資源簡介

第43講　基因工程的應用和蛋白質工程
[課標內容]　1.舉例說明基因工程在農牧、食品及醫藥等行業的廣泛應用改善了人類的生活品質。2.舉例說明依據人類需要對原蛋白質結構進行基因改造、生產目標蛋白的過程。
微考點大突破
考點一　基因工程的應用
　
1.基因工程在農牧業方面的應用
2.基因工程在醫藥衛生領域的應用
提醒　乳腺生物反應器與膀胱生物反應器
①乳腺生物反應器是利用轉基因動物的乳汁生產藥用蛋白,具體過程如下。
②膀胱生物反應器是利用轉基因動物的尿液生產藥用蛋白,其優點是不受動物的性別、生長發育時期的限制,提取簡單高效。
3.基因工程在食品工業方面的應用
(1)外源生長激素基因的表達可以使轉基因動物生長得更快。(源自選擇性必修3 P89)()
(2)干擾素是一種具有干擾病毒復制作用的糖蛋白,在臨床上被廣泛應用。(選擇性必修3 P90“資料卡”)()
(3)將人的干擾素基因重組到質粒后導入大腸桿菌,獲得能產生人干擾素的菌株。(選擇性必修3 P90“資料卡”)()
(4)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。(源自選擇性必修3 P90)()
(5)用基因工程的方法,使外源基因得到高效表達的菌類一般稱為基因工程菌。(選擇性必修3 P91“相關信息”)()
1.(選擇性必修3 P89“正文”)為提高動物的生長速度,需要將外源生長激素基因導入動物體內,應該選擇的受體細胞是什么 并說明理由。
答:____________________________________________。
2.(選擇性必修3 P90“資料卡”)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
答:____________________________________________。
3.(選擇性必修3 P90“正文”)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
答:____________________________________________。
4.人的胰島素基因導入大腸桿菌后不能正確表達出胰島素,其原因是____________________________________________。
能力　基因工程的應用(考查科學思維、社會責任)
1.(2021·遼寧卷,T14)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
2.(2022·河北卷,T24)蛋白酶抑制劑基因轉化是作物抗蟲育種的新途徑。某研究團隊將胰蛋白酶抑制劑(NaPI)和胰凝乳蛋白酶抑制劑(StPin1A)的基因單獨或共同轉化棉花,獲得了轉基因植株。回答下列問題:
(1)蛋白酶抑制劑的抗蟲機制是____________________________________________。
(2)__________是實施基因工程的核心。
(3)利用農桿菌轉化法時,必須將目的基因插入到質粒的______________上,此方法的不足之處是______________________。
(4)為檢測目的基因在受體細胞基因組中的整合及其轉錄和翻譯,可采用的檢測技術有__________(答出兩點即可)。
(5)確認抗蟲基因在受體細胞中穩定表達后,還需進一步做抗蟲的__________以鑒定其抗性程度。圖為三種不同遺傳操作產生的轉基因棉花抗蟲實驗結果,據結果分析__________(填“NaPI”或“StPin1A”或“NaPI+StPin1A”)轉基因棉花的抗蟲效果最佳,其原因是____________________________________________。
(6)基因突變可產生新的等位基因,在自然選擇的作用下,昆蟲種群的基因頻率會發生__________,導致昆蟲朝著一定的方向不斷進化。據此推測,被蛋白酶抑制劑轉基因作物長期選擇后,某些昆蟲具有了抗蛋白酶抑制劑的能力,其分子機制可能是__________________________________________________________________(答出兩點即可)。
考點二　蛋白質工程的原理和應用
　
1.概念
(1)基礎:蛋白質分子的__________及其與______________的關系。
(2)手段:通過改造或__________。
(3)結果:對現有蛋白質進行改造或制造一種______________。
2.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。
3.蛋白質工程的應用
(1)醫藥工業方面:研發藥物,如延長干擾素的保存時間;降低小鼠單克隆抗體誘發免疫反應的強度。
(2)其他工業方面:改進__________的性能或開發新的__________。
(3)農業方面:通過改造某些__________,增加糧食產量;改造微生物__________,設計優良微生物農藥,防治病蟲害。
4.蛋白質工程與基因工程的區別和聯系
(1)蛋白質工程的目的是改造或合成人類需要的蛋白質。(源自選擇性必修3 P93)()
(2)蛋白質工程是在基因工程的基礎上,延伸出來的第二代基因工程,是涉及多學科的綜合科技工程。(源自選擇性必修3 P93)()
(3)蛋白質工程可以合成自然界中不存在的蛋白質。(源自選擇性必修3 P93)()
(4)蛋白質工程的應用為酶制劑產業的發展提供了強大助力。(選擇性必修3 P96“到社會中去”)()
1.為什么蛋白質工程的操作對象是基因而不是蛋白質
答:__________________________________________________________________。
2.通過對Bt抗蟲蛋白三維結構圖及氨基酸序列進行分析,發現該蛋白質結構中一段由14個氨基酸組成的螺旋結構缺失,結構變化后的Bt抗蟲蛋白能使棉鈴蟲具有更高的致死率。若要根據蛋白質工程的原理設計實驗對Bt抗蟲蛋白進行改造,以提高其致死率,請寫出實驗設計思路。
答:____________________________________________。
能力　蛋白質工程的原理和應用分析(考查科學思維、社會責任)
1.(2023·遼寧卷,T8)CD163蛋白是PRRSV(病毒)感染家畜的受體。為實時監控CD163蛋白的表達和轉運過程,將紅色熒光蛋白RFP基因與CD163基因拼接在一起(如圖),使其表達成一條多肽。該拼接過程的關鍵步驟是除去(　　)
A.CD163基因中編碼起始密碼子的序列
B.CD163基因中編碼終止密碼子的序列
C.RFP基因中編碼起始密碼子的序列
D.RFP基因中編碼終止密碼子的序列
2.(2022·湖南卷,T22)水蛭是我國的傳統中藥材,主要藥理成分水蛭素為水蛭蛋白中重要成分之一,具有良好的抗凝血作用。擬通過蛋白質工程改造水蛭素結構,提高其抗凝血活性。回答下列問題:
(1)蛋白質工程流程如圖甲所示,物質a是__________,物質b是__________。在生產過程中,物質b可能不同,合成的蛋白質空間構象卻相同,原因是_______________________________。
甲
(2)蛋白質工程是基因工程的延伸,基因工程中獲取目的基因的常用方法有__________、__________和利用PCR技術擴增。PCR技術遵循的基本原理是__________。
(3)將提取的水蛭蛋白經甲、乙兩種蛋白酶水解后,分析水解產物中的肽含量及其抗凝血活性,結果如圖乙、丙所示。推測兩種處理后酶解產物的抗凝血活性差異主要與肽的__________(填“種類”或“含量”)有關,其活性不同的原因是______________________。
乙
丙
(4)若要比較蛋白質工程改造后的水蛭素、上述水蛭蛋白酶解產物和天然水蛭素的抗凝血活性差異,簡要寫出實驗設計思路:________________________________________________________________________________________。
微真題重體悟
　
1.(2023·湖南卷,T8)鹽堿脅迫下植物應激反應產生的H2O2對細胞有毒害作用。禾本科農作物AT1蛋白通過調節細胞膜上PIP2s蛋白磷酸化水平,影響H2O2的跨膜轉運,如圖所示。下列敘述錯誤的是(　　)
A.細胞膜上PIP2s蛋白高磷酸化水平是其提高H2O2外排能力所必需的
B.PIP2s蛋白磷酸化被抑制,促進H2O2外排,從而減輕其對細胞的毒害
C.敲除AT1基因或降低其表達可提高禾本科農作物的耐鹽堿能力
D.從特殊物種中發掘逆境脅迫相關基因是改良農作物抗逆性的有效途徑
2.(2022·江蘇卷,T6)采用基因工程技術調控植物激素代謝,可實現作物改良。下列相關敘述不合理的是(　　)
A.用特異啟動子誘導表達iaaM(生長素合成基因)可獲得無子果實
B.大量表達ipt(細胞分裂素合成關鍵基因)可抑制芽的分化
C.提高ga2ox(氧化赤霉素的酶基因)的表達水平可獲得矮化品種
D.在果實中表達acs(乙烯合成關鍵酶基因)的反義基因可延遲果實成熟
3.(2020·浙江7月選考,T24)下列關于基因工程的敘述,正確的是(　　)
A.若受體大腸桿菌含有構建重組質粒時用到的限制性內切核酸酶,則一定有利于該重組質粒進入受體并保持結構穩定
B.抗除草劑基因轉入某抗鹽植物獲得2個穩定遺傳轉基因品系,抗性鑒定為抗除草劑抗鹽和抗除草劑不抗鹽。表明一定是抗鹽性的改變與抗除草劑基因的轉入無關
C.抗除草劑基因轉入某植物獲得轉基因植株,其DNA檢測均含目的基因,抗性鑒定為抗除草劑和不抗除草劑。表明一定是前者表達了抗性蛋白而后者只表達抗性基因RNA
D.已知不同分子量DNA可分開成不同條帶,相同分子量的為一條帶。用某種限制性內切核酸酶完全酶切環狀質粒后,出現3條帶。表明該質粒上一定至少有3個被該酶切開的位置
4.(2021·廣東卷,T22改編)非細胞合成技術是一種運用合成生物學方法,在細胞外構建多酶催化體系,獲得目標產物的新技術,其核心是各種酶基因的挖掘、表達等。中國科學家設計了4步酶促反應的非細胞合成路線(如圖),可直接用淀粉生產肌醇(重要的醫藥食品原料),以期解決高溫強酸水解方法造成的嚴重污染問題,并可以提高產率。
回答下列問題:
(1)研究人員采用PCR技術從土壤微生物基因組中擴增得到目標酶基因。此外,獲得酶基因的方法還有____________________________________________(答出兩種即可)。
(2)高質量的DNA模板是成功擴增出目的基因的前提條件之一。在制備高質量DNA模板時必須除去蛋白,方法有____________________________________________(答出兩種即可)。
