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1、专题突破练 1515 基因工程与细胞工程 1 1.(2017 东北三省三校一联,38)马铃薯是重要的经济作物,人类在(马铃薯的)基因育种方面取 得丰硕成果。 (1)马铃薯是双子叶植物,常用 法将目的基因导入马铃薯体细胞中。构建好 的基因表达载体包括目的基因、 、 、 、复制原点五部分。 (2) 马 铃 薯 得 病 会 导 致 产 量 下 降 。 基 因 工 程 中 常 用 的 抗 病 基 因 为 (写一种即可)。 (3)科学家还培育出抗除草剂的转基因马铃薯,主要从两个方面进行设计: 修饰除草剂作用的靶蛋白,使其对除草剂 ,或使靶蛋白过量表达,植物吸收除草剂 后仍能正常代谢。 引入酶或酶系统,在
2、除草剂发生作用前 。 (4) 将 目 的 基 因 导 入 受 体 细 胞 后 , 还 需 对 转 基 因 植 物 进 行 。 答案 (1)土壤农杆菌转化 启动子 终止子 标记基因 (2)病毒外壳蛋白基因、病毒的复制 酶基因、几丁质酶基因和抗毒素合成基因 (3) 不敏感 被分解 (4)目的基因的检测与鉴 定 解析 (1)将目的基因导入植物细胞的常用方法是土壤农杆菌转化法。构建好的基因表达载体包 括目的基因、启动子、终止子、标记基因、复制原点等。(2)基因工程中常用的抗病基因有病 毒外壳蛋白基因、病毒的复制酶基因、几丁质酶基因和抗毒素合成基因(写一种即可)。(3) 为了避免马铃薯对除草剂敏感,可以
3、修饰除草剂作用的靶蛋白;或者增加马铃薯中靶蛋白的表 达量,这样植物吸收除草剂后仍能正常代谢。还可以通过基因工程引入能够快速分解除草剂 的酶或酶系统,从而将除草剂在发生作用前分解。(4)将目的基因导入受体细胞后,需检测目的 基因是否导入受体细胞。即使目的基因导入了受体细胞,也不一定能够表达,故一定要在受体生 物中检测出目的基因的产物相关蛋白质,即要进行目的基因的鉴定。 2 2.(2017 湖北武汉一模,38)基因敲除是应用 DNA重组原理发展起来的一门新兴技术。“基因敲 ”除细胞 的构建过程如下: 第一步,从小鼠囊胚中分离出胚胎干细胞(ES),在培养基中扩增。这些细胞中需要改造的基因称 “”为
4、靶基因 ; 1 第二步,构建基因表达载体。取与靶基因序列同源的目的基因(同源臂),在同源臂上接入neoR(新 霉素抵抗基因)等。由于同源臂与靶基因的 DNA 正好配对,所以能像“准星”一样,将表达载体 准确地带到靶基因的位置; 第三步,将表达载体导入胚胎干细胞,并与其内靶基因同源重组,完成胚胎干细胞的基因改造; 第四步,基因改造后的胚胎干细胞增殖、筛选。基本原理如图所示。 请根据上述资料,回答下列问题。 (1)实施基因工程的核心步骤是 ,基因表达载体中的 是位于 基 因 首 端 的 有 特 殊 结 构 的 DNA 片 段 ; 在 构 建 的 过 程 中 所 需 要 的 工 具 酶 是 。 (2
5、)如果要获得一只含目的基因的小鼠,则选择的受体细胞通常是 ,原因 是 。 (3)上述资料中 neoR基因的作用最可能是 。为了鉴定目的 基因是否成功表达,有时进行抗原抗体杂交,目的蛋白相当于 。 (4)该项技术具有广阔的应用前景,请试举一例: 。 答案 (1)构建基因表达载体 启动子 限制性核酸内切酶和 DNA 连接酶 (2)受精卵 动物受 精卵具有全能性(动物不能像植物那样,利用一个除受精卵以外的独立的体细胞直接培养成完 整的个体) (3)作为标记基因,以便于筛选 抗原 (4)基因治疗、动植物改良、利用动植物生 产药物等 解析 (1)基因工程的核心步骤是基因表达载体的构建。基因表达载体中的启
