生物派對為大家整理了本套高中生物優質選修三整套課件，每個專題即是整章課件，文章底部有配套教材問題的答案，希望能夠幫助到學生的學習和老師的教學，如有問題請聯繫最底下生物小二，感謝大家支持！
1.1 DNA重組技術的基本工具
（一）思考與探究
1.限制酶在DNA的任何部位都能將DNA切開嗎？以下是四種不同限制酶切割形成的DNA片段：
(1) …CTGCA (2) …AC (3) GC… （4）…G
…G …TG CG… …CTTAA
(5) G… (6) …GC (7) GT… (8)AATTC…
ACGTC… …CG CA… G…
你是否能用DNA連接酶將它們連接起來？
答：2和7能連接形成…ACGT…
…TGCA…；
4和8能連接形成…GAATTC…
…CTTAAG…；
3和6能連接形成…GCGC…
…CGCG…；
1和5能連接形成…CTGCAG…
…GACGTC…。
2.聯繫你已有的知識，想一想，為什麼細菌中限制酶不剪切細菌本身的DNA？
提示：迄今為止，基因工程中使用的限制酶絕大部分都是從細菌或黴菌中提取出來的，它們各自可以識別和切斷DNA上特定的鹼基序列。細菌中限制酶之所以不切斷自身DNA，是因為微生物在長期的進化過程中形成了一套完善的防禦機制，對於外源入侵的DNA可以降解掉。生物在長期演化過程中，含有某種限制酶的細胞，其DNA分子中或者不具備這種限制酶的識別切割序列，或者通過甲基化酶將甲基轉移到所識別序列的鹼基上，使限制酶不能將其切開。這樣，儘管細菌中含有某種限制酶也不會使自身的DNA被切斷，並且可以防止外源DNA的入侵（本題不要求學生回答的完全，教師可參考教師用書中的提示，根據學生的具體情況，給予指導。上述原則也應適用於其他章節中有關問題的回答）。
3.天然的DNA分子可以直接用做基因工程載體嗎？為什麼？
提示：基因工程中作為載體使用的DNA分子很多都是質粒（plasmid），即獨立於細菌擬核DNA之外的一種可以自我複製、雙鏈閉環的裸露的DNA分子。是否任何質粒都可以作為基因工程載體使用呢？其實不然，作為基因工程使用的載體必需滿足以下條件。
（1） 載體DNA必需有一個或多個限制酶的切割位點，以便目的基因可以插入到載體上去。這些供目的基因插入的限制酶的切點所處的位置，還必須是在質粒本身需要的基因片段之外，這樣才不至於因目的基因的插入而失活。
（2） 載體DNA必需具備自我複製的能力，或整合到受體染色體DNA上隨染色體DNA的複製而同步複製。
（3） 載體DNA必需帶有標記基因，以便重組後進行重組子的篩選。
（4） 載體DNA必需是安全的，不會對受體細胞有害，或不能進入到除受體細胞外的其他生物細胞中去。
（5） 載體DNA分子大小應適合，以便提取和在體外進行操作，太大就不便操作。
實際上自然存在的質粒DNA分子並不完全具備上述條件，都要進行人工改造後才能用於基因工程操作。
4.網上查詢：DNA連接酶有連接單鏈DNA的本領嗎？
提示：迄今為止，所發現的DNA連接酶都不具有連接單鏈DNA的能力，至於原因，現在還不清楚，也許將來會發現可以連接單鏈DNA的酶。
（二）尋根問底
1.根據你所掌握的知識，你能分析出限制酶存在於原核生物中的作用是什麼嗎？
提示：原核生物容易受到自然界外源DNA的入侵，但是，生物在長期的進化過程中形成了一套完善的防禦機制，以防止外來病原物的侵害。限制酶就是細菌的一種防禦性工具，當外源DNA侵入時，會利用限制酶將外源DNA切割掉，以保證自身的安全。所以，限制酶在原核生物中主要起到切割外源DNA、使之失效，從而達到保護自身的目的。
