考向一 基因工程
【母题来源】2022年全国乙卷
【母题题文】(2022·全国·高考真题)新冠疫情出现后，病毒核酸检测和疫苗接种在疫情防控中发挥了重要作用。回答下列问题。 (1)新冠病毒是一种RNA病毒，检测新冠病毒RNA(核酸检测)可以采取RT-PCR法。这种方法的基本原理是先以病毒RNA为模板合成cDNA，这一过程需要的酶是______，再通过PCR技术扩增相应的DNA片段。根据检测结果判断被检测者是否感染新冠病毒。
(2)为了确保新冠病毒核酸检测的准确性，在设计PCR引物时必须依据新冠病毒RNA中的______来进行。PCR过程每次循环分为3步，其中温度最低的一步是______。
(3)某人同时进行了新冠病毒核酸检测和抗体检测(检测体内是否有新冠病毒抗体)，若核酸检测结果为阴性而抗体检测结果为阳性，说明______(答出1种情况即可)；若核酸检测和抗体
检测结果均为阳性，说明______。
(4)常见的病毒疫苗有灭活疫苗、蛋白疫苗和重组疫苗等。已知某种病毒的特异性蛋白S(具有抗原性)的编码序列(目的基因)。为了制备蛋白疫苗，可以通过基因工程技术获得大量蛋白S。基因工程的基本操作流程是______。
【试题解析】
PCR全称为聚合酶链式反应，是一项在生物体外复制特定DNA的核酸合成技术；过程：①高温变性：DNA解旋过程(PCR扩增中双链DNA解开不需要解旋酶，高温条件下氢键可自动解开)；低温复性：引物结合到互补链DNA上；③中温延伸：合成子链。
(1)分析题意可知，新冠病毒的遗传物质是RNA，而RT-PCR法需要先得到cDNA，由RNA到DNA的过程属于逆转录过程，逆转录过程需要的酶是逆转录酶(反转录酶)。
(2)PCR过程需要加入引物，设计引物时应有一段已知目的基因的核苷酸序列，在该过程中为了确保新冠病毒核酸检测的准确性，在设计PCR引物时必须依据新冠病毒RNA中的特异性核苷酸序列来进行；PCR过程每次循环分为3步，分别为变性(90-95℃)、复性(55-60℃)
、延伸(70-75℃)，故其中温度最低的一步是复性(或退火)。
(3)某人同时进行了新冠病毒核酸检测和抗体检测，若核酸检测结果为阴性而抗体检测结果为阳性，说明该个体曾经感染过新冠病毒，机体发生特异性免疫反应，产生抗体，将病毒消灭，则核酸检测为阴性，但由于抗体有一定的时效性，能在体内存在一段时间，故抗体检测为阳性；若核酸检测和抗体检测结果均为阳性，说明该个体体内仍含有病毒的核酸，机体仍进行特异性免疫过程，能产生抗体，则说明该人已经感染新冠病毒，为患者。
(4)基因工程的基本操作流程是：获取目的基因→基因表达载体的构建(基因工程的核心)→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定，结合题意，本基因工程的目的是获得大量的S蛋白，故具体流程为：获取S蛋白基因→构建S蛋白基因与运载体的表达载体→导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定 (检测受体能否产生S蛋白)。
【命题意图】本部分内容以选考的形式出现，2道选考题，考生任选1道做答，对试题能力的考查主要是识记和理解，难度不大。考查的重点知识为基因工程的3种基本工具、特别要熟悉基因工程的操作流程。其中的PCR技术是最近几年的热门考点。一般以生产生活中的实例（新冠肺炎核酸检测）作为依托载体，利用多种工程共同解决生产生活实际的类型比
较常见。
【命题方向】在对选修3的考查中，基因工程是三个工程中最重要考点，考查的内容为：基因工程的基本工具，基因工程的操作流程。涉及目的基因的获取（主要是PCR），载体的构建、目的基因导入受体细胞、以及目的基因的检测与鉴定。也会偶尔考查后面的蛋白质工程。展望2023年高考生物试题呈现会结合科技前沿考查基因工程的相关知识，也可能结合后面的细胞工程和胚胎工程一起。考查学生的信息获取能力和知识的综合运用能力的考查为主。
【得分要点】
一、基因工程的基本工具
