1和2切出的DNA片段可通過T4DNA連接酶拼接
答案：B
解析：使用限制性核酸內切酶是為了切割目的基因和載體，不需要解旋酶解開DNA雙螺旋，A錯誤；限制性核酸內切酶1和3切出的黏性末端相同，都是GATC—，B正確；限制性核酸內切酶1、2識別的序列都由4個脫氧核苷酸組成，限制酶3、4識別的序列都由6個脫氧核苷酸組成，C錯誤；限制性核酸內切酶1和2切割形成的DNA片段的黏性末端不同，前者是GATC—，后者是—CATG，不能通過T4DNA連接酶拼接，D錯誤。
2.以下關于基因工程操作工具的敘述，正確的是（ ）
A.DNA連接酶能夠催化核糖核苷酸之間形成磷酸二酯鍵
B.限制酶能識別并切割DNA分子內一段特定的核苷酸序列
C.質粒一般具有復制原點、酶切位點和抗生素合成基因等
D.DNA聚合酶可將目的基因和載體連接形成重組DNA
答案：B
解析：DNA連接酶能夠催化兩個DNA分子片段的脫氧核糖核苷酸之間形成磷酸二酯鍵，A錯誤；限制酶能識別并切割DNA分子內一段特定的核苷酸序列，B正確；作為基因工程載體的質粒一般具有復制原點（能自我復制）、酶切位點和抗生素抗性基因（作為標記基因）等，C錯誤；將目的基因和載體連接形成重組DNA需要用到DNA連接酶，D錯誤。
考點2 基因工程的基本操作步驟
考點通關
1.基因工程的基本操作步驟如下圖所示，其中甲、乙、丙表示結構，①表示過程。下列相關敘述正確的是（ ）
A.甲、乙分別表示含有抗性基因的質粒、受體細胞
B.①過程表示用有抗生素的培養基篩選目的基因的受體細胞
C.丙可以是單細胞、器官、植物或動物等
D.若要使丙表達人的蛋白質，則乙是能分裂的人體細胞
答案：C
解析：根據圖示可知，甲為載體，可以是質粒，也可以是噬菌體或動植物病毒，A錯誤；①過程表示篩選含有目的基因的受體細胞的過程，對于基因工程來講，標記基因不一定為抗性基因，也可以是熒光標記基因，因此，該過程不一定是用含有抗生素的培養基篩選含目的基因的受體細胞，B錯誤；基因工程的受體細胞可以是微生物、植物或動物，故丙可以是單細胞、器官、植物或動物，C正確；若要使丙表達人的蛋白質，乙可以為微生物或其他生物細胞，用其制備工程菌或生物反應器也可快速表達人的蛋白質，D錯誤。
2.利用外源基因在受體細胞中表達，可生產人類所需要的產品。下列敘述中能說明外源基因在受體細胞中成功表達的是（ ）
A.棉花體細胞中檢測到蘇云金芽孢桿菌的Bt毒蛋白
B.大腸桿菌中檢測到人胰島素基因及其mRNA
C.山羊乳腺細胞中檢測到人生長激素DNA序列
D.酵母菌細胞中檢測到重組載體上的標記基因
答案：A
解析：A.棉花體細胞中檢測到蘇云金芽孢桿菌的Bt毒蛋白，說明目的基因——Bt毒蛋白基因已在棉花細胞中成功表達。故A正確；B.基因表達包括轉錄和翻譯兩個過程。大腸桿菌中檢測到人胰島素基因及其mRNA，說明目的基因已經轉錄了，不能證明翻譯出相關蛋白質。故B錯誤；C.山羊乳腺細胞中檢測到人生長激素DNA序列，只能說明受體細胞中含有目的基因。故C錯誤；D.酵母菌細胞中檢測到重組載體上的標記基因，但不一定含有目的基因，即使含有目的基因也不能證明目的基因已經表達。故D錯誤。
考點3 基因工程和蛋白質工程的應用實例
考點通關
1.動物基因工程前景廣闊，最令人興奮的是利用基因工程技術使哺乳動物成為乳腺生物反應器，以生產所需要的藥品，如轉基因動物生產人的生長激素。科學家培養轉基因動物成為乳腺生物反應器時（ ）
A.僅僅利用了基因工程技術
B.不需要乳腺蛋白基因的啟動子
C.利用基因槍法將人的生長激素基因導入受精卵中
D.需要進入泌乳期才能成為“批量生產藥物的工廠”
答案：D
解析：科學家培養轉基因動物時除涉及基因工程技術外，還涉及其他現代生物技術，如胚胎移植等，A錯誤；構建重組質粒時需要將人的生長激素基因與乳腺蛋白基因的啟動子等調控組件重組在一起，B錯誤；常通過顯微注射法將目的基因導入哺乳動物的受精卵中，然后將受精卵經胚胎早期培養一段時間后，送入母體內使其生長發育成轉基因動物，C錯誤；由于轉入的目的基因在乳腺中可以高效表達，所以進入泌乳期后可以通過分泌的乳汁來生產所需要的藥品，D正確。
2.下列關于蛋白質工程應用的敘述正確的是（ ）
A.基因工程藥物與天然產物一般相同，蛋白質工程藥物與天然產物可能不相同
B.蛋白質工程和基因工程的目的都是獲得人類需要的蛋白質，所以二者沒有區別
C.只有利用蛋白質工程才可以在大腸桿菌細胞中得到人的胰島素
D.當得到可以在-70℃條件下保存半年的干擾素后，在相關酶、氨基酸和適宜的溫度、pH條件下，干擾素可以大量自我合成
答案：A
解析：基因工程合成的藥物一般與天然產物相同，而蛋白質工程可以合成出自然界不存在的蛋白質，即與天然產物可能不同，A正確；蛋白質工程和基因工程的目的均是獲得人類需要的蛋白質，但基因工程只能生產自然界中已存在的蛋白質，而蛋白質工程能產生自然界原來不存在的蛋白質，B錯誤；通常利用基因工程在大腸桿菌細胞中得到人的胰島素，C錯誤；干擾素是動物體內的一種蛋白質，蛋白質不具有自我合成的能力，D錯誤。
考點4 植物細胞工程的過程分析
考點通關
現有染色體數目相同的兩種二倍體植物A和B，某研究小組擬培育同時具有兩者優良特性的新型植物，實驗流程如圖所示。
