基因突变和基因重组
【本讲教育信息】
一、教学内容
基因突变和基因重组
二、学习内容：
基因突变基因突变的原因基因重组重组DNA技术基因的连锁和交换定律
三、学习目标
说明基因突变的特征和原因总结基因重组及其意义
四、学习重点：
基因突变是生物变异的一个重要来源，属于分子水平上的变化，这是本节的一个重点和难点。基因重组、重组DNA技术、基因的连锁和交换定律
五、学习难点
基因突变、基因重组、重组DNA技术基因的连锁和交换定律
六、学习过程
1. 重组DNA技术重组DNA技术是指将从一个生物体内分离得到或人工合成的目的基因导入另一个生物体中，使后者获得新的遗传性状或表达所需要的产物的技术
⑴1973年，美国科学家科恩等将两种不同生物的DNA分子进行体外重组，并首次在大肠杆菌中得到表达。
重组DNA，需要有能在特定位置上切割DNA分子的限制性内切酶和能将DNA片段连接起来的DNA连接酶。
⑵重组DNA技术的一般过程（重组DNA技术是基因工程的核心技术）
①分离目的基因从生物细胞内直接分离或人工合成，获得目的基因。
②选择基因工程载体运载目的基因需要载体，常用的载体有质粒、噬菌体等。
③体外重组DNA用同一种限制性内切酶切割的目的基因和载体，在DNA连接酶的作用下形成重组DNA。
④导入目的基因将带有目的基因的重组DNA导入受体细胞，基因工程中常用的受体细胞有大肠杆菌、酵母菌和动植物细胞等。
⑤筛选、培养受体细胞筛选并大量培养已获得重组DNA分子的受体细胞
⑥目的基因表达目的基因在受体细胞中表达产生蛋白质。
⑶基因工程的应用价值
例如，治疗糖尿病的胰岛素、治疗侏儒症的人生长激素等基因工程药物和防治乙肝的疫苗等基因工程疫苗已广泛应用。
友病的治疗
⑷基因工程中的转基因技术可使人类按照自己的愿望定向地改造生物，特别是改造高等动植物
①转基因作物已经在我国和美国、阿根廷、加拿大等许多国家大面积种植
②转基因微生物已经被用于生产各种药品等Com]
③转基因动物的研究也取得了令人瞩目的进展
Ⅰ通过转基因技术培育出的抗软化番茄、高脂肪酸向日葵、高产玉米等植物已投入商品化生产；培育出的各种具有抗逆性的作物新品种，在农业生产上具有重要意义。
Ⅱ我国科学家已经将编码苏云金芽孢杆菌的一种毒蛋白的基因，通过转基因技术导入棉细胞内，成功地培育出抗棉铃虫的转基因抗虫棉，栽培抗虫棉等转基因抗虫作物可以大大减少农药的用量，不仅降低了生产成本，还能减少农药对环境的污染
Ⅲ在养殖业上，科学家也利用转基因技术培育出转基因奶牛、转基因鱼等动物新品种。
Ⅳ基因工程已经广泛应用于医、农、林、牧、渔、环境保护等许多方面。
2. 转基因生物的安全性问题
⑴一些生态学家认为，转基因生物进入自然环境可能会有一定程度的风险
①例如，转入抗除草剂基因的转基因作物有可能与亲缘关系较近的杂草发生天然杂交，从而产生具有抗除草剂基因的新杂草，出现更难对付的“超级杂草”危害。
②处于实验阶段的转基因生物必须严加管理，所有新的转基因生物都必须通过严格的审查评估，排除风险后才能被批准进入自然环境。
⑵基因工程既可用于特殊蛋白质的生产、动植物的遗传改良和人类基因治疗，又可用于制造更危险的具有毁灭性的生物武器。实验用转基因生物，特别是食用转基因生物产品对人体健康是否会造成不利的影响，一直是公众关心的问题。
⑶大多数专家认为，已经投入商品化生产的转基因番茄、玉米等农产品都是安全的。迄今为止尚无食用转基因生物产品引起任何严重问题的科学报道。
⑷有人对基因治疗的安全问题也非常关切
①从理论上说，目的基因导入人体细胞，有可能使受体的基因组成发生某种无法控制和预见的遗传变异
②含有目的基因的人和正常人婚配有可能使那些目的基因在人群中传播，进而可能对
整个人类基因库产生难以预料的影响。
