第十六單元生物技術與工程第2課時基因工程的應用及蛋白質工程第十六單元生物技術與工程章節知識體系基因工程基因工程的誕生和發展理論基礎技術發明基因工程的基本操作工具限制酶DNA連接酶基因進入受體細胞的載體基因工程的基本操作程序目的基因的篩選與獲取基因表達載體的構建將目的基因導入受體細胞目的基因的檢測與鑒定篩選合適的目的基因利用PCR獲取和擴增目的基因蛋白質工程基因工程的應用DNA片段的擴增及電泳鑒定農牧業、醫藥衛生、食品工業等延伸基本原理基本思路崛起緣由基因工程的概念CONTENT目錄考點分析01能明確基因工程的概念和原理，了解基因工程的誕生和發展，認同基礎理論和相關技術的發展催生了基因工程。0204能闡明DNA重組技術所需的三種基本工具的作用，能完成DNA的粗提取和鑒定。05能理解利用PCR技術獲取和擴增目標DNA片段，并用電泳鑒定PCR的產物。06能闡明蛋白質工程崛起的緣由，明確蛋白質工程的基本原理，能依據人類需要對原有蛋白質結構進行基因改造、生產目標蛋白質的過程。了解基因工程在農牧業、醫藥衛生和食品工業等方面的應用。03能闡明基因工程的基本操作程序，能針對人類生產和生活中的某一需求，選取適當的基因工程的技術和方法，嘗試設計獲得某一轉基因產品的方案。

1、基因工程在農牧業方面的應用一、基因工程的應用抗蟲功能的基因抗病基因降解或抵抗蛋白質編碼基因花青素代謝相關的基因外源生長激素基因乳糖酶基因乳汁一、基因工程的應用2、基因工程在醫藥衛生領域的應用基因改造顯微注射抗原決定基因克隆免疫排斥3、基因工程在食品工業方面的應用一、基因工程的應用工程菌牛凝乳酶的基因基因工程菌二、蛋白質工程的原理和應用1、蛋白質過程的概念蛋工程是指以蛋白質分子的結構規律及其與生物功能的關系作為基礎，通過改造或合成基因，來改造現有蛋白質，或制造一種新的蛋白質，以滿足人類生產和生活的需求。2、蛋白質工程崛起的緣由基因工程原則上只能生產自然界中已存在的蛋白質。這些天然蛋白質的結構和功能符合特定物種生存的需要，卻不一定完全符合人類生產和生活的需要。3、蛋白質工程的基本原理通過改造或合成基因來實現對蛋白質結構的設計改造。4、蛋白質工程的基本思路從預期的蛋白質功能出發設計預期的蛋白質結構推測應有的氨基酸序列找到并改變相對應的脫氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因獲得所需要的蛋白質→→→→能力訓練1、生產乳腺生物反應器構建基因表達載體時有什么特別要求？為什么？必須把藥用蛋白基因與乳腺蛋白基因的啟動子等調控元件重組在一起。因為只有連接了乳腺蛋白基因的啟動子，才能保證相應的目的基因在雌性動物泌乳期乳腺細胞內得以表達2、利用轉基因細菌能否直接生產干擾素等化學本質為糖蛋白的藥物？為什么？

不能。糖蛋白合成后需要經過內質網和高爾基體的加工修飾，才具有生物活性。而細菌是原核生物，細胞中無內質網和高爾基體等其他細胞器。3、對天然蛋白質進行改造，你認為應該直接對蛋白質分子進行操作，還是通過對基因的操作來實現？原因是什么？應該通過對基因的操作來實現對天然蛋白質的改造。主要原因：①蛋白質具有十分復雜的空間結構，但基因的結構相對簡單，容易改造；②改造后的基因可以遺傳給下一代，被改造的蛋白質無法遺傳。能力訓練4、請判斷對錯。①利用乳腺生物反應器能夠獲得一些重要的醫藥產品，如人的血清白蛋白，這是因為將人的血清白蛋白基因導入了動物的乳腺細胞中(

)②由大腸桿菌工程菌獲得人的干擾素后可直接應用(

)③蛋白質工程的目的是改造或合成人類需要的蛋白質(

)④蛋白質工程可以合成自然界中不存在的蛋白質(

)⑤蛋白質工程是在分子水平上對蛋白質分子直接進行操作，定向改變分子的結構(

)⑥種植轉基因植物有可能因基因擴散而影響野生植物的基因多樣性(

)⑦蛋白質工程經常要借助計算機來建立蛋白質的三維結構模型(

)⑧根據蛋白質的氨基酸序列推測出的DNA堿基序列與細胞中的相同(

)⑨基因工程需要在分子水平對基因進行操作，蛋白質工程不需要對基因進行操作(

)⑩蛋白質工程需要改變蛋白質分子的所有氨基酸序列(

)×√××√××√√×能力訓練5、[2022·寧夏石嘴山三中高三月考]目前科學家們通過蛋白質工程制造出了藍色熒光蛋白、黃色熒光蛋白等。采用蛋白質工程技術制造出藍色熒光蛋白過程的正確順序是(

