備考生物科技發展，整合基因工程與相關知識

河北 劉曉菊

備考生物科技發展，整合基因工程與相關知識

河北 劉曉菊

“基因工程”是選修3的高考命題的重點，在近幾年的高考題中都有考查。通過對近幾年高考題及模擬題的分析，我們在復習這部分知識時，應注意以下幾點：

一、注重基礎知識點的記憶，學會從圖中獲取信息，學會專業術語的表達

在2016年的全國卷Ⅰ的40題中及2016年的全國卷Ⅲ的40題中都出現了對限制酶、DNA連接酶、質粒、基因表達載體的構建、標記基因及目的基因檢測與鑒定的方法和原理等知識點的考查，題目難度不大，但要求學生能運用所學知識解決實際問題，尤其是恰當準確的表述，也就是專業術語的運用，體現了對能力的考查。

例1（2016·全國卷Ⅲ）．圖（a）中的三個DNA片段上依次表示出了EcoRⅠ、BamHⅠ和Sau3AⅠ三種限制性內切酶的識別序列與切割位點，圖（b）為某種表達載體示意圖（載體上的EcoRⅠ、Sau3AⅠ的切點是唯一的）。根據基因工程的有關知識，回答下列問題：

（1）經BamHⅠ酶切割得到的目的基因可以與上述表達載體被_______酶切后的產物連接，理由是__________。

（2）若某人利用圖（b）所示的表達載體獲得了甲、乙、丙三種含有目的基因的重組子，如圖（c）所示。這三種重組子中，不能在宿主細胞中表達目的基因產物的有

，不能表達的原因是 。

（3）DNA連接酶是將兩個DNA片段連接起來的酶，常見的有________和________，其中既能連接黏性末端又能連接平末端的是________。

【答案】（1）Sau3AⅠ 限制酶Sau3AⅠ與BamHⅠ切割后形成的黏性末端相同 （2）甲、丙 甲中目的基因插入在啟動子的上游，丙中目的基因插入在終止子的下游，兩者目的基因均不能轉錄 （3）E·coli DNA連接酶 T4DNA連接酶 T4DNA連接酶。

【解析】（1）由于限制酶Sau3AⅠ與BamHⅠ切割后形成的黏性末端相同，所以經BamHⅠ切割得到的目的基因可以與上述表達載體被Sau3AⅠ酶切割后的產物連接。（2）在基因表達載體中，啟動子應位于目的基因的首端，終止子應位于目的基因的尾端，這樣目的基因才能表達；圖中甲、丙均不符合，所以不能表達目的基因的產物。（3）常見的DNA連接酶有E·coli DNA連接酶和T4DNA連接酶，其中既能連接黏性末端又能連接平末端的是T4DNA連接酶。

二、關注基因工程與必修知識及基因工程與其他生物科技技術的綜合

1.基因工程與必修知識結合命題

基因工程部分在高考題中也不一定以單一知識點形式呈現。例如2015年全國新課標卷Ⅰ的理綜40題，把“基因工程”的內容與必修3中“免疫調節及HIV病毒知識”相結合。

例2（2015·全國卷Ⅰ）.HIV屬于逆轉錄病毒，是艾滋病的病原體。回答下列問題：

（1）用基因工程方法制備HIV的某蛋白（目的蛋白）時，可先提取HIV中的_______，以其作為模板，在_______的作用下合成_______，獲取該目的蛋白的基因，構建重組表達載體，隨后導入受體細胞。

（2）從受體細胞中分離純化出目的蛋白，該蛋白作為抗原注入機體后，刺激機體產生的可與此蛋白結合的相應分泌蛋白是________，該分泌蛋白可用于檢測受試者血清中的HIV，檢測的原理是_______。

（3）已知某種菌導致的肺炎在健康人群中罕見，但是在艾滋病患者中卻多發。引起這種現象的根本原因是HIV主要感染和破壞了患者的部分________細胞，降低了患者免疫系統的防衛功能。

（4）人的免疫系統有________癌細胞的功能。艾滋病患者由于免疫功能缺陷，易發生惡性腫瘤。

【答案】（1）RNA 逆轉錄酶 DNA （2）抗體 該種抗體可與HIV上相應抗原特異性結合 （3）T淋巴 （4）監控和清除

【解析】本題結合HIV病毒繁殖及免疫調節的相關知識考查基因工程的操作過程。（1）HIV是一種逆轉錄RNA病毒，侵入機體后，以 T 淋巴細胞作為宿主細胞，破壞機體免疫系統。若要獲取HIV的某種蛋白質，需將HIV的遺傳物質RNA提取出來，在逆轉錄酶的作用下合成雙鏈DNA分子，從中提取出合成該種蛋白質的目的基因，構建基因表達的載體，導入到受體細胞中，讓其在受體細胞中表達出相應蛋白質。（2）從受體細胞中分離純化出該種蛋白質后，注射入機體，引發機體特異性免疫反應，漿細胞合成分泌出相應抗體，該種抗體能夠檢測血清中有無HIV的存在，因為該種抗體能夠與HIV上相應蛋白質發生特異性結合。（3）HIV病毒專門攻擊人體的 T 淋巴細胞，使體內 T 淋巴細胞數量減少，影響特異性免疫。（4）人體免疫系統具有防御、監控和清除的功能。

