基因工程应用

2021年2月28日发(作者：广医二院)
第
3
节

基因工程的应用

【本节重难点】

重点：
1.
基因工程在农业和医疗等方面的应用

难点：
1.
基因治疗

【知识精讲】

教材梳理

知识点一

植物基因工程的应用

植 物基因工程技术主要用于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.
提高抗逆性

（
1
）常用抗虫基因：用于抗虫（杀虫） 的基因主要是
Bt
毒蛋白基因、蛋白酶抑制剂基因、
淀粉酶抑制剂基因、植物凝集素基 因等。

（
2
）常用抗病基因：
a.
抗病毒基因有：病毒外 壳蛋白基因和病毒的复制酶基因；
b.
抗真菌
基因有：几丁质酶基因和抗毒素合成基因

（
3
）
其他抗逆基因：
环境条件对农作物的生产会造成很 大影响，
并且这些影响是多方面的，
因此，抗逆性基因也有多种多样，如：抗盐碱和干旱的调节 细胞渗透压基因、抗冻基因、抗
除草剂基因等等。

2.
改良植物品质

由于人们的食品含有的营养不平衡，
不能满足人 们对食品的要求，
这样，
可以通过转基因技
术，
使植物能够合成某些本来不能 合成的物质。
如科学家将必需氨基酸含量多的蛋白质编码
基因导入植物中，
或者改变这 些氨基酸合成途径中某种关键酶的活性，
以提高氨基酸的含量。

3.
生产药物

基因工程不但促进了传统技术的变革，也为人类提供了传统产 业难以得到的许多昂贵药品，
并已形成基因工程制药业的雏形。目前诸如人胰岛素、人生长激素、人脑激 素、

α
－干扰素、乙肝疫苗、蛋白
C
、组织血纤维蛋白溶酶原激活 剂等数十种基因工程药物已实
现商品化。此外，还有促红细胞生成素、白细胞介素－
2
、肾素、心钠素等一大批珍贵药品
正处于试用或临床试验阶段。


知识点二

动物基因工程的应用

1.
用于提高动物生长 速度：
由于外援生长激素基因的表达可以使转基因动物生长得更快，
将
这类基因导入动 物体内，以提高动物的生长速率。如：转基因绵羊和转基因鲤鱼。

2.
用于改善畜产 品的品质：
基因工程可用于改善畜产品的品质。
如：
有些人对牛奶中的乳糖
不 能完全消化或食用后会出现过敏、
腹泻、
恶心等不适症状，
科学家将肠乳糖酶基因导入 奶
牛基因组，这样所获得的牛奶其成分不受影响，但乳糖的含量大大减低。

3.用转基因动物做器官移植的供体：
目前，
人体移植器官短缺是一个世界性的难题，
用其它
动物的器官替代，
又会出现免疫排斥现象，
现在，
科学家正试图利用基 因工程方法对一些动
物的器官进行改造，培育出没有免疫排斥反应的转基因克隆器官。


知识点三

基因治疗

1.
概念：
基 因治疗是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。

2.
方法：体外基因治疗和体内基因治疗

体外基因治疗：
先从病人 体内获得某种相关细胞，
进行培养，
然后在体外完成基因转移，再
筛选成功转移的细胞 扩增培养，最后重新输入患者体内，这种方法叫做体外基因治疗。

体内基因治疗：直接向人体组织细胞中转移基因的治疗方法叫做体内基因治疗。

说明 ：
对于遗传病的治疗最根本的方法是进行基因替换或修复。
基因治疗的最佳时期理论上
是受精卵时期，这样可以使个体的每个细胞都含有正常基因，但在现实生活中是不可能的，
因为不可能人 人在受精卵时期进行基因检查。其次是对患者进行相关细胞的基因替换，如：
对于遗传性糖尿病患者，< br>只对胰腺的
B
细胞进行基因替换，
该个体就能正常分泌胰岛素，
糖尿病得以治疗；
但这种局部细胞的基因替换，
并没有改变其它部位细胞的基因，
如 精原细胞，
其后代很大可能还会患遗传性糖尿病。


