第3節(jié)　基因工程的應(yīng)用 課標(biāo)內(nèi)容要求核心素養(yǎng)對接舉例說明基因工程在農(nóng)業(yè)、食品及醫(yī)藥等行業(yè)的廣泛應(yīng)用改善了人類的生活品質(zhì)。1．科學(xué)思維：基于基因工程在農(nóng)牧業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生和食品工業(yè)應(yīng)用的實例說明基因工程給社會帶來的巨大進步。2．社會責(zé)任：基于基因工程在各方面發(fā)展的前景，理性看待基因工程的安全性。 一、基因工程在農(nóng)牧業(yè)方面的應(yīng)用1．轉(zhuǎn)基因抗蟲植物(1)技術(shù)方法：從某些生物中分離出具有抗蟲功能的基因，將它導(dǎo)入作物中，培育出具有抗蟲性的作物。(2)實例：抗蟲棉花、玉米、大豆、水稻和馬鈴薯等。2．轉(zhuǎn)基因抗病植物(1)技術(shù)方法：將來源于某些病毒、真菌等的抗病基因?qū)胫参镏?/span>，培育出了轉(zhuǎn)基因抗病植物。(2)實例：轉(zhuǎn)基因抗病毒甜椒、番木瓜和煙草等。3．轉(zhuǎn)基因抗除草劑植物(1)技術(shù)方法：將降解或抵抗某種除草劑的基因?qū)胱魑?/span>，可培育出抗除草劑的作物品種。(2)實例：轉(zhuǎn)基因抗除草劑玉米、大豆、油菜和甜菜等。4．改良植物的品質(zhì)(1)技術(shù)方法：將某種必需氨基酸含量多的蛋白質(zhì)編碼基因?qū)胫?/span>物中，可以提高這種氨基酸的含量。(2)實例：轉(zhuǎn)基因玉米中賴氨酸的含量比對照高30%。5．提高動物的生長速率(1)技術(shù)方法：將外源生長激素基因?qū)雱游矬w內(nèi)，提高動物的生長速率。(2)實例：轉(zhuǎn)基因鯉魚。6．改善畜產(chǎn)品的品質(zhì)(1)技術(shù)方法：將腸乳糖酶基因?qū)肽膛；蚪M。(2)實例：乳汁中乳糖含量大大降低的轉(zhuǎn)基因奶牛。二、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基因改造，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：將藥用蛋白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，通過顯微注射導(dǎo)入哺乳動物的受精卵中，培育出的轉(zhuǎn)基因動物通過分泌乳汁生產(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)入某種調(diào)節(jié)因子抑制抗原決定基因的表達或設(shè)法除去抗原決定基因，然后再結(jié)合克隆技術(shù)，培育出不會引起免疫排斥反應(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。三、基因工程在食品工業(yè)方面的應(yīng)用(1)技術(shù)方法：利用基因工程菌生產(chǎn)食品工業(yè)用酶、氨基酸和維生素等。例如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。(2)實例：淀粉酶、脂酶、天冬氨酸和苯丙氨酸。判斷對錯(正確的打“√”，錯誤的打“×”)1．農(nóng)業(yè)害蟲不會對轉(zhuǎn)基因抗蟲作物產(chǎn)生抗性。 (×)提示：害蟲仍會對抗蟲作物產(chǎn)生抗性。2．培育轉(zhuǎn)基因抗病植物的目的基因主要來源于病毒、真菌。 (√)3．基因工程中，要培育轉(zhuǎn)基因植物和動物，選用的受體細胞都是受精卵。  (×)提示：培育轉(zhuǎn)基因動物時，所選用的受體細胞一般是受精卵；培育轉(zhuǎn)基因植物時，所選用的受體細胞可以是受精卵，也可以是體細胞。4．利用工程菌可生產(chǎn)人的胰島素等某些激素。 (√)5．乳腺反應(yīng)器就是把藥用蛋白基因?qū)雱游锏娜橄偌毎小?/span> (×)提示：應(yīng)是把藥用蛋白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，通過顯微注射法導(dǎo)入哺乳動物的受精卵中。　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?/span>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)。1．tPA是機體在凝血平衡調(diào)節(jié)中發(fā)揮關(guān)鍵性作用的蛋白質(zhì)，如圖是利用奶牛乳腺生產(chǎn)tPA的圖解，據(jù)圖回答下列問題：(1)要使tPA基因在奶牛的乳腺細胞中特異性表達，需將其與________________________等調(diào)控元件重組在一起。(2)乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)醫(yī)用人體蛋白比工程菌有優(yōu)勢，是由于乳腺細胞有較強的________能力，省卻了從工程菌細胞內(nèi)提取時的破壁、分離等程序，大大降低了成本。[解析]　(1)要使tPA基因在奶牛的乳腺細胞中特異性表達，需將其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。(2)乳腺細胞有較強的分泌能力，使得乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)醫(yī)用人體蛋白比工程菌有優(yōu)勢。[答案]　(1)乳腺中特異表達的基因的啟動子　(2)分泌2．人血清白蛋白(HSA)具有重要的醫(yī)用價值，只能從人血漿中制備。下圖是以基因工程技術(shù)獲取重組HSA(rHSA)的兩條途徑。  (1)為獲取HSA基因，首先需采集人的血液，提取__________合成總cDNA，然后以cDNA為模板，使用PCR技術(shù)擴增HSA基因。下圖中箭頭表示一條引物結(jié)合模板的位置及擴增方向，請用箭頭在方框內(nèi)標(biāo)出另一條引物的位置及擴增方向。(2)啟動子通常具有物種及組織特異性，構(gòu)建在水稻胚乳細胞內(nèi)特異表達rHSA的載體，需要選擇的啟動子是________(填寫字母，單選)。A．人血細胞啟動子B．水稻胚乳細胞啟動子C．大腸桿菌啟動子 D．農(nóng)桿菌啟動子(3)人體合成的初始HSA多肽，需要經(jīng)過膜系統(tǒng)加工形成正確空間結(jié)構(gòu)才有活性。與途徑Ⅱ相比，選擇途徑Ⅰ獲取rHSA的優(yōu)勢是_______________。(4)為證明rHSA具有醫(yī)用價值，須確認rHSA與________的生物學(xué)功能一致。[解析]　(1)要想合成總cDNA，需要采集人的血液獲得總RNA。由于DNA的復(fù)制只能從脫氧核苷酸單鏈的5′端向3′端延伸，因而引物均應(yīng)結(jié)合在DNA單鏈的3′端，而DNA的兩條鏈反向平行，由此可以確定引物在另一條脫氧核苷酸單鏈的位置和方向。(2)若要從水稻胚乳細胞內(nèi)獲得目的產(chǎn)物，需要控制該目的基因只在水稻胚乳細胞內(nèi)表達。由題干中的信息“啟動子通常具有物種及組織特異性”可知，此處需要選擇水稻胚乳細胞啟動子。(3)途徑Ⅰ和Ⅱ的主要區(qū)別是途徑Ⅰ的受體細胞是真核細胞，途徑Ⅱ的受體細胞是原核細胞。由于人體合成的初始HSA多肽需要經(jīng)膜系統(tǒng)加工形成正確的空間結(jié)構(gòu)才有生物活性，所以選擇途徑Ⅰ獲取rHSA更具有優(yōu)勢。(4)rHSA是基因工程的產(chǎn)物，為判斷其是否具有醫(yī)用價值，還需要在個體水平上進一步確認其與HAS的生物學(xué)功能是否一致。