3. 空间技术育种空间技术育种是利用返回式航天器和高空气球所能达到的空间环境对植物（种子）的诱变作用，以产生有利变异的育种技术
⑴2003年10月15日，我国成功发射的“神舟五号”又搭载了相关的植物种子进行空间技术育种
⑵空间技术育种已经取得了许多重要成果，培育出许多动植物新品种。
4. 基因的连锁和交换定律
⑴美国遗传学家摩尔根采用果蝇作为遗传学研究材料，不仅证实了基因的分离定律和基因的自由组合定律是正确的，而且又发现了基因的连锁和交换定律。这一定律解释了孟德尔的遗传定律所不能解释的遗传现象。
⑵连锁
①果蝇两对相对性状的杂交实验
②测交后代未出现自由组合定律分离比（灰身长翅︰黑身残翅=1︰1）
③分析：两对等位基因位于同一对同源染色体上，减数分裂时，出现同
一条染色体上的不同基因连在一起不分离的现象。
④F1雄果蝇只产生两种雄配子，故只有两种测交子代
（3）不完全连锁遗传（雌果蝇）
①F l的雌果蝇与双隐性类型测交，后代中除了多数是灰身长翅
（BbVV）和黑身残翅（bbvv）果蝇（两者各占42%）以外，还有少数是灰身残翅（Bbvv）和黑身长翅（bbVv）果蝇（两者各占8％）。
②解释ⅠF1雌果蝇的位于同一个染色体上的两个基因也大都是连锁遗传的，因此生成的两种配子特别多（各占42％）；
Ⅱ小部分联会的同源染色体因交叉而互换了一部分，而交叉正在基因B与V和b与v 中间，结果就产生了两种含有新基因组合的和配子各占8％。
ⅢF1的灰身长翅雌果蝇与黑身残翅雄果蝇测交
（4）连锁与互换现象在生物界普遍存在
①完全连锁。在同一染色体上的连锁基因100％联系在一起传递给下一代。雄果蝇B、V基因是完全连锁的。
②不完全连锁：在减数分裂形成四分体时，位于同源染色体上的等位基因有时会随着非姐妹染色单体的交换而发生交换。来自父方的染色单体和来自母方的染色单体，在减数分裂时，相互交换对应部分，能使染色体上的基因产生新的组合，是形成生物新类型的原因之一。
每对同源染色体上都有很多对等位基因，如果控制不同性状的等位基因在同一对同源染色体上，那么，它们就不按照自由组合规律来遗传，而是按照连锁和互换定律来遗传。
（5）基因的连锁和互换定律在实践上的应用基因互换产生的新类型能为育种工作提供原始材料；根据育种目标选择杂交亲本时，必须考虑性状之间的连锁关系
①几个好的性状连锁在一起，这对育种工作就很有利
②不利的性状与有利的性状连锁在一起，要采取措施，打破基因连锁，进行基因互换，让人们所要求的基因重组在一起，培育出优良品种来
例：有两个大麦品种：一个是矮秆抗倒伏但不抗锈病的品种，另一个是高秆易倒伏但能抗锈病的品种。矮秆抗倒伏与不抗锈病这两个基因位于同一个染色体上，高秆易倒伏与抗锈病这两个基因也位于同一个染色体上。经过杂交，F1就会出现四种类型的后代，其中就有由于基因互换而出现的矮秆抗倒伏同时又抗锈病的类型，经过进一步培育和大量繁殖就可以成为良种。
【典型例题】
1. 现在人们已经实现了分子水平上遗传物质的人工重组，下列实例中属于分子水平上人工重组基因的是（）
A. 利用杂交技术培育出新的高品质水稻品种
B. 科学工作者将猪的胰岛素转变成人的胰岛素
C. 能产生抗体的小鼠B淋巴细胞和骨髓细胞的融合
D. 将人的 -抗胰蛋白酶基因导入到羊的DNA分子中
解析：分子水平上人工重组是指基因工程中目的基因与受体细胞中的DNA分子重组。
答案：D
2. 下列有关基因工程的叙述，正确的是
A. 限制性内切酶对特定的核苷酸序列的识别与DNA的来源无关，因此对各种DNA普遍适用
B. 目的基因是指编码蛋白质的基因，它不包括一些具有调控作用的核苷酸序列
C. DNA连接酶既能缝合双螺旋DNA骨架上的切口，又能连接两条单链的DNA分子