以2015年河北省為例，14.9萬考生選答本題，平均得分9.73分，以第（1）題為例，來展示下考生答題情況。

第（1）題第1空的標準答案為“RNA”，少數考生由于對題目不理解，回答“mRNA”“tRNA”“目的基因”“核糖核苷酸”“DNA”等不正確或表述模糊的答案，未能得分；第2空標準答案為“逆轉錄酶”，少數考生答成“逆轉錄、反轉錄、DNA聚合酶、DNA連接酶”等錯誤答案，未能得分；第3空標準答案為“cDNA或DNA”，少部分考生對本題考查內容未能正確理解，給出了“dDNA”“DNA碳鏈”“RNA與DNA雜交鏈”“HIV的DNA”“重組DNA”“目的基因”“目的蛋白DNA”“脫氧核苷酸”等不合理答案，未能得分。

由此可見，在復習中，考生應重視專業術語的準確表達，牢記課本重點詞語表述方式，夯實基礎才能在高考中提高得分率。

2.基因工程與細胞工程知識結合命題

例3（2015·福建卷）.GDNF是一種神經營養因子，對損傷的神經細胞具有營養和保護作用。研究人員構建了含GDNF基因的表達載體（如圖1所示），并導入到大鼠神經干細胞中，用于干細胞基因治療的研究。請回答：

（1）在分離和培養大鼠神經干細胞的過程中，使用胰蛋白酶的目的是________。

（2）構建含GDNF基因的表達載體時，需選擇圖1中的________限制酶進行酶切。

（3）經酶切后的載體和GDNF基因進行連接，連接產物經篩選得到的載體主要有三種：單個載體自連、GDNF基因與載體正向連接、GDNF基因與載體反向連接（如圖1所示）。為鑒定這3種連接方式，選擇HpaⅠ酶和BamHⅠ酶對篩選的載體進行雙酶切，并對酶切后的DNA片段進行電泳分析，結果如圖2所示。圖中第________泳道顯示所鑒定的載體是正向連接的。

（4）將正向連接的表達載體導入神經干細胞后，為了檢測GDNF基因是否成功表達，可用相應的________與提取的蛋白質雜交。當培養的神經干細胞達到一定的密度時，需進行________培養以得到更多數量的細胞，用于神經干細胞移植治療實驗。

【答案】（1）使細胞分散開 （2）XhoⅠ （3）② （4）抗體傳代

【解析】本題考查基因工程與細胞工程，并考查學生推理能力，運用所學知識分析問題和解決問題的能力。題中圖形和文字信息結合，體現了生物學知識常以圖表形式出現的特點，要求學生有較好的識圖能力和理解能力。（1）動物細胞培養時，可用胰蛋白酶或膠原蛋白酶處理，使細胞分散開。（2）質粒上有XhoⅠ識別位點，而且在啟動子之后；目的基因兩側均有XhoⅠ限制酶的酶切位點，可切下目的基因，所以選用XhoⅠ限制酶進行酶切。（3）泳道①僅有一種條帶，屬于載體自連；泳道②有兩種條帶，且長度分別與質粒和GDNF基因長度相同，為正向連接；泳道③有兩種條帶，200 bp長度為反向連接時HpaⅠ酶和BamHⅠ酶雙酶切后得到，據此推斷③為反向連接。（4）檢測基因是否表達采用抗原—抗體雜交法；培養動物細胞采用動物細胞培養法，當細胞密度達到一定程度，需要進行分瓶，進行傳代培養。

3.基因工程與蛋白質工程的結合命題

例4（改編題）.某生物體內有基因A，該基因能控制合成A蛋白，A蛋白是某種藥物的有效成分，下圖是將A基因導入大腸桿菌內，制備“工程菌”的示意圖。據圖回答：

（1）獲得基因A有兩條途徑：一是以A的mRNA為模板，在________酶的催化下，合成雙鏈DNA，從而獲得所需基因；二是根據目標蛋白質的________序列，推測出相應的mRNA序列，然后按照堿基互補配對原則，推測其DNA的________序列，再通過________方法合成所需基因。

（2）利用PCR技術擴增DNA時，需要在反應體系中添加的有機物質有________、________、4種脫氧核糖核苷酸和_____________酶，擴增過程可以在PCR擴增儀中完成。

