高中生物奥林匹克竞赛辅导专题讲座 - 专题九 - DNA技术与人类基(2)

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引物与模板DNA单链的互补序列配对结合。

③引物的延伸：DNA模板--引物结合物在TaqDNA聚合酶的作用下，以dNTP为反应原料，靶序列为模板，按碱基配对与半保留复制原理，合成一条新的与模板DNA 链互补的半保留复制链重复循环变性--退火--延伸三过程，就可获得更多的“半保留复制链”，而且这种新链又可成为下次循环的模板。每完成一个循环需2～4分钟， 2～3小时就能将待扩目的基因扩增放大几百万倍。

四．人类基因组计划

HGP(Human Genome Project)是了解人类自身奥秘的计划，1985年，美国能源部（DOE）率先提出，旨在阐明人类基因组DNA长达3×109碱基对（ base pair，bp）的序列。发现所有人类基因并阐明其在染色体上的位置，从而在整体上破译人类遗传信息。1986年美国宣布启动\人类基因组启动计划\；1989年，美国国家卫生研究院（NIH）建立国家人类基因组研究中心（NCHGR）；1990年，NIH和DOE联合提出美国人类基因组计划，正式启动HGP，计划于15年内提供30亿美元的资助。

人类基因组计划主要内容包括绘制人类基因组的4张图，即遗传(连锁)图、物理图、DNA序列图和转录图。

(1)遗传图 遗传图是指基因或DNA标记(如多肽性遗传标记)在染色体上以遗传距离表示相对位置的图，又称为连锁图。遗传距离通常以基因或DNA片段在染色体交换过程中分离的频率厘摩(cM)来表示。cM值越高，表明两点之间距离越远；cM值越低，表明两点间距离越近。通过遗传图可以大致了解各个基因或DNA片段之间的相对距离与方向。遗传距离是通过遗传连锁分析获得的，使用的DNA标记越多，越密集，所得到的遗传连锁图的分辨率就越高。目前人类基因组遗传图的分辨率为6cM。遗传图不仅是现阶段定位基因的重要手段，即使在人类基因组物理图建立起来之后，它依然是研究人类基因组遗〖〗传与变异的重要手段。这方面研究的下一个目标就是建立分辨率更高的遗传图。

(2)物理图 物理图指表示DNA序列上DNA标记之间实际距离的图。通常由DNA的限制酶片段或克隆的DNA片段有序排列而成。标记之间的物理距离以DNA上核苷酸数目的多少(kb，表示千碱基对，或Mb， 1 Mb=1 000 kb)来表示。物理图是进行DNA序列分析和基因组织结构研究的基础。限制酶物理图是基因组结构的重要特征，例如，每一个基因都有其特定的限制酶，每一条染色体，每一个个体的基因组，甚至每一个物种的基因组，都有其特异的限制酶物理图。

物理图反映了DNA标记之间的实际距离，而遗传图则反映DNA标记之间的连锁关系。在DNA交换频繁的区域，两个物理距离位置相距较近的基因或DNA片段，可能具有较大的遗传距离，而两个物理距离位置相距较远的基因或DNA片段，则可能因该部位在遗传过程中很少发生交换而具有很近的遗传距离。

(3)序列图 序列图是指整个人类基因组的核苷酸序列图，也是最详尽的物理图。测定的总长度约为1 m。由30亿个核苷酸对组成的序列图就是人类基因组计划原定2005年要完成的任务。2000年6月，6国科学家已向全世界宣布“人类基因组草图”的绘制工作已经完成。

(4)转录图 在整个人类基因组中，只有1%～5%的DNA序列为编码序列。在人体某一特定组织的细胞中，一般只有10%的基因是表达的。如果能把某段DNA序列相应的mRNA确定下来，就抓住了基因的主要部分，即可转录部分。所以，一张人类基因组的转录图(也称cDNA图或表达序列图)才是人类基因图的雏形

1999年，作为惟一的发展中国家，我国正式参与了这个跨世纪的国际合作项目，德、日、英、法国家的科学家先后正式加入，共有16个实验室和1100名生物科学家、计算机专家和技术人员参与其中。该计划已绘制出覆盖率达97％的人类基因组“工作框架图”，并在2001年6月前绘制出更高覆盖率的“完成序列图”；2003年4月14日，由我国总理温家宝和

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其他五国政府首脑签署的《人类基因组联合宣言》发表；2005年10月26日，六国“协作组”宣布这一计划圆满完成。