（1）過程①用_____酶去除細胞壁，獲得具有活力的原生質體，常用化學誘導劑_____誘導二者融合，形成的融合細胞進一步培養，經過③_____、④_____過程形成完整的雜種植株。這種育種技術稱為_____，其依據的生物學原理有_____。
（2）在鑒定雜種原生質體時可用顯微鏡觀察，根據細胞膜表面的熒光的不同可觀察到_____種不同的原生質體，當觀察到_____時可判斷該原生質體是由植物A和植物B的原生質體融合而成的。
（3）雜種細胞培育成的“A—B”植株為_____倍體。若A與B有性雜交的后代是不育的，而雜種植物“A—B”是可育的，則造成這種差異的原因可能是_____。
答案：（1）纖維素酶和果膠；聚乙二醇（PEG）；脫分化；再分化；植物體細胞雜交技術；細胞膜的流動性和植物細胞的全能性
（2）3；融合細胞表面有紅色和綠色兩種熒光
（3）四；在減數分裂過程中，前者染色體聯會異常，而后者染色體聯會正常（合理即可）
解析：（1）植物細胞壁的主要成分是纖維素和果膠，根據酶的專一性，可利用纖維素酶和果膠酶除去細胞壁，獲得具有活力的原生質體；用化學誘導劑聚乙二醇（PEG）可誘導二者的原生質體融合，將雜種細胞培育成雜種植株還需要采用植物組織培養技術，該技術的主要過程是：先脫分化形成愈傷組織，然后再分化形成植物體；上述育種技術稱為植物體細胞雜交技術，利用的生物學原理是細胞膜的流動性和植物細胞的全能性。
（2）由于科學家利用紅色熒光和綠色熒光分別標記植物A和植物B的原生質體膜上的蛋白質，故根據細胞膜表面的熒光的不同，可觀察到3種不同的原生質體，且A、B原生質體融合所形成的雜種細胞的細胞膜上應含有兩種顏色的熒光標記。
（3）植物A和B都是二倍體，則雜種植株為四倍體。假設A與B有性雜交的后代是不育的，而雜種植物“A—B”是可育的，則造成這種差異的原因可能是在減數分裂過程中，前者染色體聯會異常，不能形成正常的配子，而后者染色體聯會正常，能形成正常的配子。
考點5 動物細胞工程的過程分析
考點通關
如圖表示通過現代生物技術制備單克隆抗體的兩種途徑，其中①~⑥表示相關過程。請分析并回答下列問題：
（1）細胞A的名稱是_____。與通過傳統方法獲得的抗體相比，通過上述兩種途徑得到的單克隆抗體具有的顯著優點是_____。
（2）通過過程④_____可獲得V1基因。用_____技術可以獲得更多的V1基因。
（3）抗體1與抗體2的氨基酸排列順序相同，兩者的生物活性不相同，原因是_____。
（4）除通過上述途徑獲得的單克隆抗體外，請再寫出一種目前應用動物細胞工程技術生產的生物制品：_____。
答案：（1）B淋巴細胞；特異性強、靈敏度高，可大量制備
（2）逆轉錄；PCR
（3）抗體2是大腸桿菌產生的，其形成過程沒有經過內質網和高爾基體的加工，抗體1是雜交瘤細胞產生的，其形成過程經過了內質網和高爾基體的加工
（4）病毒疫苗、干擾素等（任意一種即可）
解析：（1）依題意并分析圖示可知，從免疫的小鼠體內分離出的細胞A是B淋巴細胞。單克隆抗體具有的顯著優，點是特異性強、靈敏度高，可大量制備。
（2）過程④是以RNA為模板獲得V1基因的逆轉錄過程。欲獲得更多的V1基因，可采用PCR技術進行擴增。
（3）大腸桿菌為原核生物，其細胞中沒有內質網和高爾基體，因此大腸桿菌產生的抗體2，其形成過程中沒有經過內質網和高爾基體的加工；而雜交瘤細胞中有內質網和高爾基體，所以雜交瘤細胞產生的抗體1，其形成過程經過了內質網和高爾基體的加工。可見雖然抗體1與抗體2的氨基酸排列順序相同，但兩者的生物活性不同。
（4）病毒疫苗、干擾素等許多有重要價值的生物制品，都可以應用動物細胞工程技術來生產。
一、細胞呼吸方式的判斷
物質循環與能量流動模型
植物細胞工程和動物細胞工程的比較
考法突破
一、動物細胞培養與植物組織培養的比較
比較項目 動物細胞培養 植物組織培養
原理 細胞的增殖 細胞的全能性
細胞來源 胚胎或幼齡動物組織、器官 離體植物器官、組織或細胞
培養基 狀態 液體 固體
成分 天然培養基 合成培養基
組成 葡萄糖、氨基酸、無機鹽、維生素，動物血清 礦質元素、蔗糖、維生素、植物激素、有機添加物
器皿 培養瓶、培養皿 錐形瓶
接種前處理 滅菌、用胰蛋白酶處理使組織分散成單個細胞 滅菌
培養條件 恒溫、無菌、無需光照 常溫、無菌，誘導愈傷組織形成時無需光照，但愈傷組織再分化時需光照
生長特點 貼壁生長，接觸抑制，細胞增殖不分化 誘導形成愈傷組織，細胞增殖分化
培養結果 大量產生細胞（細胞株→細胞系）或細胞產物 獲得新個體（愈傷組織→植株）或細胞產品
應用 生產蛋白質等生物制品；獲取大量細胞；檢測有毒物質 快速繁育無病毒植株；生產藥物、食品添加劑、香料、色素、殺蟲劑等
相同點 兩種技術手段培養過程中都進行有絲分裂都是無性繁殖，都可稱為克隆，都不涉及減數分裂；均需要在人工件下無菌操作，需要適宜的溫度、pH等條件
二、植物體細胞雜交和動物細胞融合的比較
比較項目 植物體細胞雜交（以培育番茄—馬鈴薯植株為例） 動物細胞融合（以單克隆抗體的制備為例）
理論基礎 細胞膜的流動性、植物細胞的全能性 細胞膜的流動性、細胞增殖
融合前處理 酶解法去除細胞壁：纖維素酶、果膠酶 注射特定抗原免疫處理正常小鼠