(3)研究人員使用大腸桿菌BL21作為受體細胞、pET20b為表達載體分別進行4種酶的表達。表達載體轉化大腸桿菌時,首先應用Ca2+處理大腸桿菌細胞,使細胞處于一種能吸收周圍環境中DNA分子的生理狀態。為了檢測目的基因是否成功表達出酶蛋白,需要采用的方法有__________。
(4)依圖所示流程,在一定的溫度、pH等條件下,將4種酶與可溶性淀粉溶液混合組成一個反應體系。若這些酶最適反應條件不同,可能導致的結果是________________________________________。在分子水平上,可以通過改變__________,從而改變蛋白質的結構,實現對酶特性的改造和優化。
5.(2023·全國甲卷,T38)接種疫苗是預防傳染病的一項重要措施,乙肝疫苗的使用可有效阻止乙肝病毒的傳播,降低乙型肝炎發病率。乙肝病毒是一種DNA病毒。重組乙肝疫苗的主要成分是利用基因工程技術獲得的乙肝病毒表面抗原(一種病毒蛋白)。回答下列問題:
(1)接種上述重組乙肝疫苗不會在人體中產生乙肝病毒,原因是____________________________________________。
(2)制備重組乙肝疫苗時,需要利用重組表達載體將乙肝病毒表面抗原基因(目的基因)導入酵母細胞中表達。重組表達載體中通常含有抗生素抗性基因,抗生素抗性基因的作用是________________________________________。能識別載體中的啟動子并驅動目的基因轉錄的酶是______________。
(3)目的基因導入酵母細胞后,若要檢測目的基因是否插入染色體中,需要從酵母細胞中提取______________進行DNA分子雜交,DNA分子雜交時應使用的探針是____________________________________________。
(4)若要通過實驗檢測目的基因在酵母細胞中是否表達出目的蛋白,請簡要寫出實驗思路。
第43講　基因工程的應用和蛋白質工程
微考點·大突破
考點一
教材解讀
1.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
2.基因改造　特異表達的基因的啟動子　顯微注射　受精卵　調控基因表達的DNA序列　抗原決定基因　克隆　免疫排斥
3.基因工程菌　牛凝乳酶的基因　基因工程菌
教材基礎辨析
　(1)√　(2)√　(3)√　(4)×　(5)√
教材素材拓展
1.提示　應該選擇的受體細胞是受精卵。受精卵體積較大,操作較容易,營養物質含量豐富,也能保障發育成的個體所有細胞都含有外源生長激素基因,全能性較高
2.提示　不能。因為細菌中只有核糖體,沒有內質網和高爾基體等其他細胞器
3.提示　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乳腺細胞內特異表達
4.提示　真核細胞的基因結構不同于原核細胞,其轉錄出的mRNA需加工后才能作為翻譯的模板,細菌中不存在此機制
能力提升
1.D　解析　根據題意可知,與不耐高溫的N0相比,熱穩定的融合型腈水合酶N1多了一段連接肽,二者氨基酸序列的差異是影響其熱穩定性的原因之一,A項正確;利用蛋白質工程改造蛋白質時需對相關基因進行修飾或合成,在N0的結構中加入連接肽需要通過改造相關基因來實現,B項正確;獲得N1的過程需要進行轉錄和翻譯,C項正確;檢測N1的活性時,需要先將N1與底物置于高溫環境下,再將N1與底物充分混合,D項錯誤。
2.答案　(1)阻斷或減弱昆蟲消化酶的作用,從而使昆蟲不能正常消化食物使其發育異常或死亡　(2)基因表達載體的構建　(3)T DNA　該方法一般不適用于大多數單子葉植物　(4)PCR技術、抗原—抗體雜交技術　(5)接種實驗　NaPI+StPin1A　飼喂NaPI+StPin1A轉基因棉花的蟲體質量最低且每株棉鈴數最多　(6)定向改變　昆蟲發生基因突變后,產生了抗蛋白酶抑制劑的基因,在蛋白酶抑制劑的選擇下,抗性基因頻率逐漸提高,從而增強了其抗蛋白酶抑制劑的能力;蛋白酶抑制劑基因發生突變后不能編碼出蛋白酶抑制劑
解析　(1)蛋白酶抑制劑的抗蟲機制是阻斷或減弱昆蟲消化酶的作用,從而使昆蟲不能正常消化食物,達到抗蟲的目的。(2)基因工程的核心是基因表達載體的構建。(3)農桿菌細胞內含有Ti質粒,當它侵染植物細胞后,可將Ti質粒上的T DNA轉移至被侵染的細胞,并將其整合到該細胞的染色體DNA上。故利用農桿菌轉化法時,必須將目的基因插入Ti質粒的T DNA上。但農桿菌一般只感染雙子葉植物和裸子植物,故其不足之處是該方法一般不適用于大多數單子葉植物。(4)在分子水平上可通過PCR技術檢測目的基因是否導入受體細胞染色體DNA上或檢測目的基因是否轉錄出了mRNA;檢測是否翻譯出相應的蛋白質則需要使用抗原—抗體雜交技術。(5)抗蟲基因導入植物細胞后,要鑒定其是否賦予植物抗蟲特性,需要做抗蟲接種實驗。題圖中,飼喂NaPI+StPin1A轉基因棉花的蟲體質量最低,每株棉鈴數最多,故其抗蟲效果最佳。(6)基因突變可產生新的等位基因,在自然選擇的作用下,昆蟲種群的基因頻率會發生定向改變,導致昆蟲朝著一定的方向不斷進化。被蛋白酶抑制劑轉基因作物長期選擇后,某些昆蟲具有了抗蛋白酶抑制劑的能力,其分子機制可能是昆蟲發生基因突變后,產生了抗蛋白酶抑制劑的基因,在蛋白酶抑制劑的選擇下,抗性基因頻率逐漸提高,從而增強了其抗蛋白酶抑制劑的能力;蛋白酶抑制劑基因發生突變后不能編碼出蛋白酶抑制劑。
考點二
教材解讀
1.(1)結構規律　生物功能　(2)合成基因　(3)新的蛋白質
3.(2)酶　工業用酶　(3)參與調控光合作用的酶　蛋白質的結構
教材基礎辨析
　(1)√　(2)√　(3)√　(4)√
教材素材拓展
1.提示　因為任何一種天然蛋白質都是由基因編碼的,基因是遺傳信息結構與功能的基本單位,改造了基因就可以通過基因的信息傳遞進而改造蛋白質。如果直接對蛋白質進行改造,即使改造成功,被改造的蛋白質也無法遺傳
2.提示　參照密碼子表,找到合成該14個氨基酸的堿基序列所在的基因位置,將這些堿基序列進行缺失處理
能力提升
1.B　解析　根據題干信息,將紅色熒光蛋白RFP基因與CD163基因拼接在一起,如果兩個基因中編碼起始密碼子和終止密碼子的序列完整,將得到兩條多肽,若想只表達出一條多肽,結合題圖可知,CD163基因編碼起始密碼子的序列需保留,編碼終止密碼子的序列需除去,使得CD163基因翻譯結束后不停止,繼續合成紅色熒光蛋白RFP,即可得到一條多肽,B項正確。
2.答案　(1)多肽鏈　mRNA　mRNA上決定氨基酸的密碼子具有簡并性　(2)從基因文庫中獲取　用化學方法人工合成　DNA半保留復制　(3)種類　酶處理后形成的肽中氨基酸的種類、數目和排列順序不同　(4)在相同條件下,將等量的生理鹽水、蛋白質工程改造后的水蛭素、水蛭蛋白酶解產物和天然水蛭素分別進行抗凝血實驗,比較四組血液凝固所需時間長短
解析　(1)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。由于mRNA上決定氨基酸的密碼子具有簡并性,因此mRNA不同,翻譯形成的多肽鏈中氨基酸序列有可能是相同的,再盤曲、折疊形成相同結構的蛋白質。(2)基因工程中獲取目的基因的常用方法有從基因文庫中獲取、用化學方法人工合成和利用PCR技術擴增。PCR技術遵循的基本原理是DNA半保留復制。(3)由題圖可知,水蛭蛋白經兩種蛋白酶處理后,酶解產物的肽含量差別不大,但是抗凝血活性有所差異,所以推測該差異主要與肽的種類有關,兩種處理后酶解產物中氨基酸的種類、數目和排列順序不同,從而導致兩種處理后酶解產物的抗凝血活性有差異。(4)在相同條件下,將等量的生理鹽水、蛋白質工程改造后的水蛭素、水蛭蛋白酶解產物和天然水蛭素分別進行抗凝血實驗,比較四組血液凝固所需時間長短,所需時間越長說明其抗凝血活性越大。
微真題·重體悟
1.B　解析　分析題圖可知,AT1蛋白存在時,AT1蛋白可與Gβ結合,抑制PIP2s蛋白磷酸化,H2O2外排能力弱;AT1蛋白缺陷時,AT1蛋白不能與Gβ結合,PIP2s蛋白磷酸化,H2O2外排能力強。因此,細胞膜上PIP2s蛋白保持高磷酸化水平是其提高H2O2外排能力所必需的,A項正確。PIP2s蛋白磷酸化被抑制時,會抑制H2O2外排,從而增強其對細胞的毒害,B項錯誤。敲除AT1基因或降低其表達可使PIP2s蛋白保持高磷酸化水平,H2O2外排能力較強,可提高禾本科農作物的耐鹽堿能力,C項正確。可以從特殊物種中發掘逆境脅迫相關基因,通過基因工程技術改良農作物的抗逆性,D項正確。
2.B　解析　生長素可促進果實發育,用特異啟動子誘導表達iaaM(生長素合成基因)可獲得無子果實,A項不符合題意;大量表達ipt(細胞分裂素合成關鍵基因)可使細胞分裂素含量升高,細胞分裂素含量升高,有利于芽的分化,B項符合題意;赤霉素能促進細胞伸長,從而引起植株增高,提高ga2ox(氧化赤霉素的酶基因)的表達水平可促進赤霉素被氧化分解,使赤霉素含量降低,從而獲得矮化品種,C項不符合題意;乙烯有催熟作用,在果實中表達acs(乙烯合成關鍵酶基因)的反義基因可抑制乙烯的合成,果實成熟會延遲,D項不符合題意。
3.D　解析　若受體大腸桿菌含有構建重組質粒時用到的限制酶,該酶可能會破壞重組質粒的結構,不利于重組質粒在受體中保持結構穩定,A項錯誤;抗除草劑基因轉入某抗鹽植物獲得的2個穩定遺傳轉基因品系中有抗除草劑不抗鹽的品系,可推測抗鹽性的改變可能與抗除草劑基因的轉入有關,B項錯誤;在DNA檢測均含目的基因的條件下,抗性鑒定為抗除草劑說明目的基因完成了表達,抗性鑒定為不抗除草劑說明目的基因可能完成了轉錄而沒有翻譯成蛋白質,還有可能是目的基因無法轉錄,C項錯誤;用某限制酶完全酶切后出現3條帶,說明酶切后的產物中有3種不同分子量的DNA,可推測出質粒上至少有3個位置被該酶切開,D項正確。
4.答案　(1)從基因文庫中獲取、用化學方法人工合成　(2)蛋白酶水解法、鹽析法或高溫變性法等　(3)抗原—抗體雜交法　(4)部分酶失活,無法獲得肌醇　基因結構
解析　(1)獲取目的基因常用的方法有從基因文庫中獲取、利用PCR技術擴增、用化學方法人工合成等。(2)制備高質量DNA模板時,可直接在濾液中加入蛋白酶分解蛋白質,而不破壞DNA。中性鹽對蛋白質的溶解度有顯著影響,當鹽濃度較高時,蛋白質的溶解度下降并析出,這種現象稱為鹽析。利用DNA對高溫的耐受性,嚴格控制溫度范圍,使蛋白質變性沉淀而DNA分子不發生變性,可將DNA與蛋白質分離。(3)為了檢測目的基因是否表達出相關的酶蛋白,可以從轉基因生物中提取蛋白質,采用抗原—抗體雜交法,若有雜交帶出現,表明目的基因已表達出蛋白質產品。(4)酶在溫度過高、過酸、過堿的環境中會失活,不同酶的最適溫度、最適pH一般不同,將4種酶與可溶性淀粉溶液混合組成一個反應體系,在一定的溫度、pH等條件下,部分酶可能會因溫度或者pH不適宜而失活,不能達到實驗目的,即無法獲得肌醇。基因指導蛋白質的合成,可以通過改變酶基因的結構,從而改變蛋白質的結構,進而實現對酶特性的改造和優化。
