高中生物基因工程教學中目的基因和標記基因的區別

翟培源

(陜西省西安中學，西安　710021)

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高中生物基因工程教學中目的基因和標記基因的區別

翟培源

(陜西省西安中學，西安710021)

【摘要】目的基因和標記基因是高考考試大綱明確要求的考試內容，在基因工程專題和高考中處于重要的地位．在構建的基因表達載體中，二者的作用有顯著差別，目的基因承載了人類轉基因的目標，通過目的基因完成對生物性狀的定向改造；標記基因的作用是篩選成功導入目的基因的細胞，是一種篩選工具．本文將從功能的角度，區別目的基因與標記基因的本質屬性，為該內容的教學提供參考．

【關鍵詞】目的基因標記基因基因工程

在人教版高中生物選修3的基因工程專題的學習中，目的基因和標記基因的概念易于混淆，學生在學習時常常感到迷惑，在解題的過程中也容易陷入麻煩．在實際教學中，教師要明確目的基因和標記基因的區別與聯系，厘清二者在基因工程中的作用與功能，才能帶領學生掌握這兩個概念的內涵．本文將對目的基因和標記基因的特點和作用進行總結，以期為這兩個概念的教學提供參考，幫助學生在日常學習和考試中更好地理解和運用基因工程的相關概念．

一、目的基因的特征與功能

目的基因，即在基因工程設計和操作中，被用于基因重組、改變受體細胞性狀和獲得預期表達產物的基因．目的基因一般是結構基因，也就是能轉錄和翻譯出多肽的基因．例如，在基因工程中，常用大腸桿菌作為工程菌來生產人的胰島素，那么能表達出胰島素的胰島素基因就是目的基因．另外，干擾素基因、生長激素基因、腦啡呔基因、乙型肝炎病毒表面抗原基因等也都可以作為目的基因．

選用什么樣的目的基因是基因工程設計必須優先考慮的問題，如何分離獲取目的基因是基因工程操作的重要技術之一．目的基因主要來源于各種生物．真核生物染色體基因組，特別是人和動植物染色體基因組中蘊藏著大量的基因，是獲取目的基因的主要來源．此外，質粒基因組、病毒基因組、線粒體基因組和葉綠體基因組也有少量的基因，往往也可從中獲取目的基因．

二、標記基因的特征與功能

標記基因原本是基因工程的專屬名詞，但是現在它已經成為一種基本的實驗工具，廣泛應用于分子生物學、細胞生物學、發育生物學等方面的研究．標記基因是一種已知功能或已知序列的基因，能夠起著特異性標記的作用．從基因工程意義上來說，它是基因表達載體的重要標記，通常用來檢驗轉化成功與否，從基因定位意義上來說，它是對目的基因進行標記的工具，通常用來檢測目的基因在細胞中的定位．標記基因可以有多種類別，例如，標記基因可以是特有的抗性基因，成功導入并表達該標記基因的生物就具有相應的抗性，據此判斷基因表達載體是否成功導入細胞內．此外，標記基因也可以是用放射性同位素標記的基因，通過檢測放射性來判斷基因表達載體是否成功導入受體細胞．

三、目的基因、標記基因與基因表達載體的關系

在基因表達載體中，由于構建載體的目的不同，需要的標記基因也不同．有的標記基因是質粒固有的，有的標記基因是另外加上的．一般情況下，質粒載體在基因組中有1～2個篩選標記，為寄主提供易于檢測的表型特征．

在高中生物選修3的教科書中，基因工程專題中常用的標記基因均為存在于質粒上的抗性基因，如抗四環素基因，將目的基因接到含該標記基因的質粒上，再將重組質粒導入受體細胞．理論上，受體細胞(如大腸桿菌)就對四環素表現抗性，當人們用選擇培養基(比如含有四環素的培養基)來培養受體細胞時，能夠在培養基中存活下來的受體細胞就可以認為是成功地導入了重組質粒，這樣，成功導入重組質粒的細胞就被選擇出來．

在此，需要注意的是，標記基因只是篩選成功導入基因表達載體的受體細胞的一種工具，只是間接地證明包含目的基因的基因表達載體導入成功，不能為目的基因是否成功融合到受體細胞提供直接證據．因此，在上述選擇性培養基中，能夠存活下來的細胞，只能證明細胞體內存在擁有標記基因的質粒，不能直接表明質粒上一定存在目的基因，即這種細胞不一定能表達出人們想要的細胞產物．接下來要進行目的基因的檢測與鑒定，對存活的受體細胞從分子水平到個體水平進行逐級檢測，從而得到目的基因成功導入并表達的直接證據．

四、習題解析

例：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．現有MspI、BamHI、MboI、SmaI 4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

(1)若將圖2中質粒和目的基因D 通過同種限制性內切酶處理后進行連接,形成重組質粒,那么應選用的限制性內切酶是________．

(2)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________的培養基進行培養．經檢測,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________．

【答案】(1)BamHI (2)抗生素B同種限制性內切酶切割形成的末端相同，部分目的基因D與質粒反向連接

【解析】圖中顯示得很清楚，目的基因D為圖1中的片段，標記基因為圖2中的抗生素A抗性基因和抗生素B抗性基因．題目要求將目的基因D和圖2中的質粒構建成重組質粒，利用標記基因的篩選能力篩選出含有重組質粒的細胞．因此，重組質粒上應該至少保留一個標記基因行使其篩選功能．經過分析得知，目的基因的兩段都有BamHI的識別序列，質粒的啟動子后的抗生素A抗性基因上也有BamHI識別序列，此時抗生素B抗性基因不會被破壞，可作為標記基因進行篩選．故應選擇BamHI作為限制性內切酶提取目的基因和切割質粒，在切割的過程中，因其破壞了抗生素A抗性基因，而保留抗生素B抗性基因，故應在含有抗生素B的培養基上進行篩選．能存活的細胞則證明含有質粒(證明含有標記基因)，能存活并使目的基因D表達的細胞才含有重組質粒(既含有目的基因，又含有標記基因)．含有重組質粒而目的基因D不表達，因為目的基因和運載體是用同種限制酶切割的，目的基因兩端的末端和質粒切割后的兩個末端都能進行互補，可能出現目的基因反向連接在運載體上的情況，導致基因D不能正確表達．

綜上所述，目的基因是基因表達載體的核心，是實現對生物性狀的定向改造不可或缺的結構，而標記基因是基因工程中篩選和檢測受體細胞的一種工具，根據實驗目的的不同，可以被其他檢測工具替代，這是目的基因與標記基因在功能上的根本區別．因此，在高中生物基因工程相關內容的教學中，教師一定要從功能的視角，幫助學生掌握目的基因與標記基因的本質區別，從而形成正確的基因工程概念．

參考文獻

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