课程解读
一、学习目标：
1. 举例说出基因工程的应用及取得的成果。
2. 关注基因工程的进展。
3. 简述蛋白质工程的原理。
二、重点、难点：
重点：基因工程在农业和医疗等方面的应用。蛋白质工程的原理。
难点：基因治疗。蛋白质工程的原理。
三、考点分析：
|
内容 |
要求 |
|
基因工程的应用 |
Ⅱ |
|
蛋白质工程 |
Ⅰ |
高考对于基因工程的应用中有关基因诊断、基因治疗的知识考查较多。主要以当前的科技新成果为载体进行考查。题目的起点较高，但难度不大。
知识梳理
一、植物基因工程——提高农作物的抗逆能力（如抗除草剂、抗虫、抗病、抗干旱和抗盐碱等），以及改良农作物的品质和利用植物生产药物等方面。
1. 抗虫转基因植物
杀虫基因：主要有Bt毒蛋白基因、蛋白酶抵制剂基因、淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基因等。
优点：减少环境污染。
2. 抗病转基因植物
使植物致病的微生物主要有病毒、真菌和细菌等。
抗病毒基因：病毒外壳的蛋白基因和病毒的复制酶基因；
抗真菌基因：几丁质酶基因和抗毒素合成基因。
3. 其他抗逆转基因植物
调节细胞渗透压的基因——提高农作物的抗盐碱和抗干旱能力。
抗冻蛋白基因——耐寒作物：将鱼的抗冻蛋白基因导入烟草和番茄植株，使烟草和番茄的耐寒能力均有提高。
抗除草剂基因——将其导入大豆、玉米等作物，使之能有效的抗除草剂。
优点：提高植物对环境的适应能力。
4. 利用转基因技术改良植物的品质
富含赖氨酸的蛋白质编码基因——将其导入玉米植株中，获得的转基因的玉米中赖氨酸的含量可比对照组提高30%。
二、动物基因工程
1. 提高动物生长速度（生长激素基因）：如将外源生长激素基因导入绵羊体内，转基因绵羊的生长速率比一般的绵羊提高30%，体型增大50%；将外源生长激素基因导入鲤鱼体内，9个月后有的转基因鲤鱼比对照组重
2. 用于改善畜产品的品质：有些人对牛奶中的乳糖不能完全消化，食用后会出现过敏、腹泻、恶心等不适症状，科学家将肠乳糖酶基因导入奶牛的基因组，使获得的转基因牛分泌的乳汁，在其他营养成分不受影响的情况下，乳糖的含量大大降低。
3. 用转基因动物生产药物（“乳腺生物反应器”或“乳房生物反应器”）
操作过程：获取目的基因（例如血清白蛋白基因）→构建基因表达载体（乳腺蛋白基因的启动子+目的基因）→显微注射导入哺乳动物受精卵中→形成胚胎→胚胎移入母体动物→发育成转基因动物（反应器中表达出抗凝血酶、血清白蛋白、生长激素和α-抗胰蛋白酶等）。
优点：①产量高；②质量好；③成本低；④易提取。
缺点：只能在雌性个体的泌乳期进行。
发展：膀胱生物反应器——导入，膀胱壁细胞，从尿液中提取所需物质。
4. 用转基因动物作器官移植的供体
困难：免疫排斥
解决：将器官供体的基因组导入某种调节因子，以抑制抗原决定基因的表达，或设法除去抗原决定基因，再结合克隆技术，培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆器官。
5. 基因工程药物
方法：利用转基因工程菌（用基因工程的方法，使外源基因得到高效率表达的菌类细胞株系。）生产药物。
蛋白质产品：胰岛素、干扰素、白细胞介素、溶血栓剂、凝血因子、人造血液代用品等
疫苗产品：预防乙肝、狂犬病、百日咳、霍乱、伤寒、疟疾等疾病的各类疫苗。
三、基因治疗：——正常基因导入病人体内，是治疗遗传病的最有效手段。把正常基因导入病人体内，使该基因的表达产物发挥功能，从而达到治疗疾病的目的，这是治疗遗传病的最有效的手段。
