專題1基因工程1.1

DNA重組技術(shù)的基本工具概念認(rèn)知·自主學(xué)習(xí)一、基因工程的概念、優(yōu)點和理論基礎(chǔ)1.基因工程的概念:(1)操作環(huán)境:生物體外。(2)操作水平:_________水平。(3)主要技術(shù):_____________和_______等技術(shù)。(4)供體:提供_______________。(5)受體:___________目的基因的細(xì)胞。(6)操作目的:賦予生物新的_________,創(chuàng)造出更符合人們需要的新的_________和生物產(chǎn)品。(7)轉(zhuǎn)基因生物發(fā)生的變異類型:_________。DNA分子體外DNA重組轉(zhuǎn)基因目的基因的細(xì)胞接受并表達(dá)遺傳特性生物類型基因重組2.基因工程的優(yōu)點:(1)與雜交育種相比:克服了_______________的障礙。(2)與誘變育種相比:_____改造生物的遺傳性狀。遠(yuǎn)緣雜交不親和定向3.基因工程實現(xiàn)的理論基礎(chǔ):(1)不同生物的DNA實現(xiàn)成功拼接的原因。①化學(xué)成分相同:所有生物的DNA都以4種___________為基本單位。②空間結(jié)構(gòu)相同:一般情況下,DNA分子具有獨特的_______結(jié)構(gòu)。(2)某種生物的基因能在另一種生物細(xì)胞內(nèi)表達(dá)的原因:__________________________。(3)基因是控制生物性狀的遺傳物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能的基本單位,具有一定的_______,這為目的基因在受體細(xì)胞中的表達(dá)提供了前提條件。脫氧核苷酸雙螺旋所有生物共用一套遺傳密碼獨立性二、基因工程的基本工具1.限制性核酸內(nèi)切酶(簡稱限制酶)——“分子手術(shù)刀”:(1)來源:主要是從_____生物中分離純化出來的。(2)作用:識別雙鏈DNA分子的某種特定___________,并使每一條鏈中特定部位的兩個核苷酸之間的___________斷開。(3)結(jié)果:產(chǎn)生_________或平末端。原核核苷酸序列磷酸二酯鍵黏性末端2.DNA連接酶——“分子縫合針”:(1)DNA連接酶的作用:將_____________“縫合”起來,恢復(fù)被限制酶切開的兩個核苷酸之間的___________。(2)DNA連接酶的種類、來源和特點:種類來源特點_____DNA連接酶_________只能“縫合”具有_____________的雙鏈DNA片段T4DNA連接酶T4噬菌體既可以“縫合”雙鏈DNA片段互補的_________,又可以“縫合”雙鏈DNA片段的_______雙鏈DNA片段磷酸二酯鍵E·coli大腸桿菌互補黏性末端黏性末端平末端3.基因進(jìn)入受體細(xì)胞的載體——“分子運輸車”:(1)種類:通常用_____作為載體,另外還有λ噬菌體的衍生物和___________等。(2)載體的作用。①將目的基因_____到受體細(xì)胞中去。②在受體細(xì)胞內(nèi)對目的基因進(jìn)行大量_____。(3)作為載體必須具備的條件。①在宿主細(xì)胞中能保存下來并大量_____。②有一個至多個_______________。③有特殊的_________,便于篩選。④對_________無害。質(zhì)粒動植物病毒轉(zhuǎn)運復(fù)制復(fù)制限制酶切割位點標(biāo)記基因受體細(xì)胞三、重組DNA分子的模擬操作1.材料用具:剪刀代表_______,透明膠條代表___________。2.切割位點:(1)分別從兩塊硬紙板上的一條DNA鏈上找出G—A—A—T—T—C序列,并選G—A之間作切口進(jìn)行“切割”。(2)再從另一條鏈上___________之間尋找EcoRⅠ相應(yīng)的切口剪開。(3)目的基因兩側(cè)都有“切割”位點,載體上至少有一處“切割”位點。3.操作結(jié)果:若操作正確,不同顏色的黏性末端應(yīng)能_________;否則,說明操作有誤。EcoRⅠDNA連接酶互補的堿基互補配對【易錯辨析】1.基因工程的原理是基因重組。 ()2.DNA重組技術(shù)所需要的工具酶有限制酶、DNA連接酶和載體。 ()【分析】注意是“工具酶”,載體不是酶。3.DNA聚合酶可以將目的基因和載體連接在一起。 ()【分析】DNA聚合酶的作用是將單個的脫氧核苷酸添加到脫氧核苷酸鏈上,即一個一個地往上“聚”,而目的基因和載體都是DNA片段。