促融因子 物理法：電激、離心、振動化學法：聚乙二醇 物化法：與植物體細胞雜交相同生物法：滅活的仙臺病毒
結果 獲取雜種植株 獲得雜種細胞，以產生細胞產品
應用 克服遠緣雜交不親和障礙；培育作物新品種 制備單克隆抗體；有助于疾病的診斷、治療、預防
相同點 ①兩技術手段培養過程中都進行有絲分裂都是無性生殖，都可稱為克隆，都不涉及減數分裂②均為無菌操作，都需要適宜的溫度pH等條件
提升訓練
根據動物細胞工程的有關知識回答下列問題：
（1）進行動物細胞培養時，通常先用_____將組織分散成單個細胞；在培養過程中，應定期更換培養液，其目的是_____。
（2）進行動物體細胞核移植時，一般都選用動物細胞培養過程中傳代_____代以內的細胞作為供體細胞，選取這類細胞的理由是_____。
（3）進行動物細胞融合時，誘導融合的化學試劑通常是_____，該技術突破了有性雜交的局限，使_____成為可能。
（4）制備單克隆抗體時，需要將小鼠_____產生的B淋巴細胞與骨髓瘤細胞誘導融合，最終篩選得到的雜交瘤細胞的特點是_____。
提升訓練
答案（1）胰蛋白酶或膠原蛋白酶；防止細胞代謝產物積累對細胞自身造成傷害
（2）10；傳代10代以內的細胞一般能保持正常的二倍體核型，細胞內遺傳物質不會發生突變
（3）聚乙二醇（PEG）；遠緣雜交
（4）脾臟；既能迅速大量繁殖（無限繁殖），又能產生專一性抗體
解析：（1）胰蛋白酶或膠原蛋白酶能將動物組織分散成單個細胞；在培養過程中，應定期更換培養液，其目的是防止細胞代謝產物積累對細胞自身造成傷害。
（2）進行動物體細胞核移植時，傳代10代以內的細胞一般能保持正常的二倍體核型，細胞內遺傳物質不會發生突變，因此一般都選用動物細胞培養過程中傳代10代以內的細胞作為供體細胞。
（3）進行動物細胞融合時，誘導融合的化學試劑通常是聚乙二醇（PEG），該技術突破了有性雜交的局限，使遠緣雜交成為可能。
（4）制備單克隆抗體時，需要將小鼠脾臟產生的B淋巴細胞與骨髓瘤細胞誘導融合，最終篩選得到的雜交瘤細胞的特，點是既能迅速大量繁殖，又能產生專一性抗體。專題二十四 基因工程與細胞工程
考情分析
1.考查內容：考查內容集中在基因工程特殊工具的作用和特點、基因工程操作步驟以及基因工程在工農業生產和實踐方面的應用、植物細胞工程和動物細胞工程，其中限制酶的種類和作用是基因工程的難點。
2.命題規律：考查方式上，多以最新科技信息材料的形式，且基因工程結合細胞工程和胚胎工程進行考查。
3.備考策略
試題多通過分析社會熱點話題中的轉基因技術方案，體現對科學探究素養的考查。復習時應注意加強與細胞工程、胚胎工程的橫向聯系。
網絡構建
考點清單
一、基因工程的概念和特點
（1）概念：基因工程是指按照人們的愿望，進行嚴格的設計，并通過體外DNA重組和轉基因等技術，賦予生物以新的遺傳特性，從而創造出更符合人們需要的新的生物類型和生物產品。由于基因工程是在DNA分子水平上進行設計和施工的，因此又叫作DNA重組技術。
（2）基因工程得以實現的理論基礎：
①所有生物的DNA都是以4種脫氧核苷酸為基本組成單位，構成獨特的雙螺旋結構，這為不同種生物DNA的成功拼接提供了物質基礎。
②所有生物共用一套遺傳密碼子，為某種生物的基因能夠在其他生物細胞內指導蛋白質的合成提供了可能。
（3）基因工程育種區別于傳統育種方法的最明顯的特點是分子水平的改造和定向性。
二、基因工程的工具
1.限制性核酸內切酶（限制酶）——“分子手術刀”
（1）存在：主要在原核生物中。
（2）作用：識別雙鏈DNA分子的某種特定核苷酸序列，并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。
（3）形成末端類型
在識別序列中心軸線兩側切開→黏性末端
在識別序列中心軸線處切開→平末端
（4）特點：大多數限制酶的識別序列由6個核苷酸組成，具有一定的特異性。
2.DNA連接酶——“分子縫合針”
（1）作用：將雙鏈DNA片段“縫合”起來，恢復被限制酶切開的兩個核苷酸間的磷酸二酯鍵。
（2）種類：根據連接酶的來源可將其分為E·coli DNA連接酶（來自大腸桿菌）和T4DNA連接酶（來自T4噬菌體）兩類。
常用類型 E· coli DNA連接酶 T4 DNA連接酶
來源 大腸桿菌 來自T4噬菌體
功能 連接黏性末端 連接黏性末端或平末端（效率低）
結果 恢復被限制酶切開的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵
3.載體——“分子運輸車”
（1）載體的功能
①作為運載工具，將外源基因（即目的基因）轉移到受體細胞中去。
②利用它能使目的基因在受體細胞內進行大量的復制（稱為克隆）。
（2）作為載體需具備的條件
①能在宿主細胞內大量復制并穩定地保存，且保持原有特性。
②具有一個至多個限制酶切割位點，以供外源DNA片段（即目的基因）插入其中，而且每種酶的切割位點最好只有一個。
③有特殊的標記基因（如抗生素抗性基因），供重組DNA的鑒定和選擇。
④對受體細胞無毒害，可自由出入細胞。
（3）常用載體
①質粒：質粒存在于細菌、放線菌、酵母菌中，含控制質粒DNA轉移的基因。是一種裸露的、結構簡單、獨立于細菌擬核DNA之外，并具有自我復制能力的小型雙鏈環狀DNA分子。