五．DNA技术的其他应用 （一）亲缘鉴定

DNA是从几滴血, 腮细胞或培养的组织纤内提取而来。用畴素将DNA样本切成小段, 放进喱胶内, 用电泳槽推动DNA小块使之分离——最细的在最远, 最大的最近。之后, 分离开的基因放在尼龙薄膜上, 使用特别的DNA探针去寻找基因, 相同的基因会凝聚于一, 然后,利用特别的染料,在X光的环境下, 便显示由DNA探针凝聚于一的黑色条码。小孩这种肉眼可见的条码很特别，一半与母亲的吻合,一半与父亲的吻合。这过程重覆几次,每一种探针用于寻找DNA的不同部位并影成独特的条码, 用几组不同的探针, 可得到超过99.9%的父系或然率或分辨率。 （二）医疗与制药

基因工程与医药卫生基因工程在医药卫生方面的贡献体现在三个方面：①利用“工程菌”生产基因工程药品；②基因诊断；③基因治疗。

1．工程菌概念及基因工程获得胰岛素的方式工程菌指用基因工程的方法，使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系。如：含有人类胰岛素的大肠杆菌菌株，含有抗虫基因的土壤脓杆菌菌株都是“工程菌”。科学家将动物体内能够控制产生胰岛素的基因与大肠杆菌的DNA分子重组，并且在大肠杆菌内表达成功。从而取代了过去主要从猪、牛等家畜的胰腺中提取胰岛素的历史，满足了社会中糖尿病对胰岛素的需求。

2．干扰素概念及产生机理干扰素是病毒侵入细胞后产生的一种糖蛋白。由于干扰素几乎能抵抗所有病毒引起的感染，因此，它是一种抗病毒的特效药。传统的干扰素生产方法是从人的血液中白细胞内提取的，每300wL能提取出1mg干扰素。科学家用基因工程的方法在大肠杆菌及酵母菌细胞内获得了干扰素，从每1kg细菌培养物中可以得到20～40mg干扰素。

3．白细胞介素及其产生机理白细胞介素-2是淋巴细胞产生的一种淋巴因子，能促进淋巴细胞活化和增殖。用基因工程方法生产的白细胞介素-2在临床上主要用于治疗肿瘤和感染性疾病。20世纪90年代后期，我国上海生化研究所的研究人员完成了白细胞介素-2在大肠杆菌中的高效表达。

4．基因诊断概念及应用基因诊断是用放射性同位素（如32P）、荧光分子等标记的DNA分子做探针，利用DNA分子杂交原理，鉴定被检测标本上的遗传信息，达到检测疾病的目的。 DNA探针的制备方法之一：根据翻译产物蛋白质的氨基酸序列查出相应的核苷酸序列（约30个氨基酸对应的90个左右的核苷酸序列），再从中选出两个片段，用化学方法合成这两个片段并作同位素标记，即成探针。方法之二：用所需的mRNA逆转录后成为DNA，标记后作为探针。用这一探针探查基因文库中经加热或提高pH值而使之已经变性的DNA片段，如果有一个片段能和探针片段互补结合而成双链（分子杂交），这一片段即含有所需要的基因。基因诊断是一种快速简便的方法。例如：用β—珠蛋白的DNA探针可以检测出镰刀型细胞贫血症；用苯丙氨酸羟化酶基因探针可以检测出苯丙酮尿症。此外，基因诊断技术在肿瘤诊断中的应用也取得了重要成果。

5．基因治疗及其原理基因治疗是把健康的外源基因导入有基因缺陷的细胞中，达到治疗疾病的目的。其原理是把健康的基因导入含有基因缺陷的细胞中，在有基因缺陷的病人的细胞中既含有缺陷基因，又含有通过基因工程导入的健康基因。因此，在病人体内两种基因都能够表达，健康基因的表达产物掩盖了缺陷基因的表达产物，从而治愈了有基因缺陷的疾病。例如，有一种人类遗传病叫做半乳糖血糖，患这种病的人，由于细胞内半乳糖苷转移酶基因缺陷而缺少半乳糖苷转移酶，因此当乳糖分解成半乳糖后，不能继续转化成为葡萄糖，

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过多的半乳糖在体内积聚，会引起肝、脑等功能受损。1971年，美国的一位科学家在体外做了一个实验，他用带有半乳糖苷转移酶基因的噬菌体侵染患者的离体组织细胞，结果发现这些组织细胞能够利用半乳糖了。 （三）基因工程与农业

基因工程在农牧业生产上的应用主要是培育高产、优质或具有特殊用途的动植物新品种。基因工程在农业方面的应用主要表现在两个方面。首先，是通过基因工程技术获得高产、稳产和具有优良品质的农作物。例如，用基因工程的方法可以改善粮食作物的蛋白质含量。其次，是用基因工程的方法加快农作物新品种的培育。科学家们在利用基因工程技术改良农作物方面已取得重大进展，一场新的绿色革命近在眼前。这场新的绿色革命的一个显著特点就是生物技术、农业、食品和医药行业降融合到一起。基因技术的突破使科学家们得以用传统育种专家难以想象的方式改良农作物。例如，基因技术可以使农作物自己释放杀虫剂，可以使农作物种植在旱地或盐碱地上，或者生产出营养更丰富的食品。科学家们还在开发可以生产出能够防病的疫苗和食品的农作物。