2. DNA連接酶與DNA聚合酶是一回事嗎？為什麼？
答：不是一回事。基因工程中所用的連接酶有兩種：一種是從大腸桿菌中分離得到的，稱之為E·coliDNA連接酶。另一種是從T4噬菌體中分離得到，稱為T4DNA連接酶。這兩種連接酶催化反應基本相同，都是連接雙鏈DNA的缺口（nick），而不能連接單鏈DNA。DNA連接酶和DNA聚合酶都是形成磷酸二酯鍵（在相鄰核苷酸的3位碳原子上的羥基與5位碳原子上所連磷酸基團的羥基之間形成），那麼，二者的差別主要表現在什麼地方呢？
（1）DNA聚合酶只能將單個核苷酸加到已有的核酸片段的3′末端的羥基上，形成磷酸二酯鍵；而DNA連接酶是在兩個DNA片段之間形成磷酸二酯鍵，不是在單個核苷酸與DNA片段之間形成磷酸二酯鍵。
（2）DNA聚合酶是以一條DNA鏈為模板，將單個核苷酸通過磷酸二酯鍵形成一條與模板鏈互補的DNA鏈；而DNA連接酶是將DNA雙鏈上的兩個缺口同時連接起來。因此DNA連接酶不需要模板。
此外，二者雖然都是由蛋白質構成的酶，但組成和性質各不相同。
（三）模擬製作討論題
1. 你模擬插入的DNA片段能稱得上一個基因嗎？
提示：不能。因為一般基因有上千個鹼基對。
2. 如果你操作失誤，鹼基不能配對。可能是什麼原因造成的？
提示：可能是剪切位點或連接位點選得不對（也可能是其他原因）。
（四）旁欄思考題
想一想，具備什麼條件才能充當「分子運輸車」？
提示：能自我複製、有一個或多個切割位點、有標記基因位點及對受體細胞無害等。
♫1.2 基因工程的基本操作程序
（一）思考與探究
1.作為基因工程表達載體，只需含有目的基因就可以完成任務嗎？為什麼？
答：不可以。因為目的基因在表達載體中得到表達並發揮作用，還需要有其他控制元件，如啟動子、終止子和標記基因等。必須構建上述元件的主要理由是：
（1）生物之間進行基因交流，只有使用受體生物自身基因的啟動子才能比較有利於基因的表達；
（2）通過cDNA文庫獲得的目的基因沒有啟動子，只將編碼序列導入受體生物中無法轉錄；
（3）目的基因是否導入受體生物中需要有篩選標記；
（4）為了增強目的基因的表達水平，往往還要增加一些其他調控元件，如增強子等；
（5）有時需要確定目的基因表達的產物存在於細胞的什麼部位，往往要加上可以標識存在部位的基因（或做成目的基因與標識基因的融合基因），如綠色螢光蛋白基因等。
2.根據農桿菌可將目的基因導入雙子葉植物的機理，你能分析出農桿菌不能將目的基因導入單子葉植物的原因嗎？若想將一個抗病基因導入單子葉植物，如小麥，從理論上說，你應該如何做？
提示：農桿菌可分為根瘤農桿菌和髮根農桿菌，在植物基因工程中以根瘤農桿菌的Ti質粒介導的遺傳轉化最多。根瘤農桿菌廣泛存在於雙子葉植物中。據不完全統計，約有93屬643種雙子葉植物對根瘤農桿菌敏感。裸子植物對該菌也敏感。當這些植物被該菌侵染後會誘發腫瘤。近年來，也有報導該菌對單子葉植物也有侵染能力。
根瘤農桿菌侵染植物是一個非常複雜的過程。根瘤農桿菌具有趨化性，即植物的受傷組織會產生一些糖類和酚類物質吸引根瘤農桿菌向受傷組織集中。研究證明，主要酚類誘導物為乙醯丁香酮和羧基乙醯丁香酮，這些物質主要在雙子葉植物細胞壁中合成，通常不存在於單子葉植物中，這也是單子葉植物不易被根瘤農桿菌侵染的原因。近年來還發現一些中性糖，如L-阿拉伯糖、D-木糖等也有誘導作用。酚類物質和糖類物質既可以作為根瘤農桿菌的趨化物，又可以作為農桿菌中Ti質粒上Vir區（毒性區）基因的誘導物，使Vir區基因活化，導致T-DNA的加工和轉移，從而侵染植物細胞。