4.限制酶只能用于切割目的基因。 ()【分析】限制酶既能用于切割目的基因,也能用于切割載體?！獭痢痢?.不同DNA分子用同一種限制酶切割形成的黏性末端相同。 ()6.載體質(zhì)粒通常采用抗生素合成基因作為篩選標(biāo)記基因。 ()【分析】載體質(zhì)粒通常采用抗生素抗性基因作為篩選標(biāo)記基因。7.載體的種類有質(zhì)粒、λ噬菌體的衍生物、動植物病毒等,其中動植物病毒必須是DNA病毒。 ()8.DNA連接酶能連接所有相同或互補的黏性末端,故該酶沒有專一性。 ()【分析】任何酶都具有專一性。酶的專一性是指一種酶只能催化一種或一類化學(xué)反應(yīng),黏性末端相連接屬于一類合成反應(yīng)?！獭痢獭聊芰π纬伞ず献魈骄恳弧⒒蚬こ痰墓ぞ呙?.限制酶:(1)限制酶的作用。限制酶具有特殊的識別和切割功能,在基因工程中,一方面被用于切割含目的基因的DNA分子,以獲取目的基因;另一方面用于切割載體。(2)限制酶切割產(chǎn)物類型。①EcoRⅠ限制酶識別的堿基序列是GAATTC,切割位點在G和A之間,產(chǎn)生黏性末端,如圖1。②SmaⅠ限制酶識別的堿基序列是CCCGGG,切割位點在C和G之間,產(chǎn)生平末端,如圖2。(3)限制酶的特性:限制酶具有專一性。2.DNA連接酶:(1)作用。將具有相同或互補黏性末端以及具有平末端的DNA片段“縫合”成新的DNA分子。(2)連接方式。DNA連接酶可把黏性末端或平末端之間的縫隙“縫合”起來,相當(dāng)于把梯子兩邊的扶手的斷口連接起來,形成兩個磷酸二酯鍵,而與堿基之間的氫鍵形成無關(guān)。如圖:3.限制酶的選擇依據(jù):(1)根據(jù)目的基因兩端的限制酶切割位點確定限制酶的種類。①應(yīng)選擇切割位點位于目的基因兩端的限制酶,如圖甲可選擇PstⅠ。②不能選擇切割位點位于目的基因內(nèi)部的限制酶,如圖甲不能選擇SmaⅠ。(2)根據(jù)質(zhì)粒的特點確定限制酶的種類。①所選限制酶要與切割目的基因的限制酶一致,以確保產(chǎn)生相同的黏性末端。②質(zhì)粒作為載體必須具備標(biāo)記基因等,所以所選擇的限制酶盡量不要破壞這些結(jié)構(gòu),如圖乙中限制酶SmaⅠ會破壞標(biāo)記基因;如果所選酶的切割位點不是一個,則切割重組后可能丟失某些片段,若丟失的片段含復(fù)制起點區(qū),則切割重組后的片段進(jìn)入受體細(xì)胞后不能自主復(fù)制。③為避免目的基因和質(zhì)粒的自身環(huán)化和隨意連接,也可使用不同的限制酶切割目的基因和質(zhì)粒,如圖甲也可選擇用PstⅠ和EcoRⅠ兩種限制酶(但要確保質(zhì)粒上也有這兩種酶的切割位點)。【易錯提醒】與DNA有關(guān)的酶的作用不同(1)限制酶作用于DNA,使特定部位的磷酸二酯鍵斷開。(2)DNA連接酶作用于DNA片段,恢復(fù)被限制酶切開的磷酸二酯鍵,將兩個DNA片段連接為一個DNA分子。(3)DNA聚合酶作用于脫氧核苷酸,將單個脫氧核苷酸依次連接到單鏈末端。(4)DNA水解酶作用于DNA,將DNA片段水解為單個脫氧核苷酸。(5)解旋酶作用于DNA,將雙鏈DNA分子局部解旋為單鏈,形成兩條長鏈。(6)RNA聚合酶識別DNA上的特定堿基序列,啟動轉(zhuǎn)錄過程,使單個核糖核苷酸依次連接到單鏈末端。【選修對接必修】對接必修1:酶的特性(1)酶具有哪些特性?提示:專一性、高效性、作用條件較溫和。(2)限制酶具有專一性嗎?提示:具有專一性,限制酶能夠識別雙鏈DNA分子的某種特定的核苷酸序列,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。對接必修2:DNA復(fù)制與PCR(1)DNA分子復(fù)制時在___________的作用下,利用細(xì)胞中游離的4種脫氧核糖核苷酸為原料,按照_____________原則,各自合成與母鏈互補的一段子鏈。(2)PCR是生物體外復(fù)制特定DNA片段的核酸合成技術(shù),需要熱穩(wěn)定__________________參與。DNA聚合酶堿基互補配對DNA聚合酶(Taq酶)【素養(yǎng)案例】通過重組DNA技術(shù)使原有基因得以改造的動物稱為轉(zhuǎn)基因動物,運用這一技術(shù)使羊乳中含有人體蛋白質(zhì),如圖表示基本過程,在該過程中所用的基因“手術(shù)刀”能識別的序列和切點是,請回答下列問題:(1)從羊DNA中“切下”羊蛋白質(zhì)基因的酶是________,人體蛋白質(zhì)基因“插入”羊DNA中需要的酶是______________。

