# 生物步步高33.基因工程

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## 基因工程的操作工具

- 基因工程的概念
- 基因工程是指按照人们的愿望，进行严格的设计，并通过**体外DNA重组**和**转基因**等技术，赋予生物以**新的遗传特性**，从而创造出更符合人们需要的新的**生物类型**和**生物产品**。由于基因工程是在**DNA分子**水平上进行设计和加工的，因此又叫做**DNA重组技术**。
- 原理：**基因重组**。

- 基因工程的基本工具
- 限制性核酸内切酶
- 存在：主要存在于**原核生物**中。
- 作用：识别双链DNA分子中的某种特定**核苷酸序列**，并使得每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的**磷酸二酯键**断开。
- 结果：产生**黏性末端**和**平末端**。
- DNA连接酶
- 作用：将限制酶切割下来的DNA片段拼接新的DNA分子，恢复被限制酶切开的两个脱氧核苷酸之间的磷酸二酯键。
- $\ce{E·coil}$ DNA连接酶来源于**大肠杆菌**，只能缝合**黏性末端**。
- $\ce{T4}$ DNA连接酶来源于$\ce{T4}$噬菌体，能缝合黏性末端和**平末端**。
- 载体
- 类型：最常用质粒，其他载体有**动植物病毒、$\ce{\lambda}$噬菌体的衍生物**等。
- 条件：①稳定并能自我复制或整合到染色体DNA上，使目的基因**稳定存在且数量可扩增**；②具有一个或多个限制酶切割位点，便于外源DNA片段插入；③具有特殊的标记基因，供重组DNA的**鉴定和选择**。

判断：载体质粒通常采用抗生素合成基因作为筛选的标记基因。
错误。是抗生素抗性基因。

与杂交育种、诱变育种相比，通过基因工程来育种的优点是？（3点）
1. 定向改变生物性状；
2. 育种周期短；
3. 克服远缘杂交不亲和的障碍。

不同种生物的基因能够拼接的理论基础是？（3点）
1. 双链DNA分子的空间结构都是规则的双螺旋结构（最主要原因）；
2. DNA的基本组成单位都是四种脱氧核苷；
3. DNA分子都遵循碱基互补配对原则。

外源基因在受体细胞内能表达的理论基础是？（3点）
1.生物界共用一套遗传密码（最主要原因）；2.基因是控制生物性状的遗传物质的结构和功能单位；3.遗传信息的传递都遵循中心法则。

博耶和科恩将非洲爪蟾核糖体蛋白基因导入大肠杆菌中并成功表达的实验证明了？（4点）
1. 质粒可以作为基因工程的载体；
2. 重组DNA可以进入受体细胞；
3. 外源基因可以在原核细胞中成功表达；
4. 物种之间可以实现基因的交流。

## 基因工程的基本操作程序

### 目的基因的获取

目的基因：主要指**编码蛋白质**的基因，也可以是一些具有**调控**作用的因子。

- 方法一：从基因文库中获取
- 基因组文库
- 部分基因文库（如**cDNA文库**）
- 方法二：利用PCR技术扩增目的基因
- 全称：**多聚酶链式反应**
- 原理：**DNA双链复制**
- 条件：**引物**、DNA模板、**热稳定DNA聚合酶（Taq酶）**、游离的dNTP(dATP、dCTP、dGTP、dTTP)
- 子链延伸方向：由子链的5'端向3'端延伸
- 步骤
- 变性：**90~95℃**条件下受热**变性**后解旋为单链。
- 复性：**55~60℃**条件下，引物与单链相应互补序列结合。
- 延伸：**70~75℃**条件下在Taq酶作用下合成子链。
- 结果：目的基因的量成指数形式扩增。
- 方法三：用化学方法直接人工合成
- 条件：基因比较小，核苷酸序列已知
- 仪器：DNA合成仪

### 基因表达载体的构建——基因工程的核心

目的：使目的基因**在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代**。同时，使目的基因能够**表达和发挥作用**。