6、动子是位于基因首 端的有特殊结构的 DNA片段,是 RNA 聚合酶识别和结合的位点,能启动转录过程;在构建基因表 达载体时,首先要用限制酶切割含有目的基因的外源 DNA 分子和运载体,其次需要用 DNA连接酶 将目的基因和运载体连接形成重组 DNA分子。(2)受精卵的全能性最高,因此要获得一只含目的 基因的小鼠,常选择受精卵作为受体细胞。(3)上述资料中,neoR基因(新霉素抵抗基因)可作为 标记基因,以便于筛选。为了鉴定目的基因是否成功表达,要进行抗原抗体杂交,目的蛋白相 当于抗原。(4)该项技术具有广阔的应用前景,可用于基因治疗、动植物改良、利用动植物生产 药物等。 3 3.(2017 河
7、北衡水中学一模,38)科学家从某细菌中提取抗盐基因,转入烟草并培育成转基因抗 盐烟草。下图是转基因抗盐烟草的培育过程,含目的基因的 DNA和质粒上的箭头表示相关限制 2 酶的酶切位点。请分析回答下列问题。 (1)在该过程中,研究人员首先获取了抗盐基因(目的基因),并采用 技术 对目的基因进行扩增,该技术需要的条件是 、酶、原料、模板,该技术必须用 酶;然后构建基因表达载体,基因表达载体中除了具有目的基因、启动子和终止子之外,还需具 有 。 (2) 用 图 中 的 质 粒 和 目 的 基 因 构 建 重 组 质 粒 , 不 能 使 用 Sma 酶 切 割 , 原 因 是 。 图 中 过 程 为
8、防 止 质 粒 和 含 目 的 基 因 的 外 源 DNA 片 段 自 身 环 化 , 应 选 用 酶对外源 DNA、质粒进行切割。 (3) 为 确 定 转 基 因 抗 盐 烟 草 是 否 培 育 成 功 , 既 要 用 放 射 性 同 位 素 标 记 的 作 探 针 进 行 分 子 杂 交 检 测 , 又 要 在 个 体 水 平 上 鉴 定 , 后 者 具 体 过 程 是 。 导学号 50074050 答案 (1)PCR(聚合酶链式反应) 引物 耐高温的 DNA 聚合或热稳定 DNA 聚合 标记基因 (2)Sma会破坏质粒的抗性基因和外源 DNA中的目的基因 BamH 和 Hind (3)抗
9、盐基因(或 目的基因) 将培育的烟草幼苗栽培于含有一定盐的土壤中,观察该烟草植株的生长状态 解析 (1)依题意可知:抗盐基因属于目的基因,可采用 PCR(聚合酶链式反应)技术扩增目的基因, 该技术需要的条件是引物、酶、原料、模板;利用 PCR 技术扩增目的基因时,每次循环都是在 95 时进行变性、在 55时进行复制、在 72时延伸,所以该技术必须用耐高温的 DNA聚合 酶或热稳定 DNA聚合酶(或 Taq 酶)。基因表达载体由目的基因、启动子、终止子、标记基因等 组成。(2)题图显示:质粒上的 M 抗生素抗性基因和目的基因中都含有 Sma 酶的识别和酶切位 点,若使用 Sma酶切割,会破坏质粒
10、的抗性基因和外源 DNA中的目的基因,因此不能使用 Sma 酶切割。抗盐基因(或目的基因)的两侧都有 EcoR 酶的识别和酶切位点,因此用 EcoR 酶切割 目的基因会出现自身环化;BamH 和 Hind 酶识别和酶切位点分别位于目的基因的两侧,而且 3 质粒中也有相应的酶切位点,因此用 BamH 和 Hind 同时进行酶切,能完整地切下该抗原基因, 同时保证目的基因与质粒的连接方式的唯一性,防止质粒和含目的基因的外源 DNA 片段自身环 化。(3)检测目的基因是否导入受体细胞,在分子水平上进行检测时,要用放射性同位素标记的 抗盐基因(或目的基因)作探针进行分子杂交检测;在个体水平上进行鉴定时
