河北 劉曉菊

備考生物科技發(fā)展，整合基因工程與相關(guān)知識(shí)

河北 劉曉菊

“基因工程”是選修3的高考命題的重點(diǎn)，在近幾年的高考題中都有考查。通過對(duì)近幾年高考題及模擬題的分析，我們?cè)趶?fù)習(xí)這部分知識(shí)時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

一、注重基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)的記憶，學(xué)會(huì)從圖中獲取信息，學(xué)會(huì)專業(yè)術(shù)語的表達(dá)

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(xiàn)了對(duì)限制酶、DNA連接酶、質(zhì)粒、基因表達(dá)載體的構(gòu)建、標(biāo)記基因及目的基因檢測(cè)與鑒定的方法和原理等知識(shí)點(diǎn)的考查，題目難度不大，但要求學(xué)生能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題，尤其是恰當(dāng)準(zhǔn)確的表述，也就是專業(yè)術(shù)語的運(yùn)用，體現(xiàn)了對(duì)能力的考查。

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

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

（2）若某人利用圖（b）所示的表達(dá)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(xì)胞中表達(dá)目的基因產(chǎn)物的有

，不能表達(dá)的原因是 。

（3）DNA連接酶是將兩個(gè)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(dòng)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(zhuǎn)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(jīng)BamHⅠ切割得到的目的基因可以與上述表達(dá)載體被Sau3AⅠ酶切割后的產(chǎn)物連接。（2）在基因表達(dá)載體中，啟動(dòng)子應(yīng)位于目的基因的首端，終止子應(yīng)位于目的基因的尾端，這樣目的基因才能表達(dá)；圖中甲、丙均不符合，所以不能表達(dá)目的基因的產(chǎn)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(guān)注基因工程與必修知識(shí)及基因工程與其他生物科技技術(shù)的綜合

1.基因工程與必修知識(shí)結(jié)合命題

基因工程部分在高考題中也不一定以單一知識(shí)點(diǎn)形式呈現(xiàn)。例如2015年全國新課標(biāo)卷Ⅰ的理綜40題，把“基因工程”的內(nèi)容與必修3中“免疫調(diào)節(jié)及HIV病毒知識(shí)”相結(jié)合。

例2（2015·全國卷Ⅰ）.HIV屬于逆轉(zhuǎn)錄病毒，是艾滋病的病原體?；卮鹣铝袉栴}：

（1）用基因工程方法制備HIV的某蛋白（目的蛋白）時(shí)，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(gòu)建重組表達(dá)載體，隨后導(dǎo)入受體細(xì)胞。

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

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

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

【答案】（1）RNA 逆轉(zhuǎn)錄酶 DNA （2）抗體 該種抗體可與HIV上相應(yīng)抗原特異性結(jié)合 （3）T淋巴 （4）監(jiān)控和清除

【解析】本題結(jié)合HIV病毒繁殖及免疫調(diào)節(jié)的相關(guān)知識(shí)考查基因工程的操作過程。（1）HIV是一種逆轉(zhuǎn)錄RNA病毒，侵入機(jī)體后，以 T 淋巴細(xì)胞作為宿主細(xì)胞，破壞機(jī)體免疫系統(tǒng)。若要獲取HIV的某種蛋白質(zhì)，需將HIV的遺傳物質(zhì)RNA提取出來，在逆轉(zhuǎn)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(zhì)的目的基因，構(gòu)建基因表達(dá)的載體，導(dǎo)入到受體細(xì)胞中，讓其在受體細(xì)胞中表達(dá)出相應(yīng)蛋白質(zhì)。（2）從受體細(xì)胞中分離純化出該種蛋白質(zhì)后，注射入機(jī)體，引發(fā)機(jī)體特異性免疫反應(yīng)，漿細(xì)胞合成分泌出相應(yīng)抗體，該種抗體能夠檢測(cè)血清中有無HIV的存在，因?yàn)樵摲N抗體能夠與HIV上相應(yīng)蛋白質(zhì)發(fā)生特異性結(jié)合。（3）HIV病毒專門攻擊人體的 T 淋巴細(xì)胞，使體內(nèi) T 淋巴細(xì)胞數(shù)量減少，影響特異性免疫。（4）人體免疫系統(tǒng)具有防御、監(jiān)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(biāo)準(zhǔn)答案為“RNA”，少數(shù)考生由于對(duì)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(biāo)準(zhǔn)答案為“逆轉(zhuǎn)錄酶”，少數(shù)考生答成“逆轉(zhuǎn)錄、反轉(zhuǎn)錄、DNA聚合酶、DNA連接酶”等錯(cuò)誤答案，未能得分；第3空標(biāo)準(zhǔn)答案為“cDNA或DNA”，少部分考生對(duì)本題考查內(nèi)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(fù)習(xí)中，考生應(yīng)重視專業(yè)術(shù)語的準(zhǔn)確表達(dá)，牢記課本重點(diǎn)詞語表述方式，夯實(shí)基礎(chǔ)才能在高考中提高得分率。