种类：体外基因治疗和体内基因治疗。
用于基因治疗的基因种类：从健康人体中分离得到的正常基因、反义基因、编码基因可以杀死癌细胞中的蛋白酶基因等。
*基因治疗并非是对致病基因进行修复；这种治疗方法一般不能遗传给后代
四、蛋白质工程——根据人的需求来设计蛋白质的结构，又称为第二代基因工程。
1. 蛋白质工程崛起的缘由：基因工程只能生产出天然蛋白质，而蛋白质工程则是为了生产出符合人类生产和生活需要的蛋白质。
2. 基本操作：从预期的蛋白质功能出发，设计预期的蛋白质结构，推测其应有的氨基酸序列，继而找到与其对应的脱氧核苷酸序列（基因）。
结果：生产出自然界没有的蛋白质
3. 蛋白质工程的进展和前景
（1）蛋白质工程取得的进展向人们展示出广阔的前景。
科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效型药品。用蛋白质工程方法制成的电子元件，具有体积小、耗电少和效率高的特点，因此有着极为广阔的发展前景。
（2）目前蛋白质工程中成功的例子还不多——对蛋白质的高级结构了解不够。
典型例题
知识点一：基因工程的应用
例1. 采用基因工程技术将人的凝血因子基因导入山羊的受精卵培育出了转基因羊，但是人的凝血因子只存在于该转基因羊的乳汁中。以下有关叙述，正确的是（多选）（ ）
A. 人体细胞中的基因与山羊细胞中的基因所用的密码子是相同的
B. 可用显微注射技术将含有人凝血因子基因的重组DNA分子导入羊的受精卵
C. 在该转基因羊中，人的凝血因子基因存在于其乳腺细胞中，而不存在于其他体细胞中
D. 人的凝血因子基因开始转录后，DNA连接酶以DNA分子的一条链为模板催化合成mRNA
思路分析：人的凝血因子基因在转基因羊的乳汁中存在，证明目的基因完成了表达，即转录翻译成功，A正确；将目的基因导入到动物细胞中，常显微注射到其受精卵细胞，使目的基因随受精卵的复制而复制，由于体细胞都是来自同一个受体细胞——乳腺细胞，则它和其他体细胞含有相同的基因，即都含有人的凝血因子基因，B对C错；转录需要RNA聚合酶，D错。
答案：AB
解题后的思考：本题考查的易错点：DNA连接酶——催化DNA片段连接；DNA聚合酶——催化DNA合成；RNA聚合酶——催化RNA合成。
例2. 如图表示从苏云金芽孢杆菌分离出杀虫晶体蛋白基因（简称Bt基因）及形成转基因抗虫植物的图解。
请回答：
（1）在下列含有ATP和有关酶的试管中，大量而快捷地获取Bt基因的最佳方案是下图中的
（ ）
（2）写出b过程的表达式：
。
（3）科学家计划从哺乳动物的乳汁中提取某种抗体，应将控制抗体合成的基因导入该种动物的
中，导入基因成功表达的标志是
。
（4）在我国“863”计划资助下开展的“Bt抗虫棉育种”等研究，将对
、
和农业可持续发展产生巨大影响。
思路分析：（1）快速获取目的基因的方法是PCR技术，即体外DNA复制。需要模板、原料、引物等；（2）基因的表达遵循了中心法则，表达的结果是合成了相应的蛋白质，从而使生物体显示出一定的性状；（3）将目的基因导入动物细胞时，出于全能性的考虑，一般会导入其受精卵中。
答案：（1）D
（2）Bt基因
mRNA
原毒素（晶体蛋白）
（3）受精卵 动物乳汁中含此种抗体
（4）农业害虫防治 环境保护
解题后的思考：有关基因工程的考题中，除了直接考查相关工具、过程外，一般还会结合基因的表达、基因的结构等知识点一起考查。
例3. 用特定的限制性核酸内切酶，将长链DNA切割成多个长度不同的片段，再利用电泳技术将这些片段进行分离、放射性显影，即可获得DNA片段条状图谱，即DNA指纹。
