資源簡介

3.3基因工程的應(yīng)用的學(xué)案
【學(xué)習(xí)目標】
1.舉例說出基因工程在農(nóng)牧業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生和食品工業(yè)等方面的應(yīng)用。
2.認同基因工程的應(yīng)用價值并關(guān)注基因工程的進展。
3.舉例說明轉(zhuǎn)基因矮牽牛的培養(yǎng)流程和乳腺生物反應(yīng)器的培育過程。
【學(xué)習(xí)重難點】
【教學(xué)重點】基因工程在農(nóng)牧業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生和食品工業(yè)等方面的應(yīng)用。
【教學(xué)難點】乳腺生物反應(yīng)器。
【預(yù)習(xí)新知】
基因工程在農(nóng)牧業(yè)方面的應(yīng)用
1．改良植物品種
(1) 轉(zhuǎn)基因抗蟲植物
a.方法：從某些生物中分離出具有 的基因?qū)胱魑镏小?br/>b.實例：轉(zhuǎn)基因抗蟲 、玉米、大豆、 和馬鈴薯等。
(2)轉(zhuǎn)基因抗病植物
a.方法：將來源于某些 等的抗病基因?qū)胫参铩?br/>b.實例：轉(zhuǎn)基因抗病毒 、番木瓜和煙草等。
(3)轉(zhuǎn)基因抗除草劑植物
a.方法：將 的基因?qū)胱魑铩?br/>b.實例：轉(zhuǎn)基因抗除草劑 、 、油菜和甜菜等。
(4)改良植物的品質(zhì)
a.提高營養(yǎng)價值
方法：將必需氨基酸含量多的 編碼基因?qū)胫参?br/>實例： 含量提升30%的轉(zhuǎn)基因玉米
b.提高觀賞價值
方法：將與植物 代謝相關(guān)的基因?qū)氚珷颗?br/>實例：轉(zhuǎn)基因矮牽牛呈現(xiàn)出自然界沒有的顏色變異
2.改良動物品種
(1)提高動物的生長速率
a.方法：將外源生長激素基因?qū)? 。
b.實例： 提高42%-115%的轉(zhuǎn)基因鯉魚。
(2)改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)
a.方法：將 基因?qū)肽膛；蚪M。
b.實例：大降低牛奶中 的含量，解決乳糖不耐受問題。
基因工程在醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用
(1)技術(shù)方法
①對微生物或動植物的細胞進行　 　 ，使它們能夠生產(chǎn)藥物。
②利用乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)藥物：將　 　 基因與乳腺中特異表達的基因的
　 　 等調(diào)控元件重組在一起，通過　 　 導(dǎo)入哺乳動物的受精卵中，培育出的轉(zhuǎn)基因動物通過　 　 生產(chǎn)所需要的藥物。
③培育移植器官：在器官供體的基因組中導(dǎo)入某種　 　 抑制 　 基因的表達或設(shè)法除去　 　 基因，然后再結(jié)合　 　 技術(shù)，培育出不會引起　 　 反應(yīng)的轉(zhuǎn)基因克隆器官。
(2)實例：重組人干擾素、促紅細胞生成素、抗凝血酶、血清白蛋白等。
基因工程在食品工業(yè)方面的應(yīng)用
1.阿斯巴甜是一種普遍使用的甜味劑,主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成,這兩種氨基酸就可以通過基因工程實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
2.科學(xué)家將編碼牛凝乳酶的基因?qū)氪竽c桿菌、黑曲霉或酵母菌的基因組中,再通過 　工業(yè)發(fā)酵 批量生產(chǎn)凝乳酶。
