第三章：遺傳與基因工程
第三節.基因表達的調控 第四節.基因工程簡介
【重點與難點】
重點：原核生物基因表達調控的原理，基因操作的工具和基本步驟。
難點：原核生物基因表達調控的原理，限制酶和運載體的作用及基因操作的基本步驟。
【延伸與拓展】
第三節：基因表達的調控
生物體的每一個細胞中都含有本物種的一整套基因，因此，多細胞生物體的每個細胞都具有能夠將它所具有的每個基因都表達出來、并且發育成一個完整的生物體的潛能，這就是細胞的全能性。但生物細胞內的一整套基因并不是同時都在表達，這是因為，在細胞內存在著對基因表達的調控機制，基因能夠有序地表達。
一、原核生物基因表達的調控
實驗現象：將大腸桿菌接種到無葡萄糖而只有乳糖培養基中，大腸桿菌就會合成并分泌出大量的“半乳糖苷酶”，這種酶可以將培養基中的乳糖分解成葡萄糖和半乳糖，從而加以利用。如果將大腸桿菌生活環境中的乳糖除去，半乳糖苷酶的合成就立即停止。
結果分析：大腸桿菌這種原核生物是否能夠合成半乳糖苷酶，取決于周圍環境中有無乳糖。而半乳糖苷酶的合成是受特定的基因??半乳糖苷酶基因來控制的。因此，乳糖誘導了半乳糖苷酶基因的表達，從而合成了分解乳糖的半乳糖苷酶。那么，這個調控過程到底是怎樣的呢？
基因表達的調控機理：在大腸桿菌的DNA分子上，與乳糖代謝有關的脫氧核苷酸序列及功能如教材P53圖3－12，其調控流程如下：
通過大腸桿菌乳糖代謝的調控過程，可以看出其對環境的適應性，這一適應性又稱應激性，是生物在長期的進化過程中形成的，由遺傳物質決定的。
二、真核生物基因表達的調控
真核生物基因的核苷酸序列也分為調控基因和結構基因，這一點是與原核生物相似的，真核生物基因的表達過程亦與原核生物有許多點，但也有區別：
原核生物的基因表達過程為：
真核生物的基因表達過程為：
可以看出，兩者的不同點是：原核生物轉錄產生的mRNA不需加工，直接翻譯蛋白質，且邊轉錄邊翻譯；而真核生物由DNA轉錄的mRNA則需經加工，形成成熟的mRNA才能翻譯成蛋白質，且轉錄在細胞核中、翻譯在細胞質中（核糖體內），因而其轉錄和翻譯有時間與空間上的的分隔。
多細胞的真核生物在個體發育過程中，基因在各個細胞中不是均等地表達，而是有特異性地表達，從而引起細胞的分化，這是由于在多種因素的影響下、在不同的細胞中關閉或開啟某些基因所造成的。
第四節：基因工程簡介
一、基因工程的基本內容
1.概念：基因工程又叫做基因工程技術或DNA重組技術，就是按照人類的要求，把一種生物的個別基因復制出來，加以修飾改造，然后導入另一種生物的細胞里，定向地改造生物的遺傳性狀。
2.基因操作的工具：基因工程是在DNA分子水平上進行設計和施工，即對DNA分子進行剪切和拼接其主要工具有：
（1）基因剪刀：限制性內切酶，簡稱限制酶。這種酶主要存在于微生物中，由于每種限制酶能識別特定的核苷酸序列，因此，限制酶能在特定的切點上切割DNA分子。
（2）基因針線：DNA連接酶，用它可以將兩個DNA分子的互補的堿基連接起來，同時還要將兩個DNA分子的“磷酸?脫氧核糖”連接起來。
（3）基因運輸工具：運載體，借助運載體將外源的目標基因送入受體細胞。作為運載體要符合以下三個條件：第一，能在宿主細胞中復制并穩定地保存；第二，具有多個限制酶切點，以便與外源基因連接；第三，具有標記基因，便于篩選，質粒、噬菌體及動植物病毒常被用作運載體。
3. 基因操作的步驟：
（1）提取目的基因
（2）目的基因與運載體結合
用同一種限制酶去切割質粒和目的基因，加入DNA連接酶，形成重組DNA分子
�。�3）將目的基因導入受體細胞
借鑒細菌或病毒侵染細胞的方法來進行。
�。�4）目的基因的檢測和表達
檢測：根據受體細胞是否具有某些標記基因判斷。
表達：受體細胞表現出特定的性狀。
二、基因工程的成果與發展前景
1.基因工程與醫藥衛生
生產基因工程藥品：如，將胰島素基因導入大腸桿菌，來生產胰島素。
基因診斷與治療： 用帶同位素或熒光標記的DNA做探針，利用DNA分子雜交原理檢測被測標本的遺傳信息，來檢測病癥。
2.基因工程與農牧業、食品工業
農業： 獲得高產、穩產、品質優良的農作物，如：向日葵豆
培育抗逆性的作物品種，如：抗蟲棉
畜牧養殖業：改善動物的優良品種，如：超級綿羊
食品工業： 開辟食物來源，如：用大腸桿菌或酵母來生產蛋白
3.基因工程與環境保護
環境監測：用DNA探針檢測飲用水中的病毒含量
凈化環境：用假單孢桿菌分解石油
【例題精講】
例一． 在大腸桿菌的乳糖代謝中，若調節基因突變，造成阻抑物缺乏，與乳糖分解代謝有關的酶能合成嗎？為什么？若啟動子或操縱基因突變，結果如何？
解析：本題主要考查原核生物基因表達調控的知識。
當阻抑物缺乏時，無論是否有乳糖，均不會阻抑RNA聚合酶與啟動子的結合，因此，結構基因可以工作，合成與乳糖分解代謝有關的酶。
若啟動子發生突變，無論阻抑物是否與操縱基因結合，RNA聚合酶都不能與啟動子的結合，因此結構基因無法工作，不能合成與乳糖分解代謝有關的酶。