5.答案　(1)該疫苗不含乙肝病毒DNA,不會在人體細胞內增殖產生乙肝病毒　(2)作為標記基因篩選出轉化成功的酵母細胞　RNA聚合酶　
(3)基因組DNA　放射性同位素等標記的含有目的基因的DNA片段　(4)從酵母細胞中提取蛋白質,用乙肝病毒表面抗原的特異性抗體進行抗原—抗體雜交,觀察是否有雜交帶出現。若有雜交帶出現,說明酵母細胞中表達出目的蛋白
解析　(1)重組乙肝疫苗的主要成分是乙肝病毒表面抗原,不含乙肝病毒DNA分子,不會在人體細胞內產生乙肝病毒。(2)載體上的抗生素抗性基因常作為標記基因,用于將成功導入重組基因表達載體的細胞篩選出來。細胞中的RNA聚合酶可識別載體中的啟動子,并以目的基因的一條鏈為模板進行轉錄。(3)由于不能確定目的基因是否插入染色體中,需提取酵母細胞的基因組DNA,用基因探針進行檢測。該探針中需要含有目的基因中的特異性片段,且帶有放射性同位素等標記。若受體細胞的染色體中含有目的基因,該探針就會與目的基因通過堿基互補配對結合在一起,從而在放射性等檢測中觀察到雜交帶。(4)抗乙肝病毒表面抗原的抗體可與乙肝病毒表面抗原特異性結合,故可用該抗體與酵母細胞中提取出來的蛋白質進行抗原—抗體雜交,若出現雜交帶,則可證明酵母細胞中表達出目的蛋白。(共64張PPT)
第43講
第九單元　生物技術與工程
基因工程的應用和蛋白質工程
課
標
內
容
1.舉例說明基因工程在農牧、食品及醫藥等行業的廣泛應用改善了人類的生活品質。2.舉例說明依據人類需要對原蛋白質結構進行基因改造、生產目標蛋白的過程。
微考點 大突破
內容
索引
微真題 重體悟
考點一　基因工程的應用
考點二　蛋白質工程的原理和應用
考點一　基因工程的應用
微考點/大突破
第一部分
1.基因工程在農牧業方面的應用
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
2.基因工程在醫藥衛生領域的應用
基因
改造
特異表達的基因的啟動子
顯微注射
受精卵
調控基因表達
的DNA序列
抗原決定基因
克隆
免疫排斥
提醒　乳腺生物反應器與膀胱生物反應器
①乳腺生物反應器是利用轉基因動物的乳汁生產藥用蛋白，具體過程如下。
②膀胱生物反應器是利用轉基因動物的尿液生產藥用蛋白，其優點是不受動物的性別、生長發育時期的限制，提取簡單高效。
3.基因工程在食品工業方面的應用
基因工程菌
牛凝乳酶的基因
基因工程菌
教材基礎辨析
(1)外源生長激素基因的表達可以使轉基因動物生長得更快。(源自選擇性必修3 P89)( )
(2)干擾素是一種具有干擾病毒復制作用的糖蛋白，在臨床上被廣泛應用。(選擇性必修3 P90“資料卡”)( )
(3)將人的干擾素基因重組到質粒后導入大腸桿菌，獲得能產生人干擾素的菌株。(選擇性必修3 P90“資料卡”)( )
√
√
√
(4)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。(源自選擇性必修3 P90)( )
(5)用基因工程的方法，使外源基因得到高效表達的菌類一般稱為基因工程菌。(選擇性必修3 P91“相關信息”)( )
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√
教材素材拓展
1.(選擇性必修3 P89“正文”)為提高動物的生長速度，需要將外源生長激素基因導入動物體內，應該選擇的受體細胞是什么 并說明理由。
答：_______________________________________________________
______________________________________________________________________________________。
應該選擇的受體細胞是受精卵。受精卵體積較大，操作較容易，營養物質含量豐富，也能保障發育成的個體所有細胞都含有外源生長激素基因，全能性較高
2.(選擇性必修3 P90“資料卡”)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
答：_______________________________________________________
________。
3.(選擇性必修3 P90“正文”)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
答：_______________________________________________________
_________________________________________________________________________________________。
不能。因為細菌中只有核糖體，沒有內質網和高爾基體等其他細胞器
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乳腺細胞內特異表達
4.人的胰島素基因導入大腸桿菌后不能正確表達出胰島素，其原因是___________________________________________________________________________________________________________。
真核細胞的基因結構不同于原核細胞，其轉錄出的mRNA需加工后才能作為翻譯的模板，細菌中不存在此機制
能力　基因工程的應用(考查科學思維、社會責任)
1.(2021·遼寧卷，T14)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
根據題意可知，與不耐高溫的N0相比，熱穩定的融合型腈水合酶N1多了一段連接肽，二者氨基酸序列的差異是影響其熱穩定性的原因之一，A項正確；利用蛋白質工程改造蛋白質時需對相關基因進行修飾或合成，在N0的結構中加入連接肽需要通過改造相關基因來實現，B項正確；獲得N1的過程需要進行轉錄和翻譯，C項正確；檢測N1的活性時，需要先將N1與底物置于高溫環境下，再將N1與底物充分混合，D項錯誤。
解析
2.(2022·河北卷，T24)蛋白酶抑制劑基因轉化是作物抗蟲育種的新途徑。某研究團隊將胰蛋白酶抑制劑(NaPI)和胰凝乳蛋白酶抑制劑(StPin1A)的基因單獨或共同轉化棉花，獲得了轉基因植株。回答下列問題：
(1)蛋白酶抑制劑的抗蟲機制是_________________________________
______________________________________________。
(2)______________________是實施基因工程的核心。
阻斷或減弱昆蟲消化酶的作用，從而使昆蟲不能正常消化食物使其發育異常或死亡
基因表達載體的構建
(3)利用農桿菌轉化法時，必須將目的基因插入到質粒的___________上，此方法的不足之處是___________________________________。
(4)為檢測目的基因在受體細胞基因組中的整合及其轉錄和翻譯，可采用的檢測技術有____________________________________(答出兩點即可)。
(5)確認抗蟲基因在受體細胞中穩定表達后，還需進一步做抗蟲的__________以鑒定其抗性程度。圖為三種不同遺傳操作產生的轉基因棉花抗蟲實驗結果，據結果分析__________________(填“NaPI”或“StPin1A”或“NaPI+StPin1A”)轉基因棉花的抗蟲效果最佳，其原因是_________________________________________________________。
T-DNA
該方法一般不適用于大多數單子葉植物
PCR技術、抗原—抗體雜交技術
接種實驗
NaPI+StPin1A
飼喂NaPI+StPin1A轉基因棉花的蟲體質量最低且每株棉鈴數最多
(6)基因突變可產生新的等位基因，在自然選擇的作用下，昆蟲種群的基因頻率會發生____________，導致昆蟲朝著一定的方向不斷進化。據此推測，被蛋白酶抑制劑轉基因作物長期選擇后，某些昆蟲具有了抗蛋白酶抑制劑的能力，其分子機制可能是_______________
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________(答出兩點即可)。
定向改變
昆蟲發生基因突變后，產生了抗蛋白酶抑制劑的基因，在蛋白酶抑制劑的選擇下，抗性基因頻率逐漸提高，從而增強了其抗蛋白酶抑制劑的能力；蛋白酶抑制劑基因發生突變后不能編碼出蛋白酶抑制劑
(1) 蛋白酶抑制劑的抗蟲機制是阻斷或減弱昆蟲消化酶的作用，從而使昆蟲不能正常消化食物，達到抗蟲的目的。(2)基因工程的核心是基因表達載體的構建。(3)農桿菌細胞內含有Ti質粒,當它侵染植物細胞后,可將Ti質粒上的T-DNA轉移至被侵染的細胞,并將其整合到該細胞的染色體DNA上。故利用農桿菌轉化法時,必須將目的基因插入Ti質粒的T-DNA上。但農桿菌一般只感染雙子葉植物和裸子植物,故其不足之處是該方法一般不適用于大多數單子葉植
解析
物。(4)在分子水平上可通過PCR技術檢測目的基因是否導入受體細胞染色體DNA上或檢測目的基因是否轉錄出了mRNA;檢測是否翻譯出相應的蛋白質則需要使用抗原—抗體雜交技術。(5)抗蟲基因導入植物細胞后,要鑒定其是否賦予植物抗蟲特性,需要做抗蟲接種實驗。題圖中,飼喂NaPI+StPin1A轉基因棉花的蟲體質量最低,每株棉鈴數最多,故其抗蟲效果最佳。(6) 基因突變可產生新的等位基因，在自然選擇的作用下，昆蟲種群的基因頻率會發生定向改
解析
變，導致昆蟲朝著一定的方向不斷進化。被蛋白酶抑制劑轉基因作物長期選擇后，某些昆蟲具有了抗蛋白酶抑制劑的能力，其分子機制可能是昆蟲發生基因突變后，產生了抗蛋白酶抑制劑的基因，在蛋白酶抑制劑的選擇下，抗性基因頻率逐漸提高，從而增強了其抗蛋白酶抑制劑的能力；蛋白酶抑制劑基因發生突變后不能編碼出蛋白酶抑制劑。
解析
考點二　蛋白質工程的原理和應用
微考點/大突破
第一部分
1.概念
(1)基礎：蛋白質分子的__________及其與____________的關系。
(2)手段：通過改造或_________。
(3)結果：對現有蛋白質進行改造或制造一種____________。
2.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。
結構規律
生物功能
合成基因
新的蛋白質
3.蛋白質工程的應用
(1)醫藥工業方面：研發藥物，如延長干擾素的保存時間；降低小鼠單克隆抗體誘發免疫反應的強度。
(2)其他工業方面：改進________的性能或開發新的__________。
(3)農業方面：通過改造某些________________________，增加糧食產量；改造微生物____________________，設計優良微生物農藥，防治病蟲害。
酶
工業用酶
