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第3章 基因工程
第3节　基因工程的应用
课时目标 1.基于基因工程在农牧业、医药卫生和食品工业等方面的应用实例，说明基因工程给社会带来的巨大进步。(科学思维)
2．基于基因工程在各方面发展的前景，理性看待基因工程的安全性问题。(社会责任)
一、基因工程在农牧业方面的应用[连线]
二、基因工程在医药卫生领域的应用
1．利用微生物或动植物的细胞进行基因改造，生产药物
成果： 、抗体、疫苗和激素等。
2．利用哺乳动物生产药物
(1)构建乳腺(房)生物反应器
①目的基因： 基因。
②启动子： 的启动子。
③受体细胞： 。
④目的基因导入受体细胞的方法： 法。
⑤药物：从 中提取。
细胞因子
药用蛋白
乳腺中特异表达的基因
受精卵
显微注射
乳汁
(2)成果：利用乳腺生物反应器生产 、血清白蛋白、生长激素、α-抗胰蛋白酶等。
3．建立移植器官工厂
(1)方法：在器官供体的基因组中导入 ，以抑制 的表达，或设法 抗原决定基因，再结合 ，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆器官。
(2)优点：解决人体移植器官短缺问题；避免 反应。
抗凝血酶
调控基因表达的DNA序列
抗原决定基因
除去
技术
克隆
免疫排斥
三、基因工程在食品工业方面的应用
1．氨基酸：利用转基因生物合成甜味剂阿斯巴甜的原料——
和 。
2．酶：利用转基因生物获得生产奶酪需要的 酶；利用转基因生物生产加工转化糖浆需要的 酶；利用转基因生物生产加工烘烤食品要用到的 酶等。
3．维生素
天冬氨酸
苯丙氨酸
凝乳
淀粉
脂肪
◆名师点睛
注意“抗虫”和“抗病”的区别，两者可以分别通过抗虫接种实验和抗病毒接种实验来进行个体生物学水平的鉴定。
◆基础速判(对的画“√”，错的画“×”)
1．转入外源生长素基因的转基因动物，生长速率更快。(　　　　)
2．“转基因植物”是指植物体细胞中出现了新基因的植物。(　　　　)
3．药用蛋白基因只在乳腺细胞中表达的原因是药用蛋白基因只存在于乳腺细胞中，其他细胞中没有。(　　　　)
×
×
×
◆思维启迪
1．种植转基因抗虫棉若干年后，害虫会不会对转基因抗虫棉产生抗性？为什么？
提示：会。害虫会因遗传物质发生改变产生对转基因抗虫棉的抗性。
2．利用基因工程技术获得的工业用酶有什么优点？
提示：纯度高，生产成本低，生产效率高。
任务一基 因工程在农牧业方面的应用
1．抗虫棉能抗病毒、细菌和真菌吗？为什么？
答案：不能。抗虫棉具有专一性，只能抵抗害虫，不能抵抗病毒、细菌和真菌。
2．对于基因工程生产的抗虫棉是否取得最后的成功，最简单的检测方法是什么？
答案：让害虫去吃转基因棉花的植株，观察害虫的生存状况。
3．从环境保护角度出发，分析转基因抗虫棉与普通棉相比在害虫防治方面的优越性有哪些？
答案：减少了化学农药的使用量，降低了环境污染。
1．转基因抗虫植物与转基因抗病植物的比较
项目 转基因抗虫植物 转基因抗病植物
方法 从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，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
项目 转基因抗虫植物 转基因抗病植物
成果 转基因抗虫棉、转基因抗虫水稻等 转基因抗烟草花叶病毒的烟草和转基因抗病毒小麦、甜椒、番茄等
意义 减少化学农药的使用，降低生产成本，减轻环境污染，降低了对人体健康的损害
2.关于转基因作物中的目的基因的两点提醒
(1)目的基因并非都来自微生物：目的基因都是来自其他生物的能表现出优良性状的外源基因，但并不都是来自细菌、病毒等微生物，如抗冻蛋白基因来自鱼类。
(2)目的基因对性状的控制：有的目的基因通过控制蛋白质的合成，直接控制生物的某种性状，这反映了基因与性状的直接关系；有的目的基因通过控制酶的合成来控制代谢过程，进而控制生物体的性状，这体现的是基因和性状的间接关系。
1．(2024·兰州高二期中)下列有关基因工程在农牧业方面应用的叙述，错误的是 (　　)
A．将基因工程生产的肠乳糖酶作为药物添加在牛奶中，可解决人的乳糖不耐受问题