3.通過 　構(gòu)建基因工程菌 ,然后用發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)食品工業(yè)用酶。相比從天然產(chǎn)物中提取的酶,用基因工程技術(shù)獲得的工業(yè)用酶的純度更高,而且它的生產(chǎn)成本顯著降低 ,生產(chǎn)效率較高。除上述應(yīng)用外,基因工程還能培育出可以降解多種污染物的“超級細菌”來處理　環(huán)境污染 ,利用經(jīng)過基因改造的微生物來生產(chǎn)能源等。
【易錯提示】
1．動物基因工程的目的主要是改良畜產(chǎn)品的品質(zhì)或者是用轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)藥物。
2．高產(chǎn)青霉菌是誘變產(chǎn)生的，不屬于基因工程菌。
3．乳腺生物反應(yīng)器的操作過程中，構(gòu)建基因表達載體時，目的基因首端要連接乳腺蛋白基因的啟動子等調(diào)控組件，否則目的基因在乳腺上皮細胞中不能轉(zhuǎn)錄。將構(gòu)建好的基因表達載體導(dǎo)入受精卵，而不是乳腺上皮細胞，這樣由受精卵發(fā)育成的個體體細胞均含有目的基因(如藥用蛋白基因)，但該基因只在乳腺上皮細胞中表達。
4．與乳腺生物反應(yīng)器相比，膀胱生物反應(yīng)器的優(yōu)點是從轉(zhuǎn)基因動物一出生就可以收集產(chǎn)物，不用考慮動物的性別和是否正處于生殖期。膀胱生物反應(yīng)器最顯著的優(yōu)勢在于從尿液中提取蛋白質(zhì)比從乳汁中提取更簡便、高效。
【深化探究】
利用乳腺生物反應(yīng)器和工程菌生產(chǎn)藥物
1．乳腺生物反應(yīng)器的操作過程
2．乳腺生物反應(yīng)器與工程菌生產(chǎn)藥物的區(qū)別
比較內(nèi)容 乳腺生物反應(yīng)器 工程菌
含義 指讓外源基因在哺乳動物的乳腺中特異表達，利用動物的乳腺組織生產(chǎn)藥物蛋白 指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表達的菌類細胞株系
受體基因結(jié)構(gòu)與人類基因結(jié)構(gòu)差異 動物基因結(jié)構(gòu)與人類的基因結(jié)構(gòu)基本相同 細菌和酵母菌的基因結(jié)構(gòu)與人類有較大差異
基因表達 合成的藥物蛋白與天然蛋白質(zhì)相同 細菌合成的藥物蛋白可能沒有活性
受體細胞 動物受精卵 微生物細胞
目的基因?qū)敕绞?顯微注射法 感受態(tài)細胞法
生產(chǎn)條件 不需嚴格滅菌；溫度等外界條件對其影響不大 需嚴格滅菌，嚴格控制工程菌所需的溫度、pH、營養(yǎng)物質(zhì)濃度等外界條件
藥物提取 從動物乳汁中提取 從微生物細胞或其培養(yǎng)液中提取
生產(chǎn)設(shè)備 畜牧業(yè)生產(chǎn)、提取設(shè)備 發(fā)酵生產(chǎn)、提取設(shè)備
合作探究：(1)為了生產(chǎn)藥物，常把藥用蛋白基因構(gòu)建的表達載體導(dǎo)入大腸桿菌或酵母菌細胞中構(gòu)建工程菌，選用細菌或酵母菌作為受體細胞的優(yōu)點有哪些？
提示：細菌和酵母菌繁殖快，多為單細胞，遺傳物質(zhì)相對少，生產(chǎn)能力大等。
(2)繼哺乳動物乳腺生物反應(yīng)器研發(fā)成功后，膀胱生物反應(yīng)器的研究也取得了成功。科學(xué)家培育出一種轉(zhuǎn)基因小鼠，其膀胱上皮細胞可以合成人的生長激素并分泌到尿液中。在研制膀胱生物反應(yīng)器時，應(yīng)使藥用蛋白基因在什么細胞中特異表達？它與乳腺生物反應(yīng)器有什么相同和不同點？
提示：應(yīng)使藥用蛋白基因在膀胱上皮細胞中特異表達。相同點是收集藥用蛋白較容易，且不會對動物造成傷害。不同點是乳腺生物反應(yīng)器必須是處于生殖期的雌性動物才可生產(chǎn)藥用蛋白，而膀胱生物反應(yīng)器則是任何生長期的雌雄動物均可生產(chǎn)。
【鞏固訓(xùn)練】
1.蘇云金桿菌會合成Bt抗蟲蛋白，在棉鈴蟲的堿性腸道環(huán)境中，Bt抗蟲蛋白在特定酶的作用下產(chǎn)生毒性，導(dǎo)致棉鈴蟲死亡。我國科學(xué)家利用花粉管通道法成功培育出轉(zhuǎn)Bt基因的抗蟲棉。下列說法錯誤的是( )
