第3、4章 基因工程、生物技术安全性和伦理性问题（知识清单）-2023-2024学年高二生物下学期期末复习大礼包（讲+背+练）

第3、4章 基因工程、生物技术安全性和伦理性问题 知识清单 1.基因工程是指按照人们的愿望，进行严格的设计，通过体外DNA重组和转基因技术，赋予生物以新的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。基因工程是在DNA分子水平上进行设计和施工的，又叫做DNA重组技术。 2.基因工程的诞生（三个理论和三个技术）： 基因工程是在生物化学、分子生物学和微生物学等学科基础上发展起来的，正是这些学科的基础理论和相关技术的发展催生了基因工程，具体有三大理论发现和三个技术突破。 （1） 理论基础： ①DNA是遗传物质； ②DNA分子的双螺旋结构和半保留复制； ③遗传密码的通用性和遗传信息传递的方式； （2） 技术基础： ①限制性核酸内切酶的发现与DNA的切割； ②DNA连接酶的发现与DNA片段的连接； ③基因工程载体的构建与应用 3.理论上的三大发现 ⑴发现了遗传物质——DNA 1944年，艾弗里（O.T.Avery）的肺炎双球菌转化实验 ⑵揭示了遗传物质的分子机制：DNA分子的双螺旋结构和半保留复制 1953年，沃森（J.D.Watson）和克里克（F.Crick）的DNA双螺旋结构模型、半保留复制图，获1958年诺贝尔奖。 ⑶确立了遗传信息的传递方式：以密码形式传递 1963年，美国尼伦伯格（M.W.Nirenberg）和马太（H.Matthaei）确立了遗传信息以密码形式传递，破译了编码氨基酸的遗传密码(3个核苷酸=1个密码子=1个aa)。 （3）技术上的三大突破 ⑴世界上第一个重组DNA实验：实现不同来源DNA的体外重组 1972年斯坦福大学化学家伯格（P.Berg）借助内切酶和连接酶将猴病毒SV40的DNA和大肠杆菌λ噬菌体的DNA在试管中连接在了一起，第一次成功地实现了DNA的体外重组。 ⑵第一个基因克隆实验：重组DNA表达实验，是世界上第一个基因工程实验 1973年美国斯坦福大学医学院遗传学家科恩（S.Cohen）将体外构建的含有四环素和卡那霉素抗性基因的重组质粒导入大肠杆菌，获得了具有双抗性的大肠杆菌转化子，成功完成了第一个基因克隆实验。是基因工程诞生的标志。 ⑶第一个真核基因在原核生物中的表达：第一次实现了异源真核基因在原核生物中的表达 1974年，科恩（S.Cohen）和博耶（H.Boyer）将非洲爪蟾编码核糖体基因的DNA片断同pSC101质粒重组，并导入大肠杆菌细胞，结果表明动物基因已进入大肠杆菌并转录出相应的mRNA产物，第一次实现了异源真核基因在原核生物中的表达。 第1节 DNA重组技术的基本工具 一、DNA基因工程的基本工具 1.DNA基因工程至少需要三种工具：“分子手术刀”——限制性核酸内切酶（限制酶）；“分子缝合针”——DNA连接酶；“分子运输车”——基因进入受体细胞的载体。 （1）“分子手术刀”——限制性核酸内切酶（限制酶） ①来源：主要是从原核生物中分离纯化出来的。 ②功能：能识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列，且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开，因此具有专一性。 ③结果：经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式：粘性末端和平末端。 思考：下图中的图1和图2分别表示的是EcoRⅠ限制酶和SmaⅠ限制酶的作用示意图，从图示可以看出，EcoRⅠ限制酶识别的碱基序列是GAATTC，切割位点在G和A之间；SmaⅠ限制酶识别的碱基序列是CCCGGG，切割位点在G和C之间。图1说明，EcoRⅠ发挥作用是在它识别序列的中心轴线两侧将DNA的两条链分别切开，所以产生的是黏性末端，图2说明SmaⅠ发挥作用是在它识别序列的中心轴线处将DNA的两条链分别切开，所以产生的是平末端。（P71“图3-3”改编） （2）“分子缝合针”——DNA连接酶 ①)两种DNA连接酶（E·coliDNA连接酶和T4DNA连接酶）的比较： a.相同点：都缝合磷酸二酯键。 b.区别：E·coli DNA连接酶来源于T4噬菌体，只能将双链DNA片段互补的粘性末端之间的磷酸二酯键连接起来；而T4DNA连接酶能缝合两种末端，但连接平末端的之间的效率较低。 ②与DNA聚合酶作用的异同：DNA聚合酶只能将单个核苷酸加到已有的核苷酸片段的末端，形成磷酸二酯键。DNA连接酶是连接两个DNA片段的末端，形成磷酸二酯键。 （3） DNA 连接酶——“分子缝合针” ① 作用: 将双链 DNA 片段“缝合” 起来, 恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。 ② 种类: 种类 来源 特点 E.coliDNA连接酶 大肠杆菌 只能“缝合”具有互补粘性末端的双链DNA片段 T4DNA连接酶 T4噬菌体 既可以“缝合”双链DNA片段互补粘性末端，又可“缝合”双链DNA片段的平末端。 (4)“分子运输车”——载体 ①载体具备的条件： a.