參與調控光合作用的酶
蛋白質的結構
4.蛋白質工程與基因工程的區別和聯系
教材基礎辨析
(1)蛋白質工程的目的是改造或合成人類需要的蛋白質。(源自選擇性必修3 P93)( )
(2)蛋白質工程是在基因工程的基礎上，延伸出來的第二代基因工 程，是涉及多學科的綜合科技工程。(源自選擇性必修3 P93)( )
(3)蛋白質工程可以合成自然界中不存在的蛋白質。(源自選擇性必修3 P93)( )
(4)蛋白質工程的應用為酶制劑產業的發展提供了強大助力。(選擇性必修3 P96“到社會中去”)( )
√
√
√
√
教材素材拓展
1.為什么蛋白質工程的操作對象是基因而不是蛋白質
答：_______________________________________________________
_______________________________________________________________________________________________________________________________________________。
因為任何一種天然蛋白質都是由基因編碼的，基因是遺傳信息結構與功能的基本單位，改造了基因就可以通過基因的信息傳遞進而改造蛋白質。如果直接對蛋白質進行改造，即使改造成功，被改造的蛋白質也無法遺傳
2.通過對Bt抗蟲蛋白三維結構圖及氨基酸序列進行分析，發現該蛋白質結構中一段由14個氨基酸組成的螺旋結構缺失，結構變化后的Bt抗蟲蛋白能使棉鈴蟲具有更高的致死率。若要根據蛋白質工程的原理設計實驗對Bt抗蟲蛋白進行改造，以提高其致死率，請寫出實驗設計思路。
答：_______________________________________________________
_______________________________________。
參照密碼子表，找到合成該14個氨基酸的堿基序列所在的基因位置，將這些堿基序列進行缺失處理
能力　蛋白質工程的原理和應用分析(考查科學思維、社會責任)
1.(2023·遼寧卷，T8)CD163蛋白是PRRSV(病毒)感染家畜的受體。為實時監控CD163蛋白的表達和轉運過程，將紅色熒光蛋白RFP基因與CD163基因拼接在一起(如圖)，使其表達成一條多肽。該拼接過程的關鍵步驟是除去(　　)
A.CD163基因中編碼起始密碼子的序列
B.CD163基因中編碼終止密碼子的序列
C.RFP基因中編碼起始密碼子的序列
D.RFP基因中編碼終止密碼子的序列
根據題干信息，將紅色熒光蛋白RFP基因與CD163基因拼接在一起，如果兩個基因中編碼起始密碼子和終止密碼子的序列完整，將得到兩條多肽，若想只表達出一條多肽，結合題圖可知，CD163基因編碼起始密碼子的序列需保留，編碼終止密碼子的序列需除去，使得CD163基因翻譯結束后不停止，繼續合成紅色熒光蛋白RFP，即可得到一條多肽，B項正確。
解析
2.(2022·湖南卷，T22)水蛭是我國的傳統中藥材，主要藥理成分水蛭素為水蛭蛋白中重要成分之一，具有良好的抗凝血作用。擬通過蛋白質工程改造水蛭素結構，提高其抗凝血活性。回答下列問題：
(1)蛋白質工程流程如圖甲所示，物質a是__________，物質b是__________。在生產過程中，物質b可能不同，合成的蛋白質空間構象卻相同，原因是_______________________________________。
多肽鏈
mRNA
mRNA上決定氨基酸的密碼子具有簡并性
(2)蛋白質工程是基因工程的延伸，基因工程中獲取目的基因的常用方法有__________________、____________________和利用PCR技術擴增。PCR技術遵循的基本原理是__________________。
從基因文庫中獲取
用化學方法人工合成
DNA半保留復制
(3)將提取的水蛭蛋白經甲、乙兩種蛋白酶水解后，分析水解產物中的肽含量及其抗凝血活性，結果如圖乙、丙所示。推測兩種處理后酶解產物的抗凝血活性差異主要與肽的________(填“種類”或“含量”)有關，其活性不同的原因是__________________________________
_______________________。
種類
酶處理后形成的肽中氨基酸的種類、數目和排列順序不同
(4)若要比較蛋白質工程改造后的水蛭素、上述水蛭蛋白酶解產物和天然水蛭素的抗凝血活性差異，簡要寫出實驗設計思路：_________
______________________________________________________________________________________________________________________________________。
在相同條件下，將等量的生理鹽水、蛋白質工程改造后的水蛭素、水蛭蛋白酶解產物和天然水蛭素分別進行抗凝血實驗，比較四組血液凝固所需時間長短
(1)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。由于mRNA上決定氨基酸的密碼子具有簡并性，因此mRNA不同，翻譯形成的多肽鏈中氨基酸序列有可能是相同的，再盤曲、折疊形成相同結構的蛋白質。(2)基因工程中獲取目的基因的常用方法有從基因文庫中獲取、用化學方法人工合成和利用PCR技術擴
解析
增。PCR技術遵循的基本原理是DNA半保留復制。(3)由題圖可 知，水蛭蛋白經兩種蛋白酶處理后，酶解產物的肽含量差別不 大，但是抗凝血活性有所差異，所以推測該差異主要與肽的種類有關，兩種處理后酶解產物中氨基酸的種類、數目和排列順序不同，從而導致兩種處理后酶解產物的抗凝血活性有差異。(4)在相同條件下，將等量的生理鹽水、蛋白質工程改造后的水蛭素、水蛭蛋白酶解產物和天然水蛭素分別進行抗凝血實驗，比較四組血液凝固所需時間長短，所需時間越長說明其抗凝血活性越大。
解析
微真題/重體悟
第二部分
1.(2023·湖南卷，T8)鹽堿脅迫下植物應激反應產生的H2O2對細胞有毒害作用。禾本科農作物AT1蛋白通過調節細胞膜上PIP2s蛋白磷酸化水平，影響H2O2的跨膜轉運，如圖所示。下列敘述錯誤的是(　　)
A.細胞膜上PIP2s蛋白高磷酸化水平是其提高H2O2外排能力所必需的
B.PIP2s蛋白磷酸化被抑制，促進H2O2外排，從而減輕其對細胞的毒害
C.敲除AT1基因或降低其表達可提高禾本科農作物的耐鹽堿能力
D.從特殊物種中發掘逆境脅迫相關基因是改良農作物抗逆性的有效途徑
分析題圖可知，AT1蛋白存在時，AT1蛋白可與Gβ結合，抑制PIP2s蛋白磷酸化，H2O2外排能力弱；AT1蛋白缺陷時，AT1蛋白不能與Gβ結合，PIP2s蛋白磷酸化，H2O2外排能力強。因此，細胞膜上PIP2s蛋白保持高磷酸化水平是其提高H2O2外排能力所必需的，A項正確。PIP2s蛋白磷酸化被抑制時，會抑制H2O2外排，從而增強其對細胞的毒害，B項錯誤。敲除AT1基因或降低其表達可使PIP2s蛋白保持高磷酸化水平，H2O2外排能力較強，可提高禾本科農作物的耐鹽堿能力，C項正確。可以從特殊物種中發掘逆境脅迫相關基因，通過基因工程技術改良農作物的抗逆性，D項正確。
解析
2.(2022·江蘇卷，T6)采用基因工程技術調控植物激素代謝，可實現作物改良。下列相關敘述不合理的是(　　)
A.用特異啟動子誘導表達iaaM(生長素合成基因)可獲得無子果實
B.大量表達ipt(細胞分裂素合成關鍵基因)可抑制芽的分化
C.提高ga2ox(氧化赤霉素的酶基因)的表達水平可獲得矮化品種
D.在果實中表達acs(乙烯合成關鍵酶基因)的反義基因可延遲果實成熟
生長素可促進果實發育，用特異啟動子誘導表達iaaM(生長素合成基因)可獲得無子果實，A項不符合題意；大量表達ipt(細胞分裂素合成關鍵基因)可使細胞分裂素含量升高，細胞分裂素含量升高，有利于芽的分化，B項符合題意；赤霉素能促進細胞伸長，從而引起植株增高，提高ga2ox(氧化赤霉素的酶基因)的表達水平可促進赤霉素被氧化分解，使赤霉素含量降低，從而獲得矮化品種，C項不符合題意；乙烯有催熟作用，在果實中表達acs(乙烯合成關鍵酶基因)的反義基因可抑制乙烯的合成，果實成熟會延遲，D項不符合題意。
解析
3.(2020·浙江7月選考，T24)下列關于基因工程的敘述，正確的是 (　　)
A.若受體大腸桿菌含有構建重組質粒時用到的限制性內切核酸酶，則一定有利于該重組質粒進入受體并保持結構穩定
B.抗除草劑基因轉入某抗鹽植物獲得2個穩定遺傳轉基因品系，抗性鑒定為抗除草劑抗鹽和抗除草劑不抗鹽。表明一定是抗鹽性的改變與抗除草劑基因的轉入無關
C.抗除草劑基因轉入某植物獲得轉基因植株，其DNA檢測均含目的基因，抗性鑒定為抗除草劑和不抗除草劑。表明一定是前者表達了抗性蛋白而后者只表達抗性基因RNA
D.已知不同分子量DNA可分開成不同條帶，相同分子量的為一條 帶。用某種限制性內切核酸酶完全酶切環狀質粒后，出現3條帶。表明該質粒上一定至少有3個被該酶切開的位置
若受體大腸桿菌含有構建重組質粒時用到的限制酶，該酶可能會破壞重組質粒的結構，不利于重組質粒在受體中保持結構穩定，A項錯誤；抗除草劑基因轉入某抗鹽植物獲得的2個穩定遺傳轉基因品系中有抗除草劑不抗鹽的品系，可推測抗鹽性的改變可能與抗除草劑基因的轉入有關，B項錯誤；在DNA檢測均含目的基因的條件下，抗性鑒定為抗除草劑說明目的基因完成了表達，抗性
解析
鑒定為不抗除草劑說明目的基因可能完成了轉錄而沒有翻譯成蛋白質，還有可能是目的基因無法轉錄，C項錯誤；用某限制酶完全酶切后出現3條帶，說明酶切后的產物中有3種不同分子量的DNA，可推測出質粒上至少有3個位置被該酶切開，D項正確。
解析
4.(2021·廣東卷，T22改編)非細胞合成技術是一種運用合成生物學方法，在細胞外構建多酶催化體系，獲得目標產物的新技術，其核心是各種酶基因的挖掘、表達等。中國科學家設計了4步酶促反應的非細胞合成路線(如圖)，可直接用淀粉生產肌醇(重要的醫藥食品原 料)，以期解決高溫強酸水解方法造成的嚴重污染問題，并可以提高產率。
回答下列問題：
(1)研究人員采用PCR技術從土壤微生物基因組中擴增得到目標酶基因。此外，獲得酶基因的方法還有_____________________________
____________(答出兩種即可)。
(2)高質量的DNA模板是成功擴增出目的基因的前提條件之一。在制備高質量DNA模板時必須除去蛋白，方法有_____________________
__________________(答出兩種即可)。
從基因文庫中獲取、用化學方法人工合成
蛋白酶水解法、鹽析法或高溫變性法等
(3)研究人員使用大腸桿菌BL21作為受體細胞、pET20b為表達載體分別進行4種酶的表達。表達載體轉化大腸桿菌時，首先應用Ca2+處理大腸桿菌細胞，使細胞處于一種能吸收周圍環境中DNA分子的生理狀態。為了檢測目的基因是否成功表達出酶蛋白，需要采用的方法有__________________。