(2)請寫出質(zhì)粒被切割形成黏性末端的過程:【解題關(guān)鍵】解答本題的關(guān)鍵有兩點:(1)明確重組DNA技術(shù)需要三種工具,分別是限制酶、DNA連接酶和載體,理解各工具操作特點。(2)能夠說明不同生物的DNA能夠連接的理論基礎(chǔ)是基因結(jié)構(gòu)均是相同的?！窘馕觥?1)限制酶可以識別并切割特定的脫氧核苷酸序列,可用于從羊DNA中“切下”羊蛋白質(zhì)基因,使用DNA連接酶將人體蛋白質(zhì)基因與載體“縫合”,然后“插入”羊的DNA中。(2)限制酶識別的序列為—GGATCC—,并且在G與G之間切開,因此形成的黏性末端為反向重復(fù)的,其過程為答案:(1)限制酶DNA連接酶【跟蹤小練】1.下列有關(guān)基因工程中限制性核酸內(nèi)切酶的描述,錯誤的是(

)A.一種限制性核酸內(nèi)切酶只能識別一種特定的核糖核苷酸序列B.限制性核酸內(nèi)切酶的活性受溫度、pH的影響,總有一個最合適的條件C.限制性核酸內(nèi)切酶能破壞相鄰脫氧核苷酸之間的化學(xué)鍵D.限制性核酸內(nèi)切酶不只存在于原核生物中,其合成場所是核糖體【解析】選A。本題考查基因工程的“分子手術(shù)刀”——限制酶的作用、特點和來源。限制酶只能夠識別雙鏈DNA分子的某種特定的脫氧核苷酸序列,不能識別RNA分子的核糖核苷酸序列,A項錯誤;同其他的酶一樣,限制酶同樣受溫度和pH的影響,而且具有發(fā)揮最大催化效率的最適溫度和最適pH,B項正確;限制酶催化的是特定部位磷酸二酯鍵的斷裂,屬于水解反應(yīng),C項正確;限制酶主要從原核生物中分離純化,也有來自真核細(xì)胞的,其本質(zhì)是蛋白質(zhì),在核糖體上合成,D項正確。2.(2018·北京高考)用XhoⅠ和SalⅠ兩種限制性核酸內(nèi)切酶分別處理同一DNA片段,酶切位點及酶切產(chǎn)物分離結(jié)果如圖。以下敘述不正確的是 (

)A.圖1中兩種酶識別的核苷酸序列不同B.圖2中酶切產(chǎn)物可用于構(gòu)建重組DNAC.泳道①中是用SalⅠ處理得到的酶切產(chǎn)物D.圖中被酶切的DNA片段是單鏈DNA【解題關(guān)鍵】(1)題眼:限制性核酸內(nèi)切酶。(2)解題關(guān)鍵:限制性核酸內(nèi)切酶識別的是雙鏈DNA的特定的核苷酸序列。(3)解題思路:酶的特異性;根據(jù)不同的酶有幾個酶切位點可以判斷最終有幾個DNA片段?！窘馕觥窟xD。因為酶具有特異性,所以兩種酶識別的核苷酸序列不同,A項正確;酶切產(chǎn)物可以用于構(gòu)建重組DNA,B項正確;泳道①中有3條較短的片段和1條較長的片段,共4個片段,符合SalⅠ處理得到的酶切產(chǎn)物,C項正確;圖中被酶切的DNA片段是雙鏈DNA,D項錯誤。