②λ噬菌體衍生物和動植物病毒等。
三、基因工程的基本操作程序
1.目的基因的獲取（3種方法）
（1）從基因文庫中獲取目的基因
文庫類型 cDNA文庫 基因組文庫
文庫大小 小 大
基因中啟動子 無 有
基因中內含子 無 有
基因多少 某種生物的部分基因 某種生物的全部基因
物種間的基因交流 可以 部分基因可以
（2）人工合成目的基因
（3）利用PCR技術擴增目的基因
①原理：DNA復制。
②前提：已知目的基因的一段核苷酸序列，以便根據這一序列合成引物。
③條件：DNA模板、引物（2種）、熱穩定DNA聚合酶和4種脫氧核苷酸。
④擴增過程
變性：當溫度上升到90℃以上時，雙鏈DNA解聚為單鏈。
復性：溫度下降到50℃左右，兩種引物通過堿基互補配對與兩條單鏈DNA結合。
延伸：72℃左右時，Taq DNA聚合酶活性高，可使DNA新鏈由5′端向3′端延伸。
⑤結果：上述三步反應完成后，一個DNA分子就變成了兩個DNA分子，隨著重復次數的增多，DNA分子就以指數形式擴增（均為2n，其中n為擴增循環的次數）。PCR的反應過程都是在PCR擴增儀中完成的。
2.基因表達載體的構建—基因工程的核心
（1）目的：使目的基因在受體細胞中穩定存在，并且可以遺傳給下一代，同時使目的基因能夠表達和發揮作用
（2）基因表達載體的組成
目的基因：外源DNA分子的有效片段。
復制原點：載體自我復制的起點。
啟動子：RNA聚合酶識別和結合部位，驅動基因轉錄。
終止子：RNA聚合酶脫離部位，終止轉錄。
標記基因：鑒別受體細胞中是否含有目的基因。
（3）構建過程
（4）構建結果：由于目的基因的兩端和載體具有相同的黏性末端，所以有三種可能的結果：目的基因的兩端可能結合形成環狀DNA；載體的兩個末端重新結合形成環狀DNA；目的基因與載體的黏性末端結合形成重組質粒。
3.將目的基因導入受體細胞（3種方法）
生物種類 植物細胞 動物細胞 微生物細胞
常用方法 農桿菌轉化法 顯微注射法 Ca2+參與的轉化法（感受態細胞法）
受體細胞 體細胞或受精卵 受精卵 原核細胞
過程 將目的基因插入Ti質粒的T-DNA上→導入農桿菌→侵染植物細胞→整合到受體細胞的染色體DNA上→表達 基因表達載體顯微注射形成受精卵，發育新性狀個體 Ca2+處理細胞→感受態細胞→重組表達載體與感受態細胞混合→感受態細胞吸收DNA分子
4.目的基因的檢測與鑒定
項目 步驟 檢測內容 方法 結果顯示
分子水平檢測 第一步 轉基因生物染色體的DNA上是否插入了目的基因 DNA分子雜交技術（轉基因生物的基因組DNA與帶有目的基因DNA片段的分子探針雜交） 出現雜交帶則表明目的基因已插入
第二步 目的基因是否轉錄出mRNA 分子雜交技術（轉基因生物中的mRNA與帶有目的基因DNA片段的分子探針雜交） 出現雜交帶則表明目的基因已轉錄
第三步 目的基因是否翻譯成蛋白質 抗原—抗體雜交（轉基因生物的蛋白質與相應的抗體雜交） 出現雜交帶則表明目的基因已形成蛋白質產品
個體水平鑒定 抗蟲、抗病轉基因生物需要進行抗蟲、抗病的接種實驗，以確定是否有抗性以及抗性的程度：有的基因工程產品需要與天然產品的功能進行活性比較，以確定轉基因產品的功能活性是否與天然產品相同
四、基因工程的應用
1.動物基因工程：用于提高動物生長速度從而提高產品產量用于改善畜產品品質；用轉基因動物生產藥物；用轉基因動物作器官移植的供體等
2.植物基因工程：培育抗蟲轉基因植物、抗病轉基因植物和抗逆轉基因植物；利用轉基因改良植物的品質。
（1）動物基因工程的實施主要是為了改善畜產品的品質，不是為了產生體型巨大的個體。
（2）用基因工程生產的藥品，從化學成分上分析都應該是蛋白質類。
3基因診斷與基因治療
（1）基因診斷：又稱為DNA診斷，是采用基因檢測的方法來判斷患者是否出現了基因異常或攜帶病原體。
（2）基因治療
①概念：把正常基因導入病人體內，使該基因的表達產物發揮功能，從而達到治療疾病的目的
②成果：將腺苷酸脫氨酶基因轉入取自患者的淋巴細胞中，使淋巴細胞能產生腺苷酸脫氨酶，然后，再將這種淋巴細胞轉入患者體內，從而治療復合型免疫缺陷癥
③途徑：分為體內途徑和體外途徑。
基因治療的體內治療：將基因通過載體直接送入人體內受體細胞的治療方法。
基因治療的體外治療（回輸）：將病人的部分組織或細胞取出，在體外培養導入帶有治療作用的基因后，再回輸入體內。
五、蛋白質工程
1.蛋白質工程崛起的緣由
（1）基因工程的實質：將一種生物的基因轉移到另一種生物體內，后者可以產生它本不能產生的蛋白質，進而表現出新的性狀。
（2）基因工程的不足：在原則上只能產生自然界已存在的蛋白質。
（3）蛋白質工程的基礎：基因工程。
（4）蛋白質工程的目標
根據人們對蛋白質功能的特定需求，對蛋白質的結構進行分子設計與改造，對現有蛋白質進行改造或造一種新的蛋白質，產生人們所需要的蛋白質。
2.蛋白質工程的基本原理
基礎：蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系
手段：基因修飾或基因合成。
目的：合成滿足人類生產和生活需求的蛋白質。
3.蛋白質工程的基本途徑
預期蛋白質的功能
↓
設計預期的蛋白質結構