[答案]　(1)總RNA(或mRNA)(2)B　(3)水稻是真核生物，具有膜系統(tǒng)，能對初始rHSA多肽進行高效加工　(4)HSA矮牽?；ò曜仙纳顪\由花青素的含量高低決定，花青素由查耳酮合酶(CHS)催化合成。為獲得紫色更深的矮牽牛，科研人員將CHS基因?qū)胍吧妥匣ò?/span>牽牛葉肉細胞中，得到的轉(zhuǎn)基因植物花色反而出現(xiàn)了淺紫色。檢測CHS基因的轉(zhuǎn)錄水平，得到如下圖所示電泳圖譜(2道和3道分別表示野生型和轉(zhuǎn)基因植株)。本示例考查演繹與推理和歸納與概括的科學(xué)思維及對實驗結(jié)果交流和討論的能力。請根據(jù)實驗結(jié)果從內(nèi)源CHS基因和外源CHS基因表達水平分析轉(zhuǎn)基因牽?；ɑㄉ儨\的原因。(科學(xué)思維)提示：由于外源CHS基因的導(dǎo)入，造成內(nèi)源CHS基因的表達被抑制，導(dǎo)致外源CHS基因和內(nèi)源CHS基因的綜合表達量沒有野生型的內(nèi)源CHS基因表達量高。[課堂小結(jié)]知 識 網(wǎng) 絡(luò) 構(gòu) 建核 心 語 句 背 誦1.將來源于某些病毒、真菌的抗病基因?qū)胫参镏?/span>，培育轉(zhuǎn)基因抗病植物。2.將外源生長激素基因?qū)膈庺~，可提高鯉魚的生長速度。3.將藥用蛋白基因?qū)氪竽c桿菌或酵母菌構(gòu)建工程菌可生產(chǎn)藥物。4.將藥用蛋白基因與乳腺中特異表達的基因的啟動子等調(diào)控元件重組成表達載體導(dǎo)入哺乳動物的受精卵中可構(gòu)建乳腺生物反應(yīng)器。5.在器官供體的基因組中導(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，然后結(jié)合克隆技術(shù)，可培育出不會引起免疫排斥反應(yīng)的轉(zhuǎn)基因克隆器官。1．抗病毒轉(zhuǎn)基因植物成功表達后，以下說法正確的是(　　)A．抗病毒轉(zhuǎn)基因植物可以抵抗所有病毒B．抗病毒轉(zhuǎn)基因植物對病毒的抗性具有局限性或特異性C.抗病毒轉(zhuǎn)基因植物可以抗害蟲D．抗病毒轉(zhuǎn)基因植物可以穩(wěn)定遺傳，不會變異B　[由于外源抗病毒基因具有特異性，因而其表達產(chǎn)物具有特異性或局限性，只能抵抗某種或某類病毒，不可能抵抗所有病毒，更不能抗害蟲。目的基因?qū)胧荏w細胞后，可以隨受體內(nèi)的自身遺傳物質(zhì)穩(wěn)定遺傳，也會同自身遺傳物質(zhì)一樣發(fā)生變異。]2．下列有關(guān)乳腺生物反應(yīng)器的敘述錯誤的是(　　)A．動物基因結(jié)構(gòu)與人類基因結(jié)構(gòu)相同B．乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)的藥物是自然界沒有的C．可從具有目的基因的轉(zhuǎn)基因雌性動物乳汁中提取藥物D.乳腺生物反應(yīng)器是轉(zhuǎn)基因技術(shù)在畜牧業(yè)中的應(yīng)用B　[乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)的藥物在自然界中可以找到，只不過在轉(zhuǎn)基因動物體內(nèi)更容易提取到較大量的藥物。]3．應(yīng)用基因工程的方法，可將酵母菌制造成“工程菌”，用于生產(chǎn)乙肝疫苗，在制造該“工程菌”時，應(yīng)向酵母菌中導(dǎo)入(　　)A．乙肝病毒的表面抗原B．抗乙肝病毒抗體的基因C．抗乙肝病毒的抗體D．乙肝病毒的表面抗原的基因D　[利用基因工程生產(chǎn)乙肝疫苗時，應(yīng)該向酵母菌中導(dǎo)入乙肝病毒的表面抗原基因。]4．下列不屬于基因工程成果的是(　　)A．乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)藥用蛋白B．從大腸桿菌體內(nèi)獲得白細胞介素C．從大腸桿菌內(nèi)獲得生長激素D．