第3章 第2节 第1课时 目的基因的筛选与获取、基因表达载体的构建-（配套教参）【学霸笔记·同步精讲】2024-2025学年高中生物选择性必修第三册（人教版）

第2节　基因工程的基本操作程序 第1课时　目的基因的筛选与获取、基因表达载体的构建 [课标内容] 1．运用系统思想解释基因工程的基本步骤和原理。2.结合资料和示意图阐明PCR的原理，说出PCR所需的条件及其反应过程。3.结合模式图说出基因表达载体的组成，并理解构建基因表达载体的目的。 一、目的基因的筛选与获取(第一步) 1．目的基因 2．获取目的基因的方法 　　　　聚合酶链式反应的缩写 (1)利用PCR获取和扩增目的基因 ①含义：在体外提供参与DNA复制的______________与_____________，对目的基因的__________________进行大量复制的技术。 ②原理：________________________________。 ③条件 ④过程 ⑤鉴定：常采用______________________来鉴定PCR的产物。 (2)人工合成目的基因。 (3)通过构建基因文库获取目的基因。 二、基因表达载体的构建(第二步) 　　　　　基因工程的核心工作 [答案自填] 表达产物　编码蛋白质　目的基因　各种组分　反应条件　核苷酸序列　DNA的半保留复制　缓冲液　脱氧核苷酸　耐高温　3′　90　解聚　50　两种引物　72　DNA聚合酶　琼脂糖凝胶电泳　受体细胞　遗传　表达　发挥作用　标记基因 (1)从已知结构和功能清晰的基因中进行筛选是找到所需要的目的基因的一种有效方法。(　　) (2)Taq酶是用PCR仪对DNA分子扩增过程中常用的一种耐高温的DNA连接酶。(　　) (3)基因表达载体中启动子是DNA聚合酶识别和结合的部位。(　　) (4)PCR扩增技术中，需用解旋酶使双链DNA解聚。(　　) (5)DNA聚合酶能够从引物的5′端开始连接脱氧核苷酸。(　　) (6)表达载体的复制和目的基因的表达均启动于复制原点。(　　) 提示：(1)√　 (2)×　Taq酶是耐高温的DNA聚合酶。 (3)×　启动子是RNA聚合酶识别和结合的部位。 (4)×　PCR扩增技术中，目的基因DNA受热变性后解为单链，不需要解旋酶。 (5)×　DNA聚合酶从引物的3′端开始连接脱氧核苷酸。 (6)×　目的基因的表达开始于启动子。 【知识框架】 核心点一　利用PCR获取和扩增目的基因 图1是PCR反应相关过程。据图回答下列问题： (1)利用PCR扩增目的基因需要提供哪些条件？ (2)图1所示利用PCR扩增目的基因，在第几轮循环产物中开始出现两条脱氧核苷酸链等长的DNA片段？ (3)如果循环n次，则共需消耗多少对引物？ (4)图2是某同学设计的两组引物(只标注了部分碱基序列)，两组引物都不合理，请分别说明理由。 (5)要保证目的基因能与载体相连接，还要对引物进行什么操作？如果要用PCR扩增以下DNA模板中的基因1，需要的一对引物序列是怎样的？ 提示：(1)DNA模板、Taq酶、原料(4种脱氧核苷酸)、引物以及特定的温度。 (2)第3轮，如下图所示。 (3)共需消耗2n－1对引物。 (4)第1组：引物Ⅰ和引物Ⅱ会因局部发生碱基互补配对而失效。第2组：引物Ⅰ′自身折叠后会因出现局部碱基互补配对而失效。 (5)要在两种引物的5′端分别加上限制酶的识别序列。引物1是5′—CTTCGAAATTC—3′；引物2是5′—CCGATCGGGAGA—3′。 1．PCR反应过程模型 图形显示第一轮循环产生的子链长度小于模板链的长度，到第三轮循环时，才开始出现2个两条脱氧核苷酸链等长的子代DNA。 2．PCR中的数量关系 循环次数 1 2 3 n DNA分子数 2 4 8 2n 含引物的 DNA分子数 2 4 8 2n 含其中一种引物的DNA分子数 1＝21－1 3＝22－1 7＝23－1 2n－1 同时含两种引物的DNA分子数 0＝21－2 2＝22－2 6＝23－2 2n－2 共消耗引 物的分子数 2＝22－2 6＝23－2 14＝24－2 2n＋1－2 两条脱氧核苷酸链等长的DNA分子数 0＝21－2 0＝22－4 2＝23－6 2n－2n 1.(2024·山东济南高二月考)下列有关体内DNA复制与PCR比较的叙述，错误的是(　　) A．二者子链的延伸方向相同，均为5′端→3′端 B．二者均需要解旋酶破坏氢键来实现解旋 C．体内DNA复制需要能量，PCR反应也需要能量 D．二者遵循的碱基互补配对方式相同 解析：选B。