11、,可将培养的烟草幼 苗栽培于含有一定盐的土壤中,观察该烟草植株的生长状态。 4 4.我国菊花主要有杭菊、亳菊、怀菊、贡菊等 8 种,是药食兼优的代表性植物。研究发现杭菊 具有明显的抗炎作用,怀菊具有良好的抗病毒作用(但是抗炎作用很弱)。结合所学知识回答下 列问题。 (1)欲培育兼有明显抗炎、抗病毒疗效的菊花新品种,用杭菊和怀菊杂交的方法是做不到的,原 因是 。 (2)基因工程方法为培育上述新品种提供了可能性,在实施基因工程过程中,最关键的步骤 是 。受体细胞的选择直接关系到实验的成功与否以及新生植株的 品质, 我们一般选取未开花的幼枝的芽尖, 理由有 、 (写出两个)。若想确定杭菊的受体细胞中
12、是否导入了怀菊的抗病毒基因,常用的检测方法 是 。 (3)如果利用植物体细胞杂交的方法培育“杭菊怀菊”杂种植株,首先要获得这两种植物细胞 的 ,用聚乙二醇诱导处理后,诱导实验材料再生出 ,再利用植物组织 培养技术培育出杂种植株。 (4)理论上利用植物体细胞杂交和基因工程的方法均可以培育出抗炎、抗病毒的优良菊花,这两 项技术的共同特点有 。 答案 (1)二者存在生殖隔离 (2)基因表达载体的构建 不含病毒或含病毒极少 分化程度低 或易诱导脱分化和再分化(答案必须是两个方面) DNA 分子杂交技术 (3)原生质体 细胞壁 (4)定向改造生物(或克服了远缘杂交不亲和的障碍) 解析 (1)杭菊和怀菊属
13、于两个不同的物种,二者之间存在生殖隔离,所以二者之间不能进行有 性杂交。(2)基因工程的关键步骤是基因表达载体的构建;由于幼枝的芽尖具有不含病毒或含病 毒极少、分化程度低或易诱导脱分化和再分化的特点,所以通常选取未开花的幼枝的芽尖作为 受体细胞;可用 DNA 分子杂交技术检测怀菊的抗病毒基因(目的基因)是否导入了受体细胞。(3) 植物体细胞杂交技术首先要获得这两种植物细胞的原生质体,用聚乙二醇诱导处理后,诱导实 验材料再生出细胞壁,再利用植物组织培养技术培育出杂种植株。(4)植物体细胞杂交技术和基 4 因工程的共同特点是定向改造生物(或克服了远缘杂交不亲和的障碍)。 5 5.利用相关工程技术可
14、以获得抗黑腐病杂种黑芥花椰菜植株,已知野生黑芥具有黑腐病的抗 性基因,而花椰菜易受黑腐病菌的危害而患黑腐病,技术人员用一定剂量的紫外线处理黑芥原 生质体可使其染色体片段化,并丧失再生能力,再利用此原生质体作为部分遗传物质的供体与 完整的花椰菜原生质体融合,流程如下图。 据图回答下列问题。 (1)该过程用到的工程技术有 和 。 (2) 过 程 所 需 的 酶 是 , 过 程 PEG 的 作 用 是 ,经过操作后,需筛选出融合的杂种细胞,显微镜下观察融合的活 细胞中有供体的叶绿体存在,可作为初步筛选杂种细胞的标志。 (3) 原 生 质 体 培 养 液 中 需 要 加 入 适 宜 浓 度 的 甘 露
15、 醇 以 保 持 一 定 的 渗 透 压 , 其 作 用 是 。原生质体经过细胞壁再生, 进而分裂和脱分化形 成 。 (4)若分析再生植株的染色体变异类型,应剪取再生植株和双亲植株的根尖,制成装片,然后在 显微镜下观察比较染色体的 ;将杂种植株栽培在含有 的 环境中,可筛选出具有高抗性的杂种植株。导学号 50074051 答案 (1)植物体细胞杂交 植物组织培养 (2)纤维素酶和果胶酶 促进原生质体的融合 (3) 保持原生质体完整性 愈伤组织 (4)形态和数目 黑腐病菌 解析 (1)据题图可知,该流程图表示先去掉两种植物细胞的细胞壁,然后诱导融合获得杂种细 胞,通过植物组织培养获得杂种植株。(