A.可根據(jù)蘇云金桿菌的DNA特定序列設(shè)計引物，用PCR技術(shù)擴增獲得Bt基因B.需要構(gòu)建含Bt基因的基因表達載體，然后將基因表達載體導(dǎo)入棉花細胞
C.Bt基因可以整合到棉花染色體上，抗蟲棉自交后代不會發(fā)生性狀分離
D.Bt抗蟲蛋白具有高度專一性，對害蟲天敵、人畜均無毒性，在環(huán)境中易分解
2.中國科學(xué)家將黃肥尾蝎的神經(jīng)毒素基因（AaIT基因）導(dǎo)入能寄生在許多害蟲體內(nèi)的綠僵菌中，增強了綠僵菌致死害蟲的效應(yīng)，從而可有效控制蟲害；將長穗偃麥草的Fhb7基因?qū)诵←湥浔磉_產(chǎn)物可減輕赤霉菌對小麥的感染。下列說法錯誤的是( )
A.將Fhb7基因?qū)胄←湥刹捎棉r(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法
B.將Fhb7基因?qū)胄←湥捎绊懗嗝咕鷮π←湹募纳芰?br/>C.只有將目的基因?qū)朔乐螌ο螅拍苓_到生物防治目的
D.用綠僵菌工程菌減少蟲害，不改變綠僵菌與害蟲的種間關(guān)系
3.科學(xué)家培養(yǎng)的轉(zhuǎn)基因奶牛的乳腺細胞能夠合成并分泌人凝血因子，這是動物乳腺生物反應(yīng)器研究的重大進展。下列敘述正確的是( )
A.在該轉(zhuǎn)基因牛中，人凝血因子基因只存在于乳腺細胞，而不存在于其他體細胞中
B.“提高基因表達水平”是指設(shè)法使牛的乳腺細胞中含有更多的人凝血因子基因
C.人凝血因子基因開始轉(zhuǎn)錄后，DNA聚合酶以DNA分子的一條鏈為模板合成mRNA
D.轉(zhuǎn)基因奶牛需要進入泌乳期才能批量生產(chǎn)人凝血因子
4.下列關(guān)于基因工程在食品工業(yè)方面的應(yīng)用的敘述，錯誤的是( )
A.用于形成阿斯巴甜的主要氨基酸可以通過基因工程大規(guī)模生產(chǎn)
B.基因工程獲得凝乳酶時，需將編碼凝乳酶的基因?qū)胧荏w菌的基因組中
C.相比從天然產(chǎn)物中提取的酶，用基因工程技術(shù)獲得的工業(yè)用酶的純度較低
D.生產(chǎn)淀粉酶和脂酶時，可通過構(gòu)建工程菌，用發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)
5.植物生物反應(yīng)器主要以整株植物、植物組織或植物懸浮細胞為加工場所,生產(chǎn)藥物蛋白。葉綠體遺傳轉(zhuǎn)化體系是近年發(fā)展起來的一種新的植物生物反應(yīng)器。葉綠體轉(zhuǎn)化是以同源重組原理將外源目的基因整合到目標葉綠體基因組中的一種方式,是一種高表達、安全性極高的遺傳轉(zhuǎn)化方法。下列相關(guān)敘述錯誤的是( )
A.植物生物反應(yīng)器涉及的現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)是基因工程和植物細胞工程
B.構(gòu)建的基因表達載體中含有葉綠體特異啟動子,使得目的基因只能在葉綠體中表達
C.植物葉綠體表達體系可以防止轉(zhuǎn)基因作物的目的基因通過花粉在自然界中擴散
D.把目的基因?qū)肴~綠體DNA中,將來產(chǎn)生的配子一定含有此目的基因
6.下列關(guān)于用轉(zhuǎn)基因動物作器官移植供體的研究的敘述,錯誤的是( )
A.器官短缺和免疫排斥是目前制約人體器官移植的兩大難題
B.豬的內(nèi)臟構(gòu)造、大小和血管分布與人的極為相似
C.靈長類動物體內(nèi)隱藏的、可導(dǎo)致人類疾病的病毒少于豬
D.科學(xué)家正試圖在器官供體基因組中導(dǎo)入某種調(diào)節(jié)因子以抑制抗原決定基因的表達,或設(shè)法除去抗原決定基因
7.有關(guān)基因工程的成果及應(yīng)用的說法,錯誤的是( )
A.用基因工程方法培育的抗蟲植物也能抗病毒
B.基因工程可提高動物的生長速率是由于外源生長激素基因的表達
C.外源基因在乳腺細胞中表達可讓哺乳動物批量生產(chǎn)藥物