D. 采用反转录法得到的目的基因有内含子
解析：目的基因包括编码蛋白质的编码区和有调控作用的非编码区，DNA连接酶不能连接两条单链的DNA分子，反转录法的模板RNA一般是剪切掉内含子转录部分的成熟的信使RNA，所以反转录后不含有内含子。
答案：A
3. （经典回放）镰刀型细胞贫血症的病因是血红蛋白基因的碱基序列发生了改变，检测这种碱基序列的改变必须使用的酶是………（）
A. 解旋酶
B. DNA连接酶
C. 限制性内切酶
D. RNA聚合酶
解析：该题的考查点是基因的诊断，所用的技术是DNA探针，原理是DNA分子杂交技术。在进行基因诊断时，首先要用限制性内切酶切割DNA片段，获得正常人的血红蛋白
基因，用同位素标记做成探针，然后用同一种限制性内切酶切割镰刀型细胞贫血症病人的DNA获得血红蛋白基因，然后放在同一容器中高温加热，使DNA变性，氢键断裂，再降温，DNA复性时两种DNA分子进行杂交，从而检测出血红蛋白基因碱基序列发生改变的部位。所以DNA分子杂交技术用到的酶是限制性内切酶。
答案：C
4. 采用基因工程技术将人凝血因子基因导入山羊受精卵中，培育出了转基因羊。但是，人凝血因子只存在于该转基因羊的乳汁中。以下有关叙述正确的是
A. 人体细胞凝血因子基因编码区的碱基对数目，等于凝血因子氨基酸数目的3倍
B. 可用显微注射技术将含有人凝血因子基因的重组DNA分子导入羊的受精卵中
C. 在该转基因羊中，人凝血因子基因存在于乳腺细胞，而不存在于其他体细胞中
D. 人凝血因子基因开始转录后，DNA连接酶以DNA分子的一条链为模板合成mRNA
解析：人体细胞是真核细胞，其基因中含有内含子，其碱基对数大于氨基酸数的三倍；山羊的受精卵中导入人凝血因子基因，长成的山羊每个体细胞中都含有这种基因；DNA连接酶是把两条DNA链末端之间的缝隙“缝合”起来，而不是参与转录。基因工程外源基因的导入多采用人工的方法，使体外重组的DNA分子转移到受体细胞，在本题中可采用显微注射法。
答案：B
5. 在欧洲人中有一种罕见的遗传病，在人群中的发病率约为25万分之一，患者无生育能力。现有一对表现型正常的夫妇，生了一个患病的女儿和一个正常的儿子。后因丈夫车祸死亡，该妇女又与一个与自己没有任何亲缘关系的男子婚配，则这位妇女再婚后再生一个患病孩子的概率是
A. 1/4
B. 1/250 000
C. 1/1 000
D. 1/50 000
解析：据题意知，该病为常染色体上的隐性遗传病，故原夫妇的基因型为Aa×Aa（设致病基因为a）。由人群中的发病率（aa）约为25万分之一，可知人群中a配子出现的几率为1/500。该妇女基因型为Aａ，则该妇女产生ａ配子的几率为1/2，与人群中没有亲缘关系的男子婚配，则生出病孩的几率为l/2×1/500＝1/l 000。
答案：C
6. 在玉米中，高茎基因（D）对于矮茎基因（d）是显性，常态叶基因（C）对于皱形叶基因（c）是显性。让纯种的高茎常态叶（DDCC）与矮茎皱形叶（ddcc）杂交，F1是高茎常态叶，再让F1与双隐性类型测交，其后代是：高茎常态叶（83），矮茎皱形叶（81），高茎皱形叶（19），矮茎常态叶（17）。试分析这两对基因是否连锁以及有无交换，并说明原因。
分析：DDCC（高茎常态叶）×ddcc（矮茎皱形叶）→DdCc（高茎常态叶）
由测交后代分离比分析，可判断D、C位于1条染色体上，d、c位于1条染色体上，控制不同性状的基因为连锁状态。测交后代出现少量高茎皱形叶（19），矮茎常态叶（17），说明F1在形成配子时发生了交换。
【模拟试题】（答题时间：60分钟）
一、选择题
1. 干旱条件下育成的作物品种一般适于干旱地区种植；潮湿条件下育成的作物品种一般适于潮湿地区种植。在育种过程中干旱和潮湿条件所起的作用是…………（）