体内DNA复制时与利用PCR扩增DNA时，子链的延伸方向相同，均为5′端→3′端，A正确；PCR扩增中DNA双链解开不需要解旋酶，氢键在高温条件下断裂，B错误；体内DNA复制与利用PCR扩增DNA都需要能量，但二者所需能量来源不同，C正确；体内DNA复制与利用PCR扩增DNA，遵循的碱基互补配对方式相同，D正确。 2.(教材P78图3－5改编)用PCR技术特异性地拷贝“X基因”，两种引物及其与模板链的结合位置如下图一所示。经四轮循环后产物中有五种不同的DNA分子，如图二。下列叙述错误的是(　　) A．第一轮循环得到2个DNA分子，即①②各1个 B．第二轮循环得到4个DNA分子，即①②③④各1个 C．第三轮循环得到8个DNA分子，其中有2个是等长的，也就是有2个X基因 D．第四轮循环得到16个DNA分子，其中有4个X基因 解析：选D。据题图分析可知，第一轮循环得到2个DNA分子，即①②各1个，A正确；第二轮循环得到4个DNA分子，①复制得到①和③，②复制得到②和④，故得到①②③④各1个，B正确；第三轮循环得到8个DNA分子，①复制得到①和③，③复制得到③和⑤，②复制得到②和④，④复制得到④和⑤，故得到①②各1个，③④各2个，⑤2个且等长，即2个X基因，C正确；第四轮循环得到16个DNA分子，①复制得到①和③，②复制得到②和④，2个③复制得到2个③和2个⑤，2个④复制得到2个④和2个⑤，2个⑤复制得到4个⑤，故第四轮循环得到的16个DNA分子中有8个X基因，D错误。 核心点二　基因表达载体的构建 构建基因表达载体是基因工程的核心步骤，目的是让基因在受体细胞中稳定存在，并且遗传给下一代；同时，使目的基因能够表达和发挥作用。请结合下图回答问题： (1)构建好的基因表达载体在目的基因前要加上________，其是_______________识别和结合的部位。 (2)启动子、终止子和起始密码子、终止密码子的化学本质是否相同？ (3)据图分析，构建基因表达载体时，能否用SmaⅠ切割质粒？为什么？ (4)构建基因表达载体时，可用EcoRⅠ同时切割质粒和DNA，但会导致__________________________________________________________________________________________________________________________________________等问题，为避免以上问题出现，应使用________________________两种限制酶。 提示：(1)启动子　RNA聚合酶 (2)不同，启动子和终止子是DNA上的脱氧核苷酸序列，起始密码子和终止密码子是mRNA上的核糖核苷酸序列。 (3)不能。因为SmaⅠ会破坏质粒的抗生素抗性基因。质粒上的抗生素抗性基因是标记基因，便于重组DNA分子的筛选，若其被破坏，无法进一步筛选。 (4)目的基因和质粒的自身环化、目的基因不能定向连接　BamHⅠ和HindⅢ(或EcoRⅠ和HindⅢ) 基因表达载体的组成 1.(2024·广东珠海高二期末)下列有关抗虫基因表达载体的叙述，正确的是(　　) A．切割含抗虫基因的DNA片段和载体时必须用同一种限制酶 B．抗虫基因表达载体中要有启动子和终止密码子 C．抗虫基因表达载体必须具备标记基因，其作用是筛选含有目的基因的受体细胞 D．抗虫基因的表达开始于复制原点 解析：选C。切割含抗虫基因的DNA片段和载体时可以用不同的限制酶，只要切割出的切口末端相同即可，A项错误；抗虫基因表达载体必须具备启动子和终止子，终止密码子位于mRNA上，B项错误；基因表达载体必须具备标记基因，其作用是检测目的基因是否导入受体细胞中，从而将含有目的基因的受体细胞筛选出来，C项正确；抗虫基因的表达开始于启动子，D项错误。 2.(教材P80图3－6改编)下图是利用基因工程技术培育转基因植物，进而生产可食用疫苗的部分过程示意图，其中PstⅠ、SmaⅠ、EcoRⅠ、ApaⅠ为四种限制性内切核酸酶。下列说法错误的是(　　) A．图示过程是基因工程的核心步骤 B．表达载体构建时需要用到限制酶SmaⅠ C．卡那霉素抗性基因的存在有利于将含有抗原基因的细胞筛选出来 D．除图示组成外，表达载体中还应该含有启动子和终止子等结构 解析：选B。题图所示过程为基因表达载体的构建，是基因工程中的核心步骤，A项正确；表达载体构建过程中需要将目的基因完整切割下来，此时要用到限制酶PstⅠ、EcoRⅠ，B项错误；卡那霉素抗性基因是标记基因，其作用是检测和筛选含有目的基因的细胞，C项正确；基因表达载体应包括启动子、目的基因、终止子和标记基因等结构，D项正确。 