2.基因工程與細(xì)胞工程知識(shí)結(jié)合命題

例3（2015·福建卷）.GDNF是一種神經(jīng)營養(yǎng)因子，對(duì)損傷的神經(jīng)細(xì)胞具有營養(yǎng)和保護(hù)作用。研究人員構(gòu)建了含GDNF基因的表達(dá)載體（如圖1所示），并導(dǎo)入到大鼠神經(jīng)干細(xì)胞中，用于干細(xì)胞基因治療的研究。請(qǐng)回答：

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

（2）構(gòu)建含GDNF基因的表達(dá)載體時(shí)，需選擇圖1中的________限制酶進(jìn)行酶切。

（3）經(jīng)酶切后的載體和GDNF基因進(jìn)行連接，連接產(chǎn)物經(jīng)篩選得到的載體主要有三種：單個(gè)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(duì)篩選的載體進(jìn)行雙酶切，并對(duì)酶切后的DNA片段進(jìn)行電泳分析，結(jié)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(dá)載體導(dǎo)入神經(jīng)干細(xì)胞后，為了檢測(cè)GDNF基因是否成功表達(dá)，可用相應(yīng)的________與提取的蛋白質(zhì)雜交。當(dāng)培養(yǎng)的神經(jīng)干細(xì)胞達(dá)到一定的密度時(shí)，需進(jìn)行________培養(yǎng)以得到更多數(shù)量的細(xì)胞，用于神經(jīng)干細(xì)胞移植治療實(shí)驗(yàn)。

【答案】（1）使細(xì)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(xì)胞工程，并考查學(xué)生推理能力，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析問題和解決問題的能力。題中圖形和文字信息結(jié)合，體現(xiàn)了生物學(xué)知識(shí)常以圖表形式出現(xiàn)的特點(diǎn)，要求學(xué)生有較好的識(shí)圖能力和理解能力。（1）動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)時(shí)，可用胰蛋白酶或膠原蛋白酶處理，使細(xì)胞分散開。（2）質(zhì)粒上有XhoⅠ識(shí)別位點(diǎn)，而且在啟動(dòng)子之后；目的基因兩側(cè)均有XhoⅠ限制酶的酶切位點(diǎn)，可切下目的基因，所以選用XhoⅠ限制酶進(jìn)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(zhì)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(shí)HpaⅠ酶和BamHⅠ酶雙酶切后得到，據(jù)此推斷③為反向連接。（4）檢測(cè)基因是否表達(dá)采用抗原—抗體雜交法；培養(yǎng)動(dòng)物細(xì)胞采用動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)法，當(dāng)細(xì)胞密度達(dá)到一定程度，需要進(jìn)行分瓶，進(jìn)行傳代培養(yǎng)。

3.基因工程與蛋白質(zhì)工程的結(jié)合命題

例4（改編題）.某生物體內(nèi)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?qū)氪竽c桿菌內(nèi)，制備“工程菌”的示意圖。據(jù)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(jù)目標(biāo)蛋白質(zhì)的________序列，推測(cè)出相應(yīng)的mRNA序列，然后按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，推測(cè)其DNA的________序列，再通過________方法合成所需基因。

（2）利用PCR技術(shù)擴(kuò)增DNA時(shí)，需要在反應(yīng)體系中添加的有機(jī)物質(zhì)有________、________、4種脫氧核糖核苷酸和_____________酶，擴(kuò)增過程可以在PCR擴(kuò)增儀中完成。

（3）下列關(guān)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(diǎn)結(jié)合，催化遺傳信息的轉(zhuǎn)錄