(4)依圖所示流程，在一定的溫度、pH等條件下，將4種酶與可溶性淀粉溶液混合組成一個反應體系。若這些酶最適反應條件不同，可能導致的結果是__________________________。在分子水平上，可以通過改變__________，從而改變蛋白質的結構，實現對酶特性的改造和優化。
抗原—抗體雜交法
部分酶失活，無法獲得肌醇
基因結構
(1)獲取目的基因常用的方法有從基因文庫中獲取、利用PCR技術擴增、用化學方法人工合成等。(2)制備高質量DNA模板時，可直接在濾液中加入蛋白酶分解蛋白質，而不破壞DNA。中性鹽對蛋白質的溶解度有顯著影響，當鹽濃度較高時，蛋白質的溶解度下降并析出，這種現象稱為鹽析。利用DNA對高溫的耐受性，嚴格控制溫度范圍，使蛋白質變性沉淀而DNA分子不發生變性，可將DNA與蛋白質分離。(3)為了檢測目的基因是否表達出相關的酶蛋
解析
白，可以從轉基因生物中提取蛋白質，采用抗原—抗體雜交法，若有雜交帶出現，表明目的基因已表達出蛋白質產品。(4)酶在溫度過高、過酸、過堿的環境中會失活，不同酶的最適溫度、最適pH一般不同，將4種酶與可溶性淀粉溶液混合組成一個反應體 系，在一定的溫度、pH等條件下，部分酶可能會因溫度或者pH不適宜而失活，不能達到實驗目的，即無法獲得肌醇。基因指導蛋白質的合成，可以通過改變酶基因的結構，從而改變蛋白質的結構，進而實現對酶特性的改造和優化。
解析
5.(2023·全國甲卷，T38)接種疫苗是預防傳染病的一項重要措施，乙肝疫苗的使用可有效阻止乙肝病毒的傳播，降低乙型肝炎發病率。乙肝病毒是一種DNA病毒。重組乙肝疫苗的主要成分是利用基因工程技術獲得的乙肝病毒表面抗原(一種病毒蛋白)。回答下列問題：
(1)接種上述重組乙肝疫苗不會在人體中產生乙肝病毒，原因是____
________________________________________________________。
該疫苗不含乙肝病毒DNA，不會在人體細胞內增殖產生乙肝病毒
(2)制備重組乙肝疫苗時，需要利用重組表達載體將乙肝病毒表面抗原基因(目的基因)導入酵母細胞中表達。重組表達載體中通常含有抗生素抗性基因，抗生素抗性基因的作用是_______________________
____________________。能識別載體中的啟動子并驅動目的基因轉錄的酶是____________。
(3)目的基因導入酵母細胞后，若要檢測目的基因是否插入染色體 中，需要從酵母細胞中提取____________進行DNA分子雜交，DNA分子雜交時應使用的探針是___________________________________
______________。
作為標記基因篩選出轉化成功的酵母細胞
RNA聚合酶
基因組DNA
放射性同位素等標記的含有目的基因的DNA片段
(4)若要通過實驗檢測目的基因在酵母細胞中是否表達出目的蛋白，請簡要寫出實驗思路。
從酵母細胞中提取蛋白質，用乙肝病毒表面抗原的特異性抗體進行抗原—抗體雜交，觀察是否有雜交帶出現。若有雜交帶出現，說明酵母細胞中表達出目的蛋白。
(1)重組乙肝疫苗的主要成分是乙肝病毒表面抗原，不含乙肝病毒DNA分子，不會在人體細胞內產生乙肝病毒。(2)載體上的抗生素抗性基因常作為標記基因，用于將成功導入重組基因表達載體的細胞篩選出來。細胞中的RNA聚合酶可識別載體中的啟動子，并以目的基因的一條鏈為模板進行轉錄。(3)由于不能確定目的基因是否插入染色體中，需提取酵母細胞的基因組DNA，用基因探針進行檢測。該探針中需要含有目的基因中的特異性片段，且帶有
解析
放射性同位素等標記。若受體細胞的染色體中含有目的基因，該探針就會與目的基因通過堿基互補配對結合在一起，從而在放射性等檢測中觀察到雜交帶。(4)抗乙肝病毒表面抗原的抗體可與乙肝病毒表面抗原特異性結合，故可用該抗體與酵母細胞中提取出來的蛋白質進行抗原—抗體雜交，若出現雜交帶，則可證明酵母細胞中表達出目的蛋白。
解析課時微練(四十三)　基因工程的應用和蛋白質工程
　
一、選擇題:本題共10小題,在每小題給出的四個選項中,只有一項是符合題目要求的
1.下列有關基因工程的成果及應用的說法,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藥物
D.基因工程在農業上的應用主要是培育高產、品質優良和具有抗逆性的農作物
2.(2025·永州模擬)葡萄糖異構酶在工業上應用廣泛,科學家將其第138位甘氨酸替換為脯氨酸后,其最適溫度提高了10 ℃左右。下列相關敘述正確的是(　　)
A.蛋白質功能是由氨基酸的種類和數量決定
B.改造蛋白質結構可通過改造基因結構實現
C.蛋白質工程不可以定向改變蛋白質的結構
D.酶最適溫度提高是因為脯氨酸比甘氨酸更耐熱
3.胰島素用于治療糖尿病,但胰島素注射后易在皮下堆積,需較長時間才能進入血液,進入血液后又易被分解,因此治療效果受到影響。如圖是新的速效胰島素的生產過程,下列有關敘述正確的是(　　)
A.新的胰島素的產生是依據基因工程原理完成的
B.新的胰島素生產過程中不涉及中心法則
C.新的胰島素產生過程中最困難的一步是由胰島素分子結構推測氨基酸序列
D.若用大腸桿菌生產新的胰島素,常用Ca2+處理大腸桿菌
4.(2025·沈陽模擬)囊性纖維病的診斷陣列是表面結合有單鏈DNA探針的特殊濾紙(其中“0”處放置正常基因的探針,“1~10”處放置不同突變基因的探針),將#1~#3待測個體DNA用有色分子標記,然后將診斷陣列浸泡在溶解有單鏈標記DNA的溶液中,檢測結果如圖所示。下列敘述正確的是(　　)
A.診斷陣列可應用于產前診斷中染色體篩查
B.若#2與#3婚配,則后代攜帶突變基因的概率為3/4
C.將標記的待測雙鏈DNA分子直接與診斷陣列混合后即可完成診斷
D.診斷陣列上放置不同病毒的基因探針可診斷人體感染病毒的類型
5.(2025·重慶聯考)蘇云金芽孢桿菌中的殺蟲晶體蛋白Cry具有殺蟲毒性,但Cry蛋白存在殺蟲譜窄、毒力有限等問題,制約了其在農業生產中的進一步應用。科學家通過定點突變,將Cry蛋白第168位的組氨酸替換為精氨酸后,Cry蛋白對煙草天蛾的毒性提高了3倍;將Cry蛋白第282位、第283位的丙氨酸和亮氨酸分別替換成甘氨酸和絲氨酸后,Cry蛋白對舞毒蛾的毒性提高了7倍。下列相關敘述錯誤的是(　　)
A.對Cry蛋白的改造是通過改造編碼Cry蛋白的基因來實現的
B.與基因工程相比,蛋白質工程的實現也需要構建基因表達載體
C.蛋白質工程難度較大,主要是蛋白質發揮功能所依賴的高級結構十分復雜
D.如果將第168、282、283位的氨基酸全部替換,Cry蛋白對舞毒蛾的毒性將增加21倍
6.(2025·連云港模擬)人的血清白蛋白在臨床上需求量很大。科學家培育出一種轉基因山羊,其膀胱上皮細胞可以合成人的血清白蛋白并分泌到尿液中。下列敘述正確的是(　　)
A.可從人體成熟的紅細胞中獲取血清白蛋白基因
B.應選用膀胱上皮細胞作為目的基因的受體細胞
C.人的血清白蛋白基因只存在于轉基因山羊的膀胱上皮細胞中
D.轉基因山羊將人的血清白蛋白分泌到尿液中有利于該蛋白的收集
7.(2025·曲靖模擬)嵌合抗原受體T細胞(CAR T)是癌癥治療的研究熱點。其原理是將CAR基因導入T細胞獲得CAR T,進而表達出特異性更強的癌細胞抗原受體蛋白(CAR)。相比自然狀態下的細胞毒性T細胞,CAR T對腫瘤細胞的殺傷性、靶向性更強。治療流程如圖所示。下列敘述正確的是(　　)
A.步驟②屬于生物工程中的細胞工程
B.CAR T細胞的CAR能特異性識別并殺傷癌細胞
C.步驟④可選用動物病毒或噬菌體作為載體
D.步驟⑤需定期更換培養液以補充營養物質并清除代謝廢物
8.AK、DHDPS是玉米中合成賴氨酸的兩種關鍵酶,賴氨酸達到一定濃度就會與兩種酶結合抑制它們的活性,如圖所示,因此玉米中賴氨酸含量比較低。將AK中第352位蘇氨酸變成異亮氨酸,DHDPS中第104位天冬酰胺變成異亮氨酸,該變化影響了其與賴氨酸的結合,使玉米葉片和種子內游離的賴氨酸分別提高5倍和2倍。下列有關分析錯誤的是(　　)
A.玉米中賴氨酸含量比較低與負反饋調節密切相關
B.要替換AK、DHDPS中的氨基酸需要通過改造相應基因來實現
C.改造后的AK和DHDPS與底物結合能力加強,導致玉米合成賴氨酸的能力增強
D.改造后的AK和DHDPS空間結構改變,與賴氨酸結合的能力降低
9.水蛭是我國的傳統中藥材,主要藥理成分水蛭素為水蛭蛋白中重要成分之一,具有良好的抗凝血作用。科研人員擬通過蛋白質工程改造水蛭素結構,提高其抗凝血活性。將提取的水蛭蛋白經甲、乙兩種蛋白酶水解后,分析水解產物中的肽含量及其抗凝血活性,結果如圖所示。下列敘述錯誤的是(　　)
A.水蛭蛋白經兩種酶處理后水解產物的抗凝血活性差異主要與其肽含量有關
B.酶甲處理使水蛭素抗凝血活性提高的可能原因是使其有活性的結構域部位暴露
C.要獲得水蛭素的基因,可以從水蛭細胞中提取mRNA,經逆轉錄獲得目的基因
D.上述實驗的目的是了解水蛭素蛋白中影響抗凝血活性的部分以設計蛋白質三維結構
10.單基因遺傳病可以通過核酸雜交技術進行早期診斷。有一對夫婦均為鐮狀細胞貧血致病基因的攜帶者,為了能生下健康的孩子,每次妊娠早期都進行產前診斷。如圖為這對夫婦和孩子核酸分子雜交診斷的結果示意圖。下列相關敘述錯誤的是(　　)
A.與圖中正常基因模板鏈雜交的探針堿基對應序列為5'—AACTCGT—3'
B.根據凝膠電泳帶譜分析,基因純合的是Ⅱ2
C.該地區鐮狀細胞貧血患病率為1/10 000,若Ⅱ3與另一正常女子婚配,則生出患病孩子的概率為1/202
D.若將正常的血紅蛋白基因成功導入患者的骨髓造血干細胞中,可用于治療該病
二、非選擇題
11.(2022·廣東卷,T22)“綠水逶迤去,青山相向開”,大力發展低碳經濟已成為全社會的共識。基于某些梭菌的特殊代謝能力,有研究者以某些工業廢氣(含CO2等一碳溫室氣體,多來自高污染排放企業)為原料,通過厭氧發酵生產丙酮,構建一種生產高附加值化工產品的新技術。
回答下列問題:
(1)研究者針對每個需要擴增的酶基因(如圖)設計一對_______,利用PCR技術,在優化反應條件后擴增得到目標酶基因。
(2)研究者構建了一種表達載體pMTL80k,用于在梭菌中建立多基因組合表達庫,經篩選后提高丙酮的合成量。該載體包括了啟動子、終止子及抗生素抗性基因等,其中抗生素抗性基因的作用是_____________________,終止子的作用是__________________________。
(3)培養過程中發現重組梭菌大量表達上述酶蛋白時,出現了生長遲緩的現象,推測其原因可能是_____________________________________,此外丙酮的積累會傷害細胞,需要進一步優化菌株和工藝才能擴大應用規模。