)①推測藍色熒光蛋白的氨基酸序列和基因的核苷酸序列②藍色熒光蛋白的功能分析和結構設計序列③藍色熒光蛋白基因的合成④表達出藍色熒光蛋白A．①②③④B．②①③④C．②③①④D．④②①③6、(2021·遼寧高考)腈水合酶(N0)廣泛應用于環境保護和醫藥原料生產等領域，但不耐高溫。利用蛋白質工程技術在N0的α和β亞基之間加入一段連接肽，可獲得熱穩定的融合型腈水合酶(N1)。下列有關敘述錯誤的是(

)A．N1與N0氨基酸序列的差異是影響其熱穩定性的原因之一B．加入連接肽需要通過改造基因實現C．獲得N1的過程需要進行轉錄和翻譯D．檢測N1的活性時先將N1與底物充分混合，再置于高溫環境BD能力訓練7、甲醇酵母菌是基因工程中常用的受體菌，它可以高效表達外源蛋白，但自身蛋白較少分泌到培養基中。研究人員將人的膠原蛋白基因導入甲醇酵母中并成功表達。下列有關敘述錯誤的是()A.用兩種酶切割目的基因和質粒，可防止目的基因反向連接和質粒的自身環化B.常用顯微注射法將膠原蛋白基因導入甲醇酵母中C.與大腸桿菌相比，甲醇酵母作受體菌所表達出的膠原蛋白與人體產生的膠原蛋白結構更相近D.與其他酵母菌相比，甲醇酵母作受體菌便于表達出的膠原蛋白的分離與純化8、(2021·天津等級考改編)關于轉基因抗蟲棉的敘述錯誤的是(

)A．提高Bt基因的表達量，可降低抗蟲棉種植區的棉鈴蟲種群密度B．轉入棉花植株的兩種Bt基因的遺傳不一定遵循基因的自由組合定律C．若兩種Bt基因插入同一個T-DNA并轉入棉花植株，則兩種基因互為等位基因D．轉入多種Bt基因能提高抗蟲持久性，是因為棉鈴蟲基因突變頻率低且不定向BC能力訓練9、利用重疊延伸PCR技術進行定點突變可以實現對纖維素酶基因進行合理性改造，其過程如下圖所示。下列分析錯誤的是(

)A．PCR1過程中的產物AB是依賴引物a和引物b擴增的結果B．引物c和引物b上均含有與模板鏈不能互補的堿基C．①過程需要先加熱至90～95℃后再冷卻至50～60℃D．②過程需要利用引物a和引物d獲得突變產物ADD能力訓練10、(2021·揚州高三模擬)20世紀70年代，Fredsanger發明了雙脫氧終止法對DNA進行測序。其原理如圖，在4個試管中分別加入4種脫氧核苷三磷酸(dNTP)和1種雙脫氧核苷三磷酸(ddNTP)；ddNTP可以與dNTP競爭核苷酸鏈延長位點，并終止DNA片段的延伸。在4個試管中DNA鏈將會分別在A、C、G及T位置中止，并形成不同長度的DNA片段。這些片段隨后可被電泳分開并顯示出來。下列說法中正確的是(

)A．這種測序方法需要引物和耐高溫的DNA連接酶B．電泳圖譜中的箭頭所指的DNA片段以鳥嘌呤結尾C．測得未知DNA的序列為5′--GATTCGAGCTGA--3′D．ddNTP與dNTP競爭的延長位點是核苷酸鏈的5′末端B為什么ddNTP可以與dNTP競爭核苷酸鏈延長位點，并終止DNA片段的延伸？能力訓練11、[全國卷Ⅱ]已知生物體內有一種蛋白質(P)，該蛋白質是一種轉運蛋白，由305個氨基酸組成。如果將P分子中158位的絲氨酸變成亮氨酸，240位的谷氨酰胺變成苯丙氨酸，改變后的蛋白質(P1)不但保留P的功能，而且具有酶的催化活性?；卮鹣铝袉栴}：（1）從上述資料可知，若要改變蛋白質的功能，可以考慮對蛋白質的________________進行改造。（2）以P基因序列為基礎，獲得P1基因的途徑有修飾____基因或合成____基因。所獲得的基因表達時是遵循中心法則的，中心法則的全部內容包括_____________________的復制；以及遺傳信息在不同分子之間的流動，即：___________________________________________。（3）蛋白質工程也被稱為第二代基因工程，其基本途徑是從預期蛋白質功能出發，通過_________________和________________進而確定相對應的脫氧核苷酸序列，據此獲得基因，再經表達、純化獲得蛋白質，之后還需要對蛋白質的生物_______進行鑒定。氨基酸序列(或結構)PP1DNA和RNA(或遺傳物質)DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白質(或轉錄、逆轉錄、翻譯)設計蛋白質的結構推測氨基酸序列功能拓展基因編輯技術