C. 一種DNA限制酶能識(shí)別一種核糖核苷酸序列

D. 胰蛋白酶能作用于離體的動(dòng)物組織，使其分散成單個(gè)細(xì)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(shí)D稱為_______。

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

【答案】（1）逆轉(zhuǎn)錄 氨基酸 脫氧核苷酸 人工合成（化學(xué)） （2）引物 模板DNA 熱穩(wěn)定性DNA聚合（Taq）（3）C （4）重組DNA（或重組質(zhì)粒） 吸收周圍環(huán)境中的DNA 感受態(tài)細(xì)胞 （5）穩(wěn)定遺傳并能表達(dá)出A蛋白

【解析】（1）利用反轉(zhuǎn)錄法合成目的基因的過程：以mRNA為模板，在逆轉(zhuǎn)錄酶的催化下，合成單鏈的DNA，逆轉(zhuǎn)錄酶具有DNA聚合酶活性，在它的作用下，合成雙鏈DNA；根據(jù)蛋白質(zhì)來獲得目的基因的過程：根據(jù)目標(biāo)蛋白質(zhì)的氨基酸序列，推測(cè)出相應(yīng)的mRNA序列，然后按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，推測(cè)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(wěn)定性DNA聚合酶等條件，在PCR反應(yīng)體系中應(yīng)添加這些物質(zhì)。（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(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，催化遺傳信息的轉(zhuǎn)錄，B正確；一種DNA限制酶能識(shí)別一種“脫氧核糖核苷酸序列”而不是“核糖核苷酸序列”，C錯(cuò)；胰蛋白酶能將離體的動(dòng)物組織細(xì)胞間質(zhì)中膠原蛋白分解，使其分散成單個(gè)細(xì)胞，D正確。（4）由圖可知，A為目的基因，B為運(yùn)載體，二者結(jié)合在一起，形成的C是重組DNA（或重組質(zhì)粒）；將目的基因?qū)胛⑸锛?xì)胞，常用Ca2＋處理受體細(xì)胞，使之更易吸收周圍環(huán)境中的DNA，稱為感受態(tài)細(xì)胞，可以提高受體細(xì)胞的轉(zhuǎn)化率。（5）目的基因?qū)胧荏w細(xì)菌，是否可以穩(wěn)定維持和表達(dá)其遺傳性，可通過檢測(cè)與鑒定，得到穩(wěn)定遺傳并能表達(dá)出A蛋白的細(xì)菌作為工程菌。

4.基因工程、胚胎工程和細(xì)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(zhì)量密切相關(guān)。獲得轉(zhuǎn)KIFⅡ基因的高絨質(zhì)絨山羊的簡單流程如圖。

（1）過程①中最常用的運(yùn)載工具是_______，這里也可以用動(dòng)物病毒或________作運(yùn)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(gè)成纖維細(xì)胞。在培養(yǎng)過程中，將成纖維細(xì)胞置于________和5% CO2的混合的氣體培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)。培養(yǎng)液中加入________達(dá)到無菌環(huán)境，將成纖維細(xì)胞置于5%CO2的氣體環(huán)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(xì)胞。成熟卵（母）細(xì)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(xì)胞。

（4）從重組細(xì)胞到早期胚胎過程中所用的胚胎工程技術(shù)是________。在胚胎移植前，通過________技術(shù)可獲得較多胚胎，此技術(shù)若選囊胚作材料，應(yīng)注意的事項(xiàng)是_______。

【答案】（1）質(zhì)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(yǎng)液的pH值

（3）促性腺激素 細(xì)胞核和第一極體

（4）（早期）胚胎培養(yǎng) 胚胎分割 將內(nèi)細(xì)胞團(tuán)均等分割

從以上幾道例題我們可以得到以下啟示：在“現(xiàn)代生物科技專題”復(fù)習(xí)中，第一，要重視課本，夯實(shí)基礎(chǔ)，掌握基本概念、識(shí)記基本流程、理解基本原理；第二，注重專業(yè)術(shù)語使用的準(zhǔn)確性，區(qū)分相近易混的“關(guān)鍵詞語”；第三，注重學(xué)科內(nèi)知識(shí)的綜合，盡量構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。第四，學(xué)會(huì)把基本操作流程圖示化，學(xué)會(huì)從圖表中獲取關(guān)鍵信息，提高自身的圖文轉(zhuǎn)換能力。

同時(shí)在復(fù)習(xí)中要選做一些綜合性強(qiáng)的題目，從中體會(huì)部分考點(diǎn)知識(shí)的特殊呈現(xiàn)形式，也訓(xùn)練自己的綜合分析能力及實(shí)際運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力。

（作者單位：河北省盧龍縣中學(xué)）