(4)這種生產高附加值化工產品的新技術,實現了______________,體現了循環經濟的特點。從“碳中和”的角度看,該技術的優勢在于______________,具有廣泛的應用前景和良好的社會效益。
12.(科學探究)(2023·海南卷,T20)基因遞送是植物遺傳改良的重要技術之一,我國多個實驗室合作開發了一種新型基因遞送系統(切—浸—生芽Cut Dip Budding,簡稱CDB法)。如圖1與圖2分別是利用常規轉化法和CDB法在某植物中遞送基因的示意圖。
植株A→外植體→愈傷組織→愈傷組織與含重組載體的農桿菌共培養幼苗→轉化植株A
圖1
植株B植株上半部分浸入含重組載體的農桿菌菌液 植株長出毛狀根 陽性毛狀根段
幼苗→轉化植株B
圖2
回答下列問題:
(1)圖1中,從外植體轉變成愈傷組織的過程屬于_______;從愈傷組織到幼苗的培養過程需要的激素有生長素和____________,該過程還需要光照,其作用是_________________________________________________。
(2)圖1中的愈傷組織,若不經過共培養環節,直接誘導培養得到的植株可以保持植株A的____________。圖1中,含有外源基因的轉化植株A若用于生產種子,其包裝需標注______________。
(3)圖1與圖2中,農桿菌侵染植物細胞時,可將外源基因遞送到植物細胞中的原因是_______________________________________________________________。
(4)已知某酶(PDS)缺失會導致植株白化。某團隊構建了用于敲除PDS基因的CRISPR/Cas9基因編輯載體(含有綠色熒光蛋白標記基因),利用圖2中的CDB法將該重組載體導入植株B,長出毛狀根,成功獲得轉化植株B。據此分析,從毛狀根中獲得陽性毛狀根段的方法是____________________________,圖2中,鑒定導入幼苗中的基因編輯載體是否成功發揮作用的方法是__________________________,依據是_________________________________。
(5)與常規轉化法相比,采用CDB法進行基因遞送的優點是___________________________________(答出2點即可)。
課時微練(四十三)　基因工程的應用和蛋白質工程
1.A　解析　用基因工程方法培育的抗蟲植物能抵抗某種害蟲,不能抗病毒,A項錯誤;利用基因工程將外源生長激素基因導入動物細胞內,使該細胞合成、分泌生長激素,即該基因在動物體內表達,可提高動物的生長速率,B項正確;利用乳腺生物反應器生產人胰島素,轉基因生物進入泌乳期后,外源基因在乳腺細胞中可以表達產生相應的基因產物,使哺乳動物本身變為“批量生產藥物的工廠”,C項正確;基因工程在農業上的應用主要是培育高產、穩產、品質優良和具有抗逆性的農作物,滿足人類的生產生活需要,D項正確。
2.B　解析　蛋白質的功能是由蛋白質的結構決定的,從根本上來說,是由基因決定的,A項錯誤;改造蛋白質結構可通過改造編碼蛋白質的基因結構實現,B項正確;蛋白質工程可以獲得特定功能的蛋白質,因此可以定向改變蛋白質的結構,C項錯誤;酶最適溫度提高是因為酶的空間結構發生改變,D項錯誤。
3.D　解析　新的胰島素的產生是依據蛋白質工程原理完成的,A項錯誤;新的胰島素生產過程中涉及轉錄、翻譯的過程,其涉及中心法則,B項錯誤;新的胰島素產生過程中最困難的一步是設計新的胰島素分子的空間結構,C項錯誤;把目的基因導入大腸桿菌,常用Ca2+處理大腸桿菌,D項正確。
4.D　解析　囊性纖維病是一種常染色體隱性遺傳病,若正常基因用“A”表示,則題圖中“1~10”對應的致病基因可表示為“a1~a10”,根據DNA探針的使用原理,分析題圖可知:#1的基因型是AA,#2的基因型是Aa4,#3的基因型是a2a5。診斷陣列上放置的是基因探針,故不能用于染色體的篩查,A項錯誤;#2與#3婚配(Aa4×a2a5),則后代攜帶突變基因的概率為100%,B項錯誤;DNA分子雜交的原理是利用堿基互補配對原則,與單鏈DNA探針特異性的結合,所以要先將待測雙鏈DNA分子加熱,形成單鏈DNA分子,C項錯誤;若診斷陣列上放置不同病毒的基因探針,根據堿基互補配對原則,也可診斷人體感染病毒的類型,D項正確。
5.D　解析　蛋白質的改造需要從根本上改造基因,因此對Cry蛋白的改造是通過改造編碼Cry蛋白的基因來實現的,A項正確;需要將改造的基因導入受體細胞并表達相關產物,就需要構建基因表達載體,因此與基因工程相比,蛋白質工程的實現也需要構建基因表達載體,B項正確;蛋白質的功能多樣性,主要取決于蛋白質中氨基酸種類、數量、排列順序以及蛋白質的空間結構,因此蛋白質工程難度較大,主要是蛋白質發揮功能所依賴的高級結構十分復雜,C項正確;如果將第168、282、283位的氨基酸全部替換,Cry蛋白可能會失去原有的功能,D項錯誤。
6.D　解析　人體成熟的紅細胞細胞核退化消失,細胞中無DNA,無基因,A項錯誤;應選用受精卵作為目的基因的受體細胞,以培育得到轉基因山羊,B項錯誤;由于體細胞都由有絲分裂而來,遺傳物質沒有改變,因此轉基因山羊所有體細胞均含有人血清白蛋白基因(紅細胞在成熟前也有),C項錯誤;轉基因山羊將人的血清白蛋白分泌到尿液中,只要收集尿液即可收集該蛋白質,D項正確。
7.D　解析　分析題意,步驟②是根據靶抗原設計CAR結構,是從蛋白質的預期結構開始,屬于蛋白質工程,A項錯誤;CAR是CAR T細胞表面的嵌合抗原受體,受體只有識別作用,沒有殺傷癌細胞的功能,B項錯誤;基因工程中常見的載體有質粒、動植物病毒、噬菌體等,噬菌體載體是依據噬菌體侵染大腸桿菌的原理,將目的基因片段整合到噬菌體基因組中,因此將CAR基因導入T細胞不能用噬菌體作為載體,C項錯誤;動物細胞培養時,為補充營養物質并清除代謝廢物,防止細胞代謝物積累對細胞自身造成危害,需定期更換培養液,D項正確。
8.C　解析　由題可知,賴氨酸達到一定濃度與AK、DHDPS結合,抑制它們的活性,從而使反應速率下降,屬于負反饋調節,A項正確;根據題意“將AK中第352位蘇氨酸變成異亮氨酸,DHDPS中第104位天冬酰胺變成異亮氨酸”,可知上述操作為蛋白質工程,蛋白質工程的實質是通過改造相應基因來實現的,B項正確;將AK中第352位蘇氨酸變成異亮氨酸,DHDPS中第104位天冬酰胺變成異亮氨酸,會導致改造后的AK和DHDPS的空間結構改變,與賴氨酸結合的能力降低,但改造后的AK和DHDPS的活性基本不變,C項錯誤,D項正確。
9.A　解析　兩種酶水解水蛭蛋白后,肽含量的兩條曲線比較接近,說明抗凝血的活性與肽的含量關聯不大,A項錯誤;酶甲處理后的酶解產物的抗凝血活性先上升后相對穩定,由此推測酶甲處理使水蛭素抗凝血活性提高的可能原因是使其有活性的結構域部位暴露,B項正確;為了獲得水蛭素基因,可從細胞中提取水蛭素基因轉錄的mRNA,經逆轉錄獲取目的基因,C項正確;題述實驗的目的是了解水蛭素蛋白中影響抗凝血活性的部分以設計蛋白質三維結構,D項正確。
10.B　解析　據題圖可知,正常基因模板鏈的核酸序列為5'—ACGAGTT—3',按照堿基互補配對的原則,則與題圖中正常基因模板鏈雜交的探針堿基對應序列為5'—AACTCGT—3',A項正確;題圖中夫婦的基因型均為Bb,根據凝膠電泳帶譜分析,基因純合的是Ⅱ2(bb)和Ⅱ1(BB),B項錯誤;該地區鐮狀細胞貧血患病率為1/10 000,說明該地區人群中b的基因頻率為1/100,則B的基因頻率為99/100,則正常人群中攜帶者的概率為2×1/100×99/100÷(1-1/10 000)=2/101,分析題圖可知,Ⅱ3的基因型為Bb,若其與正常女子Bb或BB婚配,則生出患病孩子的概率為2/101×1/4=1/202,C項正確;鐮狀細胞貧血是由基因突變導致的,屬于遺傳病,將正常血紅蛋白的基因導入患者的骨髓造血干細胞中,可產生正常的紅細胞,進而可達到治療目的,D項正確。
11.答案　(1)引物　(2)便于篩選含有目的基因的受體細胞　使轉錄在所需要的地方停下來　(3)酶蛋白的大量合成消耗了大量物質和能量　(4)廢棄物的資源化　減少了碳排放
解析　(1)利用PCR技術擴增目的基因的前提是已知目的基因兩端的核苷酸序列,根據這一序列設計并合成一對引物。(2)抗生素抗性基因作為標記基因,作用是鑒定受體細胞中是否含有目的基因,從而將含有目的基因的受體細胞篩選出來。終止子相當于一盞紅色信號燈,位于基因的下游,可使轉錄在所需要的地方停下來。(3)酶蛋白的大量合成消耗大量的物質和能量,導致重組梭菌用于自身生長、繁殖的物質和能量減少,菌體生長遲緩。(4)該技術使一個系統產出的污染物,能夠成為本系統或另一個系統的生產原料,從而實現了廢棄物的資源化。從“碳中和”的角度看,該技術減少了碳排放。
12.答案　(1)脫分化　細胞分裂素　誘導葉綠素的形成,使幼苗能夠進行光合作用　(2)遺傳特性　轉基因種子　(3)農桿菌細胞內含Ti質粒,當它侵染植物細胞后,能將Ti質粒上的T DNA轉移并整合到受體細胞染色體DNA上　(4)檢測毛狀根段是否有綠色熒光　觀察幼苗是否表現出白化特征(或根據PDS基因的堿基序列設計引物進行PCR擴增)　PDS基因缺失會導致植株白化,白化苗的出現意味著通過基因編緝技術成功實現PDS基因的敲除　(5)生長迅速、易于培養
解析　(1)外植體經過脫分化形成愈傷組織,愈傷組織經過再分化形成幼苗,再分化培養基需要有一定比例的生長素和細胞分裂素。葉綠素的形成需要光,故再分化過程中需要適宜的光照以誘導葉綠素的形成。(2)題圖1中,若不經過愈傷組織與含重組載體的農桿菌共培養環節,直接誘導培養植株,則獲得的植株遺傳物質全部來自植株A,這種無性繁殖的方式可以保持植株A的遺傳特性。為遵守我國對農業轉基因生物實行的標識制度,需對含有外源基因的轉化植株A生產的種子的包裝標注“轉基因種子”。(3)見答案。(4)用含有重組載體的農桿菌菌液處理植株B后長出的毛狀根中若含有基因編輯載體(陽性毛狀根),則該基因編輯載體中的綠色熒光蛋白基因可以在毛狀根中表達,故可通過觀察其是否含有綠色熒光篩選陽性毛狀根。若導入幼苗中的基因編輯載體成功發揮作用,則PDS基因被敲除,靶基因測序就會出現序列缺失,或用另一種方法,根據PDS基因的堿基序列設計引物進行PCR擴增,不會出現擴增條帶。(5)對比題圖1與題圖2可知,與常規轉化法相比,用CDB法進行基因遞送的優點是生長迅速、易于培養。(共42張PPT)
基因工程的應用和蛋白質工程
課時微練(四十三)
一、選擇題：本題共10小題，在每小題給出的四個選項中，只有一項是符合題目要求的
1.下列有關基因工程的成果及應用的說法，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藥物
D.基因工程在農業上的應用主要是培育高產、品質優良和具有抗逆性的農作物