A. 诱发基因突变
B. 引起染色体变异
C. 选择基因型
D. 导致基因重组
2. 一个碱基对可加到DNA分子上或从DNA分子上除去。这种生物体的DNA碱基顺序的变化是一种…………（）
A. 细菌转化
B. 基因自由组合
C. 基因突变
D. 等位基因分离
3. 为了培育节水高产的小麦品种，科学家将大麦与抗旱节水有关的基因导入小麦中，得到转基因小麦，其水分利用率提高了20％。这项技术的遗传学原理是（）
A. 基因突变
B. 基因重组
C. 基因复制
D. 基因分离
4. 与传统的杂交育种和诱变育种相比，通过基因工程和细胞工程等现代生物技术培育农作物新品种的优越性在于…………（）
①克服远缘杂交的生殖隔离②对农作物进行定向改良③不存在生态和进化安全性问题④育种周期较短
A. ①②③
B. ①②④
C. ①③④
D. ②③④
5. 下面有关基因重组的说法不正确的是………（）
A. 基因重组发生在减数分裂过程中
B. 基因重组产生原来没有的新基因
C. 基因重组是生物变异的重要来源
D. 基因重组能产生原来没有的新性状
6. 下列高科技成果中，根据基因重组原理进行的是…………（）
①我国科学家袁隆平利用杂交技术培育出超级水稻②我国科学家将苏云金芽孢杆菌的某些基因移植到棉花体内，培育出抗虫棉③我国科学家通过返回式卫星搭载种子培育出太空椒④我国科学家通过体细胞克隆技术培养出克隆牛
A. ①
B. ①②
C. ①②③
D. ②③④
7. 用基因工程生产胰岛素的主要原因是………（）
A. 工艺简单，容易操作
B. 生产量大，价格较低
C. 所生产的胰岛素可以口服
D. 所生产的胰岛素疗效大大提高
8. 基因A与a1、a2、a3的关系如下图，该图不能说明的是……………（）
A. 基因突变是不定向的
B. 等位基因的出现是基因突变的结果
C. 正常基因与致病基因可以通过突变而转化
D. 这些基因的转化遵循自由组合定律
9. 限制性内切酶的特点是………………………（）
A. 只能识别GAATTC序列
B. 识别特定的核苷酸序列和特定的酶切位点
C. 识别黏性末端
D. 切割质粒DNA的标记基因
10. 上海医学遗传研究所成功地培育出第一头携带白蛋白的转基因牛，他们还研究出一种可大大提高基因表达水平的新方法，使转基因动物乳汁中的药物蛋白含量提高30多倍。转基因动物是指………………（）
A. 提供基因的动物
B. 基因组中增加外源基因的动物
C. 能产生白蛋白的动物
D. 能表达基因信息的动物
11. 纳米技术将激光束的宽度聚焦到纳米范围内，可对DNA分子进行超微型基因修复，把至今尚令人类无奈的癌症、遗传病彻底根治。对DNA的修复属于（）
A. 基因转换
B. 基因重组
C. 基因突变
D. 染色体变异
12. 既要提高农作物的变异频率，又要使后代变异性状较快稳定，可采用…………（）
A. 杂交育种法
B. 诱变育种法
C. 单倍体育种法
D. 多倍体育种法
13. 下列叙述不是运载体必须具备的条件的是………（）
A. 具有某些标记基因
B. 决定宿主细胞的生存
C. 不能在宿主细胞中复制
D. 有多个限制酶切点
14. 已知某信使RNA的碱基中，U占20％，A占10％，求它的模板基因中胞嘧啶占（）
A. 25％
B. 30％
C. 35％
D. 70％
15. 自然界中，一种生物某一基因及其三种突变基因决定的蛋白质的部分氨基酸序列如下：
正常基因精氨酸苯丙氨酸亮氨酸苏氨酸脯氨酸
突变基因1 精氨酸苯丙氨酸亮氨酸苏氨酸脯氨酸
突变基因2 精氨酸亮氨酸亮氨酸苏氨酸脯氨酸
突变基因3 精氨酸苯丙氨酸苏氨酸酪氨酸丙氨酸
根据上述氨基酸序列确定这三种突变基因DNA分子的改变是……（）