教材拓展

拓展点一

该节内容是对第
2
节知识的综合运用，
是近几 年及今后几年高考的主考点。
在学
习这部分知识时，要注意以下几点：

1.
熟练、灵活掌握第
2
节的基础知识，形成系统的、完善的知识体系

2.
目的基因来自其他生物，
目的基因和受体细胞的基因构成基因重组，
这是基因工程 的原理。

3.
常考知识为基因操作的基本步骤

4.
相关知识为
DNA
的结构和复制、
基因控制蛋白质的合成及对性状的控制、
基 因突变、
酶的
性质和作用、其他生物工程等

5.
解决的方法是学好相关知识，达到灵活运用程度，进行知识迁移。


拓展点二

基因治疗的过程（以镰刀形细胞贫血症的治疗为例）

步骤

获取正常的血红蛋白
基因

形成重组载体

过程

用限制性核酸内切酶从人的
DNA
分子中切取血红蛋白基因

用同一 种限制性核酸内切酶在载体
DNA
上切开一个切口，
用
DNA
连接酶 将正常血红蛋白基因连接在载体
DNA
上，形成重组载体

将携带正常血红蛋 白基因的重组载体导入患者的造血干细胞
中，并将重组载体插入到染色体。用选择培养基筛选出含重组< br>质粒的造血干细胞。

将携带正常血红蛋白基因的造血干细胞输入患者骨髓中，此造血干细胞产生含正常血红蛋白的红细胞，以根治镰刀形细胞贫
血症

重组载体的转化与筛
选

将含正常血红蛋白基
因的造血干细胞回输
给患者骨髓

拓展点三

利用微生物生产药物的优越性

所谓利用微生物生产蛋 白质类药物，
是指将人们需要的某种蛋白质的编码基因，
构建成
表达载体后导入微生物 ，
然后利用微生物发酵来生产蛋白质类药物。
与传统的制药相比有以
下优越性：

1.
利用活细胞作为表达系统，
表达效率高，
无需大型装置和大面积厂房 就可以生产出大
量药品。

2.
可以解决传统制药中原料来源的不足。
例如，
胰岛素是治疗糖尿病患者的药物，
一名
糖尿病患者每年需用的胰岛素需要从< br>40
头牛或
50
头猪的胰脏中才能提取到。
1978
年科学< br>家用
2 000 L
大肠杆菌发酵液得到
100 g
胰岛素，相当于从
1 000 kg
猪胰脏中提取的量。
又如，生长素是治 疗侏儒症患者的药物，治疗一名侏儒症患者每年需要从
80
具尸体的脑下
垂体中提取生 长素。利用基因工程菌发酵生产就不需要从动物或人体上获取原料。

3.
降低生产成本，减少生产人员和管理人员。


【典题分类精析】

考点一、植物基因工程的应用

例
1
．下列说法正确的是

A
．用基因工程方法培育抗虫植物也能抗病毒

B
．基因工程在畜牧业上应用的目的是培育体型巨大、品质优良的动物

C
．任何一种假单孢杆菌都能分解四种石油成分，因此，假单孢杆菌是“超级细菌”

D
．基因工程在农业生产上的应用主要是培育高产、稳产、品质优良和具有抗性的农作物

分析：本题考查基因工程的应用。用基因工程方法培育的抗虫植物
(
如抗虫棉)
不能抗病毒；
科学家培养超级动物的更重要的目的是利用某些特定的外源基因在哺乳动物 体内表达，
获得
人类所需要的各类物质
(
如激素、
酶、
抗体 等
)
；
每一种假单孢杆菌只能分解石油中的某一种
成分，
科学家利用 生物工程的方法，
把能分解三个烃类的基因转移到能分解另一种烃类的假
单孢杆菌内，创造出了 能同时分解四种烃类的超级细菌。

答案：
D
点评：
抗虫和抗病毒 不是一回事，
抗虫棉转入的基因能够合成毒蛋白，
害虫吃了这种毒蛋白
后，能抑制害虫 正常的新陈代谢，而对病毒不起作用，所以，抗虫棉抗虫而不抗病毒。
（参
见知识点
1
）

