1．1 DNA重组技术的基本工具
[学习目标] 1.基因工程的概念、诞生和发展。2.DNA重组技术所需三种基本工具的作用。3.基因工程中载体需要具备的条件。
方式一 抗虫棉的研究开发是中国发展农业转基因技术，打破跨国公司垄断，抢占国际生物技术制高点的成功事例。抗虫棉的应用使棉铃虫得到了有效控制，使杀虫剂用量降低了70%～80%，有效保护了农业生态环境，减少了农民喷药中毒事故，为棉花生产和农业的可持续发展做出了巨大贡献。
师：要实现抗虫基因在棉花中的表达，提前要做哪些关键工作？ 生：要将抗虫基因切割下来；要将抗虫基因整合到棉花的DNA上。
师：这里存在一个基因转移的实际问题，就是如何将控制抗虫的基因转入棉花细胞的问题。 师：中国有句俗语叫“没有金刚钻儿，不揽瓷器活儿”。科学家们在实施基因工程之前，苦苦求索，终于找到了实施基因工程的三种“金刚钻儿”，使基因工程的设想成为了现实。这三种“金刚钻儿”是什么？有什么特点和具体作用？下面我们就来学习这方面的内容。 方式二 科学设想，能否让禾本科植物也能固定空气中的氮？能否让细菌“吐出”蚕丝？能否让微生物产生人的胰岛素、干扰素等珍贵的药物？经过多年努力，科学家于20世纪70年代创立了可以定向改造生物的新技术——基因工程。这一技术是在DNA分子水平上进行的，在微小的DNA分子上进行的操作，需要专用的工具。这些工具是什么？各自的作用是什么？让我们一起来了解一下吧！
一、基因工程的概念和诞生 1．基因工程的概念
基因工程是指按照人们的意愿，进行严格的设计，并通过体外DNA重组和转基因技术，赋予生物以新的遗传特性，从而创造出更符合人们需要的新的生物类型和生物产品。又称为DNA重组技术。 2．基因工程的诞生 (1)理论基础
①DNA是遗传物质的证明。
②DNA双螺旋结构和中心法则的确立。
③遗传密码的破译：所有生物共用一套遗传密码。
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(2)技术支持
①基因转移载体的发现：质粒有自我复制能力，并且可以在细菌细胞间转移。 ②工具酶的发现：陆续发现了多种限制酶、连接酶以及逆转录酶。 ③DNA合成和测序技术、体外重组技术的实现。 ④重组DNA表达实验的成功。 归纳总结
1．对基因工程概念的理解
操作环境 操作对象 操作水平 原理 结果
2.基因工程的理论基础
(1)几乎所有生物的DNA分子都具有相似的成分和结构，即都是由4种脱氧核苷酸形成规则的双螺旋结构，这为不同生物的DNA拼接提供了物质基础。
(2)所有生物共用一套遗传密码，这为一种生物的基因在其他生物体内正常表达提供了可能。 (3)基因是控制生物体性状的结构和功能单位，具有相对独立性，这为目的基因在受体细胞中的独立表达提供了可能。
例1 (2017·洛阳校级月考)下列叙述符合基因工程概念的是( ) A．在细胞内将DNA进行重组，赋予生物新的遗传特性
B．将人的干扰素基因重组到质粒上后导入大肠杆菌，获得能产生人干扰素的菌株 C．用紫外线照射青霉菌，使其DNA发生改变，通过筛选获得青霉素高产菌株 D．自然界中天然存在的噬菌体自行感染细菌后其DNA整合到细菌DNA上 答案 B
解析 基因工程是在生物体外将DNA进行重组，赋予生物新的遗传特性，A项错误；B项符合基因工程的概念；C项属于诱变育种；D项外源基因导入细菌不是人为操作的，不属于基因工程的范畴。
例2 目前，科学家把兔子血红蛋白基因导入大肠杆菌细胞中，在大肠杆菌细胞中合成了兔子的血红蛋白。下列不是这一先进技术的理论依据的是( ) A．所有生物共用一套遗传密码 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，都遵循相同的碱基互补配对原则