1．基因工程的概念：指按照人类的意愿，进行严格的设计，通过体外DNA重组和转基因技术，赋予生物新的遗传特性，从而创造出更符合人类需要的新的生物类型和生物产品。(外源基因在受体表达的原因三点：DNA结构相同；中心法则；密码子)
2．限制性核酸内切酶(限制酶)——“分子手术刀”
(1)来源及化学本质：主要是从原核生物中分离纯化出来的，化学本质是蛋白质。(原核生物中的限制酶：没有切割为点或者有切割位点但是被保护起来了 甲基化)
(2)功能：催化DNA中特定的磷酸二酯键断裂。
(3)作用特点：特异性，即限制酶可识别特定的脱氧核苷酸序列，切割特定的位点。(回文序列)
(4)结果：产生黏性末端或平末端。(如图所示)。(命名：生物属名的头一个字母与种名的头两个字母什么型菌的第几个限制酶)
3．DNA连接酶——“分子缝合针”
(1)种类：E.coli DNA连接酶和T4 DNA连接酶。
(2)作用：将双链DNA片段缝合起来，恢复被限制酶切开的两个核苷酸间的磷酸二酯键。E·coliDNA连接酶只能连接黏性末端；T4DNA连接酶能连接黏性末端和平末端
4．基因进入受体细胞的载体——“分子运输车”
(1)类型
(2)具备条件：①能在宿主细胞内稳定保存并大量复制；②有一个至多个限制酶的切割位点，以便于与外源基因连接；③具有标记基因，用于重组DNA的检测和鉴定；
生物制药板块(3)特点：可以在细胞中进行自我复制或整合到染体DNA上随染体DNA进行同步复制。
(1)所有的运载体都具有容易侵入受体细胞的特点，并且能够复制。
(2)天然质粒必须经过人工改造后才能作为载体。
男性研发重大突破(3)基因工程中的载体与细胞膜上参与物质运输的载体不同。基因工程中的载体通常是质粒，还有λ噬菌体的衍生物、动植物病毒等，其本质是DNA，能将目的基因导入受体细胞内；细胞膜上的载体是蛋白质，与细胞膜的功能有关。
5．限制酶、DNA连接酶、DNA聚合酶等相关酶的分析比较
名称 | 作用部位 | 作用底物 | 形成产物 |
限制酶 | 磷酸二酯键 | DNA分子 | 带黏性末端或平末端的DNA片段 |
DNA连接酶 | 磷酸二酯键 | DNA片段 | 重组DNA分子 |
DNA聚合酶 | 磷酸二酯键 | 脱氧核苷酸 | 子代DNA分子 |
热稳定DNA聚合酶 | 磷酸二酯键 | 脱氧核苷酸 | 子代DNA分子 |
DNA(水解)酶 | 磷酸二酯键 | DNA分子 | 游离的脱氧核苷酸 |
解旋酶 | 碱基对间的氢键 | DNA分子 | 脱氧核苷酸长链 |
RNA聚合酶 董振堂 | 磷酸二酯键 | 核糖核苷酸 | 单链RNA分子 |
| | | |
二、基因工程的操作流程
1．目的基因的获取
(1)目的基因：主要指编码蛋白质的基因(与生物抗逆性相关、与优良品质相关、与生物药物和保健品相关、与毒物降解相关)，也可以是具有调控作用的因子。
(2)获取方法：直接分离，从自然界中已有的物种中分离出来，如从基因文库中获取目的基因。
文库类型 | cDNA文库 | 基因组文库 |
文库大小 | 小 | 浙江大学图书馆大 |
基因中启动子 | 无 | 有 |
基因多少 | 某种生物的部分基因 | 液体表面张力某种生物的全部基因 |
物种之间的基因交流 | 可以 | 部分基因可以 |
基因文库的构建过程 | | |
说明 | 基因文库的组建过程就包含基因工程的基本操作步骤。从基因文库中获取目的基因的优点是操作简便，缺点是工作量大，具有一定的盲目性。 |
| | |
人工合成目的基因：常用的方法有化学合成法、反转录法、PCR扩增法。
①化学合成法：已知核苷酸序列的较小基因，直接利用DNA合成仪用化学方法合成，不需要模板。
②反转录法：从供体细胞中分离出mRNA单链DNA合成目的基因。
(3)利用PCR技术扩增
PCR的反应过程及结果
2．基因表达载体的构建——基因工程的核心
基因表达载体的组成 | 一般构建过程 |
受体细胞有植物、动物、微生物之分，以及目的基因导入受体的方法不同，表达载体的构建也会有所差别 | |
| |
3．将目的基因导入受体细胞
(1)转化：目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达其遗传特性的过程。