↓
推測應有的氨基酸序列
↓
找到相對應的脫氧核苷酸序列
4.蛋白質工程的主要障礙
蛋白質發揮功能必須依賴于正確的高級結構，這種高級結構十分復雜，目前科學家對大多數蛋白質的高級結構的了解還不夠，要設計出更符合人類需要的蛋白質還要經過艱辛的探索。
六、細胞工程的概念與理論基礎
1.細胞工程
（1）操作水平：細胞水平或細胞器水平
（2）目的：按照人的意愿來改變細胞內的遺傳物質或獲得細胞產品。
2.細胞的全能性
（1）概念：具有某種生物全部遺傳信息的任何一個細胞，都具有發育成完整生物體的潛能。
（2）原理：細胞內含有本物種的全套遺傳信息。
（3）全能性表達條件：具有完整的細胞結構，處于離體狀態提供一定的營養、激素和其他適宜外界條件。
（4）細胞全能性大小與細胞分化程度成反比。
（5）全能性大小
①植物細胞：受精卵>生殖細胞>體細胞
②動物細胞：受精卵>生殖細胞>體細胞核（動物細胞全能性受限制，但細胞核具有全能性）
3.細胞工程的分類
（1）按照操作（研究）對象的不同，細胞工程可分為植物細胞工程和動物細胞工程兩大領域。
①植物細胞工程通常采用的技術手段有植物組織培養技術和植物體細胞雜交技術。這些技術的理論基礎是植物細胞的全能性。
②動物細胞工程一般包括動物細胞培養、動物細胞核移植、動物細胞融合等技術。其中動物細胞培養是動物細胞工程的基礎。
（2）根據所使用技術的不同，細胞工程主要包括植物組織培養、細胞融合細胞核移植、染色體工程等內容。
七、植物組織培養
1.原理：植物細胞的全能性。
2.概念理解
（1）培養對象：離體的植物器官、組織、細胞
（2）培養條件：
①離體狀態；
②營養物質：包括有機營養和無機營養；
③激素：主要是生長素和細胞分裂素；
④適宜的外界條件。
（3）培養結果：產生愈傷組織、叢芽（或叢根、胚狀體），最終形成完整植株。
3.操作流程
4.植物組織培養過程中應注意的問題
①滅菌：培養基及所有實驗用具都要嚴格滅菌；接種過程及繼代培養的轉移要在無菌條件下操作。
②嚴格控制光照：在愈傷組織的誘導階段往往需要暗培養，因為在無光條件下，愈傷組織長得更快，有光則容易分化產生維管等組織；在分化再生階段一定要有光照，否則形成的試管苗不能合成葉綠素。
③植物激素比值的控制：生長素和細胞分裂素之間的用量比能調節芽和根的形成。生長素用量比細胞分裂素用量，比值高時，有利于根的分化、抑制芽的形成；比值低時，有利于芽的分化、抑制根的形成；比值適中時，促進愈傷組織的形成。
八、植物體細胞雜交
1.概念
（1）概念：植物體細胞雜交技術是指將不同種的植物體細胞，在一定條件下融合成雜種細胞，并把雜種細胞培育成新的植物體的技術。
（2）原理：原生質體融合的過程利用了細胞膜的流動性，雜種細胞發育成雜種植株利用了細胞的全能性
2.操作流程
3.意義：克服不同種生物遠緣雜交的不親和性
4.植物體細胞雜交育種的優點和局限性
（1）優點：植物體細胞雜交的最大突破是克服了遠緣雜交不親和的種間或屬間障礙。
（2）局限性：由于目前仍有許多理論和技術問題沒有解決，尚不能讓雜種植株按照人們的需要表現出親代的優良性狀。
九、植物組織培養技術的實踐應用
1.植物繁殖的新途徑
（1）微型繁殖：優點是繁殖快，并可保持親本的優良性狀。
（2）作物脫毒：利用莖尖組織培養技術獲得脫毒苗。
（3）人工種子：以植物組織培養得到的胚狀體、不定芽、頂芽、腋芽等為材料，經過人工薄膜包裝得到的種子。
2.作物新品種的培育：單倍體育種和突變體的利用。
優點：穩定遺傳，縮短育種年限。
3.細胞產物的工廠化生產
細胞產物種類：蛋白質、藥物、香料、生物堿等。
技術基礎：植物組織培養技術。
培養階段：愈傷組織階段。
十、動物細胞培養
1.概念
動物細胞培養是指在體外模擬動物體內環境，將動物細胞在無菌、溫度適宜和營養充足的條件下培養，使其繼續生長、增殖并維持原有結構和功能的技術。
2.原理：細胞增殖。
3.地位：動物細胞工程常用的技術手段有動物細胞培養、動物細胞核移植、動物細胞融合等。其中動物細胞培養是其他動物細胞工程技術的基礎
4.過程
5.培養的條件
①無菌、無毒的環境。培養液和所有培養用具需進行無菌處理，培養液中要加抗生素，并定期更換，防止代謝物積累對細胞自身造成危害。
②營養物質。與動物體內環境基本相同，培養液中應有糖、氨基酸、促生長因子、無機鹽、微量元素等，此外還應添加血清、血漿等物質。
③溫度和pH。培養環境的溫度一般與動物體溫接近，哺乳動物細胞的培養以36.5±0.5℃為宜；多數細胞生存的適宜pH為7.2~7.4。
④氣體環境。動物細胞培養過程中所需氣體為O2和CO2。O2為細胞代謝所必需的，CO2主要維持培養液的pH。一般置于含95%空氣加5%CO2混合氣體的培養箱中進行培養。
6.動物細胞培養技術的應用
（1）生產具有重要價值的生物制品，如病毒疫苗、干擾素、單克隆抗體等。
（2）檢測有毒物質判斷某種物質的毒性。
（3）為燒傷病人植皮。
（4）生產基因工程中的受體細胞。
（5）用于生理、病理、藥理等科學研究。
十一、動物體細胞克隆技術（核移植技術）
1.原理：動物細胞核具有全能性。
2.核移植分類：胚胎細胞核移植和體細胞核移植。
3.核移植過程（以克隆高產奶牛為例）
4.選用去核卵（母）細胞的原因