需要注意的是農桿菌中不同的菌株，侵染能力有差別，在基因工程中需要加以選擇使用。利用農桿菌侵染單子葉植物進行遺傳轉化時，是需要加上述酚類物質的，同時單子葉植物種類不同，農桿菌侵染進行遺傳轉化的效果也有很大差異。
如果想將一個抗病毒基因轉入小麥，也可以用農桿菌，但要注意兩點：①要選擇合適的農桿菌菌株，因為不是所有的農桿菌菌株都可以侵染單子葉植物；②要加趨化和誘導的物質，一般為乙醯丁香酮等，目的是使農桿菌向植物組織的受傷部位靠攏（趨化性）和激活農桿菌的Vir區（誘導）的基因，使T-DNA轉移並插入到染色體DNA上。
3.利用大腸桿菌可以生產出人的胰島素，聯繫前面有關細胞器功能的知識，結合基因工程操作程序的基本思路，思考一下，若要生產人的糖蛋白，可以用大腸桿菌嗎？
提示：有些蛋白質肽鏈上有共價結合的糖鏈，這些糖鏈是在內質網和高爾基複合體上加工完成的，內質網和高爾基複合體存在於真核細胞中，大腸桿菌不存在這兩種細胞器，因此，在大腸桿菌中生產這種糖蛋白是不可能的。
4.β-珠蛋白是動物血紅蛋白的重要組成成分。當它的成分異常時，動物有可能患某種疾病，如鐮刀形細胞貧血症。假如讓你用基因工程的方法，使大腸桿菌生產出鼠的β-珠蛋白，想一想，應如何進行設計？
提示：基本操作如下：
（1）從小鼠中克隆出β-珠蛋白基因的編碼序列（cDNA）。
（2）將cDNA前接上在大腸桿菌中可以適用的啟動子，另外加上抗四環素的基因，構建成一個表達載體。
（3）將表達載體導入無四環素抗性的大腸桿菌中，然後在含有四環素的培養基上培養大腸桿菌。如果表達載體未進入大腸桿菌中，大腸桿菌會因不含有抗四環素基因而死掉；如果培養基上長出大腸桿菌菌落，則表明β-珠蛋白基因已進入其中。
（4）培養進入了β-珠蛋白基因的大腸桿菌，收集菌體，破碎後從中提取β-珠蛋白。
（二）求異思維
你能推測出由mRNA反轉錄形成cDNA的過程大致分為哪些步驟嗎？
提示：1970年，特明（H.M. Temin）和巴爾的摩（D. Baltimore）證實了RNA病毒中含有一種能將RNA轉錄成DNA的酶，這種酶被稱為依賴RNA的DNA聚合酶，由於與中心法則中的從DNA到RNA的轉錄是反向的，所以稱為反轉錄酶（reverse transcriptase）。
反轉錄酶既可以利用DNA又可以利用RNA作為模板合成與之互補的DNA鏈。像其他DNA聚合酶一樣，反轉錄酶也以5′→3′方向合成DNA（圖1-3）。
圖1-3 由mRNA反轉錄形成cDNA的過程
cDNA合成過程是：第一步，反轉錄酶以RNA為模板合成一條與RNA互補的DNA單鏈，形成RNA-DNA雜交分子。第二步，核酸酶H使RNA-DNA雜交分子中的RNA鏈降解，使之變成單鏈的DNA。第三步，以單鏈DNA為模板，在DNA聚合酶的作用下合成另一條互補的DNA鏈，形成雙鏈DNA分子。
（三）尋根問底
1.為什麼要構建基因文庫？直接從含有目的基因的生物體內提取不行嗎？
提示：構建基因文庫是獲取目的基因的方法之一，並不是惟一的方式。如果所需要的目的基因序列已知，就可以通過PCR方式從含有該基因的生物的DNA中，直接獲得，也可以通過反轉錄，用PCR方式從mRNA中獲得，不一定要構建基因文庫。但如果所需要的目的基因的序列完全不知，或只知道目的基因序列的一段，或想從一種生物體內獲得許多基因，或者想知道這種生物與另一種生物之間有多少基因不同，或者想知道一種生物在個體發育的不同階段表達的基因有什麼不同，或者想得到一種生物的全基因組序列，往往就需要構建基因文庫。
2.將目的基因直接導入受體細胞不是更簡便嗎？如果這麼做，結果會怎樣？
