Question

萝卜的蛋白A具有广泛的抗植物病菌作用，而且对人体没有影响。我国科学家欲获得高效表达蛋白A的转基因大肠杆菌作为微生物农药，做了相关研究。

（1）研究者用相同的_________酶处理蛋白A基因和pET质粒，得到重组质粒，再将重组质粒置于经_________处理的大肠杆菌细胞悬液中，获得转基因大肠杆菌。

（2）检测发现，转入的蛋白A基因在大肠杆菌细胞中表达效率很低，研究者推测不同生物对密码子具有不同的偏好，因而设计了与蛋白A基因结合的两对引物（引物B和C中都替换了一个碱基），并按图2方式依次进行4次PCR扩增，以得到新的蛋白A基因。

①这是一种定点的_________技术。

②图2所示的4次PCR应该分别如何选择图1中所示的引物？请填写以下表格（若选用该引物划“√”，若不选用该引物则划“×”）。_____

	引物A	引物B	引物C	引物D
PCR1
PCR2
PCR3
PCR4

（3）研究者进一步将含有新蛋白A基因的重组质粒和_________分别导入大肠杆菌，提取培养液中的蛋白质，用_________方法检测并比较三组受体菌蛋白A的表达产物，判断新蛋白A基因表达效率是否提高。为检测表达产物的生物活性，研究者将上述各组表达产物加入到长满了植物病菌的培养基上，培养一段时间后，比较_________的大小，以确定表达产物的生物活性大小。

（4）作为微生物农药，使用时常喷洒蛋白A基因的发酵产物而不是转蛋白A基因的大肠杆菌，其优点是_________。

Answer

限制酶和DNA连接 CaCl2 基因突变

引物A

引物B

引物C

引物D

PCR1

√

√

×

×

PCR2

×

×

√

√

PCR3

×

×

×

×

PCR4

√

×

×

√

含有蛋白A基因的重组质粒、空质粒（pET质粒） 抗原-抗体杂交 抑菌圈 对人、畜、农作物和自然环境安全；不会造成基因污染；有效成分纯度较高

【解析】

（一）基因工程的基本工具

1、“分子手术刀”——限制性核酸内切酶（限制酶）

（1）来源：主要是从原核生物中分离纯化出来的。

（2）功能：能够识别双链DNA分子的某种特定的核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开，因此具有专一性。

（3）结果：经限制酶切割产生的DNA片段末端通常有两种形式：黏性末端和平末端。

2、“分子缝合针”——DNA连接酶

（1）两种DNA连接酶（E•coliDNA连接酶和T4DNA连接酶）的比较：

①相同点：都缝合磷酸二酯键。

②区别：E•coliDNA连接酶来源于大肠杆菌，只能将双链DNA片段互补的黏性末端之间的磷酸二酯键连接起来；而T4DNA连接酶来源于T4噬菌体，可用于连接粘性末端和平末端，但连接效率较低。

（2）与DNA聚合酶作用的异同：DNA聚合酶只能将单个核苷酸加到已有的核苷酸片段的末端，形成磷酸二酯键．DNA连接酶是连接两个DNA片段的末端，形成磷酸二酯键。

3、“分子运输车”——载体

（1）载体具备的条件：①能在受体细胞中复制并稳定保存。

②具有一至多个限制酶切点，供外源DNA片段插入。

③具有标记基因，供重组DNA的鉴定和选择。

（2）最常用的载体是质粒，它是一种裸露的、结构简单的、独立于细菌拟核DNA之外，并具有自我复制能力的双链环状DNA分子。

（3）其它载体：噬菌体的衍生物、动植物病毒。

（二）基因工程的基本操作程序

第一步：目的基因的获取

1、目的基因是指：编码蛋白质的结构基因。

2、原核基因采取直接分离获得，真核基因是人工合成．人工合成目的基因的常用方法有反转录法和化学合成法。

3、PCR技术扩增目的基因

（1）原理：DNA双链复制

（2）过程：第一步：加热至90～95℃DNA解链；第二步：冷却到55～60℃，引物结合到互补DNA链；第三步：加热至70～75℃，热稳定DNA聚合酶从引物起始互补链的合成。