B．将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，可培育出转基因抗除草剂作物
C．将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物，可提高植物的营养价值
D．将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物，可培育出转基因抗病植物
A
解析：
将基因工程生产的肠乳糖酶作为药物添加在牛奶中，不能解决人的乳糖不耐受问题，因为肠乳糖酶的化学本质是蛋白质，会在消化道中被分解而失效，A错误；将降解或抵抗某种除草剂的基因作为目的基因导入作物，可培育出转基因抗除草剂作物，这样可以避免除草剂对作物的影响，进而提高产量，B正确；必需氨基酸是人体细胞中不能合成的、只能从外界获取的氨基酸，因此，将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物，可提高植物的营养价值，C正确；将某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，利用植物组织培养技术，可培育出转基因抗病植物，有效提高栽培作物的产量，D正确。
2．转基因抗虫植物含有Bt抗虫蛋白，对人体无毒，但是鳞翅目昆虫幼虫的肠道细胞含有Bt抗虫蛋白的受体，Bt抗虫蛋白与受体结合导致肠道壁穿孔，使幼虫死亡。下列叙述错误的是 (　　)
A．促进Bt抗虫蛋白的合成有助于提高植物的抗虫效果
B．通过PCR技术可以检测Bt基因是否翻译成Bt抗虫蛋白
C．将Bt基因导入植物细胞可以使用花粉管通道法或农杆菌转化法
D．将植物材料和农杆菌共同培养之前，需要对植物材料进行消毒处理
B
解析：
Bt抗虫蛋白与受体结合导致肠道壁穿孔，使幼虫死亡，因此促进Bt抗虫蛋白的合成有助于提高植物的抗虫效果，A正确；可通过PCR技术检测Bt基因是否插入受体细胞的染色体DNA上，而检测目的基因是否翻译成Bt抗虫蛋白应该采用抗原—抗体杂交技术，B错误；将Bt基因导入植物细胞可以使用花粉管通道法或农杆菌转化法，C正确；将植物材料和农杆菌共同培养之前，植物材料需要消毒处理，D正确。
任务二 基因工程在医药卫生领域及食品工业方面的应用
1．在生产乳腺生物反应器时，构建基因表达载体时为什么把药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起？
答案：只有连接了乳腺中特异表达的基因的启动子，才能保证相应的目的基因在其乳腺细胞内得以表达。
2．继哺乳动物乳腺生物反应器研发成功后，膀胱生物反应器的研究也取得了成功。科学家培育出一种转基因小鼠，其膀胱上皮细胞可以合成人的生长激素并分泌到尿液中。在研制膀胱生物反应器时，应使药用蛋白基因在什么细胞中特异表达？它与乳腺生物反应器有什么相同点和不同点？
答案：应使药用蛋白基因在膀胱上皮细胞中特异表达。相同点是收集药用蛋白较容易，且不会对动物造成伤害；不同点是乳腺生物反应器必须是处于泌乳期的雌性动物才可生产药用蛋白，而膀胱生物反应器则是任何生长期的雌雄动物均可生产。
3．干扰素是一种具有干扰病毒复制作用的糖蛋白，能直接利用转基因大肠杆菌生产干扰素吗？为什么？
答案：不能。因为大肠杆菌属于细菌，细菌中只有核糖体，没有内质网和高尔基体等其他细胞器，不能加工形成有活性的干扰素。
1．乳腺生物反应器的培育过程
2．乳腺生物反应器与工程菌生产药物的区别(在生产人的药物蛋白方面)
项目 乳腺生物反应器 工程菌
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
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
提取 从动物乳汁中提取 从微生物细胞或其培养液中提取
3.转基因微生物的培育过程(以可生产干扰素的酵母菌的培育过程为例)
4．基因工程应用问题的易错点分析
(1)动物基因工程的目的不仅是为了培育体型巨大的动物，更重要的是改善畜产品的品质或者是用转基因动物生产药物。
(2)高产青霉菌是诱变产生的，而不是通过基因工程改造的工程菌。