例
2.
金茶花是中国特有的观赏品种，但易得枯萎病，降低观赏 价值。科学家在某种植物中
找到了抗枯萎病的基因，用转基因方法培育出了抗枯萎病的新品种。请据图回 答：

（
1
）
获得②一般用

的方法，
①和②结合能形成③，
最重要的是①和②经
处理后具有

。

（
2
）在⑤→⑥过程中，获得抗病基因的金茶花细胞将经历

和

过程后
才能形成⑦。

（
3
）抗枯萎病金茶花的培育成功说明一种生物的基因表达系统能够识别来自另一种生物的
DNA
的
___________
。

（
4
）欲快速培育 大量该抗病新品种，应该采用的技术是
____________________
。通过转基
因方法获得的抗病金茶花，将来产生的配子中是否一定含有抗病基因？

。

分析：要获得具有抗病基因的重组载体，首先用限制性内切酶切出抗病基因（目的 基因）
，
并用同一种限制性内切酶在质粒这一环状
DNA
上切口，
再 用
DNA
连接酶将目的基因与质粒连
接在一起，
形成重组载体。
将重 组载体导入茶花细胞中，
由这一细胞发育成的植株就产生了
抗病性，
说明抗病基因已得 到了表达。
如果重组载体存在于茶花细胞的细胞质中，
则抗病基
因在茶花的有性生殖中 符合细胞质遗传，
即产生的雌配子中含有抗病基因，
而雄配子中一般
不含有抗病基因。
如果重组载体整合到了茶花细胞和中的
DNA
分子上，
则抗病基因在茶花的< br>有性生殖中基因发生重组，
产生的配子中也不一定含有抗病基因。
因此，
保持后 代都具有抗
病性状的最好方法是无性繁殖，如植物组织培养（克隆）
。

答案：
（
1
）

人工合成基因

相同的黏性末端


（
2
）

脱分化

再分化

（
3
）脱氧核苷酸序列（遗传信息或碱基序列）

（
4
）

植物组织培养

不一定

点评：绝大多数目的基因导入受体细胞中后，跟染色体
DNA
结合，属于核遗传。

考点二、动物基因工程的应用

例
3
．原有基因通过
DNA
重组技术得以改造的动物称为转基因动物。现在这一技术可使羊奶
中含有人体蛋白质，
人类控制蛋白质合成的基因可以替代羊染色体上的相似基因，
右图表示
了这一技术的基本过程。 请回答：


（
1
）人体蛋白质基因之所以能“插入”到羊染色体内，原因是

。

（
2
）从羊染色体中“剪下”羊蛋白质基因的酶是

。

将人体蛋白质基因“插入”羊体细胞染色体中的酶是

。

（
3
）将人体蛋白质基因导入羊体内并成功地表达，使羊产生新 的性状。这种变异属于


。

（
4
）举出两例说明转基因技术的应用：

①

；

②

。

（
5
）
假设人体蛋白质基因含有
12000< br>个碱基对，
则该基因控制合成的蛋白质共有

个氨
基酸。

分析：本题考查识图能力、理解能力、分析问题能力和表达水平 。主要考查知识点是：蛋白
质的结构、基因对性状的控制、转基因技术、蛋白质的简单计算、应用等知识 点。
（
1
）人体
蛋白质基因要能够
“插入”
到羊染色体内，
必须要求人的
DNA
分子和羊染色体的
DNA
分子具
有相同 的空间结构和化学组成。
（
2
）基因的“剪刀”是限制性内切酶，基因的“针线”是< br>DNA
连接酶。
（
3
）通过将人的基因重新组合到羊的
DNA
分子中，从而使羊产生新的性状，所
以这种变异属于基因重组。
（
4
）实际的例子还有：培育抗虫棉、培育“向日葵豆”植株、基
因治疗、在动物的乳腺细胞中培育人类需要 的激素、抗体、酶等。
（
5
）按照基因中每
3
对碱
基决定< br>1
个氨基酸即可计算得出。

