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现代生物科技专题
基因工程应用及蛋白质工程
【考点梳理】
典例1
动物基因工程前景广阔，最令人兴奋的是利用基因工程技术使哺乳动物成为乳腺生物反应器，以生产所需要的药品，如转基因动物生产人的生长激素。科学家培养转基因动物成为乳腺生物反应器时( )
A.仅仅利用了基因工程技术
B.不需要乳腺蛋白基因的启动子
C.利用基因枪法将人的生长激素基因导入受精卵中
D.需要进入泌乳期才能成为“批量生产药物的工厂”
答案：D
解析：科学家培养转基因动物时除涉及基因工程技术外，还涉及其他现代生物技术，如胚胎移植等，A错误；构建重组质粒时需要将人的生长激素基因与乳腺蛋白基因的启动子等调控组件重组在一起，B错误；常通过显微注射法将目的基因导入哺乳动物的受精卵中，然后将受精卵经胚胎早期培养一段时间后，送入母体内使其生长发育成转基因动物，C错误；由于转入的目的基因在乳腺中可以高效表达，所以进入泌乳期后可以通过分泌的乳汁来生产所需要的药品，D正确。
考点链接
植物、动物基因工程的成果
一、植物基因工程的应用
1.植物基因工程的应用领域
（1）提高农作物的抗逆能力。
（2）改良农作物的品质。
（3）利用植物生产药物等。
2.抗虫转基因植物与抗病转基因植物
类型 项目 抗虫转基因植物 抗病转基因植物
方法 从某些生物中分离出具有杀虫活性的基因，将其导入植物中 将抗病基因导入植物中
基因种类 Bt毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等 ①抗病毒基因：病毒外壳蛋白基因和病毒的复制酶基因 ②抗真菌基因：几丁质酶基因和抗毒素合成基因
成果 转基因抗虫棉、转基因抗虫水稻等 抗烟草花叶病毒的转基因烟草和抗病毒的转基因小麦、甜椒、番茄等
意义 减少化学农药的使用，降低生产成本，减少环境污染，降低了对人体健康的损害
3.抗逆转基因植物
（1）抗逆基因：利用调节细胞渗透压的基因使作物抗盐碱、抗干旱，导入鱼的抗冻蛋白基因使作物抗寒；导入抗除草剂基因使作物抗除草剂。
（2）成果：抗盐碱、抗干旱的烟草；抗寒的番茄；抗除草剂的大豆、玉米等。
4.利用转基因改良植物的品质
（1）将富含赖氨酸的蛋白质编码基因导入玉米，获得的转基因玉米中赖氨酸的含量比对照组提高30%。
（2）将控制番茄果实成熟的基因导入番茄，获得了转基因延熟番茄。
（3）将与植物花青素代谢有关的基因导入矮牵牛，获得了转基因矮牵牛。
二、动物基因工程的应用
应用项目 基因来源 成果
提高动物的生长速度 外源生长激素基因 转基因绵羊、转基因鲤鱼
改善畜产品的品质 肠乳糖酶基因 转基因牛分泌的乳汁中乳糖含量少
转基因动物生产药物 药用蛋白基因＋乳腺蛋白基因的启动子 乳腺（房）生物反应器
转基因动物作器官移植的供体 抑制或除去抗原决定基因 利用克隆技术培育没有免疫排斥反应的猪器官
例题练习
1.科学家培养的转基因奶牛的乳腺细胞能够合成并分泌人凝血因子，这是动物乳腺生物反应器研究的重大进展。下列叙述正确的是( )
A.在该转基因牛中，人凝血因子基因只存在于乳腺细胞，而不存在于其他体细胞中
B.“提高基因表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞中含有更多的人凝血因子基因
C.人凝血因子基因开始转录后，DNA聚合酶以DNA分子的一条链为模板合成mRNA
D.转基因奶牛需要进入泌乳期才能批量生产人凝血因子
答案：D
解析：根据题意，在该转基因工程中，人凝血因子基因导入的受体细胞是牛的受精卵，由该受精卵发育形成的个体的各种体细胞（成熟的红细胞除外）中都存在人凝血因子基因，A错误；“提高基因表达水平”是指设法使牛的乳腺细胞合成更多的人凝血因子，B错误；人凝血因子基因开始转录后，RNA聚合酶以DNA分子的一条链为模板合成mRNA，C错误；转基因奶牛需要进入泌乳期才能批量生产人凝血因子，D正确。
2.据报道，研究人员将口蹄疫病毒结构蛋白VP1的某一活性肽基因片段导入胡萝卜愈伤组织细胞培育转基因胡萝卜，用于生产可直接口服的口蹄疫疫苗。相关叙述错误的是( )
A.可将活性肽基因片段直接导入胡萝卜愈伤组织细胞
B.胡萝卜愈伤组织细胞可利用胡萝卜体细胞诱导脱分化获得
C.转基因是否成功需要对愈伤组织再分化形成的植株进行活性肽含量测定
D.可利用PCR、DNA分子杂交等技术鉴定目的片段是否已整合到胡萝卜染色体中
答案：A