【補償訓(xùn)練】1.一環(huán)狀DNA分子,設(shè)其長度為1,限制酶A在其上的切點位于0.0處;限制酶B在其上的切點位于0.3處;限制酶C的切點未知,但C單獨切或與A或與B同時切的結(jié)果如表,請確定C在該環(huán)狀DNA分子上的切點應(yīng)位于圖中的哪處 (

)A.0.2和0.4處 B.0.4和0.6處C.0.5和0.7處 D.0.6和0.9處C單獨切長度為0.8和0.2的兩個片段C與A同時切長度為2個0.2和1個0.6的片段C與B同時切長度為2個0.1和1個0.8的片段【解題關(guān)鍵】(1)圖示信息:明確限制酶A、B的切點位置分別是0.0處和0.3處。(2)關(guān)鍵信息:限制酶C與限制酶A或限制酶B同時切時,可先考慮限制酶A或限制酶B先把環(huán)狀DNA切開成為線狀DNA分子,然后再被限制酶C切割?！窘馕觥窟xA。據(jù)圖表信息可知:限制酶C單獨切割環(huán)狀DNA分子,獲得長度為0.8和0.2的兩個片段,可推知限制酶C有2個切割位點,而限制酶A只有1個切割位點,且位于0.0處。又知限制酶C與限制酶A同時切割時,獲得2個0.2和1個0.6的片段,因此以限制酶A切割點向左或向右推測,可得知限制酶C的切割位點可能為0.2、0.8或0.2、0.4或0.6、0.8處。再根據(jù)限制酶C與限制酶B同時切割時,獲得2個0.1和1個0.8的片段,可推知限制酶C的切割位點可能為0.1、0.2或0.4、0.5或0.2、0.4處。綜上分析,只有0.2和0.4兩處與之前推測相吻合,選項A正確。2.如圖所示的酶M和酶N是兩種限制酶,圖中DNA片段只注明了黏性末端處的堿基種類,其他堿基的種類未注明。(1)酶M特異性切割的DNA片段是,則酶N特異性切割的DNA片段是________。(2)多個片段乙和多個片段丁混合在一起,用DNA連接酶拼接得到環(huán)狀DNA,其中只由兩個DNA片段連接成的環(huán)狀DNA分子有________種。【解題關(guān)鍵】(1)運用逆向思維,將切口“縫合”,尋找特定序列。(2)既要找出相同或互補的黏性末端,又要注意題干里的條件——“多個”。【解析】本題考查限制酶的切割特點。限制酶識別的一般是DNA上特定的回文序列,切割的是特定部位的磷酸二酯鍵。既然酶M識別的是片段乙和丙相接后的特定序列,那么酶N識別的就一定是片段甲和乙相接后的特定序列,這兩個序列都具有回文的特點。片段乙和片段丁是同種限制酶切割后形成的,二者存在互補的黏性末端,完全可以首尾相接,形成環(huán)狀的DNA分子(乙-丁);又由于是多個片段混合在一起,乙和丁本身也會分別發(fā)生“兩兩”連接,形成乙-乙和丁-丁兩種環(huán)狀的DNA分子。答案:(1)