卵（母）細胞比較大，容易操作；卵（母）細胞細胞質多，營養豐富，含有促進核全能性表達的物質。
5.體細胞核移植技術存在的問題：許多克隆動物存在著健康問題、表現出遺傳和生理缺陷等。
6.體細胞核移植技術的應用前景
（1）在畜牧生產中，加速家畜遺傳改良進程，促進優良畜群的繁育。
（2）保護瀕危物種，增加這些動物的存活數量。
（3）轉基因克隆動物可作為生物反應器，生產醫用蛋白。
（4）提供異種移植的供體。
（5）人的核移植胚胎干細胞經誘導分化，形成相應的組織、器官后，可用于組織器官移植。
（6）利用克隆動物和克隆細胞進行科學研究。
十二、動物細胞融合及單克隆抗體制備
1.動物細胞融合
（1）概念：動物細胞融合也稱細胞雜交，是指兩個或多個動物細胞結合形成一個細胞的過程。融合后形成的具有原來兩個或多個細胞遺傳信息的單核細胞，稱為雜交細胞
（2）原理：細胞膜具有一定的流動性。
（3）完成標志：兩個細胞核形成一個核。
（4）方法：物理法（離心、振動、電激）化學法和生物法（滅活病毒處理）。
（5）操作步驟
①細胞準備：培養的動物細胞分貼壁細胞和懸浮細胞兩種。后者可直接將兩親本細胞混合培養，前者需先制成一定濃度的細胞懸浮液。
②細胞融合：加促融因子于將進行融合的細胞中，誘導融合。
誘導融合的方法：
a.物理法：離心、振動、電激。
b.化學法：聚乙二醇（PEG）
c.生物法：滅活的病毒（動物細胞融合特有的促融劑）。滅活是指用物理或化學手段使病毒或細菌失去感染能力，但是并不破壞這些病原體的抗原結構。
③雜種細胞選擇利用選擇性培養基等，使親本細胞死亡，而讓雜種細胞存活。
④雜種細胞克隆：對選出的雜種細胞進行克隆（選擇與純化），經過培養，就能獲得所需要的無性繁殖系。
（6）結果：形成雜交細胞。
（7）意義：突破了遠緣雜交不親和的障礙。
（8）應用：制備單克隆抗體。
2.單克隆抗體制備
（1）概念：由一個細胞經多次無性繁殖形成一個細胞系稱為單克隆。單克隆細胞合成的針對一種抗原的抗體，稱為單克隆抗體。
（2）血清抗體與單克隆抗體
名稱 產生 特點
血清抗體 由漿細胞分泌 一般從血清中分離，產量低、純度低、特異性差
單克隆抗體 由雜交瘤細胞分泌 特異性強，靈敏度高，能大量制備
（3）過程
（4）優點單克隆抗體最主要的優點在于它的特異性強、靈敏度高，并可大量制備。
（5）應用
單克隆抗體主要有以下幾方面的用途
①作為診斷試劑。單克隆抗體在診斷疾病方面具有準確、高效、簡易、快速的優點。
②用于治療疾病和運載藥物。從目前臨床試驗來看，單克隆抗體主要用于癌癥治療，制成“生物導彈”，定向消滅癌細胞，不損害健康細胞。
考點通關
考點1 考查基因工程的基本工具
1.下面是4種限制酶所識別的DNA分子序列和剪切位點
（↓表示剪切點、切出的斷面為黏性末端）：
限制酶1：—↓GATC—。限制酶2：—CATG↓—。
限制酶3：—G↓GATCC—。限制酶4：—CCGC↓GG—。
請指出下列哪項表達正確（ ）
A.在使用限制酶的同時還需要解旋酶
B.限制酶1和3剪出的黏性末端相同
C.限制酶1、2、4識別的序列都由4個脫氧核苷酸組成
D.限制酶1和2切出的DNA片段可通過T4DNA連接酶拼接
答案：B
解析：使用限制性核酸內切酶是為了切割目的基因和載體，不需要解旋酶解開DNA雙螺旋，A錯誤；限制性核酸內切酶1和3切出的黏性末端相同，都是GATC—，B正確；限制性核酸內切酶1、2識別的序列都由4個脫氧核苷酸組成，限制酶3、4識別的序列都由6個脫氧核苷酸組成，C錯誤；限制性核酸內切酶1和2切割形成的DNA片段的黏性末端不同，前者是GATC—，后者是—CATG，不能通過T4DNA連接酶拼接，D錯誤。
2.以下關于基因工程操作工具的敘述，正確的是（ ）
A.DNA連接酶能夠催化核糖核苷酸之間形成磷酸二酯鍵
B.限制酶能識別并切割DNA分子內一段特定的核苷酸序列
C.質粒一般具有復制原點、酶切位點和抗生素合成基因等
D.DNA聚合酶可將目的基因和載體連接形成重組DNA
答案：B
解析：DNA連接酶能夠催化兩個DNA分子片段的脫氧核糖核苷酸之間形成磷酸二酯鍵，A錯誤；限制酶能識別并切割DNA分子內一段特定的核苷酸序列，B正確；作為基因工程載體的質粒一般具有復制原點（能自我復制）、酶切位點和抗生素抗性基因（作為標記基因）等，C錯誤；將目的基因和載體連接形成重組DNA需要用到DNA連接酶，D錯誤。
考點2 基因工程的基本操作步驟
1.基因工程的基本操作步驟如下圖所示，其中甲、乙、丙表示結構，①表示過程。下列相關敘述正確的是（ ）
A.甲、乙分別表示含有抗性基因的質粒、受體細胞
B.①過程表示用有抗生素的培養基篩選目的基因的受體細胞
C.丙可以是單細胞、器官、植物或動物等
D.若要使丙表達人的蛋白質，則乙是能分裂的人體細胞
答案：C
解析：根據圖示可知，甲為載體，可以是質粒，也可以是噬菌體或動植物病毒，A錯誤；①過程表示篩選含有目的基因的受體細胞的過程，對于基因工程來講，標記基因不一定為抗性基因，也可以是熒光標記基因，因此，該過程不一定是用含有抗生素的培養基篩選含目的基因的受體細胞，B錯誤；基因工程的受體細胞可以是微生物、植物或動物，故丙可以是單細胞、器官、植物或動物，C正確；若要使丙表達人的蛋白質，乙可以為微生物或其他生物細胞，用其制備工程菌或生物反應器也可快速表達人的蛋白質，D錯誤。