1.下列有关获取目的基因的叙述，错误的是(　　) A．目的基因就是编码蛋白质的基因 B．目的基因的筛选与获取是基因工程的第一步 C．来自苏云金杆菌的Bt基因可作为培育转基因抗虫棉的目的基因 D．序列比对工具的应用为科学家找到合适的目的基因提供了更多的机会 解析：选A。目的基因主要是指编码蛋白质的基因，A错误；目的基因的筛选与获取是实施基因工程的第一步，B正确；来自苏云金杆菌的Bt基因是培育转基因抗虫棉较为合适的目的基因，C正确；随着测序技术的发展，以及序列数据库和序列比对工具等的应用，越来越多的基因的结构和功能为人们所知，这为科学家找到合适的目的基因提供了更多的机会和可能，D正确。 2.(教材P83“概念检测”T2改编)下列关于PCR的叙述，正确的是(　　) A．PCR是体外复制DNA技术，关键酶是解旋酶和DNA聚合酶 B．耐高温的DNA聚合酶从引物的5′端开始连接核糖核苷酸 C．第三轮循环产物中出现位于两种引物之间的DNA片段 D．延伸过程中需要DNA聚合酶、ATP和4种核糖核苷酸 解析：选C。利用PCR体外复制DNA不需要解旋酶，需要耐高温的DNA聚合酶，A错误；耐高温的DNA聚合酶从引物的3′端开始连接脱氧核苷酸，B错误；第三轮循环产物中出现位于两种引物之间的DNA片段，C正确；PCR是在较高温度条件下进行的，该过程需要耐高温的DNA聚合酶，且PCR反应的产物是DNA，因此原料是4种游离的脱氧核苷酸，不是核糖核苷酸，该过程也不需要ATP，D错误。 3.(2024·江苏盐城高二期中)下图为PCR扩增过程示意图，下列相关叙述错误的是(　　) A．PCR反应的缓冲液中一般需添加Mg2＋以激活DNA聚合酶 B．利用PCR扩增DNA分子过程中子链合成的方向是从5′端到3′端 C．高温加热的目的是使DNA受热变性，打开双螺旋，解聚为单链 D．第3轮PCR产物中和目的基因等长的DNA分子占1/8 解析：选D。PCR是体外进行DNA复制的技术，DNA复制需要DNA聚合酶，真核细胞和细菌的DNA聚合酶都需要Mg2＋激活，故进行PCR扩增时通常在反应缓冲液中添加Mg2＋，A项正确；DNA的合成方向总是从子链的5′端向3′端延伸，B项正确；高温加热的目的是使DNA受热变性，氢键断裂，从而打开双螺旋，解聚为单链，作为复制的模板，C项正确；第3轮PCR结束后，和目的基因等长的DNA分子有2个，而子代DNA分子有23＝8(个)，故和目的基因等长的DNA占1/4，D项错误。 4.(2024·山东临沂高二检测)某人利用下图中所示的表达载体获得了甲、乙、丙三种含有目的基因的重组表达载体。下列相关叙述错误的是(　　) A．这三种重组表达载体中，不能在宿主细胞中表达目的基因的是甲、丙 B．启动子是DNA片段，是RNA连接酶识别和结合的部位 C．抗生素抗性基因便于重组DNA分子的筛选 D．复制原点可以让重组表达载体拥有自主复制的能力，不会随细胞分裂被稀释而最终消失 解析：选B。在基因表达载体中，启动子应位于目的基因的上游，终止子应位于目的基因的下游，这样基因才能表达，题图中甲和丙均不能在宿主细胞内表达目的基因，A项正确；启动子是一段有特殊序列结构的DNA片段，是RNA聚合酶识别和结合的部位，B项错误；载体上的标记基因便于重组DNA分子的筛选，常用的标记基因是抗生素抗性基因，C项正确；复制原点是DNA复制的起始位点，若复制原点被破坏，则载体将不能复制，D项正确。 5.图甲、图乙中的箭头表示三种限制性内切核酸酶的酶切位点，AmpR表示氨苄青霉素抗性基因，neo 表示新霉素抗性基因。下列叙述正确的是(　　) A．图甲中的质粒用BamH Ⅰ切割后，含有4个游离的磷酸基团 B．在构建重组质粒时，可用Pst Ⅰ 和BamH Ⅰ切割质粒和外源DNA C．导入目的基因的大肠杆菌可在含氨苄青霉素的培养基中生长 D．用PstⅠ和HindⅢ切割，可以保证重组DNA序列的唯一性 解析：选D。题图甲中的质粒是环状DNA分子，用BamHⅠ切割后，会打开一个切口，产生2个游离的磷酸基团，A错误；在构建重组质粒时，不能用BamHⅠ切割外源DNA，因为BamHⅠ会破坏目的基因，B错误；操作中获取目的基因时会用到PstⅠ，但题图甲中该酶会破坏氨苄青霉素抗性基因，因此导入目的基因的大肠杆菌不能在含氨苄青霉素的培养基中生长，C错误；用PstⅠ和Hind Ⅲ切割，可以避免自身环化，保证重组DNA序列的唯一性，D正确。 学科网（北京）股份有限公司 $