(3)与乳腺生物反应器相比，膀胱生物反应器的优点是该系统从动物一出生就可以收集产物，不论动物的性别，以及是否正处于泌乳期。膀胱生物反应器最显著的优势在于从尿液中提取蛋白质比从乳汁中提取更简便、高效。
B
1．(2025·咸阳高二检测)抗凝血酶是一种药物，目前科学家可以在牛、山羊等动物的乳腺生物反应器中获得。下列说法错误的是 (　　)
A．需要将抗凝血酶基因与乳腺中特异表达的基因的启动子结合
B．用显微注射法将抗凝血酶基因直接注入哺乳动物的乳腺细胞中
C．乳腺生物反应器产品的获得受年龄和性别的限制
D．将抗凝血酶基因导入大肠杆菌内可能不能产生有正常生理功能的酶
解析：
为了能在乳汁中获得目的蛋白质，需要让目的基因在乳腺细胞中特异表达，故需要将抗凝血酶基因与乳腺中特异表达的基因的启动子结合，启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位，能驱动基因转录，A正确；用显微注射法将抗凝血酶基因构建的基因表达载体注入哺乳动物的受精卵中，而不是直接将基因注入哺乳动物的乳腺细胞中，B错误；乳腺生物反应器产品的获得受年龄和性别的限制，只有雌性动物处于泌乳期时才能获得所需蛋白质，C正确；大肠杆菌为原核生
解析：
物，无内质网和高尔基体等细胞器，不能对蛋白质进行加工修饰，故将抗凝血酶基因导入大肠杆菌内可能不能产生有正常生理功能的酶，D正确。
D
2．(2025·长春高二阶段练习)W是一种具有特定功能的人体蛋白质。某学习小组利用膀胱生物反应器制备W的过程如图，下列有关说法错误的是 (　　)
A.步骤①构建的重组表达载体中含有膀胱中特异表达基因的启动子
B．步骤②可使用显微注射技术将重组表达载体导入受精卵
C．膀胱生物反应器与乳腺生物反应器相比具有不受年龄和性别限制等优点
D．W基因只在转基因动物膀胱细胞中存在并表达
解析：
重组表达载体中含有膀胱中特异表达基因的启动子，以便于目的基因在膀胱中转录与翻译，A正确；步骤②是将重组表达载体导入受精卵，常用显微注射技术，B正确；与乳腺生物反应器相比，膀胱生物反应器不受年龄和性别的限制，C正确；含W基因的重组表达载体导入受精卵中，因此W基因存在于所有体细胞中，但只在转基因动物膀胱细胞中表达，D错误。
乙肝疫苗的研发——社会责任
图1是通过基因工程制备乙型肝炎表面抗原(HbsAg)从而获得乙肝疫苗的过程。
在图1步骤①和③的过程中，需要用合适的限制酶切割乙肝表面抗原基因和质粒。现将乙肝表面抗原基因及质粒的部分限制酶的识别序列及位置表示为图2。质粒中的启动子是质粒中基因得以正常表达所必需的部分。LacZ基因合成某种酶，该酶能将无色染料X-gal变成蓝色，最终能在无色染料X-gal的培养基上将含该基因的菌落染成蓝色。
限制酶 BamH Ⅰ Hind Ⅲ
识别序列及切割位点
限制酶 EcoR Ⅰ Bcl Ⅰ
识别序列及切割位点
设计1：考查学以致用能力
(1)为了避免自身环化及便于筛选，切割质粒选用的限制酶是________________，切割乙肝表面抗原基因应选用的限制酶是________________。
设计2：考查逻辑推理能力
(2)为筛选含有乙肝表面抗原基因的大肠杆菌细胞，需要将导入操作之后的大肠杆菌接种到含______________________的固体牛肉膏蛋白胨培养基上，挑选______________的菌落纯化培养。
设计3：考查原因分析与长句表达能力
(3)通过基因工程生产的疫苗与灭活或减毒的病原微生物的疫苗，在安全性方面的比较结果及理由是____________________________________
__________________________________________________________________________________________________________________________。
答案：(1)BamH Ⅰ 和Hind Ⅲ 　Bcl Ⅰ 和Hind Ⅲ
(2)氨苄青霉素和无色染料X-gal　未被染上蓝色
(3)基因工程生产的疫苗更安全，因为疫苗成分中只含病毒蛋白，不含病毒核酸，不会出现病毒侵染的情况
解析：