答案：
（
1
）①人和羊
DNA
分子的空间结构、化学组成相同；②有互补的碱基序列（答出其中
一点即可）< br>
（
2
）限制性内切酶；
DNA
连接酶（
3
）基因重组

（
4
）①培育转基因超级
动物；②提供器官 移植的来源（其他合理答案亦给分）
（
5
）
4000
点评：目的基因导入受体细胞后，绝大多数跟染色体
DNA
结合。

——知识点
2

考点三、基因治疗

例
4
．如果通过转基因技术，成功改造了某血友病女性的造血干细胞，使其凝血功能全部恢
复正常。当她与 正常男性结婚，婚后所生子女的表现型为

A
．儿子、女儿全部正常

B
．儿子、女儿中各一半正常

C
．儿子全部有病，女儿全部正常

D
．儿子全部正常，女儿全部有病

分析：
通过转基因技术改造人的 造血干细胞，
就是将健康人的正常基因导入患者体内，
合成
凝血因子，恢复正常的凝血 功能。

答案：
C
点评：
血友病为
X
染色体上的 隐性遗传病，
本题中完成转基因的细胞只有造血干细胞，
而正
常的体细胞和精原细胞没 有进行转基因，
女性患者所产生的卵细胞仍然含有血友病基因，
所
以，所生男孩都患病 。这是做错本题的主要原因。

例
5. 18.1990
年对一位缺乏腺苷脱 氨酶基因，而患先天性体液兔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 取出作体外培养，
然后用逆转录病毒将正常腺苷脱
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
）为使体外培养细胞的工作成功，必须考虑的培养条件是



，培养液须含
有






。

（
2
）
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



。


（
3
）
将转基因白细胞多次回输到患者体内后，
兔疫能力 趋于正常是由于产生了




，
产生这种物质的两个基本步骤是




、




。

分析：
基因治疗 把健康的外源基因导人有基因缺陷的细胞中，
达到治疗疾病的目的。
导入的
健康的基因 能在受体细胞（白细胞）中通过转录和翻译合成相应的基因产物（抗体）
，使病
人体内的抗体水 平恢复正常，达到治疗的目的。

答案：（
1
）
pH
渗透压、温度以及无菌等；

有机物、无机盐、维生素、
O
2
、水等

（
2
）运载体

腺苷脱氨酶基因

白细胞

（
3
）抗体（或腺苷脱氨酶）

转录

片翻译

点评：抗体的化学本质是蛋白质，蛋白质是通过转录和翻译合成的。


考点四、生物防治与化学防治

例
6
．
随着科学技术的发展 ，
化学农药的产量和品种逐年增加。
但害虫的抗药性也不断增强，
对农作物的危害仍然 很严重，
如近年来棉铃虫在我国大面积爆发成灾，
造成经济损失每年达
100
亿元以上，针对这一情况，科学家开展了“转基因抗虫棉”的科技攻关研究，成功地将
抗虫基因导人棉花 细胞中，得到的棉花新品种对棉铃虫的毒杀效果高达
80%
以上。请回答下
列问题：< br>
(1)
害虫抗药性的增强是

的结果；

(2)
“转基因抗虫棉”抗害虫的遗传信息传递过程可以表示为

。

(3)
该项科技成果在环境保护上的重要作用是


。
< br>(4)
科学家们预言，此种“转基因抗虫棉”独立种植若干代以后，也将出现不抗虫的植株，此现象来源于

。

分析：
本题考查基因工程在农业生产上的应用。
(1)
农药对害虫抗药性的变异讲行定向的选
择，使抗药性强的个体生存下来，经过逐代积累，
使害虫的抗药性得以增强。
(2)
基因是
生
物
性
状
的
内
在
控
制< br>因
素
，
基
因
对
生
物
性
状< br>的
控
制
过
程
包
括
转
录
和< br>翻
译
过
程
：
。
(3)
该项科技成果在环境保 护上的重要
作用是减少农药用量，
减轻农药对环境的污染，
保护生态系统的稳定性。< br> (4)
此种转基因
抗虫棉独立种植若干代以后，也将出现不抗虫的植株，说明基因发 生了变化，此现象来源
于基因突变。