CRISPR/Cas9基因編輯系統是由人工合成的單鏈向導RNA(sgRNA)和一種來自細菌的核酸酶Cas9組成。

sgRNA的部分序列通過堿基互補配對原則，與目標DNA中希望被編輯的序列相結合；Cas9也與sgRNA結合，然后切割與sgRNA結合的DNA，使目標DNA雙鏈斷裂。

對于DNA雙鏈的斷裂這一生物事件，生物體自身存在著DNA損傷修復的應答機制，會將斷裂上下游兩端的序列連接起來，從而實現了細胞中目標基因的敲除。此時，如果向細胞中加入大量可用于修復的模板DNA(即大部分序列與被切割位點附近的序列相同，但個別位點被人工改變的DNA)，細胞就會以這些片段為模板合成DNA。就這樣，人類希望改變的堿基序列被引入基因組中，基因組的準確編輯由此實現。此外，如果想讓某個基因失去功能，也可以利用基因組編輯來破壞目的基因。能力訓練12、(2022·湖南高三模擬)CRISPR/Cas9基因編輯技術可以按照人們的意愿精準剪切、改變任意靶基因的遺傳信息，對該研究有突出貢獻的科學家被授予2020年諾貝爾化學獎。其原理是由一條單鏈向導RNA(sgRNA)引導Cas9蛋白到一個特定的基因位點進行切割，從而達到基因定點敲除、敲入、突變的目的。通過設計向導RNA中20個堿基的識別序列，可人為選擇DNA上的目標位點進行切割(如圖所示)。請據圖分析回答下列問題。（1）CRISPR/Cas9基因編輯技術中，sgRNA是根據靶基因設計的引導RNA，準確引導Cas9切割與sgRNA配對的靶基因DNA序列。Cas9借助向導RNA對目標DNA分子進行精準定位，依賴于_____________________________________________________；Cas9蛋白能對目標位點進行準確切割，是因為______________________________________________________________，由此可見，Cas9在功能上屬于_____酶。向導RNA識別序列與目標DNA之間的堿基互補配對Cas9蛋白能識別特定核苷酸序列并在特定位點斷開磷酸二酯鍵限制能力訓練（2）在使用Cas9對不同目標DNA進行編輯時，應使用Cas9蛋白和_____(填“相同”或“不同”)的向導RNA進行基因編輯。在設計向導RNA識別序列時，若目標DNA的α鏈切點附近序列為…GAATCTCCA…，則向導RNA上識別序列為______________________。（3）分析上述信息可知，CRISPR/Cas9基因編輯技術與早期基因工程相比最明顯的優勢是___________________________________________________________________________________。（4）已知玉米中賴氨酸含量較低，原因是與賴氨酸合成過程中的兩個關鍵酶——天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶的活性，受細胞內賴氨酸濃度影響較大。當賴氨酸濃度達到一定量時就影響這兩種酶的活性，從而使賴氨酸含量很難提高，不能滿足需求?，F使用CRISPR/Cas9基因編輯技術對天冬氨酸激酶和二氫吡啶二羧酸合成酶基因進行改造，首先需要構建由啟動子、______________________________(目的基因)、標記基因、終止子等組成的基因表達載體，然后使用___________法導入玉米細胞，完成轉化后CRISPR/Cas9系統可在玉米體細胞中特定的基因位點改寫遺傳信息，再經_______________技術培育成賴氨酸高產的玉米植株。不同…GAAUCUCCA…CRISPR/Cas9基因編輯技術可人為地選擇DNA上的目標位點進行切割，目的性更強Cas9蛋白基因和sgRNA基因農桿菌轉化植物組織培養拓展基因的定點突變技術重疊延伸PCR技術是一項重要的基因定點突變技術，其主要設計思路是用具有互補配對片段的引物(圖中的引物2和3，突起處代表與模板鏈不能互補的突變位點)，分別進行PCR，獲得有重疊鏈的兩種DNA片段，再在隨后的擴增反應中通過重疊鏈的延伸獲得想要的目的基因。能力訓練13、水蛭素是一種蛋白質,可用于預防和治療血栓。某科研團隊運用重疊延伸PCR技術在水蛭素基因中的特定位點引入特定突變，使水蛭素第47位的天冬酰胺(密碼子為AAC、AAU)替換為賴氨酸(密碼子為AAA、AAG)，從而提高水蛭素的抗凝血活性。原理如圖。（1）由以上事例可知，要對蛋白質的結構進行改造,需要通過