（3）下列關于各種酶作用的敘述，不正確的是_______。

A. DNA連接酶能使不同脫氧核苷酸的磷酸與脫氧核糖連接

B. RNA聚合酶能與基因的特定位點結合，催化遺傳信息的轉錄

C. 一種DNA限制酶能識別一種核糖核苷酸序列

D. 胰蛋白酶能作用于離體的動物組織，使其分散成單個細胞

（4）圖中的C稱________，在基因工程中，常用Ca2＋處理D，處理后D更易_______，此時D稱為_______。

（5）圖中最后一步“篩選”是指從轉化細胞中篩選出能_______的大腸桿菌作為工程菌。

【答案】（1）逆轉錄 氨基酸 脫氧核苷酸 人工合成（化學） （2）引物 模板DNA 熱穩定性DNA聚合（Taq）（3）C （4）重組DNA（或重組質粒） 吸收周圍環境中的DNA 感受態細胞 （5）穩定遺傳并能表達出A蛋白

【解析】（1）利用反轉錄法合成目的基因的過程：以mRNA為模板，在逆轉錄酶的催化下，合成單鏈的DNA，逆轉錄酶具有DNA聚合酶活性，在它的作用下，合成雙鏈DNA；根據蛋白質來獲得目的基因的過程：根據目標蛋白質的氨基酸序列，推測出相應的mRNA序列，然后按照堿基互補配對原則，推測其DNA的脫氧核苷酸序列，再通過人工合成方法合成所需基因。（2）PCR過程中需要引物、模板DNA、4種脫氧核糖核苷酸和熱穩定性DNA聚合酶等條件，在PCR反應體系中應添加這些物質。（3）DNA連接酶能使不同脫氧核苷酸的磷酸與脫氧核糖連接，形成磷酸二酯鍵，A正確；RNA聚合酶能與基因上的RNA聚合酶結合位點結合，催化遺傳信息的轉錄，B正確；一種DNA限制酶能識別一種“脫氧核糖核苷酸序列”而不是“核糖核苷酸序列”，C錯；胰蛋白酶能將離體的動物組織細胞間質中膠原蛋白分解，使其分散成單個細胞，D正確。（4）由圖可知，A為目的基因，B為運載體，二者結合在一起，形成的C是重組DNA（或重組質粒）；將目的基因導入微生物細胞，常用Ca2＋處理受體細胞，使之更易吸收周圍環境中的DNA，稱為感受態細胞，可以提高受體細胞的轉化率。（5）目的基因導入受體細菌，是否可以穩定維持和表達其遺傳性，可通過檢測與鑒定，得到穩定遺傳并能表達出A蛋白的細菌作為工程菌。

4.基因工程、胚胎工程和細胞工程綜合命題

例5.毛角蛋白Ⅱ型中間絲（KIFⅡ）基因與絨山羊的羊絨質量密切相關。獲得轉KIFⅡ基因的高絨質絨山羊的簡單流程如圖。

（1）過程①中最常用的運載工具是_______，這里也可以用動物病毒或________作運載工具，所需要的酶是限制酶和_______。

（2）在過程②中，用________處理將皮膚組織塊分散成單個成纖維細胞。在培養過程中，將成纖維細胞置于________和5% CO2的混合的氣體培養箱中進行培養。培養液中加入________達到無菌環境，將成纖維細胞置于5%CO2的氣體環境中，CO2的作用是_______。

（3）在過程③中，用________處理以獲取更多的卵（母）細胞。成熟卵（母）細胞在核移植前需要顯微操作將________吸出，處理后得到去核的卵母細胞。

（4）從重組細胞到早期胚胎過程中所用的胚胎工程技術是________。在胚胎移植前，通過________技術可獲得較多胚胎，此技術若選囊胚作材料，應注意的事項是_______。

【答案】（1）質粒 λ噬菌體的衍生物 DNA連接酶

（2）胰蛋白酶（或膠原蛋白酶） 95%空氣 （一定量的）抗生素 維持培養液的pH值

（3）促性腺激素 細胞核和第一極體

（4）（早期）胚胎培養 胚胎分割 將內細胞團均等分割

從以上幾道例題我們可以得到以下啟示：在“現代生物科技專題”復習中，第一，要重視課本，夯實基礎，掌握基本概念、識記基本流程、理解基本原理；第二，注重專業術語使用的準確性，區分相近易混的“關鍵詞語”；第三，注重學科內知識的綜合，盡量構建知識網絡。第四，學會把基本操作流程圖示化，學會從圖表中獲取關鍵信息，提高自身的圖文轉換能力。

同時在復習中要選做一些綜合性強的題目，從中體會部分考點知識的特殊呈現形式，也訓練自己的綜合分析能力及實際運用知識解決問題的能力。

（作者單位：河北省盧龍縣中學）