A. 突变基因1和2为一个碱基的替换，突变基因3为一个碱基的增添
B. 突变基因2和3为一个碱基的替换，突变基因1为一个碱基的增添
C. 突变基因1为一个碱基的替换，突变基因2和3为一个碱基的增添
D. 突变基因2为一个碱基的替换，突变基因1和3为一个碱基的增添
二、非选择题
16. 艾滋病病毒（HIV）是一种球形的RNA病毒，HIV侵染T淋巴细胞并繁殖新一代病毒的过程示意图如图。请据图完成下列问题：
（1）图中①表示病毒侵染淋巴细胞。进入寄主细胞的是病毒的。
（2）遗传学上将过程②称为。
（3）③和④的信息传递过程分别称为。
（4）HIV有I和Ⅱ两种类型，其中I型又有7个亚型。I型的基因组中4个主要基因的变异率最高可达22％。多达100种左右的HIV变异株是目前研制疫苗的主要困难，因此切断传播途径是唯一行之有效的预防措施。HIV众多变异类型是的结果，这种变异的特点与一般生物的不同之处是，其原因是。
（5）2004年12月1日是国际上第17个日。
（6）据最近研究认为，引起“严重急性呼吸系统综合症”（SARS）的病原体可能是。它和HIV一样，遗传信息的传递是按照的规律进行的（可以用简图表达）。
17. 下图是单克隆抗体制备过程示意图，请据图回答；
（1）图示中，必须要用到的动物细胞工程技术是。
（2）②过程常在诱导下完成，所获得的杂交瘤细胞具有的特性。在筛选杂交瘤细胞过程中，需要在培养液中加入某种试剂，该试剂应该能够。
A. 抑制淋巴细胞和杂交瘤细胞的DNA复制
B. 阻止淋巴细胞的原癌基因被激活
C. 选择性抑制骨髓瘤细胞的DNA复制
D. 阻止杂交瘤细胞核糖体上所有蛋白质的合成
（3）③过程所选用的培养液中通常含有等成分。
（4）杂交瘤细胞所产生的抗体具有的特性。
（5）④过程与体外培养相比，其优点是。
18. 根据下列所给的材料完成问题：
材料一：把人的胰岛素基因拼接到大肠杆菌的质粒上，然后导入大肠杆菌体内，产生出人的胰岛素。
材料二：把萤火虫基因转入烟草体内，培育出发荧光的烟草。
材料三：有人把蜘蛛产生丝腺蛋白的基因转入羊体内，分泌的乳汁中加入某种物质后，可抽出细丝，这种细丝可望用作手术的缝合线。
（1）上述生物新品种的产生运用了技术。
（2）一种生物的基因在另一种生物体内能够表达，而不是影响其他基因的表达，这说明基因是有效应的片段，具有一定的性；同时可以说明各种生物共用一套。
（3）上述技术所用到的工具酶有。
（4）材料三中的缝合线与普通缝合线相比有何优点？。
（5）可遗传的变异分为三种，即、、，而基因工程改变一个物种的基因属于。
（6）从上述所给的材料，不能得出下列哪一结论：。
A. 动植物之间可以相互转移基因
B. 真核生物与原核生物之间可以相互转移基因
C. 基因工程可以定向地改变生物的基因
D. 转基因生物的出现对生物的进化是有利的
【试题答案】
一、选择题
1. C；
2. C；
3. B；
4. B；
5. B；
6. B；
7. B；
8. D；
9. B；10. B；11. C；12. B；13. BC.；
14. C；15. A。
二、非选择题
16. （1）RNA （2）逆转录（3）转录和翻译（4）基因突变突变频率高和突变多方向性单链R NA结构不稳定（5）世界艾滋病（6）SARS冠状病毒RNA→DNA→mRNA→蛋白质
17. ⑴动物细胞融合和细胞培养
⑵灭活的仙台病毒等既能无限增殖又能产生特异性抗体 C
⑶葡萄糖、无机盐、氨基酸、维生素、动物血清
⑷特异性强、化学性质单一、灵敏度高
⑸无需再提供营养物质以及无菌环境，操作简便
18. （1）重组DNA （2）遗传DNA 独立密码子（3）限制性内切酶、DNA连接酶（4）可以被分解吸收，不用拆线（5）基因重组基因突变染色体变异基因重组（6）D