用高產(chǎn)青霉菌生產(chǎn)青霉素D　[乳腺生物反應(yīng)器是用轉(zhuǎn)基因動物生產(chǎn)藥物，屬于基因工程成果，A錯誤；從大腸桿菌體內(nèi)獲得白細胞介素及從大腸桿菌體內(nèi)獲得生長激素都是將相關(guān)基因轉(zhuǎn)入大腸桿菌，從而得到的基因工程藥物，屬于基因工程成果，B、C錯誤；用高產(chǎn)青霉菌生產(chǎn)青霉素是利用基因突變的原理進行的誘變育種，不屬于基因工程的范疇，D正確。]5．糖尿病已經(jīng)成為危害人類健康的嚴重疾病之一，注射胰島素是目前治療糖尿病最為有效的途徑和手段。如何生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)而不昂貴的人胰島素，是當(dāng)下醫(yī)藥界急需攻克的科學(xué)難題。下圖為利用基因工程技術(shù)生產(chǎn)人胰島素的操作過程示意圖，請回答：(1)在基因表達載體中，________是RNA聚合酶識別和結(jié)合的部位，有了它才能驅(qū)動基因轉(zhuǎn)錄出mRNA。(2)圖中細胞1是________細胞。過程②必需的酶是________。過程③④⑤為利用________技術(shù)擴增目的基因，此過程必需的酶是________。過程③斷開的是________鍵，在體外進行PCR操作時，實現(xiàn)該過程的處理方法是________。能否利用人的皮膚細胞來完成過程①，為什么？____________________。(3)為便于重組DNA的鑒定和選擇，圖中C的組成必須有________；為使過程⑧更易進行，可用________處理大腸桿菌。(4)過程⑩得到的人胰島素需要體外加工才具有生物活性，原因是大腸桿菌______________。[解析]　(1)啟動子是RNA聚合酶識別和結(jié)合的部位，有了它才能驅(qū)動基因轉(zhuǎn)錄出mRNA。(2)圖中過程①為胰島素基因轉(zhuǎn)錄出mRNA，過程②為胰島素mRNA經(jīng)反轉(zhuǎn)錄獲得目的基因，過程③④⑤為利用PCR技術(shù)擴增目的基因，過程⑥為用限制酶切割載體，過程⑦為目的基因與載體結(jié)合構(gòu)建基因表達載體，過程⑧為將目的基因?qū)胧荏w細胞。反轉(zhuǎn)錄過程需要逆轉(zhuǎn)錄酶，利用PCR技術(shù)擴增DNA需要耐高溫的Taq酶。過程③斷開的是DNA兩條鏈間的氫鍵，在體外進行PCR操作時，實現(xiàn)該過程的處理方法為加熱至90～95 ℃。(3)圖中B為質(zhì)粒，其實質(zhì)為DNA，基本組成單位為4種脫氧核苷酸。構(gòu)建的基因表達載體中必須有標(biāo)記基因，以利于重組DNA的鑒定和選擇。將目的基因?qū)氪竽c桿菌最常用的轉(zhuǎn)化方法是Ca2＋處理法，用Ca2＋處理可使大腸桿菌細胞處于能夠吸收周圍環(huán)境中DNA分子的生理狀態(tài)。(4)大腸桿菌細胞內(nèi)沒有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體，不能將肽鏈加工成為有活性的人胰島素。[答案]　(1)啟動子　(2)(人)胰島B　逆轉(zhuǎn)錄酶　PCRTaq酶(或耐高溫的DNA聚合酶)　氫　加熱(至90 ℃以上)　不能。皮膚細胞中的胰島素基因不表達，不能形成胰島素mRNA　(3)標(biāo)記基因　Ca2＋　(4)沒有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和高爾基體，不能對蛋白質(zhì)進行加工  

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第3節(jié) 基因工程的應(yīng)用

版本： 人教版 (2019)

年級： 選擇性必修3

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