16、2)植物细胞细胞壁的成分是纤维素和果胶,因此采用纤 维素酶和果胶酶去掉植物细胞的细胞壁;聚乙二醇(PEG)的作用是让原生质体融合。(3)去掉细 胞壁后获得的原生质体需要放在适宜浓度的甘露醇溶液中,保持原生质体的完整性,避免失水 或吸水;在植物组织培养中,经过脱分化后形成愈伤组织。(4)由于染色体在显微镜下能看见,因 此可以制作临时装片,观察染色体的形态和数目,以确定是否发生染色体变异;对杂种植株进行 鉴定最简单的方法是从个体水平上进行检测,即接种黑腐病菌,观察植物是否抗病。 6 6.(2017 河北衡水中学押题检测,38)细胞的种类不同,特异性表达的蛋白质也不同,如效应 T 细 5 胞可以产生
17、干扰素,乳腺细胞可以分泌乳腺蛋白,膀胱壁细胞可分泌尿血小板溶素膜蛋白。其中 效应 T 细胞产生的干扰素(IFN)具有抑制细胞分裂、调节免疫、抗病毒、抗肿瘤等多种作用。 请回答下列问题。 (1)通过分析干扰素的氨基酸序列,可人工合成编码干扰素的 序列,该序列 ( 填“ 是” 或“ 不是”)唯一的。利用 PCR 的方法对人工合成的干扰素基因扩增时, 用 方法使 DNA变性。 (2)若将干扰素基因导入癌细胞,在 的环境、一定的营养,适宜的温度和 pH,气体 环境等条件下培养癌细胞,可从培养液中源源不断地提取到干扰素。 (3)目的基因在血液中表达的转基因动物叫做血液生物反应器。由于某些物质进入血液会影
18、响 动物的健康,因此血液生物反应器比较适合生产 (选填“胰岛素”“抗体”或“干 ”扰素 中的一种或多种)。 (4)乳腺生物反应器的原理是外源基因与 的启动子构建成基因表达载体,使干 扰素基因在乳腺中表达,通过回收乳汁获得干扰素。 (5)膀胱生物反应器可将干扰素基因插入 基因中,使干扰素分泌 到 尿 液 中 。 与 乳 腺 生 物 反 应 器 相 比 , 膀 胱 反 应 器 的 优 势 表 现 在 。 答案 (1)脱氧核苷酸 不是 加热 (2)无菌、无毒 (3)抗体、干扰素 (4)乳腺蛋白基因 (5) 尿血小板溶素膜蛋白 生产周期短、不受性别和年龄的限制 解析 (1)目的基因的获取可以采用人工合
19、成的方法,即通过分析干扰素的氨基酸序列,可人工 合成编码干扰素的脱氧核苷酸序列,由于一种氨基酸可以由多种密码子决定,因此通过该方法 获得的序列不是唯一的。利用 PCR 的方法对人工合成的干扰素基因扩增时,用加热方法使 DNA 变性。(2)若将干扰素基因导入癌细胞,采用动物细胞培养技术培养癌细胞,可从培养液中源源 不断地提取到干扰素。(3)胰岛素在动物的血液中会降低动物的血糖,对动物有害;而抗体和干 扰素属于免疫活性物质,对动物健康有利,因此血液生物反应器比较适合生产抗体、干扰素。(4) 乳腺生物反应器的原理是外源基因与乳腺蛋白基因的启动子构建成基因表达载体,使干扰素基 因在乳腺中表达,通过回收
20、乳汁获得干扰素。(5)膀胱生物反应器可将干扰素基因插入尿血小板 溶素膜蛋白基因中,使干扰素分泌到尿液中。与乳腺生物反应器相比,膀胱生物反应器的优势表 现在生产周期短、不受性别和年龄的限制。 7 7.(2017 辽宁大连二模,38)白细胞介素 4(IL-4)是具有多种免疫学调节功能的细胞因子,临床 及研究中需要大量高纯度的 IL-4,以及其高效检测试剂。下图是利用单克隆抗体技术制备抗 6 IL-4 特异性抗体的过程。回答相关问题。 (1)在免疫系统组成中,IL-4属于 物质。研究人员从外周血中提取到 IL-4 蛋白分 子的 mRNA,将其反转录成 ,构建特定表达载体,利用工程菌获得用于临床及研究