能在受体细胞中复制并稳定保存。 b.具有一至多个限制酶切点，供外源DNA片段插入。 c.具有标记基因，供重组DNA的鉴定和选择。 ②最常用的载体是质粒，它是一种裸露的、结构简单的、独立于细菌染色体之外，并具有自我复制能力的双链环状DNA分子。 ③其它载体：噬菌体的衍生物、动植物病毒 2.比较与DNA有关的六种酶 名称 作用部位 作用底物 作用结果 限制酶 磷酸二酯键 DNA 将DNA切成两个片段 DNA连接酶 磷酸二酯键 DNA片段 将两个DNA片段连接为一个DNA分子 DNA聚合酶或热稳定DNA聚合酶 磷酸二酯键 脱氧核苷酸 将单个脱氧核苷酸依次连接到单链末端 DNA(水解)酶 磷酸二酯键 DNA 将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸 解旋酶 碱基对之间的氢键 DNA 将双链DNA分子局部解旋为单链，形成两条长链 RNA聚合酶 磷酸二酯键 核糖核苷酸 将单个核糖核苷酸依次连接到单链末端 二、DNA 的粗提取与鉴定 1. 实验原理: （1）提取DNA的原理：DNA、RNA、蛋白质和脂质等在物理和化学性质方面存在差异，可以利用这些差异，选用适当的物理或化学方法对它们进行提取。例如，利用DNA不溶于酒精，但某些蛋白质溶于酒精这一原理，可以初步分离DNA与蛋白质；DNA在不同浓度的NaCl溶液中溶解度不同，它能溶于2mol/L的NaCl溶液。 （2）鉴定DNA的原理：在一定温度下，DNA遇二苯胺试剂会呈现蓝色，因此二苯胺试剂可以作为鉴定DNA的试剂。 2. 方法步骤: （1）称取约30g洋葱，切碎，然后放入研钵中，倒入10mL研磨液，充分研磨。 （2）去除滤液中的杂质。方案一：在漏斗中垫上纱布，将洋葱研磨液过滤到烧杯中，在4℃冰箱中放置几分钟后，再取上清液；方案二：直接将研磨液倒入塑料离心管中，在1500r/min的转速下离心5min，再取上清液。 （3）DNA的析出：方案一：在上清液中加入体积相等的、预冷的酒精溶液(体积分数为95%)，静置2～3min，溶液中出现的白色丝状物就是粗提取的DNA；用玻璃棒沿一个方向搅拌，卷起丝状物，并用滤纸吸去上面的水分；方案二：将溶液倒入塑料离心管中，在10000r/min的转速下离心5min，弃上清液，将管底的沉淀物(粗提取的DNA)晾干。 （4）DNA的鉴定：取两支20mL的试管，各加入2mol/L的NaCl溶液5mL。将丝状物或沉淀物溶解于其中一支试管的NaCl溶液中，再向两支试管中加入4mL的二苯胺试剂。混合均匀后，将试管置于沸水中加热5min，待试管冷却后，比较两支试管中溶液颜色的变化。 3.结果分析与评价：观察提取的DNA的颜色，如果不是白色状物，说明DNA中的杂质较多。二苯胺试剂鉴定呈现蓝色，说明实验基本成功；如果不呈现蓝色，可能原因有所提取的DNA含量低，或者在实验操作过程中出现了失误等。 提示:还原糖加斐林试剂后, 置于 55～65 ℃热水中加热; 而 DNA 加二苯胺试剂后, 置于沸水中加 热。 4.DNA粗提取中的注意事项 （1）本实验不能用哺乳动物成熟的红细胞作实验材料，原因是哺乳动物成熟的红细胞 无细胞核(无DNA)。可选用鸡血细胞作材料。 （2）加入洗涤剂后，动作要轻缓、柔和，否则容易产生大量的泡沫。加入酒精 和用玻璃棒搅拌时，动作要轻缓，以免加剧DNA分子的断裂，导致DNA分子不能形成絮状沉淀 。 （3）二苯胺试剂要现配现用 ，否则会影响鉴定的效果。 （4）提取植物细胞的DNA时，加入的洗涤剂能溶解细胞膜 ，有利于DNA的释放；加入食盐(主要成分是NaCl)的目的是溶解DNA。 （5）在DNA进一步提纯时，选用冷却的95%的酒精 的作用是溶解杂质和析出DNA。 第2节 基因工程的基本操作程序 基因工程的基本操作程序主要包括四个步骤：目的基因的获取、基因表达载体的构建、将目的基因导入受体细胞、目的基因的检测与鉴定。 一、目的筛选与获取 1.目的基因概念：在基因工程的设计和操作中，用于改变受体细胞性状或获得预期表达产物等的基因就是目的基因。根据不同的需要，目的基因是不同的，它主要是指编码蛋白质的基因,如与生物抗逆性、优良品质、生产药物、毒物降解和工业用酶等相关的基因。 2.筛选合适的目的基因： （1）从相关的已知结构和功能清晰的基因中进行筛选是筛选合适的目的基因较为有效的方法之一。测序技术的发展，以及遗传序列数据库、序列比对工具等的应用，为科学家找到合适的目的基因提供了更多的机会和可能。 （2）获取目的基因方法： ①人工合成目的基因。例如，我国首批具有较高抗虫活性的转基因抗虫棉的培育过程中，科学家人工合成了目的基因。 ②常用PCR特异性地快速扩增目的基因。 ③通过构建基因文库来获取目的基因。 （3）利用PCR获取和扩增目的基因 (1)含义：PCR是聚合酶链式反应的缩写。它是一项在体外提供参与DNA复制的各种组分与反应条件，对目的基因的核苷酸序列进行大量复制的技术。该技术由穆里斯等人于1988年发明。 （2）原理：DNA半保留复制。 （3）基本条件： ①场所：在一定的缓冲溶液中进行，其中一般要添加Mg2＋。 ②DNA复制的模板：DNA母链。 ③合成子链的原料：4种脱氧核苷酸。 ④酶：耐高温的DNA聚合酶，其作用是催化合成DNA子链。 ⑤引物：其作用是使DNA聚合酶能够从引物的3′端开始连接脱氧核苷酸。 (4)过程：目的基因DNA受热变性后解为单链，引物与单链相应互补序列结合；然后以单链DNA为模板，在DNA聚合酶作用下进行延伸,即将4种脱氧核甘酸加到引物的3'端，如此重复循环多次。由于延伸后得到的产物又可以作为下一个循环的模板，因而每一次循环后目的基因的量可以增加一倍，即成指数形式扩增（2n,其中n为扩增循环的次数）。每次循环一般可以分为变性、复性和延伸三步： ①变性：当温度上升到90℃时，双链DNA解聚为单链。 ②复性：当温度下降到50℃左右时，两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合。 ③延伸：当温度上升到72℃左右时，溶液中的4种脱氧核苷酸在耐高温的DNA聚合酶的作用下，根据碱基互补配对原则合成新的DNA链。 (5)操作：PCR过程可以在PCR扩增仪中自动完成。 (6)鉴定：常采用琼脂糖凝胶电泳来鉴定PCR的产物。 4.获取目的基因的其他方法：在获得转基因产品的过程中，除通过PCR获取目的基因外，还可以通过构建基因文库来获取目的基因。 5.从基因工程的目的来看，基因工程操作中要有“目的基因的筛选与获取”这一步的原因是：有了目的基因，才能赋予一种生物以另一种生物的遗传特性，创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。（P176“教师教学用书”） 思考：下图为PCR反应原理示意图，图中①表示引物，该物质是一小段能与DNA母链的一段碱基序列互补配对的短单链核酸；②表示热稳定性聚合酶（Taq酶）；dCTP、dATP、dGTP、dTTP的中文名称依次是：三磷酸胞嘧啶脱氧核苷酸、三磷酸腺嘌呤脱氧核苷酸、三磷酸鸟嘌呤脱氧核苷酸、三磷酸胸腺嘧啶脱氧核苷酸；③表示变性（双链DNA解聚为单链），发生该过程的条件是温度上升到90℃；④表示复性（两种引物通过碱基互补配对与两条单链DNA结合，发生该过程的条件是温度下降到50℃左右；⑤表示延伸（4种脱氧核苷酸在耐高温的DNA聚合酶的作用下，根据碱基互补配对原则合成新的DNA链），发生该过程的条件是温度上升到72℃左右。（P77“相关信息”P78“图3-5”改编） 二、基因表达载体的构建（核心） 1．基因表达载体构建的目的：让目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代，同时使目的基因能够表达和发挥作用。 2．基因表达载体的组成：一个基因表达载体应含有目的基因、标记基因、启动子、终止子等。 3．基因表达载体的构建过程：首先用一定的限制酶切割载体，使它出现一个切口；然后用同一种限制酶或能产生相同末端的限制酶切割含有目的基因的DNA片段；再利用DNA连接酶将目的基因片段拼接到载体的切口处，这样就形成了一个重组DNA分子。 思考1：构建基因表达载体的过程，甲、乙、丙表示相关酶，甲、乙应是同一种限制酶或能产生相同末端的限制酶，甲酶作用形成了一个切口，两个黏性末端，乙酶作用形成了两个切口，四个黏性末端；丙酶是DNA连接酶，丙酶作用后若考虑DNA片段的两两相连情况，则会出现目的基因与目的基因连接、目的基因与质粒连接、质粒与质粒连接三种情况，因此，需通过筛选才可获得目的基因与质粒连接的重组质粒。 思考2：下图为基因表达载体模式图，图中①表示启动子，它是一段有特殊序列结构的DNA片段，位于基因的上游，紧挨转录的起始位点，它是RNA聚合酶识别和结合的部位，其作用是驱动基因转录出mRNA，最终表达出人类所需要的蛋白质。有时为了满足应用需要，会在载体中人工构建诱导型启动子，当诱导物存在时，可以激活或抑制目的基因的表达。②表示终止子，位于基因的下游，是一段有特殊序列结构的DNA短片段，其作用是能够使转录在所需要的地方停止下来。③表示标记基因，其作用是鉴别受体细胞中是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来，如抗生素抗性基因就可以作为这种基因。 思考3：在基因工程操作中要有“表达载体的构建”这一步，因为单独的目的基因是不能稳定遗传的。而构建表达载体可以使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传给下一代，同时使目的基因能够表达和发挥作用。（P177“教师教学用书”）基因表达载体的构建会因目的基因的不同、受体细胞的不同而有所差别，不可能是千篇一律的。 归纳：启动子、终止子、起始密码子、终止密码子对比 比较项目 启动子 终止子 起始密码子 终止密码子 本质 DNA片段 DNA片段 mRNA上三个相邻的碱基 mRNA上三个相邻的碱基 位置 目的基因上游 目的基因下游 mRNA首端 mRNA尾端 功能 RNA聚合酶识别和结合的部位，驱动基因转录出mRNA 使转录在所需要的地方停下来 翻译的起始信号（编码氨基酸） 翻译的结束信号（不编码氨基酸） 三、将目的基因导入受体细胞 1.将目的基因导入植物细胞 （1）花粉管通道法：花粉管通道法有多种操作方式。例如，可以用微量注射器将含目的基因的DNA溶液直接注入子房中；可以在植物受粉后的一定时间内，剪去柱头，将DNA溶液滴加在花柱切面上，使目的基因借助花粉管通道进入胚囊。 （2）农杆菌转化法： ①转化：转化是指目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。注：此处“转化”与肺炎链球菌转化实验中的“转化”含义相同，实质都是基因重组。 ②农杆菌的特点：农杆菌能在自然条件下侵染双子叶植物和裸子植物，而对大多数单子叶植物没有侵染能力。农杆菌细胞内含有Ti质粒，当它侵染植物细胞后，能将Ti质粒上的T-DNA(可转移的DNA)转移到被侵染的细胞，并且将其整合到该细胞的染色体DNA上。 ③转化过程：如果将目的基因插入Ti质粒的T-DNA中，通过农杆菌的转化作用，就可以使目的基因进入植物细胞。 2.将目的基因导入动物细胞：将目的基因导入动物受精卵最常用的一种方法是利用显微注射直接将目的基因注入动物的受精卵中,这个受精卵将发育成为具有新性状的动物。 3. 将目的基因导入微生物细胞：常以大肠杆菌作为受体细胞，一般先用Ca2＋处理受体细胞，使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态，然后再将重组的基因表达载体导入其中。 4.常用的转化方法： ①将目的基因导入植物细胞：采用最多的方法是 农杆菌转化法和 花粉管通道法等。 ②将目的基因导入动物细胞：最常用的方法是 显微注射技术。此方法的受体细胞多是 受精卵。 ③将目的基因导入微生物细胞：Ca2+处理法(感受态细胞法或CaCl2法) 思考：1.下图为农杆菌转化法示意图，图中①表示T-DNA，②表示构建表达载体的过程，③的名称是含目的基因的重组Ti质粒，④表示转入农杆菌的过程，⑤表示导入植物细胞的过程，⑥表示将目的基因插入染色体的DNA中，⑦表示培养再生成植株的过程，该过程中所用的技术是植物组织培养技术。 思考：2.在基因工程操作中要有“目的基因导入受体细胞”这一步，这是因为含有目的基因的表达载体只有进入受体细胞，并且维持稳定和表达，才能实现一种生物的基因在另一种生物中的转化。（P177“教师教学用书”） 四、目的基因的检测与鉴定 1.目的：目的基因的检测与鉴定的目的是判断导入受体细胞后的目的基因是否可以稳定维持和表达其遗传特性。这是基因工程的第四步工作，也是检査基因工程是否做成功的一步。例如：一个抗虫或抗病的目的基因导入植物细胞后，是否赋予了植物抗虫或抗病特性，需要做抗虫或抗病的接种实验，以确定是否具有抗性以及抗性的程度。这属于基因工程操作中的第四步——检测和鉴定目的基因是否稳定维持和表达其遗传特性。 2.方法： （1）分子生物学水平的检测：通过PCR等技术检测受体细胞的染色体DNA上是否插入了目的基因。利用PCR技术检测目的基因是否转录出了mRNA。用相应抗体进行抗原—抗体杂交检测目的基因是否翻译成蛋白质等。 （2）个体水平的鉴定：除进行分子水平检测外，还需要进行个体生物学水平的鉴定，例如，通过抗虫、抗病接种实验等判断是否获得了抗性及抗性程度。 五、DNA片段的扩增及电泳鉴定 1.实验原理 （1）DNA片段的扩增：PCR利用了DNA的热变性原理，通过调节温度来控制DNA双链的解聚与结合。PCR仪实质上就是一台能够自动调控温度的仪器。一次PCR一般要经历30次循环。 （2）琼脂糖凝胶电泳：DNA分子具有可解离的基团，在一定的pH下,这些基团可以带上正电荷或负电荷。在电场的作用下，这些带电分子会向着与它所带电荷相反的电极移动，这个过程就是电泳。PCR的产物一般通过琼脂糖凝胶电泳来鉴定。在凝胶中DNA分子的迁移速率与凝胶的浓度、DNA分子的大小和构象等有关。凝胶中的DNA分子通过染色，可以在波长为300nm的紫外灯下被检测出来。 2.方法步骤 （1）移液：用微量移液器按照配方或PCR试剂盒的说明书，在微量离心管中依次加入各组分。待所有的组分都加入后，盖严离心管的盖子。 （2）离心：将微量离心管放在离心机上，离心约10s，使反应液集中在管的底部。 （3）反应：将装有反应液的微量离心管放入PCR仪中，设置程序进行反应。 （4）根据待分离的DNA片段的大小，用电泳缓冲液配制琼脂糖溶液，一般配制质量分数为0.8%～1.2%的琼脂糖溶液，并加入适量的核酸染料混匀。 （5）将扩增得到的PCR产物与凝胶载样缓冲液(内含指示剂)混合，再用微量移液器将混合液缓慢注入凝胶的加样孔内。 （6）接通电源，根据电泳槽阳极至阴极之间的距离来设定电压，一般为1～5V/cm。待指示剂前沿迁移接近凝胶边缘时，停止电泳。 （7）电泳结束后，取出凝胶置于紫外灯下观察和照相。 3.操作提示 （1）为避免外源DNA等因素的污染，PCR实验中使用的微量离心管、枪头和蒸馏水等在使用前必须进行高压灭菌处理。 （2）缓冲液和酶应分装成小份，并在－20℃储存。使用前将所需试剂从冰箱拿出，放在冰块上缓慢融化。 （3）在向微量离心管中添加反应组分时，每吸取一种试剂后，移液器上的枪头都必须更换。 （4）在进行操作时，一定要戴好一次性手套。 4.结果分析与评价 （1）可以通过在紫外灯下直接观察DNA条带的分布及粗细程度来评价扩增的结果。（P85“问题1”） （2）如果扩增不成功，可能的原因有：漏加了PCR的反应成分，各反应成分的用量不当，PCR程序设置不当等。