（1）DNA指纹法的应用之一是辨识家庭成员之间的关系。上图表示某家庭成员P、Q、R和S的DNA指纹图谱。据图推断Q、S与P最有可能的关系，并说明理由。
（2）DNA指纹法的另一个应用是判断生物之间的进化关系。运用DNA指纹法判断生物进化的关系时，需要提出怎样的假设？
思路分析：DNA指纹图谱识别要点：电泳带的吻合度。从图谱中发现，P的DNA片段与Q、R分别吻合；S也如此。由此可得出：P和S均是R和Q的子女。在对亲缘关系的分析中，亲缘关系越近，相似基因出现的几率越大，电泳带吻合度越高。
答案：（1）男性Q是P的父亲，男性S是Q与R的儿子，所以P与S为兄妹或姐弟关系。由于子代的DNA有一半来自父亲，另一半来自母亲，P的DNA指纹一半与母亲R吻合，另一半与男性Q吻合，因此推知Q是P的父亲，同理S的DNA片段也如此，因此可知S是Q与R的儿子，即P的兄弟。（2）两种生物的进化关系越密切，它们的DNA指纹样式就有越多相同的条纹。
解题后的思考：DNA指纹概念的介入，使得本题的起点较高。但只要把握子代的染色体DNA一半来自父方，一半来自母方这个基本常识，问题即可解决。
小结：基因工程的应用的有关习题多是对基本操作的考查，即便涉及一些热点、生僻的问题，其落脚点仍在遗传的基本常识上。
知识点二：蛋白质工程
例1. 科学家将β-干扰素基因进行定点突变后导入大肠杆菌表达，使干扰素第17位的半胱氨酸改变成丝氨酸，结果大大提高了β-干扰素的抗病性活性，并且提高了其储存稳定性，该生物技术为（ ）
A. 基因工程 B. 蛋白质工程 C. 基因突变 D. 细胞工程
思路分析：基因工程是通过对目的基因在生物之间的转移，生产自然界已存在的蛋白质。而蛋白质工程是指以蛋白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础，通过基因修饰或基因合成，对现有蛋白质进行改造，或制造出一种新的蛋白质。其产物是非天然的。本题中合成的β-干扰素不是天然的，属于蛋白质工程。
答案：B
解题后的思考：蛋白质工程又称为第二代基因工程，与基因工程的相似度很大。主要区别在于，其产物为非天然蛋白质。它们往往具有天然蛋白质所不具备的某些优良特性。
例2. 下列关于蛋白质工程的说法，错误的是 （ ）。
A.
蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类需要
B.
蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子的结构
C.
蛋白质工程能生产自然界中不曾存在的新型蛋白质分子
D.
蛋白质工程与基因工程密不可分，又称为第二代基因工程
思路分析：蛋白质工程的操作对象依然是DNA分子，只不过经过人工改造或人工合成的DNA能表达出更符合人类需要的蛋白质。
答案：B
解题后的思考：蛋白质工程之所以能够产生自然界不存在的蛋白质，主要是因为该工程是在分子水平上对基因进行相应改造。改造的依据就是通过对蛋白质空间结构的设计，根据中心法则，反推出相应的脱氧核苷酸序列。
例3. 某种微生物合成的蛋白酶与人体消化液中的蛋白酶的结构和功能很相似，只是热稳定性较差，进入人体后容易失效。现要将此酶开发成一种片剂，临床治疗饮食的消化不良，最佳方案是（ ）
A.
替换此酶中的少数氨基酸，以改善其功能
B.
将此酶与人体消化液中的蛋白酶进行拼接，形成新的蛋白酶
C.
重新设计与创造出一种全新的蛋白酶
D.