(2)3【誤區(qū)警示】(1)限制酶識別的序列一般是特定的回文核苷酸序列;DNA連接酶連接的是相同或互補的黏性末端,而有的DNA連接酶連接平末端后也會形成特定的回文序列。(2)同一種限制酶一定能切出相同的黏性末端,相同的黏性末端不一定來自同一種限制酶的切割,但同樣能相互連接。

二、基因工程中的常用載體2.作用:(1)作為運輸工具,攜帶外源DNA片段進(jìn)入受體細(xì)胞。(2)攜帶目的基因在受體細(xì)胞內(nèi)大量復(fù)制。3.質(zhì)粒:(1)本質(zhì):質(zhì)粒是一種裸露的、小型環(huán)狀的DNA分子,而不是細(xì)胞器。(2)來源:主要來源于原核生物,部分真菌細(xì)胞內(nèi)也含有。4.作為載體所具備的條件:條件意義穩(wěn)定并能復(fù)制目的基因穩(wěn)定存在且數(shù)量可擴大有一至多個限制酶切割位點便于與目的基因連接具有特殊的標(biāo)記基因便于重組DNA的鑒定和選擇無毒害作用避免受體細(xì)胞受到損傷【易錯提醒】基因工程中載體的三點提醒(1)細(xì)胞膜上的載體與基因工程中的載體的區(qū)別。①化學(xué)本質(zhì)不同:細(xì)胞膜上的載體化學(xué)成分是蛋白質(zhì);基因工程中的載體可能是物質(zhì),如質(zhì)粒(DNA)、λ噬菌體的衍生物,也可能是生物,如動植物病毒等。②功能不同:細(xì)胞膜上的載體功能是協(xié)助細(xì)胞膜控制物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞;基因工程中的載體是一種“分子運輸車”,把目的基因?qū)胧荏w細(xì)胞。(2)載體需要加工:一般來說,天然載體不能同時滿足所有條件,要對其進(jìn)行人工改造才可以使用。(3)標(biāo)記基因的篩選原理。①前提:載體上的標(biāo)記基因一般是一些抗生素的抗性基因。目的基因要轉(zhuǎn)入的受體細(xì)胞沒有抵抗相關(guān)抗生素的能力。②過程:含有某抗生素抗性基因的載體導(dǎo)入受體細(xì)胞,抗性基因在受體細(xì)胞內(nèi)表達(dá),受體細(xì)胞對該抗生素產(chǎn)生抗性,然后在培養(yǎng)基中加入該抗生素。③結(jié)果:在培養(yǎng)基上,被抗生素殺死的是沒有抗性的受體細(xì)胞,沒被殺死的具有抗性的受體細(xì)胞得以篩選?！舅仞B(yǎng)案例】某一質(zhì)粒載體如圖所示,外源DNA插入Ampr或Tetr中會導(dǎo)致相應(yīng)的基因失活(Ampr表示氨芐青霉素抗性基因,Tetr表示四環(huán)素抗性基因)。有人將此質(zhì)粒載體用BamHⅠ酶切后,與用BamHⅠ酶切獲得的目的基因混合,加入DNA連接酶進(jìn)行連接反應(yīng),用得到的混合物直接轉(zhuǎn)化大腸桿菌,結(jié)果大腸桿菌有的未被轉(zhuǎn)化,有的被轉(zhuǎn)化。被轉(zhuǎn)化的大腸桿菌有三種,分別是含有環(huán)狀目的基因、含有質(zhì)粒載體、含有插入了目的基因的重組質(zhì)粒的大腸桿菌。回答下列問題:(1)質(zhì)粒載體作為基因工程的工具,應(yīng)具備的基本條件有__________________________________________________(答出兩點即可)。而作為基因表達(dá)載體,除滿足上述基本條件外,還需具有啟動子和終止子。