解析：基因片段在细胞中不能稳定存在且容易被分解，需先构成基因表达载体后再导入才能稳定存在并表达；胡萝卜体细胞脱分化形成愈伤组织；该转基因胡萝卜用于生产活性肽，则转基因是否成功需要对愈伤组织再分化形成的植株进行活性肽含量测定；利用PCR技术扩增基因，再利用DNA分子杂交等技术可鉴定目的片段是否已整合到胡萝卜染色体中。
典例2
据报道，在美国佛罗里达大学基因治疗中心接受基因治疗的三名遗传性失明患者都恢复了一定的视力，并且没有严重的副作用。基因治疗是指( )
A.把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，达到治疗疾病的目的
B.对有缺陷的细胞进行修复，从而使其恢复正常，达到治疗疾病的目的
C.运用人工诱变方法，使有基因缺陷的细胞发生基因突变，从而恢复正常，达到治疗疾病的目的
D.运用基因工程技术，把有缺陷的基因切除，达到治疗疾病的目的
答案：A
解析：A、基因治疗是把健康外源基因导入有基因缺陷的细胞中，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，A正确；B、基因治疗只是把健康外源基因导入有基因缺陷的细胞中，并没有对有基因缺陷的细胞进行修复，B错误；C、人工诱变具有不定向性，并且是多害少利的，C错误；D、基因治疗是把健康外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的，并没有切除有缺陷的基因，D错误。
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基因工程与人体健康
1.基因工程药物
（1）概念：利用转基因的工程菌生产的药物。
（2）原理：通过基因工程技术，使外源基因在工程菌细胞内高效表达。
（3）成果：人胰岛素、细胞因子、抗体、疫苗、激素等。
（4）作用：预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、遗传病、各种传染病、糖尿病、类风湿等疾病。
2.基因治疗
（1）概念：把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的。
（2）体外基因治疗：
体内基因治疗：是直接向人体组织细胞中转移基因的治病方法。
（3）成果：将腺苷酸脱氨酶基因成功转入患者的淋巴细胞，治疗复合型免疫缺陷症。
（4）现状：处于初期的临床试验阶段。
例题练习
下列关于基因检测和基因治疗的叙述，错误的是( )
A.人的血液、唾液、毛发等都可以用来进行基因检测
B.通过检测细胞中的DNA序列可精确找到某突变基因
C.基因检测带来的负面影响主要是基因歧视
D.基因治疗是将患者细胞中有缺陷的基因诱变成正常基因，以达到治疗疾病的目的
答案：D
解析：人的血液、唾液、毛发等都可以用来进行基因检测，通过检测细胞中的DNA序列可精确找到某突变基因，A、B正确；基因检测带来的负面影响主要是人们担心由于缺陷基因的检出而引起基因歧视，C正确；基因治疗是指用正常基因取代或修补患者细胞中有缺陷的基因，以达到治疗疾病的目的，D错误。
典例3
如图为蛋白质工程操作的基本思路，下列叙述不正确的是( )
A.图中①代表转录，②代表翻译，④代表分子设计，⑤代表DNA合成
B.属于蛋白质工程操作思路的过程是④⑤，属于中心法则内容的是①②
C.蛋白质工程的目的是对基因的结构进行分子设计
D.从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是相反的
答案：C
解析：分析题图可知，图中①代表转录，②代表翻译，④代表分子设计，⑤代表DNA合成，A正确;蛋白质工程的流程是从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋内质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相应的脱氧核苷酸序列（基因），故代表蛋白质工程操作思路的过程是④（分子设计）、⑤（DNA合成），代表中心法则内容的是①(转录）、②（翻译），B正确；蛋白质工程的目的是对蛋白质的结构进行分子设计，通过基因合成或基因修饰实，C错误；从图中可以看出蛋白质工程的基本途径与中心法则是相反的，D正确。
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蛋白质工程
一、基因工程的不足
1.基因工程的不足