(1)目的基因中含有限制酶EcoR Ⅰ 的切割位点，因此不能用该酶切割外源DNA分子，为了避免自身环化及便于筛选，切割乙肝表面抗原基因应选用的限制酶是Bcl Ⅰ 和Hind Ⅲ 。用限制酶Bcl Ⅰ 切割质粒会破坏启动子，由表格可知，Bcl Ⅰ 和BamH Ⅰ 切割产生的黏性末端相同，因此切割质粒应选用的限制酶是BamH Ⅰ 和Hind Ⅲ 。(2)构建基因表达载体时使用了限制酶Hind Ⅲ ，导致LacZ基因被破坏(导入重组质粒的大肠杆菌不能合成某种酶，不能使无色染料X-gal变成蓝色)，但
解析：
没有破坏氨苄青霉素抗性基因(导入重组质粒的大肠杆菌能抗氨苄青霉素)。因此，为筛选含有乙肝表面抗原基因的大肠杆菌细胞，需要将导入重组质粒的大肠杆菌接种到含氨苄青霉素和无色染料X-gal的固体牛肉膏蛋白胨培养基上，挑选未被染上蓝色的菌落纯化培养。(3)通过基因工程生产的疫苗比灭活或减毒的病原微生物的疫苗更安全，因为基因工程生产的疫苗成分中只含病毒蛋白，不含病毒核酸，不会出现病毒侵染的情况。
C
1．(2025·北京高二检测)抗逆转基因作物的培育与大面积推广给社会带来的巨大效益是 (　　)
①在一定程度上使作物摆脱了土壤和气候条件的限制
②减少化学农药对环境的污染和人畜的危害
③减少了化肥的制造和使用量，有利于环境保护
④使得作物在不良环境下更好地生长，提高产量
A．①②③ B．①②④
C．①③④ D．②③④
解析：
抗逆转基因作物在一定程度上使作物摆脱了土壤和气候条件的限制，①正确；抗虫转基因作物和抗病转基因作物能减少化学农药对环境的污染和人畜的危害，②错误；抗逆转基因作物能减少化肥的制造和使用量，有利于环境保护，③正确；抗逆转基因作物使得作物在不良环境下更好地生长，提高产量，④正确。故选C。
C
2．(2025·广州高二检测)蜘蛛丝具有较强的韧性，科学家推测，若将从蜘蛛中获取的蜘蛛丝蛋白基因植入山羊体内，使山羊奶中含有蜘蛛丝蛋白，再利用特殊的纺丝程序，将山羊奶中的蜘蛛丝蛋白纺成人造基因蜘蛛丝，可用于制造轻薄防弹衣。下列叙述正确的是 (　　)
A．蜘蛛丝蛋白基因需与山羊乳腺蛋白基因的启动子重组是因为天然蜘蛛丝蛋白基因无启动子序列
B．用显微注射法将含有蜘蛛丝蛋白基因的表达载体导入雌性山羊的乳腺细胞中可获得乳腺生物反应器
C．用该过程培育出的转基因山羊来纺成人造基因蜘蛛丝受山羊年龄和性别的限制
D．若成功导入目的基因的转基因山羊并没有产生相应的蜘蛛丝蛋白，说明目的基因没有转录
解析：
蜘蛛丝蛋白基因需与山羊乳腺蛋白基因的启动子重组是因为只有与乳腺蛋白基因的启动子重组才能启动蜘蛛丝蛋白基因在乳腺细胞中表达，天然蜘蛛丝蛋白基因有启动子序列，在构建基因表达载体的过程中可能被破坏了，A错误；通常使用显微注射法将含蜘蛛丝蛋白基因的表达载体导入雌性山羊的受精卵中获得乳腺生物反应器，B错误；该过程培育出的转基因山羊需为雌性且生长到一定年龄才能产乳，受年龄和性别的限制，C正确；若成功导入目的基因的转基因山羊并没有产生相应的蜘蛛丝蛋白，可能是因为目的基因没有转录，也可能是目的基因转录形成的mRNA没有翻译，D错误。
D
3．我国转基因技术发展态势良好，在转植酸酶基因玉米、转基因抗虫水稻的生产中严格管理。下列关于转植酸酶基因玉米和转基因抗虫水稻的叙述，不正确的是 (　　)
A．转植酸酶基因玉米的外源基因是植酸酶基因
B．转基因抗虫水稻减少了化学农药的使用，减轻了环境污染
C．转基因抗虫水稻是否具有抗虫性，可用卷叶螟食用水稻进行鉴定
D．转基因抗虫水稻的外源基因是几丁质酶基因
解析：
转植酸酶基因玉米的外源基因是植酸酶基因，转基因抗虫水稻的外源基因是Bt基因，而几丁质酶基因是转基因抗真菌植物常用的外源基因，A正确、D错误；转基因抗虫水稻减少了化学农药的使用，减轻了环境污染，B正确；检测目的基因是否赋予了水稻抗虫特性以及抗性的强度，最简便的方法是进行个体水平的鉴定，C正确。
C
4．(2025·合肥高二检测)科学家利用基因编辑与克隆技术培育了十余种基因编辑猪，用于异种器官移植研发。下图为基因编辑猪的培育流程，下列相关叙述错误的是 (　　)
A．可以用促性腺激素处理1号猪使其超数排卵
B．基因编辑可能是敲除了猪的抗原决定基因
C．4号猪的性别无法判断
D．该项实验的成功给缓解临床移植器官短缺问
题带来希望
解析：