如果扩增结果不止一条条带，可能的原因有：引物设计不合理，它们与非目的序列有同源性或容易聚合形成二聚体；退火温度过低；DNA聚合酶的质量不好等。（P85“问题2”） 第3节 基因工程的应用 一、基因工程在农牧业方面的应用 基因工程在农牧业方面的应用主要被广泛用于改良动植物品种、提高作物和畜产品的产量等方面。具体来说，其在植物方面应用主要有培育转基因抗虫植物、转基因抗病植物、转基因抗除草剂植物以及改良植物的品质，在动物方面的应用主要有提高动物的生长速率、改善畜产品的品质。 1.转基因抗虫植物 (1)方法：从某些生物中分离出具有抗虫功能的基因，将它导入作物中培育出具有抗虫性的作物。 (2)成果：已问世的转基因抗虫棉花、玉米、大豆、水稻和马铃薯等。 2．转基因抗病植物 (1)背景：许多栽培作物由于自身缺少抗病基因，因此用常规育种的方法很难培育出抗病的新品种。 (2)方法：科学家将来源于某些病毒、真菌等的抗病基因导入植物中，培育出了转基因抗病植物。 (3)成果：转基因抗病毒甜椒、番木瓜和烟草等。 3．转基因抗除草剂植物 (1)背景：杂草常常危害农业生产，而大多数除草剂不仅能杀死田间杂草，还会损伤作物，导致作物减产。 (2)方法：将降解或抵抗某种除草剂的基因导入作物，可以培育出抗除草剂的作物品种。 (3)优点：在喷洒除草剂时，田间杂草会被杀死而作物不会受到损伤。 (4)成果：转基因抗除草剂玉米、大豆、油菜和甜菜等。 4.改良植物的品质：利用转基因技术可以提高植物的营养价值、观赏价值等。例如，将必需氨基酸含量多的蛋白质编码基因导入植物中，可以提高这种氨基酸的含量。我国科学家成功地将与植物花青素代谢相关的基因导入矮牵牛中，使它呈现出自然界没有的颜色变异，大大提高了它的观赏价值。 5.提高动物的生长速率： （1）原理及方法：由于外源生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得更快，因此科学家将这类基因导入动物体内，以提高动物的生长速率。 （2）成果：我国科学家将外源生长激素基因导入鲤鱼,在同等养殖条件下，转基因鲤鱼的生长速率比非转基因鲤鱼提高了42%〜115%。 6．改善畜产品的品质：有些人由于乳糖酶分泌少,不能完全消化牛奶中的乳糖，食用牛奶后会出现腹泻等不适症状，这称为乳糖不耐受。我国约有1/3的成年人对乳糖不耐受。为了解决这一问题，科学家将肠乳糖酶基因导入奶牛基因组，使获得的转基因牛分泌的乳汁中，乳糖的含量大大降低，而其他营养成分不受影响。 思考：从环境保护角度出发，转基因抗虫水稻与普通水稻相比在害虫防治方面的优越性有：减少了化学农药的使用量，降低了环境污染；降低生产成本。 二、基因工程在医药卫生领域的应用 （1）对微生物或动植物的细胞进行基因改造，使它们能够生产药物。这些药物包括细胞因子、抗体、疫苗和激素等，它们可以用来预防和治疗人类肿瘤、心血管疾病、传染病、糖尿病和类风湿关节炎等。我国生产的重组人干扰素、血小板生成素、促红细胞生成素和粒细胞集落刺激因子等基因工程药物均已投放市场。 （2）利用基因工程技术，让哺乳动物批量生产药物。科学家将药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起，通过显微注射的方法导入哺乳动物的受精卵中，由这个受精卵发育成的转基因动物在进入泌乳期后，可以通过分泌乳汁来生产所需要的药物,这称为乳腺生物反应器或乳房生物反应器。目前，科学家已经在牛、山羊等动物乳腺生物反应器中，获得了抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和a-抗胰蛋白酶等重要的医药产品。构建乳腺生物反应器的过程为：将药用蛋白基因与乳腺中特异表达的基因的启动子等调控元件重组在一起，通过显微注射的方法导入哺乳动物的受精卵中，由此发育成的转基因动物在进入泌乳期后，可以通过分泌乳汁来生产所需要的药物,这称为乳腺生物反应器或乳房生物反应器。 （3）基因工程技术还可能使建立移植器官工厂的设想成为现实。目前，科学家正尝试利用基因工程技术对猪的器官进行改造，培育出不会引起免疫排斥反应的转基因克隆猪器官。 三、基因工程在食品工业方面的应用 （1）利用基因工程菌生产食品工业用氨基酸。例如，阿斯巴甜是一种普遍使用的甜味剂，主要由天冬氨酸和苯丙氨酸形成，这两种氨基酸就可以通过基因工程实现大规模生产。 （2）利用基因工程菌生产食品工业用酶。例如，奶酪是一种被广泛食用的发酵奶制品。大多数奶酪的生产需要使用凝乳酶来凝聚固化奶中的蛋白质。科学家将编码牛凝乳酶的基因导入大肠杆菌、黑曲霉或酵母菌的基因组中，再通过工业发酵批量生产凝乳酶。另外，加工转化糖浆需要的淀粉酶，加工烘烤食品要用到的脂肪酶等也都可以通过构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产。 （3）利用基因工程菌生产食品工业用维生素。 思考：相比从天然产物中提取的酶，通过构建基因工程菌，然后用发酵技术大量生产的食品工业用酶的优点是：纯度更高，生产成本显著降低,生产效率较高。 