“基因工程的原理及技术”考点解读

安徽 吴志强

“基因工程的原理及技术”考点解读

安徽 吴志强

2017年高考考试内容发生了一些修订和调整，其中就涉及了选修3中“基因工程的原理及技术”修订为“基因工程的原理及技术（含PCR技术）”。这主要是因为PCR是基因工程中的核心技术，进行这样的修订更有利于对该部分知识内容进行系统完整地考查。纵观全国高考命题特点，基因工程的工具和基因工程的基本步骤以及基因工程的成果及应用前景仍将是今年命题的新热点。

一、基因工程的工具

【典例1】图1表示含有目的基因D的DNA片段长度（bp即碱基对）和部分碱基序列，图2表示一种质粒的结构和部分碱基序列。现有MspⅠ、BamHⅠ、MboⅠ、SmaⅠ4种限制性核酸内切酶，它们识别的碱基序列和酶切位点分别为C↓CGG、G↓GATCC、↓GATC、CCC↓GGG。请回答下列问题：

图1

图2

（2）若用限制酶SmaⅠ完全切割图1中的DNA片段，产生的末端是_______末端，其产物长度为_____________。

（3）若图1中虚线方框内的碱基对被T-A碱基对替换，那么基因D就突变为基因d。从杂合子中分离出图1及其对应的DNA片段，用限制酶SmaⅠ完全切割，产物中共有________种不同长度的DNA片段。

（4）若将图2中质粒和目的基因D通过同种限制酶处理后进行连接，形成重组质粒，那么应选用的限制酶是________。在导入重组质粒后，为了筛选出含重组质粒的大肠杆菌，一般需要用添加________的培养基进行培养。经检测，部分含有重组质粒的大肠杆菌菌株中目的基因D不能正确表达，其最可能的原因是_____________________。

【典例解析】（1）一条脱氧核苷酸链中相邻的两个碱基之间是通过“—脱氧核糖—磷酸—脱氧核糖—”相连的，要注意与两条脱氧核苷酸链的相邻碱基之间通过氢键相连进行区分。（2）从SmaⅠ的识别序列和切点可见，其切割后产生的是平末端，图1中DNA片段有两个SmaⅠ的识别序列，故切割后产生的产物长度为537（534＋3）bp、790（796－3－3）bp和661（658＋3）bp三种。（3）图示方框内发生碱基的替换后，形成的d基因失去了1个SmaⅠ的识别序列，故杂合子D基因、d基因用SmaⅠ完全切割后产物中除原有的3种长度的DNA片段外，还增加一种（537＋790）bp的DNA片段。（4）目的基因的两端都有BamHⅠ的识别序列，质粒的启动子后抗生素A抗性基因上也有BamHⅠ的识别序列，故应选用的限制酶是BamHⅠ，此时抗生素B抗性基因作为标记基因，故筛选时培养基中要添加抗生素B。若重组质粒已导入了受体细胞却不能表达，很可能是因为用同种限制酶切割后，目的基因和质粒反向连接形成的。

【典例答案】（1）脱氧核糖、磷酸、脱氧核糖 （2）平537bp、790bp、661bp （3）4 （4）BamHⅠ 抗生素B 同种限制酶切割形成的末端相同，部分目的基因D与质粒反向连接

【典例2】下列关于载体的叙述中，错误的是 （ ）

A.载体与目的基因结合后，实质上就是一个重组DNA分子

B.对某种限制酶而言，载体最好只有一个切点，但还要有其他多种酶的切点

在水泥水化放热过程中，放热速度与放热最高峰时释放出来的热量，会对水泥水化反应过程的进度产生重要的影响[2]。一般来讲，温度升高会促进水泥的水化反应，而水化反应的加快会进一步放出热量，这样会导致混凝土的内外温差大，最终因为热胀冷缩而产生裂缝。裂缝对混凝土强度和密实度的影响很大，并最终影响到工程的整体结构安全和使用功能。所以，控制水泥的水化速度至关重要。

C.目前常用的载体有质粒、λ噬菌体的衍生物和动植物病毒

D.载体具有某些标记基因，便于对其进行切割

【典例解析】载体必须具备的条件有：①对受体细胞无害，不影响受体细胞正常的生命活动；②具有自我复制能力，或能整合到受体细胞的染色体DNA上，随染色体DNA的复制而同步复制；③具有一个至多个限制酶切点，以便目的基因可以插入到载体中；④带有特殊的标记基因，如抗生素抗性基因，以便于对外源基因是否导入进行检测；⑤载体DNA分子大小适合，以便于提取和进行体外操作。考生在复习中，应该从标记原理上去理解载体上的标记基因。载体上的标记基因一般是一些抗生素的抗性基因。目的基因要转入的受体细胞没有抵抗相关抗生素的能力。当含有抗生素抗性基因的重组载体进入受体细胞后，抗性基因在受体细胞内表达，使受体细胞能够抵抗相应抗生素，所以在受体细胞的培养体系中加入该种抗生素就可以只保留转入载体的受体细胞，原理如图3所示。