(2)如果用含有氨芐青霉素的培養(yǎng)基進(jìn)行篩選,在上述四種大腸桿菌細(xì)胞中,未被轉(zhuǎn)化的和僅含環(huán)狀目的基因的細(xì)胞是不能區(qū)分的,其原因是_________________________________________________________;并且____________________________________的細(xì)胞也是不能區(qū)分的,其原因是________________________________________________。在上述篩選的基礎(chǔ)上,若要篩選含有插入了目的基因的重組質(zhì)粒的大腸桿菌單菌落,還需使用含有________________的固體培養(yǎng)基。

(3)基因工程中,某些噬菌體經(jīng)改造后可以作為載體,其DNA復(fù)制所需的原料來自____________。

【解題關(guān)鍵】(1)掌握基因工程中載體應(yīng)具備的基本條件。(2)明確抗性基因的作用,能夠依據(jù)題干信息靈活利用。熟練掌握病毒增殖的相關(guān)知識?！窘馕觥勘绢}考查基因工程的相關(guān)知識。(1)質(zhì)粒被選用為基因工程的載體是因為:具有一個至多個限制酶切點;具有自我復(fù)制能力;帶有標(biāo)記基因;對受體細(xì)胞無害。(2)未轉(zhuǎn)化的和僅含環(huán)狀目的基因的細(xì)胞都不能在含有氨芐青霉素的培養(yǎng)基上生長,故這兩種不可區(qū)分。含有質(zhì)粒載體和含有插入了目的基因的重組質(zhì)粒的細(xì)胞在含有氨芐青霉素的培養(yǎng)基上都能生長,這兩種也不可區(qū)分。因目的基因插入位點在四環(huán)素抗性基因上,四環(huán)素抗性基因被破壞,在獲得的單個菌落中各挑取少許分別接種到含有四環(huán)素的培養(yǎng)基上,不能生長的為要篩選的菌落,即含有插入了目的基因的重組質(zhì)粒的大腸桿菌。(3)噬菌體營寄生生活,能利用宿主細(xì)胞內(nèi)的原料和場所進(jìn)行自身DNA的復(fù)制和蛋白質(zhì)的合成。答案:(1)能自我復(fù)制、具有標(biāo)記基因(2)二者均不含有氨芐青霉素抗性基因,在該培養(yǎng)基上均不生長含有質(zhì)粒載體含有插入了目的基因的重組質(zhì)粒(或含有重組質(zhì)粒)二者均含有氨芐青霉素抗性基因,在該培養(yǎng)基上均能生長四環(huán)素(3)受體細(xì)胞【誤區(qū)警示】用含有氨芐青霉素的培養(yǎng)基進(jìn)行篩選時,只要氨芐青霉素抗性基因結(jié)構(gòu)完整,又成功地導(dǎo)入受體細(xì)胞并成功表達(dá)的細(xì)胞都能生長,反之則不能生長?！靖櫺【?/p>