第二步：基因表达载体的构建

1、目的：使目的基因在受体细胞中稳定存在，并且可以遗传至下一代，使目的基因能够表达和发挥作用。

2、组成：目的基因+启动子+终止子+标记基因

（1）启动子：是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的首端，是RNA聚合酶识别和结合的部位，能驱动基因转录出mRNA，最终获得所需的蛋白质。

（2）终止子：也是一段有特殊结构的DNA片段，位于基因的尾端。

（3）标记基因的作用：是为了鉴定受体细胞中是否含有目的基因，从而将含有目的基因的细胞筛选出来．常用的标记基因是抗生素抗性基因。

第三步：将目的基因导入受体细胞

1、转化的概念：是目的基因进入受体细胞内，并且在受体细胞内维持稳定和表达的过程。

2、常用的转化方法：

将目的基因导入植物细胞：采用最多的方法是 农杆菌转化法，其次还有基因枪法和 花粉管通道法等。

将目的基因导入动物细胞：最常用的方法是 显微注射技术．此方法的受体细胞多是受精卵。

将目的基因导入微生物细胞：原核生物作为受体细胞的原因是 繁殖快、多为单细胞、遗传物质相对较少，最常用的原核细胞是 大肠杆菌，其转化方法是：先用Ca2+处理细胞，使其成为感受态细胞，再将重组表达载体DNA分子溶于缓冲液中与感受态细胞混合，在一定的温度下促进感受态细胞吸收DNA分子，完成转化过程。

3、重组细胞导入受体细胞后，筛选含有基因表达载体受体细胞的依据是标记基因是否表达。

第四步：目的基因的检测和表达

1、首先要检测转基因生物的染色体DNA上是否插入了目的基因，方法是采用 DNA分子杂交技术。

2、其次还要检测目的基因是否转录出了mRNA，方法是采用用标记的目的基因作探针与 mRNA杂交。

3、最后检测目的基因是否翻译成蛋白质，方法是从转基因生物中提取蛋白质，用相应的抗体进行抗原——抗体杂交。

4、有时还需进行个体生物学水平的鉴定，如转基因抗虫植物是否出现抗虫性状。

（1）在基因工程中，利用相同的限制酶和DNA连接酶处理蛋白A基因和pET质粒，得到重组质粒；大肠杆菌作为受体细胞，需要用氯化钙处理，以便重组质粒的导入。

（2）①根据题意和图示分析，经过4次PCR技术后获得了新的基因，这是一种定点的基因突变技术。

②与研究者推测不同生物对密码子具有不同的偏好，因而设计了与蛋白A基因结合的两对引物（引物B和C中都替换了一个碱基），因此4次PCR应该分别选择如图所示的引物如下表所示：

引物A

引物B

引物C

引物D

PCR1

√

√

×

×

PCR2

×

×

√

√

PCR3

×

×

×

×

PCR4

√

×

×

√

（3）根据实验中的对照原则，若要比较新蛋白A的表达效率是否提高，则需设置三组实验实验变量的处理分别为：仅含新蛋白质A的重组质粒，仅含蛋白A的重组质粒和空白对照（仅含空质粒，以排除空质粒可能产生的影响）。因此，将含有新蛋白A基因的重组质粒和含有蛋白A基因的重组质粒、空质粒（pET质粒）分别导入大肠杆菌，提取培养液中的蛋白质，用抗原——抗体杂交方法检测并比较三组受体菌蛋白A的表达产物，判断新蛋白A基因表达效率是否提高。由于蛋白A（或新蛋白A）具有抗菌作用，所以为检测表达产物的生物活性，研究者将上述各组表达产物加入到长满了植物病菌的培养基上，培养一段时间后，比较抑菌圈的大小，以确定表达产物的生物活性大小。

（4）作为微生物农药，使用时常喷洒蛋白A基因的发酵产物而不是转蛋白A基因的大肠杆菌，是因为蛋白A基因的发酵产物对人、畜、农作物和自然环境安全；不会造成基因污染；有效成分纯度较高。