D.基因工程在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用主要是培育高產(chǎn)、品質(zhì)優(yōu)良和具有抗逆性的農(nóng)作物
8.已知生物體內(nèi)有一種蛋白質(zhì)（P），該蛋白質(zhì)是一種轉(zhuǎn)運蛋白，由305個氨基酸組成。如果將P分子中第158位的絲氨酸變成亮氨酸，第240位的谷氨酰胺變成苯丙氨酸，改變后的蛋白質(zhì)（P1）不但保留P的功能，而且具有了酶的催化活性。回答下列問題：
（1）從以上敘述可知，若要改變蛋白質(zhì)的功能，可以考慮對蛋白質(zhì)的________進行改造。
（2）以P基因序列為基礎(chǔ)，獲得P1基因的途徑有改造________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(nèi)容包括________的復(fù)制，以及遺傳信息在不同分子之間的流動，即：________________________。
（3）蛋白質(zhì)工程也被稱為第二代基因工程，其基本途徑是從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)，通過________和________，進而確定相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列，據(jù)此獲得基因，再經(jīng)表達、純化獲得蛋白質(zhì)，之后還需要對蛋白質(zhì)的生物________進行鑒定。
參考答案
1.答案：C
解析：蘇云金桿菌會合成Bt抗蟲蛋白，所以可以根據(jù)蘇云金桿菌的DNA特定序列設(shè)計引物，用PCR技術(shù)擴增獲得Bt基因，A正確；為了使Bt基因能夠表達和發(fā)揮作用，需要構(gòu)建基因表達載體，然后將基因表達載體導(dǎo)入棉花細胞，B正確；Bt基因可以整合到棉花染色體上，由于只有1條染色體上含有抗蟲基因，因此該抗蟲棉自交后代會發(fā)生性狀分離，C錯誤;Bt抗蟲蛋白在特定酶的作用下產(chǎn)生毒性，具有高度專一性，對害蟲天敵、人畜均無毒性，其本質(zhì)是蛋白質(zhì)，所以在環(huán)境中易分解，D正確。
2.答案：C
解析：將Fhb7基因?qū)胄←溈捎棉r(nóng)桿菌轉(zhuǎn)化法，A正確；將Fhb7基因?qū)胄←湥浔磉_產(chǎn)物可減輕赤霉菌對小麥的感染，所以影響了赤霉菌對小麥的寄生能力， B正確；要想達到生物防治的目的，不一定要將目的基因?qū)敕乐螌ο螅珙}干所述，可將目的基因?qū)肽芗纳诙喾N害蟲體內(nèi)的綠僵菌中，這種方法同樣可以達到生物防治的目的，C錯誤；生物的種間關(guān)系是協(xié)同進化的結(jié)果，通過綠僵菌工程菌減少蟲害，不改變綠僵菌與害蟲的種間關(guān)系，D正確。
3.答案：D
解析：根據(jù)題意，在該轉(zhuǎn)基因工程中，人凝血因子基因?qū)氲氖荏w細胞是牛的受精卵，由該受精卵發(fā)育形成的個體的各種體細胞（成熟的紅細胞除外）中都存在人凝血因子基因，A錯誤；“提高基因表達水平”是指設(shè)法使牛的乳腺細胞合成更多的人凝血因子，B錯誤；人凝血因子基因開始轉(zhuǎn)錄后，RNA聚合酶以DNA分子的一條鏈為模板合成mRNA，C錯誤；轉(zhuǎn)基因奶牛需要進入泌乳期才能批量生產(chǎn)人凝血因子，D正確。
4.答案：C
解析：阿斯巴甜主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，這兩種氨基酸可以通過基因工程大規(guī)模生產(chǎn)，A正確；基因工程獲得凝乳酶時，需將編碼凝乳酶的基因?qū)胧荏w菌，如大腸桿菌、黑曲霉等的基因組中，B正確；相比從天然產(chǎn)物中提取的酶，用基因工程技術(shù)獲得的工業(yè)用酶的純度較高，C錯誤；生產(chǎn)淀粉酶和脂酶時，可通過構(gòu)建工程菌，用發(fā)酵技術(shù)大量生產(chǎn)，D正確。
5.答案：D