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生物体外 基因 DNA分子水平 基因重组 按照人类的需要定向改造生物的遗传特性 D．兔子与大肠杆菌有共同的原始祖先 答案 D
解析 题干表述的是目的基因导入受体细胞并得以表达的过程，目的基因在不同生物细胞中能够表达出相同的蛋白质，说明控制其合成的信使RNA上的密码子是共用的，相同的密码子决定相同的氨基酸，A项正确；基因是通过转录获得信使RNA，进而控制蛋白质的合成，B项正确；基因是有遗传效应的DNA片段，只要是双链DNA都遵循碱基互补配对原则，其组成原料都是四种脱氧核苷酸，C项正确；生物之间是否有共同的原始祖先与转基因技术之间没有必然关系，D项错误。
方法链接 基因重组的三种主要类型
(1)减数第一次分裂四分体时期，同源染色体上的非姐妹染色单体间交叉互换，导致染色单体上的基因重新组合。
(2)减数第一次分裂后期，随着非同源染色体的自由组合，非同源染色体上的非等位基因也自由组合。
(3)人工操作导致的基因重组，即基因工程。 二、基因工程操作的两种工具酶
1．限制性核酸内切酶——“分子手术刀”
来源 种类 特点 作用 结果
2.DNA连接酶——“分子缝合针”
(1)作用：将双链DNA片段“缝合”起来，恢复被限制酶切开的两个核苷酸之间的磷酸二酯键。 (2)种类
种类 来源 大肠杆菌 T4噬菌体 特点 只能“缝合”具有互补黏性末端的双链DNA片段，不能“缝合”双链DNA片段的平末端 既可以“缝合”双链DNA片段互补的黏性末主要来自原核生物 约4_000种 识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列 切割特定核苷酸序列中的特定位点 断裂特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键 产生黏性末端或平末端 E·coli DNA连接酶 T4DNA连接酶 3
端，又可以“缝合”双链DNA片段的平末端
归纳总结 与DNA相关的五种酶的比较
名称 限制酶 DNA连接酶 DNA聚合酶 DNA (水解)酶 解旋酶 例3 下表为常用的限制性核酸内切酶(限制酶)及其识别序列和切割位点，由此推断以下说法中，正确的是( )
限制性核 酸内切酶 识别序列和 切割位点 GGATCC GAATTC GTYRAC ↓↓↓作用部位 磷酸二酯键 磷酸二酯键 磷酸二酯键 磷酸二酯键 碱基对之间的氢键 作用结果 将DNA切成两个片段 将两个DNA片段连接为一个DNA分子 将单个脱氧核苷酸依次连接到单链末端 将DNA片段水解为单个脱氧核苷酸 将双链DNA分子局部解旋为单链，形成两条长链 限制性核 酸内切酶 识别序列和 切割位点 GGTACC ↓↓BamHⅠ EcoRⅠ HindⅡ
KpnⅠ Sau3AⅠ SmaⅠ GATC ↓CCCGGG 注：Y表示C或T，R表示A或G。 A．一种限制酶只能识别一种核苷酸序列 B．限制酶切割后一定形成黏性末端 C．不同的限制酶可以形成相同的黏性末端 D．限制酶的切割位点在识别序列内部 答案 C
解析 根据表格内容可以推知，每种限制酶都能识别特定的核苷酸序列，但不一定只能识别一种序列，如限制酶HindⅡ，A项错误；限制酶切割后能形成黏性末端或平末端，如限制酶
HindⅡ切割后露出平末端，B项错误；不同的限制酶切割后可能形成相同的黏性末端，如限
制酶BamHⅠ和Sau3AⅠ切割后露出的黏性末端相同，C项正确；限制酶的切割位点可以位于识别序列的外侧，如Sau3AⅠ，D项错误。
例4 关于下图所示黏性末端的叙述，正确的是( )
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