(2)常用的转化方法及其过程
| 植物细胞 | 动物细胞 | 微生物细胞 |
常用方法 | 农杆菌转化法、基因法、花粉管通道法 | 显微注射 技术 | 感受态细胞法(用Ca2＋处理) |
受体细胞 | 受精卵、体细胞 | 受精卵 | 原核细胞 |
| | | |
①将目的基因导入植物细胞
植物分类 | 双子叶植物、裸子植物 | 单子叶植物 | 转基因抗虫棉花 |
常用方法 | 农杆菌转化法(导入植物细胞采用最多的方法) | 基因法 | 花粉管通道法 |
转化过程 | 将目的基因插入到Ti质粒的T—DNA上→导入农杆菌→植物伤口分泌酚类化合物吸引农杆菌侵染植物细胞→Ti质粒的TDNA转移至受体细胞并整合到受体细胞的染体DNA上→表达。这种方法比较经济和有效，迄今为止，约80%的转基因植物都是通过这种方法获得的。 | 基因法基因法（particle gun）又称微弹表击法，是利用压缩气体产生的动力，将包裹在金属颗粒表面的表达载体DNA打入受体细胞中，使目的基因与其整合并表达的方法。常用的金属颗粒有钨粉粒子和金粉粒子。这是单子叶植物中常用的一种基因转化方法，但是成本较高。 | 是我国科学家独创的一种方法。花粉管通道法就是在植物受粉后，花粉形成的花粉管还未愈合前，剪去柱头；然后，滴加DNA（含目的基因）使目的基因借助花粉管通道进入受体细胞。花粉管通道法是一种十分简便经济的方法。 |
| | | |
4．目的基因的检测与鉴定
5．基因工程的应用
(1)植物基因工程技术主要用于提高农作物的抗逆能力（如抗除草剂、抗虫、抗病、抗干旱和抗盐碱等），以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面。
(2)动物基因工程用于提高动物生长速度、改善畜产品的品质、用转基因动物生产药物、用转基因动物作器官移植的供体。
科学家将药用蛋白基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，通过显微注射等方法，导入哺乳动物的受精卵中，然后，将受精卵送入母体内，使其生长发育成转基因动
物。转基因动物进入泌乳期后，可以通过分泌的乳汁来生产所需要的药品，因而称为乳腺生物反应器或乳房生物反应器。目前，科学家已在牛和山羊等动物乳腺生物反应器中表达出了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α-抗胰蛋白酶等重要医药产品。
(3)基因工程药物：构建转基因工程菌，通过发酵获得。（胰岛素、干扰素）
(4)基因：把正常的外源基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥作用。（并非全身细胞，而只是某些功能细胞中）
6．蛋白质工程
(1)概念：蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系作为基础，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，以满足人类生产和生活的需求。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，是包含多学科的综合科技工程领域。
(2)蛋白质工程的基本途径：预期的蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→出相对应的脱氧核苷酸序列(基因)。
1．(2022·湖北·模拟预测)研究员利用PCR技术扩增X基因。两种引物及其与模板链的结合位置如下图甲所示。经4轮循环后产物中有5种不同的DNA分子，如下图乙所示。下列叙述正确的是( )
A．利用DNA连接酶才能完成PCR过程
B．一次加入30轮所需的引物1和引物2会干扰PCR进行
C．第⑤种DNA分子最早出现在第三轮复制后，只有一个⑤
动物冬眠之谜
D．经四轮复制产生的第⑤种DNA分子共有8个
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议