四、其他方面的应用：基因工程使人们更容易培育出具有优良性状的动植物品种，获得很多过去难以得到的生物制品，甚至还能培育出可以降解多种污染物的“超级细菌”来处理环境污染, 第2节　 蛋白质工程的原理和应用 从基因、蛋白质和性状关系角度，对基因工程的实质可描述为：基因工程是将一种生物的基因转移到另一种生物体内，让后者产生它本不能产生的蛋白质，进而表现出新的性状。基因工程在原则上只能生产自然界已存在的蛋白质。 一、蛋白质工程及其崛起的缘由 1.蛋白质工程的概念: 蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人类的生产和生活的需求。目前，蛋白质工程已成为研究蛋白质结构和功能的重要手段，并将广泛应用于医药和其他工农业生产中。 2. 蛋白质工程崛起的缘由 基因工程原则上只能生产自然界中已存在的蛋白质，这些天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的,它们的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。 实例: 蛋白质缺陷 改造措施 改造后果 玉米中赖氨酸 含量低 赖氨酸合成中两种酶的 氨基酸被替换 叶片和种子中游离的赖氨酸分别 提高5倍和2倍 二、蛋白质工程的基本原理 1.蛋白质工程的基本原理： （1）它可以根据人的需求来设计蛋白质的结构，又称为第二代的基因工程。 （2）蛋白质工程的基本途径：预期的蛋白质功能→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核苷酸序列(基因)或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。下图为蛋白质工程的基本思路，图中A～E处应填写的内容依次为：转录、翻译、推测、多肽链、预期功能。 例如：某多肽链的一段氨基酸序列是：…—丙氨酸—色氨酸—赖氨酸—谷氨酸—苯丙氨酸—…。要得出决定这一段肽链的脱氧核苷酸序列，首先需从遗传密码子表中查出每种氨基酸对应的密码子，然后据此推出mRNA序列，再根据碱基互补配对原则推出脱氧核苷酸序列。由上述氨基酸序列推出的脱氧核苷酸序列有多种，这说明上述氨基酸序列中有些氨基酸是由多个密码子编码的。确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人类的需要改造它。得到目的基因的途径有：人工合成目的基因或从基因文库中获取目的基因。若要对基因改造，常会用到基因定点突变技术来进行碱基的替换、增添等。天然蛋白质合成的过程是按照中心法则进行的：基因→表达（转录和翻译）→形成具有特定氨基酸序列的多肽链→形成具有高级结构的蛋白质→行使生物功能：而蛋白质工程却与之相反，它的基本途径是：从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到并改变相对应的脱氧核甘酸序列（基因）或合成新的基因→获得所需要的蛋白质。 三、蛋白质工程的应用 （1） 医药工业方面: ①速效胰岛素类似物: 改变氨基酸序列, 抑制胰岛素的聚合。 ②干扰素:一个半胱氨酸替换为丝氨酸, 延长保存时间。 ③单克隆抗体:将小鼠抗体上结合抗原的区域“嫁接” 到人的抗体上, 降低诱发免疫反应的强度。 （2）其他工业方面: 用于改进酶的性能或开发新的工业用酶，如利用蛋白质工程获得枯草杆菌蛋白酶的突变体，筛选出符合工业化生产需求的突变体，提高该酶的使用价值。 （3）农业方面: ① 科学家尝试改造某些参与调控光合作用的酶, 提高植物光合作用的效率。 ② 科学家利用蛋白质工程的思路设计优良微生物农药，改造微生物蛋白质的结构, 增强防治病虫害的效果。 第4章 生物技术的安全性与伦理问题 第1节 转基因产品的安全性 生物技术的进步在给人类带来福祉的同时，会引起人们对它安全性的关注，也会与伦理道德发生碰撞，带来新的伦理困惑与挑战。在人类社会中，伦是指人与人之间的关系；理是道德和规则。伦理特指人与人之间的道德准则。 一、转基因成果令人叹为观止 1.微生物方面：对微生物的基因改造是基因工程中研究最早、最广泛和取得实际应用成果最多的领域。例如，转基因技术已被用来减少啤酒酵母双乙酰的生成，缩短啤酒的发酵周期；用基因工程技术构建高产、优质的基因工程菌来生产氨基酸，是目前工业化生产氨基酸的重要途径;用基因工程菌生产药物同样引人注目。 2.转基因动物方面：科学家将生长激素基因、促生长激素释放激素基因等转入动物体内，培育了一批生长迅速、营养品质优良的转基因家禽、家畜；将某些抗病毒的基因导入动物体内，培育了抵抗相应病毒的动物新品种；建立了某些人类疾病的转基因动物模型，模拟疾病的发生和发展过程，为研究该疾病的致病机制和开发治疗药物提供依据，如转基因小鼠1型糖尿病模型、转基因小鼠原发性高血压模型等。 3.转基因植物方面：目前，科学家已经培育出了大批具有抗虫、抗病、抗除草剂和耐储藏等新性状的作物。目前，全世界种植的转基因作物中，种植最多的转基因作物是大豆和玉米，其次是棉花和油菜。 二、对转基因产品安全性的争论、理性看待转基因技术 1.人们的价值观取向不同，对转基因技术就会产生不同的见解，特别是在转基因食品的安全性等方面发生激烈的争论。 (2)理性看待转基因技术需要以完备的相关科学知识为基础，即清晰地了解转基因技术的原理和操作规程；还应该看到人们的观点受到许多复杂的政治、经济和文化等因素的影响；最重要的是，要靠确凿的证据和严谨的逻辑进行思考和辩论。 (3)我国对转基因技术的方针是研究上要大胆，坚持自主创新；推广上要慎重，做到确保安全；管理上要严格，坚持依法监管。 (4)我国针对转基因技术的应用，颁布和实施了一系列法规和政策，既维护了消费者对转基因产品的知情权和选择权，又最大程度地保证了转基因技术和已经上市的转基因产品的安全性。 思考： 1.对微生物的基因改造是基因工程中研究最早、最广泛和取得实际应用成果最多的领域，这是因为微生物具有生理结构和遗传物质简单、生长繁殖快、对环境因素敏感和容易进行遗传物质操作等优点。 2.全世界种植的转基因作物中，种植最多的转基因作物是大豆和玉米，转基因大豆和普通大豆属于（属于、不属于）同一物种，因为转基因生物不是新物种，在转基因技术中，所转移的只是自然界中已存在的外源基因，它不会改变生物原有的分类地位，只能说是具有某种新特征的同一物种。（P102“教材”改编） 3.科学家利用转基因技术，建立了某些人类疾病的转基因动物模型，模拟疾病的发生和发展过程，如转基因小鼠1型糖尿病模型、转基因小鼠原发性高血压模型等。这些动物模型建立的意义是：为研究该疾病的致病机制和开发治疗药物提供依据。 4.我国对农业转基因生物实行了标识制度，实行这一制度的目的是加强对农业转基因生物的标识管理，规范农业转基因生物的销售行为，引导农业转基因生物的生产和消费，保护消费者的知情权。 第2节 关注生物技术的伦理问题 三个关于生物技术的伦理的热点问题: 一、生殖性克隆人面临的伦理问题 1．生殖性克隆与治疗性克隆：生殖性克隆是指通过克隆技术产生独立生存的新个体。治疗性克隆是指利用克隆技术产生特定的细胞、组织和器官，用它们来修复或替代受损的细胞、组织和器官，从而达到治疗疾病的目的。 2.人们对进行生殖性克隆人研究的不同见解： ①有人认为，这是一项科学研究，既然是科学，那就有它自己内在的发展规律，社会应该允许科学家研究；虽然现在人们的伦理道德观念还不能接受这一切，但是人的观念是可以改变的。 ②大多数人对生殖性克隆人的研究持否定态度。有的伦理学家认为，生殖性克隆人“有违人类尊严”。还有伦理学家认为，生殖性克隆人是在人为地制造在心理上和社会地位上都不健全的人，严重地违反了人类伦理道德，是克隆技术的滥用。 ③很多生物学家认为，克隆技术还不成熟，用哺乳动物做克隆实验时，存在构建重构胚成功率低，胚胎移植到母体子宫后着床率低、流产率高、胎儿畸形率高和出生后死亡率高等问题,正常的个体极少。可以预见，生殖性克隆人同样会面临所有的这些问题：流产、死胎和畸形儿等，这显然与人类传统的伦理道德是背道而驰的。 二、我国禁止生殖性克隆人 1.我国政府对生殖性克隆人的态度： （1）态度：我国政府对克隆技术在伦理、法律等方面可能造成的影响非常重视，坚决反对克隆人，不允许进行任何生殖性克隆人实验。我国政府一再重申四不原则：不赞成、不允许、不支持、不接受任何生殖性克隆人实验。 （2）原因： ①克隆人只是某些人出于某种目的制造出的“产品”，没有“父母”，这可能导致他们在心理上受到伤害；②由于技术问题，可能孕育出有严重生理缺陷的克隆人； ③克隆人的家庭地位难以认定，这可能使以血缘为纽带的父子、兄弟和姐妹等人伦关系消亡； ④生殖性克隆人冲击了现有的一些有关婚姻、家庭和两性关系的伦理道德观念； ⑤生殖性克隆人是对人类尊严的侵犯； ⑥生殖性克隆人破坏了人类基因多样性的天然属性，不利于人类的生存和进化。 2.我国政府对治疗性克隆的态度：我国政府同样重视治疗性克隆所涉及的伦理问题，主张对治疗性克隆进行有效监控和严格审查。 三、警惕用新技术研究生殖性克隆人 1.近些年来，干细胞研究取得了一系列重要进展，可能会涉及克隆人研究。 2.2016年，一批国外的科学家和企业家聚集在一起,商议“人类基因组编写计划”，希望合成人类的整个基因组。该计划的支持者认为这将使培育出用于移植的人体器官成为可能，还会加速疫苗的研发等。计划一经提岀，就引起了伦理方面的担忧：如果合成出人类的基因组，就可能造出 “无父母”人类或者拥有相同基因组的“克隆人”。 第3节 禁止生物武器 一、关于生物武器 1．生物武器的种类：生物武器包括致病菌类、病毒类和生化毒剂类等，例如，天花病毒、波特淋菌、霍乱弧菌和炭疽杆菌都可以用来制造生物武器。 2．特点：生物武器的致病能力强、攻击范围广。 3．散布途径及危害：生物武器可以直接或者通过食物、生活必需品和带菌昆虫等散布，经由呼吸道、消化道和皮肤等侵入人、畜体内，造成大规模伤亡，也能大量损害植物。 二、禁止生物武器公约 1.1972年4月，苏联、美国、英国分别在其首都签署了《禁止发展、生产、储存细菌(生物)及毒素武器和销毁此种武器公约》(简称《禁止生物武器公约》)，并于1975年3月生效。1984年11月，我国也加入了这一公约。 2.1998年6月，中美两国元首在关于《禁止生物武器公约》议定书的联合声明中，重申了在任何情况下不发展、不生产、不储存生物武器，并反对生物武器及其技术和设备的扩散。2010年，在第65届联合国大会上，我国政府重申支持《禁止生物武器公约》的宗旨和目标，全面、严格履行公约义务，支持不断加强公约的约束力，并主张全面禁止和彻底销毁生物武器等各类大规模杀伤性武器。 