提示：有人採用總DNA注射法進行遺傳轉化，即將一個生物中的總DNA提取出來，通過注射或花粉管通道法導入受體植物，沒有進行表達載體的構建，這種方法針對性差，完全靠運氣，也無法確定什麼基因導入了受體植物。此法目前爭議頗多，嚴格來講不算基因工程。
♫1.3 基因工程的應用
思考與探究
根據所學內容，試概括寫出基因工程解決了哪些生活、生產中難以解決的問題。
提示：基因工程可以生產人類需要的藥物，如胰島素、幹擾素等。我們吃的某些食品如番茄、大豆等也可以是基因工程產品。農業生產中的抗蟲棉、抗病毒菸草、抗除草劑大豆等都已進入商品化生產，上述產品有些是常規方法難以生產的或者生產成本過高。
♫1.4 蛋白質工程的崛起
（一）思考與探究
1.蛋白質工程是應怎樣的需求而崛起的？
提示（供教師在教學中參考）：蛋白質工程的崛起主要是工業生產和基礎理論研究的需要。而結構生物學對大量蛋白質分子的精確立體結構及其複雜的生物功能的分析結果，為設計改造天然蛋白質提供了藍圖。分子遺傳學的以定點突變為中心的基因操作技術為蛋白質工程提供了手段。
在已研究過的幾千種酶中，只有極少數可以應用於工業生產，絕大多數酶都不能應用於工業生產，這些酶雖然在自然狀態下有活性，但在工業生產中沒有活性或活性很低。這是因為工業生產中每一步的反應體系中常常會有酸、鹼或有機溶劑存在，反應溫度較高，在這種條件下，大多數酶會很快變性失活。提高蛋白質的穩定性是工業生產中一個非常重要的課題。一般來說，提高蛋白質的穩定性包括：延長酶的半衰期，提高酶的熱穩定性，延長藥用蛋白的保存期，抵禦由於重要胺基酸氧化引起的活性喪失等。
下面舉一個如何通過蛋白質工程來提高重組β-幹擾素專一活性和穩定性的例子。幹擾素是一種抗病毒、抗腫瘤的藥物。將人的幹擾素的cDNA在大腸桿菌中進行表達，產生的幹擾素的抗病毒活性為106 U/mg，只相當於天然產品的十分之一，雖然在大腸桿菌中合成的β-幹擾素量很多，但多數是以無活性的二聚體形式存在。為什麼會這樣？如何改變這種狀況？研究發現，β-幹擾素蛋白質中有3個半胱氨酸（第17位、31位和141位），推測可能是有一個或幾個半胱氨酸形成了不正確的二硫鍵。研究人員將第17位的半胱氨酸，通過基因定點突變改變成絲氨酸，結果使大腸桿菌中生產的β-幹擾素的抗病性活性提高到108 U/mg，並且比天然β-幹擾素的貯存穩定性高很多。
在基礎理論研究方面，蛋白質工程是研究多種蛋白質的結構和功能、蛋白質摺疊、蛋白質分子設計等一系列分子生物學基本問題的一種新型的、強有力的手段。通過對蛋白質工程的研究，可以深入地揭示生命現象的本質和生命活動的規律。
2.蛋白質工程操作程序的基本思路與基因工程有什麼不同？
答：基因工程是遵循中心法則，從DNA→mRNA→蛋白質→摺疊產生功能，基本上是生產出自然界已有的蛋白質。蛋白質工程是按照以下思路進行的：確定蛋白質的功能→蛋白質應有的高級結構→蛋白質應具備的摺疊狀態→應有的胺基酸序列→應有的鹼基排列，可以創造自然界不存在的蛋白質。
3.你知道酶工程嗎？絕大多數酶都是蛋白質，酶工程與蛋白質工程有什麼區別？
提示：酶工程就是指將酶所具有的生物催化作用，藉助工程學的手段，應用於生產、生活、醫療診斷和環境保護等方面的一門科學技術。概括地說，酶工程是由酶製劑的生產和應用兩方面組成的。酶工程的應用主要集中於食品工業、輕工業以及醫藥工業中。α-澱粉酶、葡萄糖澱粉酶和葡萄糖異構酶這三個酶連續作用於澱粉，就可以代替蔗糖生產出高果糖漿；蛋白酶用於皮革脫毛膠以及洗滌劑工業；固定化酶還可以治療先天性缺酶病或是器官缺損引起的某些功能的衰竭等。至於我們日常生活中所見到的加酶洗衣粉、嫩肉粉等，就更是酶工程最直接的體現了。通常所說的酶工程是用工程菌生產酶製劑，而沒有經過由酶的功能來設計酶的分子結構，然後由酶的分子結構來確定相應基因的鹼基序列等步驟。因此，酶工程的重點在於對已存酶的合理充分利用，而蛋白質工程的重點則在於對已存在的蛋白質分子的改造。當然，隨著蛋白質工程的發展，其成果也會應用到酶工程中，使酶工程成為蛋白質工程的一部分。