基因技术也使开发农作物新品种的时间大为缩短。利用传统的育种方法，需要七、八年时间才能培养出一个新的植物品种，基因工程技术使研究人员可以将任何一种基因注入到一种植物中，从而培育出一种全新的农作物品种，时间则缩短一半。

基因工程在畜牧养殖业上的应用也具有广阔的前景，科学家将某些特定基因与病毒DNA构成重组DNA，然后通过感染或显微注射技术，将重组DNA转移到动物受精卵中。由这种受精卵发育称的动物可以获得人们所需要的各种优良品质，如具有抗病能力、高产仔率、高产奶率和高质量的皮毛等。 （四）基因工程与环境保护

基因工程的方法可以用于环境监测，和被污染环境的净化。利用基因工程可获得同时能分解多种有毒物质的新型菌种。例如，1975年，有人把降解芳烃、萜烃和多环芳烃的质粒转移到能降解烃的一种假单胞杆菌内，结果获得了能同时降解四种烃类的“超级菌”，它能把原油中约三分之二的烃分解掉。这种新型“工程菌”在环境保护方面有很大的潜力。据报道，利用自然菌种分解海上浮油要花费一年以上的时间，而这中“超级菌”却只要几个小时就够了。

六．危害与伦理

1．转基因食品的安全性

1994年美国Caigene公司的转基因延熟番茄经FDA批准上市，成为第一例通过安全评价的转基因植物食品。迄今为止，全世界已有40多个可能作为食品来源的转基因植物获得批准上市。主要包括延熟番茄，抗除草剂的玉米、棉花、大豆和油菜，抗虫的马铃薯、棉花和玉米，抗病毒的西葫芦、南瓜和番木瓜，雄性不育的玉米和莴苣，以及改变油脂特性的油菜和大豆等。

转基因植物由于采用遗传工程操作的特殊手段，可能存在无法预测的其它性状的改变，从而带来某些转基因植物食品的安全性问题。转基因食品对人类的危害主要有3大类：（1）可能含有已知或未知的毒素，对人体产生毒害作用。（2）可能含有已知或未知的过敏源，引起人体的过敏反应。（3）这种食品某些营养成分或营养质量可能产生变化，使人体出现某种病症。1993年经济发展合作组织（OECD）提出了食品安全性分析的实质等同性

（Substantial equivalence）原则，即生物技术产生的食品及食品成分是否与目前市场上销售的食品具有实质等同性。转基因食品的安全评估主要包括：有无毒性、有无过敏性以及抗生素抗性等标记基因的安全性。食品安全性试验最主要的问题是提出相关的科学问题并加以回答，假设安全性分析包括所有可能的变数，则会太复杂到难以处置；相反，若仅观察少数变

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数，则某些重要因素可能会被忽略。由于人们对转基因食品的潜在危险性和安全性缺乏足够的预见能力，因此，根据国情建立一系列的转基因食品安全管理程序和措施是十分必要的。

2．DNA技术引发伦理问题

对人类的基因干预有可能引发现存人类道德不能包容的伦理难题，也是引致广泛争论的话题。因为对人类生命的干预，以前从未在这种广度和深度进行，社会伦理缺乏充分的接纳准备。而克隆技术的最新发展，使人们更有理由担心基因研究被应用于非人道的目的。如果复制技术被某些不受管制的“疯子”滥用，世界也将因人类科技进步而陷入噩梦般的境地。 美国广播公司1997年就复制技术进行的一项民意调查显示，82%的美国人反对用复制技术培育人类；93%的美国人说，他们本人不愿意被人应用复制技术造出另一个与他一模一样的人。民意调查还表明，50%的美国人不赞成搞复制技术研究。

1995年诺贝尔和平奖获得者，英国核物理学家罗特布拉特反“复制羊”的问世同原子弹的出现相提并论。他最近不无忧虑地说，遗传工程像原子弹一样“具有令人恐怖的可能性”。他强烈呼吁建立一个国际伦理委员会，负责阻止可能危及人类的科学研究项目。美国生物技术工业组织也对复制技术讳莫如深，该组织曾经发表公报，告诫其所属的700家企业和研究中心不得从事无性生殖的研究活动。

“复制羊”的消息公布后，美国政府迅速做出反应。2月24日当天，美国总统克林顿即发表谈话，要求美国国家生物伦理学咨询委员会研究复制技术在法律和伦理方面可能造成的影响，并在3个月之内向他汇报。克林顿甚至主张对美国现有的关于人类胚胎研究的立法进行调整。