减少此酶在片剂中的含量
思路分析：蛋白质的特性与其空间结构相关。要想使该种蛋白酶的热稳定性有所提高，就要改变蛋白质的结构，其方法一般是替换蛋白质中的个别氨基酸。
答案：A
解题后的思考：这是一道有关蛋白质工程的例题。想要获取所需要的非天然蛋白质，往往从其空间结构入手，通过分析设计，获得合理的结构，一般需要改变某些氨基酸的种类、数目、顺序等，这属于设计蛋白质的操作。
小结：蛋白质工程的操作——设计蛋白质结构（设计阶段）、推导DNA序列、人工合成或改造DNA（操作阶段），获取自然界不具备的蛋白质。
提分技巧
1. 涉及基因工程生产的药物方面的知识，一般作为识记内容进行考查。为了能更好的记忆，可以从以下方面入手：
（1）白细胞介素－2：是一种淋巴因子。其本质是小分子蛋白质（分布于血清中），
能促进免疫细胞的功能，可应用于治疗肿瘤和感染性疾病。
（2）干扰素：是病毒侵入细胞后产生的一种糖蛋白，其本质为可溶性糖蛋白分布于血清和组织液中。
① 它是一种抗病毒的特效药，对细菌和真菌感染作用不大
② 它几乎能抵抗所有由病毒引起的感染，如水痘、肝炎、狂犬病等病毒引起的感染。
③ 干扰素对治疗乳腺癌、骨髓癌、淋巴癌等癌症和某些类型的白血病也有一定疗效。
2.
蛋白质工程的主要判断依据是：蛋白质产物是否是天然的。
预习导学
一、预习新知
植物细胞工程技术
二、预习点拨
思考以下问题：
（1）假如现在有一个细胞，那么如何才能获得一株遗传性状完全与之相同的个体？或一颗种子？
（2）假如只想获得细胞产物，而不改变其性状，又不必耗费大量的资源来培养植株，应怎样操作？
（3）什么样的技术和操作可实现两种生物的融合？
同步练习（答题时间：35分钟）
*1. 基因治疗是指（ ）
A. 对有基因缺陷的细胞进行修复，从而使其恢复正常，达到治疗疾病的目的
B. 把健康的外源基因导入到有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的
C. 运用人工诱变的方法，使有基因缺陷的细胞发生基因突变而恢复正常
D. 运用基因工程技术，把有缺陷的基因切除，达到治疗疾病的目的
*2. 下列不属于基因工程方法生产的药物是
A. 干扰素 B. 白细胞介素 C. 青霉素 D. 乙肝疫苗
3. 蛋白质工程的实质是 （ ）
A. 改变氨基酸结构 B. 改造蛋白质结构 C. 改变肽链结构 D. 改造基因结构
4. 基因工程的实质是 （ ）
A. 基因重组 B. 基因突变 C. 产生新的蛋白质 D. 产生新的基因
5. “工程菌”是指 （ ）
A. 用物理或化学方法诱发菌类自身的某些基因，从而得到高效表达的菌类细胞株系
B. 用遗传工程的方法，把相同种类不同株系的菌类通过杂交得到新细胞株系
C. 用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系
D. 从自然界中选取能迅速增殖的菌类
6. 蛋白质工程的基础是 （ ）
A. 基因工程 B. 细胞工程 C. 酶工程 D. 发酵工程
7. 天然蛋白质合成遵循的法则是 （ ）
A. 中心法则 B. 转录 C. 翻译 D. 复制
8. 下列各项与蛋白质结构多样性无关的是 （ ）
A. 氨基酸的种类、数目、排列顺序 B. 构成蛋白质的多肽链的数目
C. 构成蛋白质的肽链的空间结构 D. 氨基酸至少含一个氨基和一个羧基
9. 当前医学上，蛋白质工程药物正逐步取代第一代基因工程中的多肽、蛋白质类替代治疗剂，则基因工程药物与蛋白质工程药物的区别是 （ ）
A. 都与天然产物完全相同
B. 都与天然产物不相同
C. 基因工程药物与天然产物完全相同，蛋白质工程药物与天然产物不相同
D. 基因工程药物与天然产物不相同，蛋白质工程药物与天然产物完全相同
10. 1990年，某医疗机构对一位因缺乏腺苷脱氨酶基因，而患先天性体液免疫缺陷病的美国女孩进行基因治疗，其方法是首先将患者的白细胞取出做体外培养，然后用逆转录病毒将正常的腺苷脱氨酶基因转入人工培养的白细胞中，再将这些转基因白细胞回输到患者的体内，经过多次治疗，患者的免疫功能趋于正常。