若操縱基因突變，則阻抑物無法與之結合，因此，RNA聚合酶隨時可以與啟動子的結合，使結構基因工作，合成與乳糖分解代謝有關的酶。
因此，本題的答案是：能；因阻抑物缺乏時，RNA聚合酶隨時可以與啟動子的結合，而使結構基因轉錄成mRNA，進而翻譯成蛋白質，即產生乳糖分解代謝有關的酶；啟動子發生突變，則不能合成與乳糖分解代謝有關的酶；若操縱基因突變，能產生與乳糖分解代謝有關的酶。
例二． 下列關于基因工程技術的敘述，正確的是（ ）
A.重組DNA技術所用的工具酶是限制酶、連接酶和運載體
B.所有限制酶都只能識別同一種按規定的核苷酸序列
C.選用細菌作為重組質粒的受體細胞是因為細胞繁殖快
D.只要目的基因進入了受體細胞就能成功實現表達
解析：本題主要考查有關基因工程中有關操作工具、目的基因表達等知識
基因操作的工具有限制酶、連接酶；一種限制酶只能識別一種核苷酸序列，不同的限制酶識別的核苷酸序列不同；
運載體是運輸工具，目的基因進入受體細胞后，只有當受體細胞表達出目標性狀，才能說明成功實現基因表達；導入受體細胞中的目的基因是為了表達、生產目的基因轉錄和翻譯的產物，因此，能夠快速繁殖是作為受體細胞的重要條件。
因此，本題的答案是：C。
【同步練習】
一、選擇題
1.DNA復制、轉錄和翻譯分別形成（ ）
A.DNA、RNA、蛋白質 B.RNA、DNA、多肽
C.RNA、DNA、核糖體 D.RNA、DNA、蛋白質
2.若基因中四種脫氧核苷酸的排列順序發生變化，那么這種變化不可能導致（ �。�
A.遺傳性狀的變化 B.遺傳信息的變化
C.遺傳密碼的變化 D.遺傳規律的變化
3.如果DNA分子的鏈中的A＋T/C＋G=a,那么由該DNA轉錄而成的RNA中A＋U/C＋G的比值為（ ）
A.a B.1/ a C.1 D.（1－1/ a）
4.下列哪項是原核生物基因表達調控的特征（ �。�
A.翻譯的模板是轉錄后經過加工的信使RNA B.轉錄完畢后便進行翻譯
C.基因表達調控的結果是產生了細胞分化 D.轉錄和翻譯同時進行
5. 生物的每個細胞都含有一整套該物種的基因，對這些基因的表述正確的是（ �。�
A.整套基因同時表達 B.每種基因時時開啟著
C.可隨特定情況開啟或關閉某些基因 D.一旦開啟就不能關閉
6.在大腸桿菌體內半乳糖苷酶的合成過程中，相關基因的作用順序是（ �。�
A.調節基因、結構基因、操縱基因 B. 調節基因、操縱基因、結構基因
C.結構基因、調節基因、操縱基因 D. 調節基因、操縱基因、啟動子、結構基因
7.在真核生物的核糖體上，翻譯合成蛋白質的模板信使RNA的來源是（ �。�
A.染色體上的DNA直接轉錄形成mRNA B.剪切掉內含子轉錄部分的mRNA
C.由內含子轉錄部分拼接成的mRNA D.由外顯子直接轉錄形成的mRNA
8.實施基因工程的最終目的是（ ）
A.定向提取生物體的DNA分子 B.定向地對DNA分子進行人工剪切
C.在生物體外對DNA分子進行改造 D.定向地改造生物的遺傳性狀
9.下列哪項不是基因工程中經常使用的用來運載目的基因的運載體
A.細菌質�！ .噬菌體 C.動植物病毒 D.細菌核區的DNA
10.將牛的生長激素基因和人的生長激素基因，用顯微注射技術分別注入小鼠的受精卵中，從而獲得了“超級鼠”。此項技術遵循的原理是（ �。�
A.基因突變 DNA→RNA→蛋白質 B.基因工程 RNA→RNA→蛋白質
C.細胞工程 DNA→RNA→蛋白質 D.基因工程 DNA→RNA→蛋白質
11.應用基因工程技術診斷疾病的過程中必須使用基因探針才能達到檢測疾病的目的，這里的基因探針是指
A.用于檢測疾病的醫療器械 B.用放射性同位素或熒光分子等標記的DNA分子
C.合成β－球蛋白的DNA D.合成苯丙羥化酶的DNA片斷
12.在基因操作的基本步驟中，不進行堿基互補的步驟是
A.人工合成目的基因 B.目的基因與運載體結合
C.將目的基因導入受體細胞 D.基因的檢測和表達
二．非選擇題
13.下圖是科學家根據實驗提出的一個真核生物的基因調控系統模型，仔細分析后回答下列問題：
（1）同原核生物大腸桿菌的基因表達機制相比較，圖中的整合基因相當于原核生物的＿＿＿＿＿，其功能是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿，感受器相當于原核生物的＿＿＿＿＿＿＿＿，它的功能是＿＿＿＿＿。
（2）從圖中可看出：真核生物的基因調控信號來自體內的＿＿＿＿＿＿＿＿，它和膜上的受體結合后，作用感受基因，從而激活整合基因，整合基因形成的產物可解除感受器對結構基因的抑制，從而開始轉錄。
【練習答案】
1.A 2.D 3.A 4.D 5.C 6.D
7.B 8.D 9.D 10.D 11.B 12.C
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