解析：A、植物生物反應(yīng)器首先需要用基因工程技術(shù)將目的基因?qū)胫参锛毎?其次需要采用植物細胞工程技術(shù)將轉(zhuǎn)基因植物細胞培育成轉(zhuǎn)基因植株或轉(zhuǎn)基因植物組織或轉(zhuǎn)基因植物懸浮細胞,因此涉及基因工程和細胞工程技術(shù)。A正確;
B、要使得目的基因只能在葉綠體中表達,則構(gòu)建的基因表達載體中要含有葉綠體特異性啟動子,B正確;
C、由于受精卵中的細胞質(zhì)幾乎全部來自卵細胞,因此植物葉綠體表達體系可以防止轉(zhuǎn)基因作物的目的基因通過花粉在自然界中擴散,C正確;
D、把目的基因?qū)肴~綠體DNA中,葉綠體DNA存在于細胞質(zhì)中,在配子產(chǎn)生過程中并不遵循遺傳定律,所以將來產(chǎn)生的配子中不一定含有該目的基因,D錯誤。
6.答案：C
解析：豬體內(nèi)隱藏的、可導(dǎo)致人類疾病的病毒遠遠少于靈長類動物,C錯誤;為解決免疫排斥問題,科學(xué)家正試圖除去器官供體基因組中的抗原決定基因,或在其基因組中導(dǎo)入某種調(diào)節(jié)因子,以抑制抗原決定基因的表達,D正確。
7.答案：A
解析：用基因工程方法培育的抗蟲植物只能抗蟲，不能抗病毒，A錯誤；可將外源生長激素基因?qū)雱游锛毎麅?nèi)，使動物細胞合成、分泌生長激素，從而提高動物的生長速率，B正確；將外源基因與乳腺中特異表達的基因的啟動子等調(diào)控元件重組在一起可制得乳腺生物反應(yīng)器，轉(zhuǎn)基因動物進入泌乳期后，外源基因在乳腺細胞中可以表達，產(chǎn)生相應(yīng)的基因產(chǎn)物，從而使哺乳動物本身變?yōu)椤芭可a(chǎn)藥物的工廠”，C正確；基因工程在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用主要是培育高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、品質(zhì)優(yōu)良和具有抗逆性的農(nóng)作物，滿足人類的生產(chǎn)生活需要，D正確。
8.答案：（1）氨基酸序列；
（2）P；P1；DNA和RNA（或遺傳物質(zhì)）；DNA→RNA、RNA→DNA、RNA→蛋白質(zhì)（或轉(zhuǎn)錄、逆轉(zhuǎn)錄、翻譯）
（3）設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)；推測應(yīng)有的氨基酸序列；功能
解析：（1）從題中所述可知，將P分子中第158位的絲氨酸變成亮氨酸，第240位的谷氨酰胺變成苯丙氨酸后，該蛋白質(zhì)的功能發(fā)生了改變，此過程是通過對構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸的排列順序進行改造，進而改變了蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，從而改變了蛋白質(zhì)的功能。
（2）在蛋白質(zhì)工程中，目的基因可以以P基因序列為基礎(chǔ)，對生物體內(nèi)原有的P基因進行改造，也可以通過人工合成法合成新的P1基因。中心法則的內(nèi)容如下圖所示：
由圖可知，中心法則的全部內(nèi)容包括：DNA以自身為模板進行的復(fù)制，DNA通過轉(zhuǎn)錄將遺傳信息傳遞給RNA，最后RNA通過翻譯將遺傳信息表達成蛋白質(zhì)；在某些病毒中RNA可自我復(fù)制（如煙草花葉病毒），某些病毒能以RNA為模板逆轉(zhuǎn)錄合成DNA（如HIV），這是對中心法則的補充。
（3）蛋白質(zhì)工程的基本途徑是：預(yù)期的蛋白質(zhì)功能→設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)→推測應(yīng)有的氨基酸序列→找到并改變相對應(yīng)的脫氧核苷酸序列或合成新的基因→獲得所需要的蛋白質(zhì)，經(jīng)過該過程得到的蛋白質(zhì)，需要對其生物功能進行鑒定，以保證其發(fā)揮正常作用。

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