“基因工程的原理及技術”考點解讀

安徽 吳志強

“基因工程的原理及技術”考點解讀

安徽 吳志強

2017年高考考試內容發(fā)生了一些修訂和調整，其中就涉及了選修3中“基因工程的原理及技術”修訂為“基因工程的原理及技術（含PCR技術）”。這主要是因為PCR是基因工程中的核心技術，進行這樣的修訂更有利于對該部分知識內容進行系統(tǒng)完整地考查?？v觀全國高考命題特點，基因工程的工具和基因工程的基本步驟以及基因工程的成果及應用前景仍將是今年命題的新熱點。

一、基因工程的工具

【典例1】圖1表示含有目的基因D的DNA片段長度（bp即堿基對）和部分堿基序列，圖2表示一種質粒的結構和部分堿基序列?，F(xiàn)有MspⅠ、BamHⅠ、MboⅠ、SmaⅠ4種限制性核酸內切酶，它們識別的堿基序列和酶切位點分別為C↓CGG、G↓GATCC、↓GATC、CCC↓GGG。請回答下列問題：

圖1

圖2

（2）若用限制酶SmaⅠ完全切割圖1中的DNA片段，產(chǎn)生的末端是_______末端，其產(chǎn)物長度為_____________。

（3）若圖1中虛線方框內的堿基對被T-A堿基對替換，那么基因D就突變?yōu)榛騞。從雜合子中分離出圖1及其對應的DNA片段，用限制酶SmaⅠ完全切割，產(chǎn)物中共有________種不同長度的DNA片段。

（4）若將圖2中質粒和目的基因D通過同種限制酶處理后進行連接，形成重組質粒，那么應選用的限制酶是________。在導入重組質粒后，為了篩選出含重組質粒的大腸桿菌，一般需要用添加________的培養(yǎng)基進行培養(yǎng)。經(jīng)檢測，部分含有重組質粒的大腸桿菌菌株中目的基因D不能正確表達，其最可能的原因是_____________________。

【典例解析】（1）一條脫氧核苷酸鏈中相鄰的兩個堿基之間是通過“—脫氧核糖—磷酸—脫氧核糖—”相連的，要注意與兩條脫氧核苷酸鏈的相鄰堿基之間通過氫鍵相連進行區(qū)分。（2）從SmaⅠ的識別序列和切點可見，其切割后產(chǎn)生的是平末端，圖1中DNA片段有兩個SmaⅠ的識別序列，故切割后產(chǎn)生的產(chǎn)物長度為537（534＋3）bp、790（796－3－3）bp和661（658＋3）bp三種。（3）圖示方框內發(fā)生堿基的替換后，形成的d基因失去了1個SmaⅠ的識別序列，故雜合子D基因、d基因用SmaⅠ完全切割后產(chǎn)物中除原有的3種長度的DNA片段外，還增加一種（537＋790）bp的DNA片段。（4）目的基因的兩端都有BamHⅠ的識別序列，質粒的啟動子后抗生素A抗性基因上也有BamHⅠ的識別序列，故應選用的限制酶是BamHⅠ，此時抗生素B抗性基因作為標記基因，故篩選時培養(yǎng)基中要添加抗生素B。若重組質粒已導入了受體細胞卻不能表達，很可能是因為用同種限制酶切割后，目的基因和質粒反向連接形成的。

【典例答案】（1）脫氧核糖、磷酸、脫氧核糖 （2）平537bp、790bp、661bp （3）4 （4）BamHⅠ 抗生素B 同種限制酶切割形成的末端相同，部分目的基因D與質粒反向連接

【典例2】下列關于載體的敘述中，錯誤的是 （ ）

A.載體與目的基因結合后，實質上就是一個重組DNA分子

B.對某種限制酶而言，載體最好只有一個切點，但還要有其他多種酶的切點

在水泥水化放熱過程中，放熱速度與放熱最高峰時釋放出來的熱量，會對水泥水化反應過程的進度產(chǎn)生重要的影響[2]。一般來講，溫度升高會促進水泥的水化反應，而水化反應的加快會進一步放出熱量，這樣會導致混凝土的內外溫差大，最終因為熱脹冷縮而產(chǎn)生裂縫。裂縫對混凝土強度和密實度的影響很大，并最終影響到工程的整體結構安全和使用功能。所以，控制水泥的水化速度至關重要。

C.目前常用的載體有質粒、λ噬菌體的衍生物和動植物病毒

D.載體具有某些標記基因，便于對其進行切割

【典例解析】載體必須具備的條件有：①對受體細胞無害，不影響受體細胞正常的生命活動；②具有自我復制能力，或能整合到受體細胞的染色體DNA上，隨染色體DNA的復制而同步復制；③具有一個至多個限制酶切點，以便目的基因可以插入到載體中；④帶有特殊的標記基因，如抗生素抗性基因，以便于對外源基因是否導入進行檢測；⑤載體DNA分子大小適合，以便于提取和進行體外操作?？忌趶土曋?，應該從標記原理上去理解載體上的標記基因。載體上的標記基因一般是一些抗生素的抗性基因。目的基因要轉入的受體細胞沒有抵抗相關抗生素的能力。當含有抗生素抗性基因的重組載體進入受體細胞后，抗性基因在受體細胞內表達，使受體細胞能夠抵抗相應抗生素，所以在受體細胞的培養(yǎng)體系中加入該種抗生素就可以只保留轉入載體的受體細胞，原理如圖3所示。