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用基因工程方法培育的抗蟲植物能抵抗某種害蟲，不能抗病毒，A項錯誤；利用基因工程將外源生長激素基因導入動物細胞內，使該細胞合成、分泌生長激素，即該基因在動物體內表達，可提高動物的生長速率，B項正確；利用乳腺生物反應器生產人胰島素，轉基因生物進入泌乳期后，外源基因在乳腺細胞中可以表達產生相應的基因產物,使哺乳動物本身變為“批量生產藥物的工廠”，C項正確；基因工程在農業上的應用主要是培育高產、穩產、品質優良和具有抗逆性的農作物，滿足人類的生產生活需要，D項正確。
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2.(2025·永州模擬)葡萄糖異構酶在工業上應用廣泛，科學家將其第138位甘氨酸替換為脯氨酸后，其最適溫度提高了10 ℃左右。下列相關敘述正確的是( )
A.蛋白質功能是由氨基酸的種類和數量決定
B.改造蛋白質結構可通過改造基因結構實現
C.蛋白質工程不可以定向改變蛋白質的結構
D.酶最適溫度提高是因為脯氨酸比甘氨酸更耐熱
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蛋白質的功能是由蛋白質的結構決定的，從根本上來說，是由基因決定的，A項錯誤；改造蛋白質結構可通過改造編碼蛋白質的基因結構實現，B項正確；蛋白質工程可以獲得特定功能的蛋白質，因此可以定向改變蛋白質的結構，C項錯誤；酶最適溫度提高是因為酶的空間結構發生改變，D項錯誤。
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3.胰島素用于治療糖尿病，但胰島素注射后易在皮下堆積，需較長時間才能進入血液，進入血液后又易被分解，因此治療效果受到影響。如圖是新的速效胰島素的生產過程，下列有關敘述正確的是( )
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A.新的胰島素的產生是依據基因工程原理完成的
B.新的胰島素生產過程中不涉及中心法則
C.新的胰島素產生過程中最困難的一步是由胰島素分子結構推測氨基酸序列
D.若用大腸桿菌生產新的胰島素，常用Ca2+處理大腸桿菌
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新的胰島素的產生是依據蛋白質工程原理完成的，A項錯誤；新的胰島素生產過程中涉及轉錄、翻譯的過程，其涉及中心法則，B項錯誤；新的胰島素產生過程中最困難的一步是設計新的胰島素分子的空間結構，C項錯誤；把目的基因導入大腸桿菌，常用Ca2+處理大腸桿菌，D項正確。
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4.(2025·沈陽模擬)囊性纖維病的診斷陣列是表面結合有單鏈DNA探針的特殊濾紙(其中“0”處放置正常基因的探針，“1~10”處放置不同突變基因的探針)，將#1~#3待測個體DNA用有色分子標記，然后將診斷陣列浸泡在溶解有單鏈標記DNA的溶液中，檢測結果如圖所示。下列敘述正確的是( )
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A.診斷陣列可應用于產前診斷中染色體篩查
B.若#2與#3婚配，則后代攜帶突變基因的概率為3/4
C.將標記的待測雙鏈DNA分子直接與診斷陣列混合后即可完成診斷
D.診斷陣列上放置不同病毒的基因探針可診斷人體感染病毒的類型
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囊性纖維病是一種常染色體隱性遺傳病，若正常基因用“A”表示，則題圖中“1~10”對應的致病基因可表示為“a1~a10”，根據DNA探針的使用原理，分析題圖可知：#1的基因型是AA，#2的基因型是
解析
Aa4，#3的基因型是a2a5。診斷陣列上放置的是基因探針，故不能用于染色體的篩查，A項錯誤；#2與#3婚配(Aa4×a2a5)，則后代攜帶突變基因的概率為100%，B項錯誤；DNA分子雜交的原理是利用堿基互補配對原則，與單鏈DNA探針特異性的結合，所以要先將待測雙鏈DNA分子加熱，形成單鏈DNA分子，C項錯誤；若診斷陣列上放置不同病毒的基因探針，根據堿基互補配對原則，也可診斷人體感染病毒的類型，D項正確。
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5.(2025·重慶聯考)蘇云金芽孢桿菌中的殺蟲晶體蛋白Cry具有殺蟲毒性，但Cry蛋白存在殺蟲譜窄、毒力有限等問題，制約了其在農業生產中的進一步應用。科學家通過定點突變，將Cry蛋白第168位的組氨酸替換為精氨酸后，Cry蛋白對煙草天蛾的毒性提高了3倍；將Cry蛋白第282位、第283位的丙氨酸和亮氨酸分別替換成甘氨酸和絲氨酸后，Cry蛋白對舞毒蛾的毒性提高了7倍。下列相關敘述錯誤的是( )
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A.對Cry蛋白的改造是通過改造編碼Cry蛋白的基因來實現的
B.與基因工程相比，蛋白質工程的實現也需要構建基因表達載體
C.蛋白質工程難度較大，主要是蛋白質發揮功能所依賴的高級結構十分復雜
D.如果將第168、282、283位的氨基酸全部替換，Cry蛋白對舞毒蛾的毒性將增加21倍
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蛋白質的改造需要從根本上改造基因，因此對Cry蛋白的改造是通過改造編碼Cry蛋白的基因來實現的，A項正確；需要將改造的基因導入受體細胞并表達相關產物，就需要構建基因表達載體，因此與基因工程相比,蛋白質工程的實現也需要構建基因表達載體，B項正確；蛋白質的功能多樣性，主要取決于蛋白質中氨基酸種類、數量、排列順序以及蛋白質的空間結構，因此蛋白質工程難度較大，主要是蛋白質發揮功能所依賴的高級結構十分復雜，C項正確；如果將第168、282、283位的氨基酸全部替換，Cry蛋白可能會失去原有的功能，D項錯誤。
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6.(2025·連云港模擬)人的血清白蛋白在臨床上需求量很大。科學家培育出一種轉基因山羊，其膀胱上皮細胞可以合成人的血清白蛋白并分泌到尿液中。下列敘述正確的是( )
A.可從人體成熟的紅細胞中獲取血清白蛋白基因
B.應選用膀胱上皮細胞作為目的基因的受體細胞
C.人的血清白蛋白基因只存在于轉基因山羊的膀胱上皮細胞中
D.轉基因山羊將人的血清白蛋白分泌到尿液中有利于該蛋白的收集
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人體成熟的紅細胞細胞核退化消失，細胞中無DNA，無基因，A項錯誤；應選用受精卵作為目的基因的受體細胞，以培育得到轉基因山羊，B項錯誤；由于體細胞都由有絲分裂而來，遺傳物質沒有改變，因此轉基因山羊所有體細胞均含有人血清白蛋白基因
(紅細胞在成熟前也有)，C項錯誤；轉基因山羊將人的血清白蛋白分泌到尿液中，只要收集尿液即可收集該蛋白質，D項正確。
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7.(2025·曲靖模擬)嵌合抗原受體T細胞(CAR-T)是癌癥治療的研究熱點。其原理是將CAR基因導入T細胞獲得CAR-T,進而表達出特異性更強的癌細胞抗原受體蛋白(CAR)。相比自然狀態下的細胞毒性T細胞，CAR-T對腫瘤細胞的殺傷性、靶向性更強。治療流程如圖所示。下列敘述正確的是( )
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A.步驟②屬于生物工程中的細胞工程
B.CAR-T細胞的CAR能特異性識別并殺傷癌細胞
C.步驟④可選用動物病毒或噬菌體作為載體
D.步驟⑤需定期更換培養液以補充營養物質并清除代謝廢物
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分析題意，步驟②是根據靶抗原設計CAR結構，是從蛋白質的預期結構開始，屬于蛋白質工程，A項錯誤；CAR是CAR-T細胞表
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面的嵌合抗原受體,受體只有識別作用，沒有殺傷癌細胞的功能，B項錯誤；基因工程中常見的載體有質粒、動植物病毒、噬菌體等，噬菌體載體是依據噬菌體侵染大腸桿菌的原理，將目的基因片段整合到噬菌體基因組中，因此將CAR基因導入T細胞不能用噬菌體作為載體，C項錯誤；動物細胞培養時，為補充營養物質并清除代謝廢物，防止細胞代謝物積累對細胞自身造成危害，需定期更換培養液，D項正確。
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8.AK、DHDPS是玉米中合成賴氨酸的兩種關鍵酶，賴氨酸達到一定濃度就會與兩種酶結合抑制它們的活性，如圖所示，因此玉米中賴氨酸含量比較低。將AK中第352位蘇氨酸變成異亮氨酸，DHDPS中第104位天冬酰胺變成異亮氨酸，該變化影響了其與賴氨酸的結合，使玉米葉片和種子內游離的賴氨酸分別提高5倍和2倍。下列有關分析錯誤的是( )
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A.玉米中賴氨酸含量比較低與負反饋調節密切相關
B.要替換AK、DHDPS中的氨基酸需要通過改造相應基因來實現
C.改造后的AK和DHDPS與底物結合能力加強，導致玉米合成賴氨酸的能力增強
D.改造后的AK和DHDPS空間結構改變，與賴氨酸結合的能力降低
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由題可知，賴氨酸達到一定濃度與AK、DHDPS結合，抑制它們的活性，從而使反應速率下降，屬于負反饋調節，A項正確；根據題意“將AK中第352位蘇氨酸變成異亮氨酸，DHDPS中第104位天冬酰胺變成異亮氨酸”，可知上述操作為蛋白質工程，蛋白質工程的實質是通過改造相應基因來實現的，B項正確；將AK中第352位蘇氨酸變成異亮氨酸，DHDPS中第104位天冬酰胺變成異亮氨酸，會導致改造后的AK和DHDPS的空間結構改變，與賴氨酸結合的能力降低，但改造后的AK和DHDPS的活性基本不變，C項錯誤，D項正確。
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9.水蛭是我國的傳統中藥材，主要藥理成分水蛭素為水蛭蛋白中重要成分之一，具有良好的抗凝血作用。科研人員擬通過蛋白質工程改造水蛭素結構，提高其抗凝血活性。將提取的水蛭蛋白經甲、乙兩種蛋白酶水解后，分析水解產物中的肽含量及其抗凝血活性，結果如圖所示。下列敘述錯誤的是( )