【典型例题】

例1．作为基因的运输工具—运载体，必须具备的条件之一及理由是 A．能够在宿主细胞中稳定地保存下来并大量复制，以便提供大量的目的基因 B．具有多个限制酶切点，以便于目的基因的表达 C．具有某些标记基因，以便目的基因的表达提供条件 D．在宿主细胞中复制并稳定保存，以便于进行筛选

析：本题考查的是运载体必须具备的条件及理由，条件与理由必须相符。作为运载体要携带目的基因进入手提细胞并使之表达，必须能够在宿主细胞内稳定地保存并大量复制，以便通过复制提供大量目的基因。同时要具有某些标记基因，是为了通过标记基因是否表达判断目的基因是否进入了受体细胞，从而进行筛选手提细胞。运载体要具有多个限制切点，则是为了便于与外源基因连接。综上所述，正确答案为A。

答案：A。

例2．下列有关基因工程技术的叙述，正确的是

A．重组DNA技术所用的工具酶是限制酶、连接酶和载体 B．所有的限制酶都只能识别同一种特定的核苷酸序列 C．选用细菌作为重组质粒的受体细胞是因为细菌繁殖快 D．只要目的基因进入了受体细胞就能成功实现表达

析：此题考查了基因的操作工具、目的基因的表达等知识。解答题目明确以下几方面的知识：①基因操作的工具酶是现之美、DNA连接酶；②一种限制酶只能识别特定的核苷酸序列；③载体是基因的运载体工具；④目的基因进入体细胞后，受体细胞表现出特定的性状，才能说明目的基因完成了表达过程；⑤导入受体细胞中目的基因主要为了表达、生产目的基因的产物，因此能够快速繁殖是选择受体细胞的重要条件之一。

答案：C。

例3．下列高科技成果中，根据基因重组原理进行的是

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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太空牛

A．① B．①② C．①②③ D．②③④

析：本题考查几种高薪技术所依据的遗传学原理。袁隆平培育新型水稻利用的是杂交技术，他本人也被称为“杂交水稻之父”。而杂交技术的原理就是基因的自由组合定律；基因工程是认为地将目的基因导入受体细胞，使之表达，所以抗虫棉的培育原理也应是基因重组；太空育种的原理是基因突变；克隆技术则是无性繁殖。

答案：B。

例4：科学家应用基因工程培育出了一种抗虫棉，它能产生毒素杀死害虫，目前正在大面积

推广种植。科学家还研究了害虫的遗传基因，发现不抗毒素对抗毒素为显性（此处分别用B和b表示）。据此回答:

（1）种植抗虫棉，有利于生态环境保护，这是因为

。 （2）棉田不抗毒素害虫的基因型为 ；抗毒素害虫的基因型为 。 （3）不抗毒素害虫与抗毒素害虫杂交则子代的基因型为 。

析：本题主要考查以下几个问题：①“转基因抗虫棉”具有抗害虫的能力，这表明棉花体内产生了抗虫的毒蛋白物质。这个事实说明，害虫和植物共用一套遗传密码，蛋白质合成的方式是相同的。②“转基因抗虫棉”康害虫的遗传信息传递过程可表示为DNA（基因）→RNA→蛋白质。科学家语言，此种“转基因抗虫棉”独立种植若干代以后，也将出现不抗虫的植株，此现象来源于基因突变。 答案：（1）可以减少或不再使用农药杀虫，从而避免农药对环境造成污染 （2）BB或bb （3）Bb或bb

例5：蚕的丝腺细胞能产生大量蛋白质，这种蛋白质叫丝蛋白。这些细胞不产生血液中的蛋

白质，因此推测丝腺细胞

A．只有丝蛋白基因 B．有血蛋白和丝蛋白基因

C．有丝蛋白基因和其他基因，但没有血液蛋白基因 D．比合子的基因少

析 生物体每个正常体细胞中都含有本物种整套的基因。对一个不断分裂的胚性细胞而言，这些基因能按一定的发育顺序被逐渐打开；而对一个高度分化的细胞（如丝腺细胞）而言，细胞内绝大部分基因被关闭了，一般只有少部分与该细胞功能有关的基因才具有表达功能。因此，丝腺细胞中丝蛋白和血液蛋白基因都存在，但丝蛋白基因可以表达而血液蛋白基因被关闭了，不能表达。

答案：B。

【智能训练】

1．根据基因工程的定义，下列名词中不能替代基因工程的是 A．基因诱变 B．分子克隆 C．DNA重组 D．传工程 E．基因无性繁殖

2．基因工程操作的三大基本元件是 A．供体、受体、载体 B．供体、受体、抗体 C．供体、受体、配体 D．供体、抗体、载体 3．Ⅱ型限制性内切核酸酶是指 A．有内切核酸酶和甲基化酶活性且经常识别回文序列

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