- 基因表达载体的组成及作用
- 目的基因
- 标记基因：**鉴别受体细胞中是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来**。
- 复制原点
- 启动子：是RNA聚合酶**识别和结合**的部位，驱动基因**转录**出mRNA。
- 终止子：转录的终点，在转录过程中起调控作用。

### 将目的基因导入受体细胞

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**的过程，称为转化。

- 导入植物细胞
- 农杆菌转化法：**双子叶植物和裸子植物**
- 受体细胞：体细胞或受精卵
- 过程：将目的基因插入到Ti质粒的**T-DNA**上 → 转入农杆菌内 → 导入植物细胞 → 整合到植物细胞的**染色体DNA上** → 表达（两次拼接，两次导入）
- 植物分泌的物质：酚类化合物
- 技术：转基因技术和植物组织培养技术
- 基因枪法：**单子叶植物**
- 花粉管通道法：我国的转基因抗虫棉
- 导入动物细胞：**显微注射法（显微注射技术）**
- 受体细胞：**受精卵**
- 导入微生物细胞：感受态细胞法（$\ce{Ca^2+}$参与的转化法）
- 原核生物特点：**繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少**
- 最广泛的受体细胞：大肠杆菌

农杆菌转化法中，为何为何使用受伤的叶片？
叶片伤口处会分泌大量的酚类化合物，可吸引农杆菌移向这些细胞。

若要获得植物的脱毒苗，应该选用**茎尖**作为外植体进行组织培养。

科学家在基因工程和蛋白质工程中常用大肠杆菌作为受体细胞，原因是？
繁殖快，多为单细胞，遗传物质相对较少。

### 目的基因的检测与鉴定

用动物细胞培养细胞时，培养液中细胞浓度不再增加。此时若要使细胞继续增殖，可采用的方法是？
进行细胞传代培养。

## 基因工程的应用和蛋白质工程

### 基因工程的应用

- 植物基因工程
- 抗虫转基因植物：**Bt毒蛋白基因**、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因
- 抗病转基因植物
- 抗逆转基因植物
- 利用转基因改良植物的**品质**和利用植物生产**药物**
- 动物基因工程
- 提高动物**生长速度**从而提高产品产量：外源**生长激素**基因
- 用于改善畜产品品质
- 用转基因动物生产药物，如乳腺生物反应器：导入**受精卵**
- 用转基因动物作器官移植的供体
- 基因工程药物：利用基因工程培育“工程菌”来生产细胞因子、抗体、疫苗、激素等产品。
- 基因治疗：体外基因治疗和体内基因治疗

判断：青霉素是基因工程产生的。
错误。是青霉菌产生的。

判断：动物基因工程主要是为了产生体型巨大的个体。
错误。主要是为了改善畜产品的品质。

判断：转基因抗病农作物不需要使用农药。
错误。

抗虫转基因植物的种植优势表现在？
减少使用化学农药造成的环境污染，减轻使用化学农药对人类健康的损害，降低生产成本等。

### 蛋白质工程

- 蛋白质工程的概念
- 基础：蛋白质分子的**结构规律**及其与**生物功能**的关系。
- 手段：**基因修饰**或**基因合成**。
- 结果：对现有蛋白质进行改造或制造出一种新的蛋白质。【注意手段和结果是相互对应的】
- 蛋白质工程的流程（看看就好）

- 工程菌（看看就好）
- 概念：用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系。
- 外源基因：控制合成抗体、疫苗、激素等的基因。
- 受体细胞：**微生物细胞**。
- 特点：细菌内没有内质网、高尔基体等，产生的药物也可能没有活性。
- 药物提取：从微生物中提取。

为什么要改造基因而不是直接改造蛋白质分子？（2点）
1. 蛋白质具有十分复杂的空间结构，基因的结构相对简单，容易改造；
2. 改造后的基因可以遗传给下一代，被改造的蛋白质无法遗传。

## DNA的粗提取与鉴定【暂时略】