（1）基因工程的实质：将一种生物的基因转移到另一种生物体内，后者可以产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新性状。
（2）不足：在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。
2.天然蛋白质的不足
（1）天然蛋白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。
（2）对天然蛋白质进行改造，应该从对基因的操作来实现，主要原因如下：
①任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过的基因可以遗传下去。如果对蛋白质直接改造，即使改造成功，被改造过的蛋白质分子还是无法遗传。
②对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易，难度要小得多。
二、蛋白质工程的基本原理
1.概念：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，以满足人类的生产和生活的需求。
2.目标：根据人们对蛋白质功能的特定需求，对蛋白质的结构进行分子设计。
3.手段：通过基因修饰或基因合成，进而指导合成所需蛋白质。
4.途径：从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）。
5.原理：从预期的蛋白质功能出发，到找到相对应的基因，即中心法则的逆推。
6.最终结果：生产出自然界从来没有过的蛋白质。
7.蛋白质的改造方法
①“大改”：制造出自然界中不存在的全新蛋白质。
②“中改”：在蛋白质分子中替代—个肽段或—个特定的结构域。
③“小改”：改造蛋白质分子中的几个氨基酸残基
8.蛋白质工程流程图
三、蛋白质工程的进展和前景
1.前景诱人：用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点。
2.难度很大：主要是因为蛋白质发挥功能必须依赖于正确的高级结构，这种高级结构十分复杂，而目前科学家对大多数蛋白质高级结构的了解还很不够。
例题练习
1.下列关于蛋白质工程和基因工程的比较，错误的是（ ）
A.基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，而蛋白质工程可以对现有蛋白质进行改造，从而制造一种新的蛋白质
B.蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，蛋白质工程最终还是要通过改造或合成基因来完成
C.基因工程产生的变异是可遗传的，蛋白质工程产生的变异是不可遗传的
D.基因工程和蛋白质工程都遵循中心法则
答案：C
解析：基因工程原测上只能生产自然界中已存在的蛋白质，而蛋白质工程可以通过改造基因实现对现有蛋白质的改造，从而制造一种新的蛋白质，A正确；蛋白质工程是在基因工程基础上延伸出来的第二代基因工程，蛋白质工程不是对蛋白质分子的直接改造，而是通过改造或合成基因，从而改造现有蛋白质或合成新的蛋白质，B正确；蛋白质工程的实质是改造基因，基因工程和蛋白质工程产生的变异都是可遗传的，C错误；基因工程遵循中心法则，蛋白质工程也遵循中心法则，D正确。
2.人体内的t—PA蛋白能高效降解由血纤维蛋白凝聚而成的血栓，然而，为心梗患者注射大剂量的基因工程t—PA会诱发颅内出血，其原因是t—PA与血纤维蛋白结合的特异性不高。研究证实，通过某技术，将t—PA第84位的半胱氨酸换成丝氨酸，可制造出性能优异的改良t—PA蛋白，进而显著降低颅内出血。下列叙述错误的是( )
A.该技术的关键是了解t—PA蛋白基因的分子结构
B.该技术生产改良t—PA蛋白的过程遵循碱基互补配对原则
C.该技术是蛋白质工程
D.该技术的原理是从预期的蛋白质功能出发最终找到脱氧核苷酸序列的过程
答案：A
解析：由题意知该技术为蛋白质工程，其关键是了解t—PA蛋白质分子结构，A错误，C正确；该技术生产改良t—PA蛋白的过程遵循碱基互补配对原则，B正确；蛋白质工程的基本途径：从预期的蛋白质功能出发，设计预期的蛋白质结构，推测应有的氨基酸序列，找到相对应的脱氧核苷酸序列，D正确。
【要点突破】
一、转基因作物及其目的基因
作物种类 目的基因
抗虫棉、水稻 来自苏云金芽孢杆菌的Bt毒蛋白基因
抗烟草花叶病毒的烟草、抗病毒的 小麦 病毒外壳蛋白基因和病毒复制酶基因
抗真菌的烟草 几丁质酶基因和抗毒素合成基因
抗盐碱和干旱的烟草 调节细胞渗透压的基因