2.利用外源基因在受體細胞中表達，可生產人類所需要的產品。下列敘述中能說明外源基因在受體細胞中成功表達的是（ ）
A.棉花體細胞中檢測到蘇云金芽孢桿菌的Bt毒蛋白
B.大腸桿菌中檢測到人胰島素基因及其mRNA
C.山羊乳腺細胞中檢測到人生長激素DNA序列
D.酵母菌細胞中檢測到重組載體上的標記基因
答案：A
解析：A.棉花體細胞中檢測到蘇云金芽孢桿菌的Bt毒蛋白，說明目的基因——Bt毒蛋白基因已在棉花細胞中成功表達。故A正確；B.基因表達包括轉錄和翻譯兩個過程。大腸桿菌中檢測到人胰島素基因及其mRNA，說明目的基因已經轉錄了，不能證明翻譯出相關蛋白質。故B錯誤；C.山羊乳腺細胞中檢測到人生長激素DNA序列，只能說明受體細胞中含有目的基因。故C錯誤；D.酵母菌細胞中檢測到重組載體上的標記基因，但不一定含有目的基因，即使含有目的基因也不能證明目的基因已經表達。故D錯誤。
考點3 基因工程和蛋白質工程的應用實例
1.動物基因工程前景廣闊，最令人興奮的是利用基因工程技術使哺乳動物成為乳腺生物反應器，以生產所需要的藥品，如轉基因動物生產人的生長激素。科學家培養轉基因動物成為乳腺生物反應器時（ ）
A.僅僅利用了基因工程技術
B.不需要乳腺蛋白基因的啟動子
C.利用基因槍法將人的生長激素基因導入受精卵中
D.需要進入泌乳期才能成為“批量生產藥物的工廠”
答案：D
解析：科學家培養轉基因動物時除涉及基因工程技術外，還涉及其他現代生物技術，如胚胎移植等，A錯誤；構建重組質粒時需要將人的生長激素基因與乳腺蛋白基因的啟動子等調控組件重組在一起，B錯誤；常通過顯微注射法將目的基因導入哺乳動物的受精卵中，然后將受精卵經胚胎早期培養一段時間后，送入母體內使其生長發育成轉基因動物，C錯誤；由于轉入的目的基因在乳腺中可以高效表達，所以進入泌乳期后可以通過分泌的乳汁來生產所需要的藥品，D正確。
2.下列關于蛋白質工程應用的敘述正確的是（ ）
A.基因工程藥物與天然產物一般相同，蛋白質工程藥物與天然產物可能不相同
B.蛋白質工程和基因工程的目的都是獲得人類需要的蛋白質，所以二者沒有區別
C.只有利用蛋白質工程才可以在大腸桿菌細胞中得到人的胰島素
D.當得到可以在-70℃條件下保存半年的干擾素后，在相關酶、氨基酸和適宜的溫度、pH條件下，干擾素可以大量自我合成
答案：A
解析：基因工程合成的藥物一般與天然產物相同，而蛋白質工程可以合成出自然界不存在的蛋白質，即與天然產物可能不同，A正確；蛋白質工程和基因工程的目的均是獲得人類需要的蛋白質，但基因工程只能生產自然界中已存在的蛋白質，而蛋白質工程能產生自然界原來不存在的蛋白質，B錯誤；通常利用基因工程在大腸桿菌細胞中得到人的胰島素，C錯誤；干擾素是動物體內的一種蛋白質，蛋白質不具有自我合成的能力，D錯誤。
考點4 植物細胞工程的過程分析
現有染色體數目相同的兩種二倍體植物A和B，某研究小組擬培育同時具有兩者優良特性的新型植物，實驗流程如圖所示。
（1）過程①用_____酶去除細胞壁，獲得具有活力的原生質體，常用化學誘導劑_____誘導二者融合，形成的融合細胞進一步培養，經過③_____、④_____過程形成完整的雜種植株。這種育種技術稱為_____，其依據的生物學原理有_____。
（2）在鑒定雜種原生質體時可用顯微鏡觀察，根據細胞膜表面的熒光的不同可觀察到_____種不同的原生質體，當觀察到_____時可判斷該原生質體是由植物A和植物B的原生質體融合而成的。
（3）雜種細胞培育成的“A—B”植株為_____倍體。若A與B有性雜交的后代是不育的，而雜種植物“A—B”是可育的，則造成這種差異的原因可能是_____。
答案：（1）纖維素酶和果膠；聚乙二醇（PEG）；脫分化；再分化；植物體細胞雜交技術；細胞膜的流動性和植物細胞的全能性
（2）3；融合細胞表面有紅色和綠色兩種熒光
（3）四；在減數分裂過程中，前者染色體聯會異常，而后者染色體聯會正常（合理即可）
解析：（1）植物細胞壁的主要成分是纖維素和果膠，根據酶的專一性，可利用纖維素酶和果膠酶除去細胞壁，獲得具有活力的原生質體；用化學誘導劑聚乙二醇（PEG）可誘導二者的原生質體融合，將雜種細胞培育成雜種植株還需要采用植物組織培養技術，該技術的主要過程是：先脫分化形成愈傷組織，然后再分化形成植物體；上述育種技術稱為植物體細胞雜交技術，利用的生物學原理是細胞膜的流動性和植物細胞的全能性。
（2）由于科學家利用紅色熒光和綠色熒光分別標記植物A和植物B的原生質體膜上的蛋白質，故根據細胞膜表面的熒光的不同，可觀察到3種不同的原生質體，且A、B原生質體融合所形成的雜種細胞的細胞膜上應含有兩種顏色的熒光標記。
（3）植物A和B都是二倍體，則雜種植株為四倍體。假設A與B有性雜交的后代是不育的，而雜種植物“A—B”是可育的，則造成這種差異的原因可能是在減數分裂過程中，前者染色體聯會異常，不能形成正常的配子，而后者染色體聯會正常，能形成正常的配子。
考點5 動物細胞工程的過程分析
如圖表示通過現代生物技術制備單克隆抗體的兩種途徑，其中①~⑥表示相關過程。請分析并回答下列問題：