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A.水蛭蛋白經兩種酶處理后水解產物的抗凝血活性差異主要與其肽含量有關
B.酶甲處理使水蛭素抗凝血活性提高的可能原因是使其有活性的結構域部位暴露
C.要獲得水蛭素的基因，可以從水蛭細胞中提取mRNA，經逆轉錄獲得目的基因
D.上述實驗的目的是了解水蛭素蛋白中影響抗凝血活性的部分以設計蛋白質三維結構
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兩種酶水解水蛭蛋白后，肽含量的兩條曲線比較接近，說明抗凝血的活性與肽的含量關聯不大，A項錯誤；酶甲處理后的酶解產物的抗凝血活性先上升后相對穩定，由此推測酶甲處理使水蛭素抗凝血活性提高的可能原因是使其有活性的結構域部位暴露，B項正確；為了獲得水蛭素基因，可從細胞中提取水蛭素基因轉錄的mRNA,經逆轉錄獲取目的基因，C項正確;題述實驗的目的是了解水蛭素蛋白中影響抗凝血活性的部分以設計蛋白質三維結構，D項正確。
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10.單基因遺傳病可以通過核酸雜交技術進行早期診斷。有一對夫婦均為鐮狀細胞貧血致病基因的攜帶者，為了能生下健康的孩子，每次妊娠早期都進行產前診斷。如圖為這對夫婦和孩子核酸分子雜交診斷的結果示意圖。下列相關敘述錯誤的是( )
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A.與圖中正常基因模板鏈雜交的探針堿基對應序列為5'—AACTCGT
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B.根據凝膠電泳帶譜分析，基因純合的是Ⅱ2
C.該地區鐮狀細胞貧血患病率為1/10 000，若Ⅱ3與另一正常女子婚配，則生出患病孩子的概率為1/202
D.若將正常的血紅蛋白基因成功導入患者的骨髓造血干細胞中，可用于治療該病
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據題圖可知，正常基因模板鏈的核酸序列為5'—ACGAGTT—3'，按照堿基互補配對的原則，則與題圖中正常基因模板鏈雜交的探針堿基對應序列為5'—AACTCGT—3'，A項正確；題圖中夫婦的基因型均為Bb，根據凝膠電泳帶譜分析，基因純合的是Ⅱ2(bb)和Ⅱ1(BB)，B項錯誤；該地區鐮狀細胞貧血患病率為1/10 000，說明該地區人群中b的基因頻率為1/100，則B的基因頻率為99/100，則正常人群中攜帶者的概率為2×1/100×99/100÷(1-1/10 000)=2/101,
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分析題圖可知，Ⅱ3的基因型為Bb，若其與正常女子Bb或BB婚配,則生出患病孩子的概率為2/101×1/4=1/202，C項正確；鐮狀細胞貧血是由基因突變導致的，屬于遺傳病，將正常血紅蛋白的基因導入患者的骨髓造血干細胞中，可產生正常的紅細胞，進而可達到治療目的，D項正確。
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二、非選擇題
11.(2022·廣東卷，T22)“綠水逶迤去，青山相向開”，大力發展低碳經濟已成為全社會的共識。基于某些梭菌的特殊代謝能力，有研究者以某些工業廢氣(含CO2等一碳溫室氣體，多來自高污染排放企業)為原料，通過厭氧發酵生產丙酮，構建一種生產高附加值化工產品的新技術。
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回答下列問題:
(1)研究者針對每個需要擴增的酶基因(如圖)設計一對_____________,利用PCR技術，在優化反應條件后擴增得到目標酶基因。
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引物
(2)研究者構建了一種表達載體pMTL80k，用于在梭菌中建立多基因組合表達庫，經篩選后提高丙酮的合成量。該載體包括了啟動子、終止子及抗生素抗性基因等，其中抗生素抗性基因的作用是_______
___________________________，終止子的作用是________________
_______________。
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便于篩選含有目的基因的受體細胞
使轉錄在所需要的地方停下來
(3)培養過程中發現重組梭菌大量表達上述酶蛋白時，出現了生長遲
緩的現象，推測其原因可能是_________________________________
________，此外丙酮的積累會傷害細胞，需要進一步優化菌株和工
藝才能擴大應用規模。
(4)這種生產高附加值化工產品的新技術，實現了________________，體現了循環經濟的特點。從“碳中和”的角度看，該技術的優勢在于________________，具有廣泛的應用前景和良好的社會效益。
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廢棄物的資源化
減少了碳排放
酶蛋白的大量合成消耗了大量物質和能量
(1)利用PCR技術擴增目的基因的前提是已知目的基因兩端的核苷酸序列，根據這一序列設計并合成一對引物。(2)抗生素抗性基因作為標記基因，作用是鑒定受體細胞中是否含有目的基因，從而將含有目的基因的受體細胞篩選出來。終止子相當于一盞紅色信號燈，位于基因的下游，可使轉錄在所需要的地方停下來。(3)酶蛋白的大量合成消耗大量的物質和能量，導致重組梭菌用于自身
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生長、繁殖的物質和能量減少，菌體生長遲緩。(4)該技術使一個系統產出的污染物，能夠成為本系統或另一個系統的生產原料，從而實現了廢棄物的資源化。從“碳中和”的角度看，該技術減少了碳排放。
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12.(科學探究)(2023·海南卷，T20)基因遞送是植物遺傳改良的重要技術之一，我國多個實驗室合作開發了一種新型基因遞送系統(切—浸—生芽Cut-Dip-Budding，簡稱CDB法)。如圖1與圖2分別是利用常規轉化法和CDB法在某植物中遞送基因的示意圖。
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回答下列問題:
(1)圖1中，從外植體轉變成愈傷組織的過程屬于__________；從愈傷組織到幼苗的培養過程需要的激素有生長素和_____________，該過程還需要光照，其作用是_____________________________________
______。
(2)圖1中的愈傷組織，若不經過共培養環節，直接誘導培養得到的植株可以保持植株A的_____________。圖1中，含有外源基因的轉化植株A若用于生產種子，其包裝需標注______________。
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脫分化
細胞分裂素
誘導葉綠素的形成，使幼苗能夠進行光合作用
遺傳特性
轉基因種子
(3)圖1與圖2中，農桿菌侵染植物細胞時，可將外源基因遞送到植物細胞中的原因是_____________________________________________
_____________________________________________________。
(4)已知某酶(PDS)缺失會導致植株白化。某團隊構建了用于敲除PDS基因的CRISPR/Cas9基因編輯載體(含有綠色熒光蛋白標記基因)，利用圖2中的CDB法將該重組載體導入植株B，長出毛狀根，成功獲得轉化植株B。據此分析，從毛狀根中獲得陽性毛狀根段的方法是
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農桿菌細胞內含Ti質粒，當它侵染植物細胞后，能將Ti質粒上的T-DNA轉移并整合到受體細胞染色體DNA上
____________________________，圖2中，鑒定導入幼苗中的基因編輯載體是否成功發揮作用的方法是_____________________________
__________________________________________________，依據是________________________________________________________________________________________。
(5)與常規轉化法相比，采用CDB法進行基因遞送的優點是_________
_______________(答出2點即可)。
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檢測毛狀根段是否有綠色熒光
觀察幼苗是否表現出白化特征(或根據PDS基因的堿基序列設計引物進行PCR擴增)
PDS基因缺失會導致植株白化，白化苗的出現意味著通過基因編緝技術成功實現PDS基因的敲除
生長迅速、易于培養
(1)外植體經過脫分化形成愈傷組織，愈傷組織經過再分化形成幼苗，再分化培養基需要有一定比例的生長素和細胞分裂素。葉綠素的形成需要光，故再分化過程中需要適宜的光照以誘導葉綠素的形成。(2)題圖1中，若不經過愈傷組織與含重組載體的農桿菌共培養環節，直接誘導培養植株，則獲得的植株遺傳物質全部來自植株A，這種無性繁殖的方式可以保持植株A的遺傳特性。為遵
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守我國對農業轉基因生物實行的標識制度，需對含有外源基因的轉化植株A生產的種子的包裝標注“轉基因種子”。(3)見答案。
(4)用含有重組載體的農桿菌菌液處理植株B后長出的毛狀根中若含有基因編輯載體(陽性毛狀根)，則該基因編輯載體中的綠色熒光蛋白基因可以在毛狀根中表達，故可通過觀察其是否含有綠色熒光篩選陽性毛狀根。若導入幼苗中的基因編輯載體成功發揮作
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用，則PDS基因被敲除，靶基因測序就會出現序列缺失，或用另一種方法，根據PDS基因的堿基序列設計引物進行PCR擴增，不會出現擴增條帶。(5)對比題圖1與題圖2可知，與常規轉化法相比,用CDB法進行基因遞送的優點是生長迅速、易于培養。
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