第九章 基因工程和基因組學 習題參考答案

第九章 基因工程和基因組學

1．什麼是遺傳工程？它在理論上和實踐上有什麼意義？

答：遺傳工程是將分子遺傳學的理論與技術相結合，用來改造、創建動物和植物新品種、工業化生產生物產品、診斷和治療人類遺傳疾病的一個新領域。

廣義的遺傳工程包括細胞工程、染色體工程、基因工程、細胞器工程等。狹義的遺傳工程即是通常講的基因工程。本章只涉及狹義的遺傳工程，即基因工程。

理論意義：遺傳工程（基因工程）中的DNA重組主要是創造自然界中沒有的DNA分子的新組合，這種重組不同於精典遺傳學中經過遺傳交換產生的重組。

實踐意義：遺傳工程（基因工程）技術的建立，使所有實驗生物學領域產生巨大的變革。在工廠化生產藥品、疫苗和食品；診斷和治療遺傳疾病；培養轉基因動植物等方面都有非常重大的意義，即基因工程技術已廣泛用於工業、農業、畜牧業、醫學、法學等領域，為人類創造了巨大的財富。（詳見第10題）。

2．簡述基因工程的施工步驟。

答：基因工程的施工由以下這些步驟：

⑴.從細胞和組織中分離DNA；

⑵.利用能識別特異DNA序列的限制性核酸內切酶酶切DNA分子，製備DNA片段；

⑶.將酶切的DNA片段與載體DNA（載體能在宿主細胞內自我複製連接），構建重組DNA分子；

⑷.將重組DNA分子導入宿主細胞，在細胞內複製，產生多個完全相同的拷貝，即克隆；

⑸.重組DNA隨宿主細胞分裂而分配到子細胞，使子代群體細胞均具有重組DNA分子的拷貝；

⑹.從宿主細胞中回收、純化和分析克隆的重組DNA分子；

⑺.使克隆的DNA進一步轉錄成mRNA、翻譯成蛋白質，分離、鑒定基因產物。

3．說明在DNA克隆中，以下材料起什麼作用。

(1)載體；(2)限制性核酸內切酶；(3)連接酶；(4)宿主細胞；(5)氯化鈉

答：⑴. 載體：經限制性酶酶切後形成的DNA片段或基因，不能直接進入宿主細胞進行克隆。一個DNA片段只有與適合的載體DNA連接構成重組DNA後，在載體DNA的運載下，才可以高效地進入宿主細胞，並在其中複製、擴增、克隆出多個拷貝。可作為DNA載體的有質粒、噬菌體、病毒、細菌和酵母人工染色體等。

⑵. 限制性核酸內切酶：限制性核酸內切酶是基因工程的基石。在細菌中這些酶的功能是降解外來DNA分子，以限制或阻止病毒侵染。這種酶能識別雙鏈DNA分子中一段特異的核苷酸序列，在這一序列內將雙鏈DNA分子切斷。

⑶. 連接酶：將外源DNA與載體相連接的一類酶。

⑷. 宿主細胞：能使重組DNA進行複製的寄主細胞。

⑸. 氯化鈉：主要用於DNA提取。在pH為8左右的DNA溶液中，DNA分子是帶負電荷的，加入一定濃度的氯化鈉，使鈉離子中和DNA分子上的負電荷，減少DNA分子之間的同性電荷相斥力，易於互相聚合而形成DNA鈉鹽沉澱。另外，氯化鈉也是細菌培養基的成分之一。

4．有一個帶有氨苄青黴素和四環素抗性的質粒，在其四環素抗性基因內有一個該質粒惟一的EcoRI酶切點，今欲用EcoRI位點克隆果蠅DNA，構建一個基因庫，連接的產物轉化大腸桿菌菌株DH5 ，試問：⑴. 在培養基中加入哪一種抗生素用於選擇陽性克隆？⑵. 對哪一種抗生素有抗性的質粒攜帶外源果蠅DNA片段？⑶. 如果有的克隆可抗兩種抗生素，如何解釋？

答：⑴.在培養基中加入四環素結合影印法可用於選擇陽性克隆。

⑵.對氨苄青黴素有抗性的質粒攜帶外源果蠅DNA片段。

⑶.這種克隆是沒有受到EcoRI酶解的原始質粒或這些克隆都是自連形成的非重組體。

5．在構建一個真核生物核DNA庫時，需要考慮哪些因素？

答：核基因庫是將某一生物的全部基因組DNA酶切後與載體連接構建而成的。通常方法是，盡量提取大分子量的核DNA，用限制性酶酶切後，分離選擇具有一定長度（大於15kb）的DNA片斷，與適宜的載體連接構成重組DNA分子，根據所用的載體，選擇相應的宿主細胞用於克隆。若載體是質粒，則將連接的重組DNA分子轉化感受態細胞，收集所有的菌落即成為質粒基因庫。如果載體是噬菌體或粘粒（cosmid），則將重組DNA分子體外包裝成噬菌體後，感染細菌細胞，將所得到的所有重組噬菌體集中即是基因庫。如果載體為BAC或YAC，將重組人工染色體導入相應的宿主細胞，收集得到的所有細胞即成為基因庫。