21、需 要的高纯度的 IL-4蛋白。 (2)图中所示的 a 培养瓶中培养的是 细胞,其与 M 细胞融合产生双核或多核细胞, 再经 ,进一步形成两个新的单核杂交细胞。 (3)b 培 养 瓶 所 示 过 程 中 , 要 用 特 定 的 选 择 性 培 养 基 进 行 细 胞 筛 选 , 得 到 的 细 胞 能 在 体 外 培 养 增 殖 生 长 。 经 b 获 得 的 细 胞 , 还 需 要 进 行 。 (4)c 培养瓶中培养的细胞是 的杂交瘤细胞。制备 IL-4单克隆抗体 的过程中,细胞培养瓶通常置于特定培养箱中进行细胞培养,要求培养瓶松盖,主要目的 是 。 答案 (1)免疫活性 cDNA (2)骨
22、髓瘤 有丝分裂 (3)融合的杂种(杂交瘤) 克隆化培养和抗 体检测(或答“克隆化培养和专一抗体阳性检测”) (4)分泌抗 IL-4 抗体(答出此意即可) 让 O2进入培养瓶以供细胞代谢、使 CO2进入培养瓶维持培养液的 pH 8 8.近年来,由于食品安全、环境污染等问题的加重,胃癌的发病率不断增加。常见的切除、化疗、 放疗等治疗手段对病人的身体副作用较大,而“”生物导弹 (借助单克隆抗体的导向作用,能将 药物定向带到癌细胞所在位置)的定向治疗为胃癌患者带来了福音。下图是“生物导弹” 抗人体胃癌的单克隆抗体的制备过程。 回答下列问题。 (1)幽门螺旋杆菌的感染与胃癌的发生密切相关,幽门螺旋杆菌从
23、细胞结构上与人体细胞相比, 最显著的特点是 。 (2) 从 免 疫 学 的 角 度 分 析 , 图 中 实 验 小 鼠 注 射 的 甲 7 是 ,从小鼠的 (免疫器官)中可获 得相应的 B 淋巴细胞。 (3)诱导细胞融合形成细胞乙的原理是 。若只考虑细胞的两两联合,理论上乙有 种类型,符合要求的细胞特点是 。 (4)丙需进行克隆化培养和专一抗体检测,经多次筛选后可获得数量较多的能分泌所需抗体的 细胞丁,细胞丁可在体外条件下大规模培养,也可以注射到小鼠 内进行体内培养,从而 获得大量的单克隆抗体。该抗胃癌单克隆抗体与从动物血清中分离的抗体相比,最主要的优点 是 。 答案 (1)没有核膜包被的细胞
24、核 (2)能与抗人体胃癌抗体特异性结合的抗原 脾脏 (3)细 胞膜的流动性 3 既能大量繁殖又能产生特异性抗体 (4)腹腔 特异性强,灵敏度高,并可 大量制备 解析 (1)幽门螺旋杆菌是原核生物,幽门螺旋杆菌从细胞结构上与人体细胞相比,最显著的特 点是没有核膜包被的细胞核。(2)从免疫学的角度分析,图中实验小鼠注射的甲是能与抗人体胃 癌抗体特异性结合的抗原,从小鼠的脾脏中可获得相应的 B 淋巴细胞。(3)诱导细胞融合形成细 胞乙的原理是细胞膜的流动性,若只考虑细胞的两两融合,理论上乙有 3 类,B 淋巴细胞与 B 淋 巴细胞的融合,骨髓瘤细胞与骨髓瘤细胞的融合,B淋巴细胞与骨髓瘤细胞的融合。符合要求的 细胞的特点是既能无限制增殖,又能产生特异性抗体。(4)经过筛选后的杂交瘤细胞,可在体外 条件下大规模培养,也可以注射到小鼠腹腔内进行体内培养,从而获得大量的单克隆抗体。该胃 癌单克隆抗体与从动物血清中分离的抗体相比,最主要的优点是特异性强,灵敏度高,可大量制 备。 8