（二）正文中討論題
某多肽鏈的一段胺基酸序列是：…—丙氨酸—色氨酸—賴氨酸—甲硫氨酸—苯丙氨酸—…
討論：（1） 怎樣得出決定這一段肽鏈的脫氧核苷酸序列？請把相應的鹼基序列寫出來。
（2） 確定目的基因的鹼基序列後，怎樣才能合成或改造目的基因（DNA）？
答：（1）每種胺基酸都有對應的三聯密碼子，只要查一下遺傳密碼子表，就可以將上述胺基酸序列的編碼序列查出來。但是由於上述胺基酸序列中有幾個胺基酸是由多個三聯密碼子編碼，因此其鹼基排列組合起來就比較複雜，至少可以排列出16種，可以讓學生根據學過的排列組合知識自己排列一下。首先應該根據三聯密碼子推出mRNA序列為GCU（或C或A或G）UGGAAA（或G）AUGUUU（或C），再根據鹼基互補配對規律推出脫氧核苷酸序列：CGA（或G或T或C）ACCTTT（或C）TACAAA（或G）。
（2）確定目的基因的鹼基序列後，就可以根據人類的需要改造它，通過人工合成的方法或從基因庫中獲取。
（三）異想天開
能不能根據人類需要的蛋白質的結構，設計相應的基因，導入合適的細菌中，讓細菌生產人類所需要的蛋白質食品呢？
提示：理論上講可以，但目前還沒有真正成功的例子。一些報導利用細菌生產人類需要的蛋白質往往都是自然界已經存在的蛋白質，並非完全是人工設計出來而自然不存在的蛋白質。主要原因是蛋白質的高級結構非常複雜，人類對蛋白質的高級結構和在生物體內如何行使功能知之甚少，很難設計出一個嶄新而又具有生命功能作用的蛋白質，而且一個嶄新的蛋白質會帶來什麼危害也是人們所擔心的。
（四）旁欄思考題
1.你知道人類蛋白質組計劃嗎？它與蛋白質工程有什麼關係？我國科學家承擔了什麼任務？
提示：人類蛋白質組計劃是繼人類基因組計劃之後，生命科學乃至自然科學領域一項重大的科學命題。2001年，國際人類蛋白質組組織宣告成立。之後，該組織正式提出啟動了兩項重大國際合作行動：一項是由中國科學家牽頭執行的「人類肝臟蛋白質組計劃」；另一項是以美國科學家牽頭執行的「人類血漿蛋白質組計劃」，由此拉開了人類蛋白質組計劃的帷幕。
「人類肝臟蛋白質組計劃」是國際上第一個人類組織／器官的蛋白質組計劃，由我國賀福初院士牽頭，這是中國科學家第一次領銜的重大國際科研協作計劃，總部設在北京，目前有16個國家和地區的80多個實驗室報名參加。它的科學目標是揭示並確認肝臟的蛋白質，為重大肝病預防、診斷、治療和新藥研發的突破提供重要的科學基礎。
人類蛋白質組計劃的深入研究將是對蛋白質工程的有力推動和理論支持。
2.對天然蛋白質進行改造，你認為應該直接對蛋白質分子進行操作，還是通過對基因的操作來實現？
答：毫無疑問應該從對基因的操作來實現對天然蛋白質改造，主要原因如下：
（1）任何一種天然蛋白質都是由基因編碼的，改造了基因即對蛋白質進行了改造，而且改造過的蛋白質可以遺傳下去。如果對蛋白質直接改造，即使改造成功，被改造過的蛋白質分子還是無法遺傳的。
（2）對基因進行改造比對蛋白質直接改造要容易操作，難度要小得多。
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