图3

【典例答案】D

基因工程的工具，在历年高考中出现的高频易错点有：（1）基因工程中有3种工具，但工具酶只有2类。限制酶和DNA连接酶分别属于一类酶，而不是一种酶。（2）限制酶的成分为蛋白质，其作用发挥与其他酶一样，需要适宜的理化条件，高温、强酸或强碱均易使之变性失活。（3）在切割目的基因和载体时要求用同一种限制酶，目的是产生相同的黏性末端或平末端。（4）不同DNA分子用同一种限制酶切割产生的黏性末端都相同，同一个DNA分子用不同的限制酶切割，产生的黏性末端一般不相同。（5）基因工程中的载体与细胞膜上物质运输的载体不同。基因工程的载体是DNA分子，能将目的基因导入受体细胞内；膜载体是蛋白质，与细胞膜的通透性有关。

二、基因工程的基本步骤

【典例3】将动物致病菌的抗原基因导入马铃薯制成植物疫苗的图和表如下，请根据图表回答下列问题。

图4 转基因操作流程图

图5 引物对与模板结合示意图

表1 引物对序列表

表2 几种限制酶识别序列及切割位点表

（1）获得动物致病菌的抗原基因的方法有________，获得的DNA必须在两侧添加________和________。用PCR技术扩增基因时用到的耐高温酶通常是指________，此酶不同于一般生物体内的DNA聚合酶，其最主要的特点是___________。

（2）PCR过程中退火（复性）温度必须根据引物的碱基数量和种类来设定。表1为根据模板设计的两对引物序列，图5为引物对与模板结合示意图。请判断哪一对引物可采用较高的退火温度？___________________________。

（3）重组质粒导入马铃薯体细胞的方法是________________________________。过程⑥可采取______________的方法，检测马铃薯植株是否合成了致病菌的抗原。

【典例解析】2017考纲首次明确将PCR融入到基因工程中，因此，PCR是2017年高考的大热门考点，值得考生重点关注。（1）进行基因工程操作时，首先要获取目的基因，其方法有多种：从cDNA文库中获取、从基因组文库中获取、人工合成目的基因或PCR扩增技术等。获得的目的基因要想在受体细胞中表达，需要在其两端分别有启动子和终止子。PCR方法扩增目的基因的过程中，需要高温解链，因此使用的DNA聚合酶需具有耐高温的特性。（2）耐高温的DNA分子中通常含有G与C碱基比例大，因为它们之间形成三个氢键，稳定性强。引物B中含C与G的碱基对较多，可采用较高的退火温度。（3）农杆菌易感染植物细胞，并将其Ti质粒上的T-DNA转移并整合到受体细胞染色体DNA上。检测目的基因是否完成了表达，常用抗原—抗体杂交的方法。

【典例答案】（1）从cDNA文库中获取、从基因组文库中获取、人工合成目的基因或PCR扩增技术（任选其中两项即可） 启动子 终止子 TaqDNA聚合酶 耐高温 （2）引物对B （3）农杆菌转化法 抗原—抗体杂交

【典例4】如图6表示用化学方法合成目的基因Ⅰ的过程，下列叙述正确的是 （ ）

图6

A.过程①需要DNA连接酶

B.过程②需要限制性核酸内切酶

C.目的基因Ⅰ的碱基序列是已知的

D.若某质粒能与目的基因Ⅰ重组，则该质粒和目的基因Ⅰ的碱基序列相同

【典例解析】题图所示为化学方法合成目的基因的过程。①②过程依赖碱基互补配对原则进行。质粒和目的基因的碱基序列一般不相同。

【典例答案】C

在基因工程的操作过程中，注意一些细节性知识点。如基因表达载体中，启动子（DNA片段）≠起始密码子（RNA）；终止子（DNA片段）≠终止密码子（RNA）。基因表达载体的构建是最核心、最关键的一步，在体外进行。同时，受体细胞的选择也常考查。受体细胞常用植物受精卵或体细胞（经组织培养）、动物受精卵（一般不用体细胞）、微生物（大肠杆菌、酵母菌）等。要合成糖蛋白、有生物活性的胰岛素 （需内质网、高尔基体的加工、分泌） 则必须用真核生物如酵母菌；一般不用支原体，原因是它营寄生生活；一定不能用哺乳动物成熟的红细胞，原因是它无细胞核，也没有核糖体等细胞器，不能合成蛋白质。

三、备考建议

基因工程操作的三种基本工具，四项基本操作程序等内容将成为考查学生综合分析问题能力的材料；另外，针对生物工程在医药、食品、农林等高新技术产业中的应用，运用有关的生物知识指导生产和实践，对有关的生产方案、生产过程进行分析、综合评价，也将是未来高考中极易出现的热点，如基因药物，人造胰岛素、人造生长激素、溶血栓的尿激酶原等。在具体备考中，考生首先要扎实掌握基础知识，通过课上学习、课下整理、基础练习、重复记忆、思考知识联系、构建知识体系等过程（建议利用概念图的形式）。

如目的基因的检测与鉴定的具体方法可归纳为图7。

图7

另外，近年高考对知识的考查更为注重其实际的应用，所以在平时的备考复习过程中，除了掌握基因工程的主干知识以外，还需要花一些时间去关注有关基因工程的热点事件，了解其中蕴藏的生物学知识。

（作者单位：安徽省芜湖市第十二中学）