圖3

【典例答案】D

基因工程的工具，在歷年高考中出現(xiàn)的高頻易錯點有：（1）基因工程中有3種工具，但工具酶只有2類。限制酶和DNA連接酶分別屬于一類酶，而不是一種酶。（2）限制酶的成分為蛋白質，其作用發(fā)揮與其他酶一樣，需要適宜的理化條件，高溫、強酸或強堿均易使之變性失活。（3）在切割目的基因和載體時要求用同一種限制酶，目的是產(chǎn)生相同的黏性末端或平末端。（4）不同DNA分子用同一種限制酶切割產(chǎn)生的黏性末端都相同，同一個DNA分子用不同的限制酶切割，產(chǎn)生的黏性末端一般不相同。（5）基因工程中的載體與細胞膜上物質運輸?shù)妮d體不同?；蚬こ痰妮d體是DNA分子，能將目的基因導入受體細胞內；膜載體是蛋白質，與細胞膜的通透性有關。

二、基因工程的基本步驟

【典例3】將動物致病菌的抗原基因導入馬鈴薯制成植物疫苗的圖和表如下，請根據(jù)圖表回答下列問題。

圖4 轉基因操作流程圖

圖5 引物對與模板結合示意圖

表1 引物對序列表

表2 幾種限制酶識別序列及切割位點表

（1）獲得動物致病菌的抗原基因的方法有________，獲得的DNA必須在兩側添加________和________。用PCR技術擴增基因時用到的耐高溫酶通常是指________，此酶不同于一般生物體內的DNA聚合酶，其最主要的特點是___________。

（2）PCR過程中退火（復性）溫度必須根據(jù)引物的堿基數(shù)量和種類來設定。表1為根據(jù)模板設計的兩對引物序列，圖5為引物對與模板結合示意圖。請判斷哪一對引物可采用較高的退火溫度？___________________________。

（3）重組質粒導入馬鈴薯體細胞的方法是________________________________。過程⑥可采取______________的方法，檢測馬鈴薯植株是否合成了致病菌的抗原。

【典例解析】2017考綱首次明確將PCR融入到基因工程中，因此，PCR是2017年高考的大熱門考點，值得考生重點關注。（1）進行基因工程操作時，首先要獲取目的基因，其方法有多種：從cDNA文庫中獲取、從基因組文庫中獲取、人工合成目的基因或PCR擴增技術等。獲得的目的基因要想在受體細胞中表達，需要在其兩端分別有啟動子和終止子。PCR方法擴增目的基因的過程中，需要高溫解鏈，因此使用的DNA聚合酶需具有耐高溫的特性。（2）耐高溫的DNA分子中通常含有G與C堿基比例大，因為它們之間形成三個氫鍵，穩(wěn)定性強。引物B中含C與G的堿基對較多，可采用較高的退火溫度。（3）農(nóng)桿菌易感染植物細胞，并將其Ti質粒上的T-DNA轉移并整合到受體細胞染色體DNA上。檢測目的基因是否完成了表達，常用抗原—抗體雜交的方法。

【典例答案】（1）從cDNA文庫中獲取、從基因組文庫中獲取、人工合成目的基因或PCR擴增技術（任選其中兩項即可） 啟動子 終止子 TaqDNA聚合酶 耐高溫 （2）引物對B （3）農(nóng)桿菌轉化法 抗原—抗體雜交

【典例4】如圖6表示用化學方法合成目的基因Ⅰ的過程，下列敘述正確的是 （ ）

圖6

A.過程①需要DNA連接酶

B.過程②需要限制性核酸內切酶

C.目的基因Ⅰ的堿基序列是已知的

D.若某質粒能與目的基因Ⅰ重組，則該質粒和目的基因Ⅰ的堿基序列相同

【典例解析】題圖所示為化學方法合成目的基因的過程。①②過程依賴堿基互補配對原則進行。質粒和目的基因的堿基序列一般不相同。

【典例答案】C

在基因工程的操作過程中，注意一些細節(jié)性知識點。如基因表達載體中，啟動子（DNA片段）≠起始密碼子（RNA）；終止子（DNA片段）≠終止密碼子（RNA）。基因表達載體的構建是最核心、最關鍵的一步，在體外進行。同時，受體細胞的選擇也常考查。受體細胞常用植物受精卵或體細胞（經(jīng)組織培養(yǎng)）、動物受精卵（一般不用體細胞）、微生物（大腸桿菌、酵母菌）等。要合成糖蛋白、有生物活性的胰島素 （需內質網(wǎng)、高爾基體的加工、分泌） 則必須用真核生物如酵母菌；一般不用支原體，原因是它營寄生生活；一定不能用哺乳動物成熟的紅細胞，原因是它無細胞核，也沒有核糖體等細胞器，不能合成蛋白質。

三、備考建議

基因工程操作的三種基本工具，四項基本操作程序等內容將成為考查學生綜合分析問題能力的材料；另外，針對生物工程在醫(yī)藥、食品、農(nóng)林等高新技術產(chǎn)業(yè)中的應用，運用有關的生物知識指導生產(chǎn)和實踐，對有關的生產(chǎn)方案、生產(chǎn)過程進行分析、綜合評價，也將是未來高考中極易出現(xiàn)的熱點，如基因藥物，人造胰島素、人造生長激素、溶血栓的尿激酶原等。在具體備考中，考生首先要扎實掌握基礎知識，通過課上學習、課下整理、基礎練習、重復記憶、思考知識聯(lián)系、構建知識體系等過程（建議利用概念圖的形式）。

如目的基因的檢測與鑒定的具體方法可歸納為圖7。

圖7

另外，近年高考對知識的考查更為注重其實際的應用，所以在平時的備考復習過程中，除了掌握基因工程的主干知識以外，還需要花一些時間去關注有關基因工程的熱點事件，了解其中蘊藏的生物學知識。

（作者單位：安徽省蕪湖市第十二中學）