真核生物的核DNA大，因此在構建核基因庫時，通常要選擇能夠接受較大片段的載體，以減少克隆數量。若構建的基因庫是以分離結構基因為主要目的的，通常選用λEMBL，λGEM，或粘粒。而那些將用於基因組作圖和分析的基因庫，則多選擇BAC或YAC為載體。

6．根據下列凝膠電泳分析的結果，構建一個限制性酶圖譜，並表明酶切位點及片段的鹼基數，片段總長度為1300bp。電泳分析結果如下：

答：限制性酶切圖譜從左到右是，200個鹼基對位置是酶II的切點；350個鹼基對位置是酶I的切點；圖譜總長是1300個鹼基對。

7．在下列6種限制性酶圖譜中，有一種排列方式與凝膠電泳的帶型是一致的。3種酶分別是：E： EcoRI、N：NcoI、A：AatII。

試回答：

⑴.根據電泳中DNA帶型，選擇正確的圖譜並說明原因。

⑵.在將這塊凝膠轉移後進行Southern雜交分析，帶星點的是與pep基因雜交的信號帶，說明pep在圖譜中的位置。

答：⑴.從上到下的第五條應該為正確的圖譜，因為經過上述三種酶切後，與左面的電泳圖完全一致。

⑵.根據Southern結果和酶切圖的位置，pep應該在第五條圖譜的3與4之間。

8．簡述將除草劑基因轉移到植物基因組的過程。

答：以農桿菌介導為例，說明這一過程。

⑴.在無菌的組織培養下，從植物體的種子或無性器官建立高效的再生體系；

⑵.依據植物的種類，選擇合適的質粒載體，將抗除草劑的基因連接到載體上，再將質粒引進根癌農桿菌；

⑶.植物的再生組織與上述農桿菌共同培養；

⑷.經過農桿菌感染的組織在含除草劑的培養基中進行選擇；

⑸.抗除草劑的組織再生植株；

⑹.再生植株在溫室進行抗除草劑試驗；

⑺.有性繁殖的種類還要進行自交、回交測定和純化。

9．簡述基因組遺傳圖譜與物理圖譜的異同。

答：遺傳圖譜的構建是根據任一遺傳性狀（如已知的可鑒別的表型性狀、多型性基因位點、功能未知的DNA標記）的分離比例，將基因定位在基因組中。因此，遺傳圖譜是根據等位基因在減數分裂中的重組頻率，來確定其在基因組中的順序和相對距離的。物理圖譜的構建不需要檢測等位基因的差異，它既可以利用具有多型性的標記，也可以利用沒有多型性的標記進行圖譜構建，它將標記直接定位在基因庫中的某一位點。

實際上這兩種途徑都需要利用分子遺傳學的技術和方法。儘管這兩種圖譜是分別構建的，但是它們可以相互借鑒、互為補充，作為基因組圖譜利用。

構建物理圖譜的原因是：遺傳圖譜的解析度有限、遺傳圖譜的精確性不高。

10． 簡述基因工程在工、農、醫三方面的成就及發展前景。

答：基因工程在工業上的應用主要是生產醫藥產品，最典型的例子是通過細菌生產胰島素，治療糖尿病。到目前通過細菌已經生產了表皮生長因子、人生長激素因子、干擾素、乙型肝炎工程疫苗等10多種醫藥產品。

基因工程在農業上的應用：以轉基因植物為標誌的植物基因工程已經培養出許多抗除草劑、抗蟲、抗病、抗逆的優良品種和品系，如在全世界範圍內大量推廣應用的抗除草劑的大豆、抗棉鈴蟲的棉花等。通過轉基因羊大量表達人類的抗胰蛋白酶；克隆動物的成功，可以挽救瀕危的稀有動物。

基因工程在醫學上主要是用於遺傳疾病的診斷、基因的治療方面。

基因工程具有巨大和廣泛的發展前景，將滲透到人類生活的各個方面。可以創造出營養價值更高、保健作用更好、抗逆性更強的植物種類；轉基因動物的進展，可以生產出多種類的用於人類遺傳性疾病治療的藥物；人類基因組計劃的完成和基因定位的發展、尤其是核酸分子雜交原理和方法與半導體技術結合而發展起來的DNA晶元技術的出現和完善，將在人類遺傳疾病的診斷和治療等方面發揮重要作用。

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