（1）在基因治疗过程中，逆转录病毒的作用相当于基因工程中基因操作工具中的
，此基因工程中的目的基因是
，目的基因的受体细胞是
。
（2）将转基因白细胞多次回输到患者体内后，其免疫功能力趋于正常是由于产生了
，产生这种物质的两个基本步骤是
、
。
11. 科学家通过基因工程方法，将苏云金芽孢杆菌的Bt毒蛋白基因转入普通棉株细胞内，并成功实现了表达，从而培育出了能抗棉铃虫的棉花植株——抗虫棉。其过程大致如图所示：
根据题意回答下列问题：
（1）基因工程的操作程序主要包括的四个步骤是
、
、
、 。
（2）Ti质粒是农杆菌中的一种质粒，其上有T-DNA，把目的基因插入Ti质粒的T-DNA中是利用了T-DNA
的特点。
（3）将目的基因导入受体细胞的方法有很多种，该题中涉及的是
。
（4）目的基因能否在棉株体内稳定维持和表达其遗传特性的关键是
，这需要通过检测才能知道，检测采用的方法是
。
12. 胰岛素可用于治疗糖尿病，但是胰岛素被注射到人体后，会堆积在皮下组织中，要经过较长的时间才能进入血液，而进入血液的胰岛素又容易被分解，因此，治疗效果常受到影响。如图是用蛋白质工程设计速效胰岛素的生产过程，请据图回答有关问题：
（1）构建新的蛋白质模型是蛋白质工程中的关键步骤，图中构建新的胰岛素模型的主要依据是
。
（2）通过DNA合成形成的新基因应与
结合后转移到
中才能得到准确表达。
（3）若要利用大肠杆菌生产速效胰岛素，需用到的生物工程有 、
和发酵工程。
（4）图解中从新的胰岛素模型到新的胰岛素基因这一过程的基本思路是什么？
（5）下列关于蛋白质工程的说法，错误的是（ ）
A. 蛋白质工程能定向改造蛋白质分子的结构，使之更加符合人类需要
B. 蛋白质工程是在分子水平上对蛋白质分子直接进行操作，定向改变分子的结构
C. 蛋白质工程能产生自然界中不曾存在的新型蛋白质分子
D. 蛋白质工程与基因工程密不可分，又称为第二代基因工程
13. 豇豆对多种害虫具有抗性，根本原因是豇豆体内具有胰蛋白酶抑制剂基因（CpTI基因）。科学家将其转移到水稻体内后，却发现效果不理想，主要原因是CpTI蛋白质的积累量不足。经过在体外对CpTI基因进行修饰后，CpTI蛋白质在水稻体内的积累量得到了提高。修饰和表达过程如图所示：
请根据以上材料，回答下列问题：
（1）CpTI基因是该基因工程中的
基因，“信号肽”序列及“内质网滞留信号”序列的基本组成单位是
，A物质的基本单位是
，在①过程中，首先要用
酶切开，暴露出
，再用
酶连接。
（2）在该基因工程中，供体细胞来自
，若受体细胞是水稻的体细胞，应如何进行操作才能获得抗虫水稻
。此外，还常用水稻的
作受体细胞。
（3）②过程称为
。
（4）检测修饰后的CpTI基因是否表达的最好方法是
。
试题答案
1—5 BCDAC
1. 解析：基因治疗属于基因工程的应用范畴。其过程是在病体中导入正常基因，使其发挥正常功能，治愈疾病
2. 解析：基因工程生产药物的特点体现在由外源基因控制生物产生其自身原本不具有的产物，而青霉素是青霉菌自身产物。
6—9 AADC
10. （1）载体 腺苷脱氨酶基因 白细胞
（2）抗体 转录 翻译
11. （1）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
（2）可转移至受体细胞并整合到受体细胞染色体的DNA上
（3）农杆菌转化法 （4）目的基因是否插入到受体细胞的染色体DNA上 DNA分子杂交技术
12. （1）蛋白质的预期功能 （2）载体 大肠杆菌等受体细胞 （3）蛋白质工程 基因工程 （4）根据新的胰岛素中氨基酸的序列，推测出其基因中的脱氧核苷酸序列，然后利用DNA合成仪来合成出新的胰岛素基因 （5）B
13. （1）目的 （四种）脱氧核苷酸 （四种）核糖核苷酸 限制性内切 黏性末端 DNA连接
（2）豇豆 将（水稻的）体细胞进行组织培养 受精卵
（3）转录
（4）让多种害虫食用水稻叶片