答案：
（
1
）农药对害虫抗药性的变异进行定向选择

（< br>2
）
（
3
）减少农药使用量，减轻农药对
环境的污染，保护生 态系统的稳定性（
4
）基因突变

点评：转基因生物的信息表达是通过基因控 制蛋白质的合成来实现的，转基因生物要适应
环境，同时对环境也会造成影响。

——知识点
1
、拓展点
1

考点五、利用微生物生产药物的优越性

例
7.
用大肠杆菌生产胰岛素应用的生物工程的组合是

①基因工程

②细胞工程

③发酵工程

④酶工程

A
．①②③

B
．①②④ C．①③④
D
．②③④

分析：

本题考查基因 工程与其他工程之间的区别与联系。一个产品的开发中，通常是由几
个工程彼此合作来完成的。
用大肠杆菌生产胰岛素直接是发酵工程；
而把人的胰岛素基因转
入大肠杆菌，是由基因工程完成 的；而基因工程所用的工具酶，来自酶工程。

答案：
C
点评：各种工程的 联系：基因工程和细胞工程是上游工程，发酵工程和酶工程是下游工程，
基因工程、
细胞工程和 发酵工程中所需要的酶，
往往通过酶工程来获得，
酶工程中酶的生产，
一般要通过微生 物发酵的方法来进行。各种工程分支领域之间存在着交叉渗透的现象。


【针对性练习】

1.
利用基因工程培育抗虫作物的直接优点是

A.
减少虫灾的发生
B.
减少能量消耗
C.
减少农药的用量
D.
净化了环境

2.
基因工程药品的优点

A.
价值昂贵
B.
采用复杂的基因工程技术获得

C.
生产效率高
D.
直接利用生物特种基因

3.
目前科学家把兔子血红蛋白基因导入到大肠 杆菌细胞中，
在大肠杆菌细胞中合成了兔子的
血红蛋白。下列所叙述的哪一项不是这一先进技术 的理论依据

A.
所有生物共用一套遗传密码子
B.
基因能控制蛋白质的合成

C.
兔子血红蛋白基因与大肠杆菌的
DNA
都是由四种脱氧核苷酸构成，
都遵循碱基互补配对原
则，都具有相同的空间结 构

D.
兔子与大肠杆菌有共同的原始祖先

4.
基因 工程在诊断遗传病上发展尤为迅速，
目前可以对几十种遗传病进行快速诊断，
所采用
的 方法是

A.
基因工程生产药物
B.
导入正常基因
C.
合成
DNA
探针
D.
用“工程菌”治疗疾病

5
. “工程菌”是指

A
．用物理或化学方法诱发菌类自身某些基因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
．在烟草的叶片中含有大 量的烟碱，当把烟草嫁接到番茄上时，烟草的叶就不含烟碱
了。反之，嫁接到烟草上的番茄叶中却含有烟 碱。这说明

A
．烟草根部能合成烟碱

B
．烟草叶受番茄的影响，遗传性状发生改变

C
．番茄叶受烟草的影响，遗传性状发生改变

D
．只有依赖烟草根部吸收某种物质，烟草叶片才能合成烟碱

7.
基因工程培育的“工程菌”通过发酵工程生产的产品，不包括

A.
白细胞介素－
2 B.
干扰素
C.
聚乙二醇
D.
乙肝疫苗

8.
下列各项不属于基因工程在实际中应用的是

A.
转基因抗虫棉的培育成功
B.
利用
DNA
探针检测饮用水中有无病毒

C.
培育工程菌使之能产生胰岛素
D.
将一种植物细胞内的叶绿体移入另一种植物细胞内

9.
下列有关基因工程技术的应用中，对人类不利的是

A.
制造“工程菌”用于药品生产
B.
创造“超级菌”分解石油、
DDT
C.
重组
DNA
诱发受体细胞基因突变
D.
导入外源基因替换缺陷基因