收集卵母细胞之前，通常要对1号猪用促性腺激素处理使其超数排卵，A正确；基因编辑猪可用于异种器官移植研发，因此，基因编辑可能是敲除了猪的抗原决定基因，避免在器官移植后出现免疫排斥反应，B正确；4号猪的细胞核基因来自2号猪，因此4号猪与2号猪性别相同，为雄性，C错误；结合题干信息“科学家利用基因编辑与克隆技术培育了十余种基因编辑猪，用于异种器官移植研发”，因此该项实验的成功给缓解临床移植器官短缺问题带来希望，D正确。
C
5．(2024·青岛高二检测)采用基因工程技术将人凝血因子基因导入山羊受精卵，培育出了转基因羊。但是，人凝血因子只存在于该转基因羊的乳汁中。下列有关叙述不正确的是 (　　)
A．人体细胞中凝血因子基因编码区的碱基对数目比凝血因子氨基酸数目的3倍还要多
B．该技术的利用可以定向改变生物的遗传性状
C．在转基因羊中，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．在羊的乳汁中获得了人凝血因子，说明人凝血因子基因在羊的乳腺细胞中表达了
解析：
因为真核生物的基因中编码蛋白质的是编码区的外显子，并且终止密码子不编码氨基酸，所以凝血因子基因编码区的碱基对数目应大于凝血因子氨基酸数目的3倍，A正确；该技术可以定向改变生物的遗传性状，使转基因羊的乳汁中含有人凝血因子，B正确；因为目的基因导入了山羊的受精卵中，而转基因羊的每一个体细胞都是受精卵经有丝分裂而来的，所以转基因羊的所有体细胞都含有人凝血因子基因，C错误；在羊的乳汁中获得了人凝血因子，说明人凝血因子基因在羊的乳腺细胞中表达了，D正确。
6．科研人员利用新发明的“基因敲除”技术，敲除猪基因组中可能的致病基因，使得猪器官能够用于人体移植。“基因敲除”技术的主要过程示意图如下：
请根据题述内容回答下列问题：
(1)“基因敲除”技术的原理是__________，将NeoR基因插入靶基因过程中使用的工具酶是________________和________________。
(2)将突变基因DNA导入胚胎干细胞之前要__________________，该操作的目的是___________________________________________________，该步骤中常用不同的限制酶进行切割，这样做的优点在于可以防止______________________________________________。
(3)要获得一只含失活靶基因的小鼠，则选择的受体细胞应是________，图中的NeoR基因的作用是______________________________。
(4)用于器官移植的猪最终需要完成基因改造及PERV(猪内源性逆转录病毒)的删除等工作，改造过的猪胚胎可移植入母猪体内，胚胎在母猪体内存活的原因是_____________________________________________
_______________________________________________。
答案：(1)基因重组　限制酶　DNA连接酶
(2)构建基因表达载体　使目的基因在受体细胞中稳定存在并且能够表达和发挥作用　质粒和含目的基因的外源DNA片段自身环化以及目的基因与质粒反向连接
(3)受精卵　获得失活的靶基因
(4)受体对移入子宫的外来胚胎不发生免疫排斥反应
解析：
(1)由题图可知，“基因敲除”技术的实质就是使靶基因失活，方法是将NeoR基因插入靶基因中，所以其原理是基因重组。基因拼接技术使用的工具酶是限制酶和DNA连接酶。(2)依据基因工程的操作程序，将突变基因DNA导入胚胎干细胞之前要进行基因表达载体的构建，从而有利于目的基因在受体细胞中稳定存在并且能够表达和发挥作用。用同一种限制酶切割质粒和DNA片段，产生的末端相同，这样会导致质粒和DNA片段自身环化及目的基因与质粒反向连接。(3)
解析：
培育转基因动物时，由于体细胞在体外培养不能发育成个体，因此受体细胞一般用受精卵，NeoR基因的作用是使靶基因失活。(4)胚胎工程中，外来胚胎可以在受体子宫存活的基础是子宫不对外来胚胎产生免疫排斥反应，这也是改造过的猪胚胎移植入母猪体内能够存活的原因。

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