基因工程中几个重要概念的辨析

选修模块中有关基因工程的内容对学生来说是一个难点,涉及的知识点多,和必修的相关内容联系密切,空间想象难度大,又无法实验演示、验证。在各地高考试卷中每年都会考到相关知识点,而且有逐年增多和加深的趋势。但只要夯实这部分内容的基础知识和基本概念,系统掌握各概念之间的内在联系,了解相关知识的最新发展,掌握基本题型的解决方法,还是比较容易在高考中解答相关题目的。

1. 基因工程的工具

1.1 限制性核酸内切酶和DNA连接酶的比较(见下表)

1.2 基因载体和蛋白质载体的比较(见下表)

例1 关于限制酶和DNA连接酶的理解正确的是()

A. 其化学本质都是蛋白质

B. DNA连接酶可以恢复DNA分子中的氢键

C.在基因工程操作可以用DNA聚合酶代替DNA连接酶

D. 它们不能被反复使用

解析 酶的特性之一是参与化学反应,但反应前后化学性质不变,所以可以反复使用;大多酶的化学本质为蛋白质,只有极少数酶为RNA,但高中阶段不需要记住具体例子。DNA连接酶作用的部位是核苷酸链上的磷酸二酯键,它的作用是将具有相同末端的DNA片段连接起来,DNA聚合酶是将一个个脱氧核苷酸连接到已有脱氧核苷酸连上。

答案 A

2. 基因工程的基本操作程序

2.1 目的基因的获取

对此过程,要注意基因、基因文库和目的基因;基因组文库和部分基因文库;DNA复制与PCR技术的区别(见下表)。

例2 从基因文库中获取目的基因的根据是()

A. 基因的核苷酸序列B. 基因的功能

C. 基因的转录产物D. 以上都是

解析基因文库中虽然含有大量目的基因,但是从基因文库中获取所需的目的基因还是一件很复杂的事件。简单地说就是根据目的基因有关信息,例如:根据基因的核苷酸序列、基因的功能、基因在染色体上的位置、基因的转录产物mRNA、基因的翻译产物蛋白质等特性来获取目的基因。

答案 D

2.2 目的基因导入受体细胞

将目的基因导入受体细胞并在受体细胞内稳定维持和表达的过程称为转化,但受体的种类不同,则转化的方法不同(见下表)。

例3 基因工程中科学家常采用细菌、酵母菌等作为受体细胞,原因是()

A. 结果简单,操作方便

B. 繁殖速度快

C. 遗传物质含量少,简单

D. 形状稳定,变异少

解析 目的基因导入受体细胞后,随着受体细胞的繁殖而复制,由于细菌等微生物繁殖速度快,在很短时间内就能获取大量的目的基因。

答案 B

2.3 目的基因的检测与鉴定

例4 目的基因导入受体细胞后,是否可以稳定维持和表达其遗传特性,只有通过鉴定和检测才能知道。下列过程属于目的基因检测和鉴定的是()

(1) 检测受体细胞是否有目的基因

(2) 检测受体细胞是否有致病基因

(3) 检测目的基因是否转录mRNA

(4) 检测目的基因是否翻译蛋白质

A. (1)(2)(3)B. (2)(3)(4)

C. (1)(3)(4)D. (1)(2)(4)

解析 目的基因的检测包括:检测转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因,方法是DNA探针。检测目的基因是否转录合成了mRNA,方法是用基因探针与mRNA杂交。最后检测目的基因是否翻译了蛋白质,方法是进行抗原—抗体杂交。

答案 C

3. 基因工程的应用

基因工程的应用主要指基因治疗和基因诊断。

基因治疗是根据基因重组的原理,包括体外治疗和体内治疗两种。体外治疗的过程是:获取正常基因→形成重组载体→重组载体的转化与筛选→将含有正常基因的细胞回输到患者体内。

基因诊断是根据DNA分子杂交(碱基互补配对原则),采用同位素标志的方法,通过“获取样品→将样品中DNA分离出来→将DNA探针引入样品→洗脱→对遗留在样品中的DNA探针进行基因分析”的过程进行诊断。

例5 采用基因工程技术将人体凝血因子基因导入山羊受精卵培育出了转基因羊,但是人凝血因采用基因工程子只存在于该转基因羊的乳汁中。以下有关叙述,不正确的是()

A. 该育种方法的主要目的是培育能产生世间没有的动物物种

B. 之所以选羊作为受体,是因为人的基因在哺乳动物体内更易表达

C. 在该转基因羊中,人凝血因子基因存在于乳腺细胞,而不存在于其他体细胞中

D. 存在于乳汁中的人凝血因子不经提纯就可利用

解析 转基因动物的培育通常是用显微注射技术将外源DNA分子导入已有物种的受精卵,从而定向改变生物的遗传性状。一般将目的基因导入雌性哺乳动物中,这是因为目的基因的表达产物易于提取。在该转基因羊中,人凝血因子基因既存在于乳腺细胞,也存在于其他体细胞中,只是在乳腺细胞得到了表达。乳汁中除了凝血因子还有其他蛋白质,所以乳汁中的凝血因子需提纯。

答案 ABCD

4. 基因工程的发展——蛋白质工程

随着基因工程的发展,产生了蛋白质工程。蛋白质工程是在基因工程的基础上,延伸出来的第二代基因工程。因为对现有蛋白质的改造或制造新的蛋白质,必须通过基因修饰或基因合成实现。基因工程的原理是基因重组,操作对象是DNA,过程是获取目的基因→构建表达载体→导入受体细胞→目的基因的表达与检测。而蛋白质工程的原理是中心法则的逆推,操作对象也是DNA,过程是:预期蛋白质功能→设计蛋白质结构→推测氨基酸序列→推测核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质,最终生产了自然界没有的蛋白质。

例6 科学家将β-干扰素基因进行定点突变导入大肠杆菌表达,使干扰素第17位的半胱氨酸改变成丝氨酸,结果大大提高β-干扰素的抗病活性,并且提高了储存稳定性,该生物技术为()

A. 基因工程B. 蛋白质工程

C. 基因突变D. 细胞工程

解析 基因工程是通过对基因的操作,将符合人们需要的目的基因导入适宜的生物体,原则上只能生产自然界已存在的蛋白质,蛋白质工程是指以蛋白质分子结构规律及其与生物功能的关系为基础,通过基因修饰或基因合成,对现有蛋白质进行改造,或制造一种新的蛋白质,以满足人类的生产或生活需要。本题中合成的β-干扰素不是天然的,因此,属于蛋白质工程。

答案 B