关于生化武器的其他相关知识： 1.生物武器的传播途径 (1)经食物与水传播： 霍乱、 肉毒毒素、 病毒、 炭疽 (2)空气传播： 鼠疫、 炭疽、 类鼻疽、 球孢子菌病 (3)接触传播： 炭疽、 破伤风 (4)虫媒传播： 黄热病、 马脑炎、 落矶山斑疹热、 斑疹伤风、 Q 热、 腺鼠疫 (5)病原体直接传播 2.生物武器的特点 (1)单位面积效应大： 生物武器单位战剂的杀伤面积效应很大。 因为生物战剂的感染剂量极小 (2)有特定的伤害对象 伤害对象只限于有生命的人、 畜和农作物， 而不破坏无生命的物质。 因而适用于攻击不易破坏的目标区， 这一特点正符合侵略者发动战争的目的。 (3)具有传染性 它能以多种性状如致病性气溶胶、 媒介昆虫及媒介物、 毒菌、 毒液等， 多种途径如借空气经呼吸道、 借水及食物经消化道、 借媒介昆虫及创口经皮肤粘膜等使人、 畜和农作物受害， 受害者若不及时处理， 就能互相传染， 不断蔓延， 造成传染病流行， 致使人、 畜及农作物大量死亡。 （4）危害时间久 某些致病菌如炭疽杆菌及毒素能长期存在于外界， 有持久的危害作用， 甚至使当地形成疫源地， 以致传染病不断蔓延。 （5）不易被发现和鉴定 施放生物武器时， 因为没有巨大的爆炸声， 亦无光、 气味和颜色， 鉴定技术也较复杂，需时也较长。 （6）使用者本身易受伤害 生物武器很容易受自然条件如气温、 风力、 阳光和雨雪的影响而丧失作用， 若使用不当 或选择时机不好， 也很容易使使用者本身受到伤害。 （7）生物武器造价低、 技术难度不大、 隐蔽性强可以在任何地方研制和生产。 3..生物武器的局限性 (1) 生物武器主要指病原微生物， 所以它们的生存、 繁殖、 死亡易受环境条件的影响。 如温度： 适宜温度——37℃左右。 若温度过高， 40—50℃， 细胞停止繁殖； 50—70℃， 死亡； 但芽孢必须在 100℃以上的温度条件下才会死亡。 若温度过低， 一般会停止繁殖、 生长， 但不会死亡。 (2)还受地形、 风向等多种条件影响。 (3)生物武器使用时不易控制， 使用不当可危害本方安全。 错点1：误认为目的基因的插入位点是“随机”的 精析：目的基因的插入位点不是随机的，基因表达需要启动子与终止子的调控，所以目的基因应插入启动子与终止子之间的部位，若目的基因插入启动子内部，启动子将失去原功能。 错点2：误认为切取目的基因与切取载体时“只能”使用“同一种酶” 精析： (1)在获取目的基因和切割载体时通常用同种限制酶，以获得相同的黏性末端。但如果用两种不同限制酶切割后形成的黏性末端相同时，在DNA连接酶的作用下目的基因与载体也可以连接起来。 (2)为了防止载体或目的基因的黏性末端自己连接即所谓“环化”，可用不同的限制酶分别处理目的基因和载体，使目的基因两侧及载体上具有两个不同的黏性末端。 错点3:　混淆启动子与起始密码子，终止子与终止密码子，不明确标记基因的作用 精析：启动子≠起始密码子，终止子≠终止密码子。 (1)启动子：一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端。它是RNA聚合酶识别、结合的部位。 (2)终止子：一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的尾端。作用是使转录过程停止。 (3)起始密码子和终止密码子位于mRNA上，分别控制翻译过程的启动和终止。 (4)标记基因：一般为抗生素抗性基因或荧光基因等，其作用是鉴别受体细胞中是否含有目的基因(目的基因是否导入成功)，从而将含有目的基因的细胞筛选出来。 错点4：误认为基因工程可导致受体细胞或生物产生“新基因”或“新蛋白质” 精析：基因工程的实质是“基因重组”，它是将外源基因导入受体细胞，使该基因在受体细胞中表达——由于“外源基因”是自然界已存在的“现成”基因，故基因工程并未产生新基因，因此目的基因表达时也未产生新蛋白质，基因工程只不过是让受体细胞(或生物)实现了“外源基因的表达”。 错点5：三个不同层次的克隆 精析：(1)分子水平：一般指DNA克隆，即DNA复制，如PCR技术。 (2)细胞水平：是指由一个单一的共同祖先细胞分裂形成一个细胞群体的过程，如动物细胞培养。 (3)个体水平：是指形成基因型完全相同的两个或更多的个体的过程，如扦插、嫁接等。 错点6：混淆“生殖性克隆与治疗性克隆”、“试管婴儿技术与设计试管婴儿”等概念而出错 （1）生殖性克隆与治疗性克隆：生殖性克隆是指通过克隆技术产生独立生存的新个体。治疗性克隆是指利用克隆技术产生特定的细胞、组织和器官，用它们来修复或替代受损的细胞、组织和器官，从而达到治疗疾病的目的。（“选必三”P106“教材正文”） （2）为解决不孕夫妇的生育问题而发明的试管婴儿技术，与“设计试管婴儿”的区别是：“设计19.试管婴儿”实际上是指在将体外受精形成的胚胎植入母体前，根据人们的需要，将胚胎的细胞取出，进行特定基因的检测;当检测结果符合人们的需要时，再把胚胎植入母体。一般我们所说的试管婴儿技术，不必经过基因检测这一步骤。（“选必三”P109“思考•讨论”讨论1） 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 $$