耐寒的番茄、烟草 来自鱼类的抗冻蛋白基因
抗除草剂大豆、玉米 抗除草剂基因
富含赖氨酸的转基因玉米 富含赖氨酸的蛋白质编码基因
转基因延熟番茄 控制果实成熟的基因
转基因矮牵牛 与植物花青素代谢有关的基因
异想天开：发荧光的烟草 荧光素和荧光酶基因
二、乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别
乳腺生物反应器 工程菌
含义 将外源基因在哺乳动物的乳腺中特异表达，利用动物的乳腺组织生产药物蛋白 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
受体基因结构与人类基因结构差异 动物基因结构与人类的基因结构基本相同 细菌和酵母菌的基因结构与人类的基因结构有较大差异
基因表达 合成的药物蛋白与天然蛋白质相同 细菌合成的药物蛋白可能没有活性
受体细胞 动物受精卵 微生物细胞
目的基因导入方式 显微注射法 感受态细胞法
生产条件 不需严格灭菌；温度等外界条件对其影响不大 需严格灭菌，严格控制工程菌所需的温度、pH、营养物质浓度等外界条件
药物提取 从动物乳汁中提取 从微生物细胞或其培养液中提取
生产设备 畜牧业生产、提取设备 工业生产，设备精良
三、基因诊断和基因治疗
1.基因诊断
（1）方法：DNA分子杂交法（DNA探针法）
（2）原理：根据碱基互补配对原则，把互补的双链DNA解开，把单链的DNA小片段用同位素、荧光分子或化学发光催化剂等进行标记。之后与被检测DNA中的同源互补序列杂交，从而检出所要查明的DNA或基因。
（3）具体步骤：抽取组织液或体液作样品―→分离样品DNA化学法样品DNA解旋加标记的DNA探针洗脱，与标记的DNA探针结合的片段基因检测病人所得疾病。
2.基因治疗
基因治疗
类型 体内基因治疗 体外基因治疗
现状 目前处于初期的临床实验阶段
用于治疗的基因种类 从健康人体分离得到的功能正常的基因、反义基因、编码可以杀死癌变细胞的蛋白酶基因
四、基因工程与蛋白质工程的比较
1.基因工程和蛋白质工程二者在操作上的基本思路比较
（1）基因工程遵循中心法则，从DNA→mRNA→多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能，基本上是生产出自然界已有的蛋白质。
（2）蛋白质工程是按照以下思路进行的：确定蛋白质的功能→蛋白质应有的高级结构→蛋白质应具备的折叠状态→多肽链应有的氨基酸序列→基因应有的碱基序列，可以创造出自然界不存在的蛋白质。
2.二者的区别与联系
基因工程 蛋白质工程
操作对象 基因 基因
操作水平 DNA分子水平 DNA分子水平
基本过程 目的基因的获取→基因表达载体的构建→将目的基因导入受体细胞→目的基因的检测与鉴定 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→找到相对应的脱氧核苷酸序列→合成DNA→表达出蛋白质
实质 定向改造生物的遗传特性，以获得人类需要的生物类型或生物产品 定向改造或生产人类所需的蛋白质
结果 生产人类需要的基因产物（自然界已有的蛋白质） 可以创造出自然界不存在的新蛋白质
联系 蛋白质工程是以基因工程为基础的
五、“三看法”判断基因工程和蛋白质工程
1.一看对基因的操作方法：
如果仅将基因用限制酶从DNA片段中切割下来，没有经过对编码蛋白序列进行修饰、加工，或仅对其调控序列进行加工，则属于基因工程；如果将目的基因经过了一些实质性的改造，如对编码蛋白序列进行了碱基替换或增添或缺失某几个碱基，则属于蛋白质工程。
2.二看目的基因的合成方式：
基因工程和蛋白质工程中都可以通过反转录合成目的基因，或根据蛋白质的氨基酸序列先合成mRNA，再合成基因。如果合成时mRNA或氨基酸序列没有经过改造，则为基因工程技术；如果mRNA或氨基酸序列经过了改造，或mRNA或氨基酸序列是根据蛋白质预期的功能人工设计的，则为蛋白质工程技术。
3.三看合成的蛋白质种类：
如果合成的蛋白质是天然蛋白质，则是基因工程；如果合成的蛋白质和天然蛋白质有差异，甚至是自然界中所没有的，则为蛋白质工程。
易错辨析
1.改造对象是基因：任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进行了改造，而且改造过的蛋白质可以遗传下去。
2.基因突变的新基因中含有不编码蛋白质的序列，而蛋白质工程中的新基因则没有。

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