（1）細胞A的名稱是_____。與通過傳統方法獲得的抗體相比，通過上述兩種途徑得到的單克隆抗體具有的顯著優點是_____。
（2）通過過程④_____可獲得V1基因。用_____技術可以獲得更多的V1基因。
（3）抗體1與抗體2的氨基酸排列順序相同，兩者的生物活性不相同，原因是_____。
（4）除通過上述途徑獲得的單克隆抗體外，請再寫出一種目前應用動物細胞工程技術生產的生物制品：_____。
答案：（1）B淋巴細胞；特異性強、靈敏度高，可大量制備
（2）逆轉錄；PCR
（3）抗體2是大腸桿菌產生的，其形成過程沒有經過內質網和高爾基體的加工，抗體1是雜交瘤細胞產生的，其形成過程經過了內質網和高爾基體的加工
（4）病毒疫苗、干擾素等（任意一種即可）
解析：（1）依題意并分析圖示可知，從免疫的小鼠體內分離出的細胞A是B淋巴細胞。單克隆抗體具有的顯著優，點是特異性強、靈敏度高，可大量制備。
（2）過程④是以RNA為模板獲得V1基因的逆轉錄過程。欲獲得更多的V1基因，可采用PCR技術進行擴增。
（3）大腸桿菌為原核生物，其細胞中沒有內質網和高爾基體，因此大腸桿菌產生的抗體2，其形成過程中沒有經過內質網和高爾基體的加工；而雜交瘤細胞中有內質網和高爾基體，所以雜交瘤細胞產生的抗體1，其形成過程經過了內質網和高爾基體的加工。可見雖然抗體1與抗體2的氨基酸排列順序相同，但兩者的生物活性不同。
（4）病毒疫苗、干擾素等許多有重要價值的生物制品，都可以應用動物細胞工程技術來生產。
考法突破
植物細胞工程和動物細胞工程的比較
一、動物細胞培養與植物組織培養的比較
比較項目 動物細胞培養 植物組織培養
原理 細胞的增殖 細胞的全能性
細胞來源 胚胎或幼齡動物組織、器官 離體植物器官、組織或細胞
培養基 狀態 液體 固體
成分 天然培養基 合成培養基
組成 葡萄糖、氨基酸、無機鹽、維生素，動物血清 礦質元素、蔗糖、維生素、植物激素、有機添加物
器皿 培養瓶、培養皿 錐形瓶
接種前處理 滅菌、用胰蛋白酶處理使組織分散成單個細胞 滅菌
培養條件 恒溫、無菌、無需光照 常溫、無菌，誘導愈傷組織形成時無需光照，但愈傷組織再分化時需光照
生長特點 貼壁生長，接觸抑制，細胞增殖不分化 誘導形成愈傷組織，細胞增殖分化
培養結果 大量產生細胞（細胞株→細胞系）或細胞產物 獲得新個體（愈傷組織→植株）或細胞產品
應用 生產蛋白質等生物制品；獲取大量細胞；檢測有毒物質 快速繁育無病毒植株；生產藥物、食品添加劑、香料、色素、殺蟲劑等
相同點 兩種技術手段培養過程中都進行有絲分裂都是無性繁殖，都可稱為克隆，都不涉及減數分裂；均需要在人工件下無菌操作，需要適宜的溫度、pH等條件
二、植物體細胞雜交和動物細胞融合的比較
比較項目 植物體細胞雜交 （以培育番茄—馬鈴薯植株為例） 動物細胞融合 （以單克隆抗體的制備為例）
理論基礎 細胞膜的流動性、植物細胞的全能性 細胞膜的流動性、細胞增殖
融合前處理 酶解法去除細胞壁：纖維素酶、果膠酶 注射特定抗原免疫處理正常小鼠
促融因子 物理法：電激、離心、振動 化學法：聚乙二醇 物化法：與植物體細胞雜交相同 生物法：滅活的仙臺病毒
結果 獲取雜種植株 獲得雜種細胞，以產生細胞產品
應用 克服遠緣雜交不親和障礙；培育作物新品種 制備單克隆抗體；有助于疾病的診斷、治療、預防
相同點 ①兩技術手段培養過程中都進行有絲分裂都是無性生殖，都可稱為克隆，都不涉及減數分裂 ②均為無菌操作，都需要適宜的溫度pH等條件
提升訓練
根據動物細胞工程的有關知識回答下列問題：
（1）進行動物細胞培養時，通常先用_____將組織分散成單個細胞；在培養過程中，應定期更換培養液，其目的是_____。
（2）進行動物體細胞核移植時，一般都選用動物細胞培養過程中傳代_____代以內的細胞作為供體細胞，選取這類細胞的理由是_____。
（3）進行動物細胞融合時，誘導融合的化學試劑通常是_____，該技術突破了有性雜交的局限，使_____成為可能。
（4）制備單克隆抗體時，需要將小鼠_____產生的B淋巴細胞與骨髓瘤細胞誘導融合，最終篩選得到的雜交瘤細胞的特點是_____。
答案（1）胰蛋白酶或膠原蛋白酶；防止細胞代謝產物積累對細胞自身造成傷害
（2）10；傳代10代以內的細胞一般能保持正常的二倍體核型，細胞內遺傳物質不會發生突變
（3）聚乙二醇（PEG）；遠緣雜交
（4）脾臟；既能迅速大量繁殖（無限繁殖），又能產生專一性抗體
解析：（1）胰蛋白酶或膠原蛋白酶能將動物組織分散成單個細胞；在培養過程中，應定期更換培養液，其目的是防止細胞代謝產物積累對細胞自身造成傷害。
（2）進行動物體細胞核移植時，傳代10代以內的細胞一般能保持正常的二倍體核型，細胞內遺傳物質不會發生突變，因此一般都選用動物細胞培養過程中傳代10代以內的細胞作為供體細胞。
（3）進行動物細胞融合時，誘導融合的化學試劑通常是聚乙二醇（PEG），該技術突破了有性雜交的局限，使遠緣雜交成為可能。
（4）制備單克隆抗體時，需要將小鼠脾臟產生的B淋巴細胞與骨髓瘤細胞誘導融合，最終篩選得到的雜交瘤細胞的特，點是既能迅速大量繁殖，又能產生專一性抗體。
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