1、主题4 科 技 前 沿 典例研磨破题有方【典例】研究发现,合成促红细胞生成素(EPO)的细胞持续表达低氧诱导因子(HIF-1)。在氧气供应正常时,HIF-1 合成后很快被降解;在氧气供应不足时,HIF-1 不被降解,细胞内积累的HIF-1 可促进EPO的合成,使红细胞增多以适应低氧环境,相关机理如图所示。此外,该研究可为癌症等诸多疾病的治疗提供新思路。(1)如果氧气供应不足,HIF-1 进入细胞核,和其他因子(ARNT)一起与EPO基因 上游的调控序列结合,增强该基因的 ,使EPO合成和分泌增加。EPO刺激骨髓造血干细胞,使其 ,生成大量红细胞,从而提高氧气 的运输能力。(2)正常条件下,氧气
2、通过 的方式进入细胞,细胞内的HIF-1 在脯氨酰 羟化酶的作用下被羟基化,最终被降解。如果将细胞中的脯氨酰羟化酶基因敲 除,EPO基因的表达水平会 (填“升高”或“降低”),其原因是_ _。(3)一些实体肿瘤(如肝癌)中的毛细血管生成滞后,限制了肿瘤的快速发展。研究发现,血管内皮生长因子能促进血管内皮细胞增殖和毛细血管的生成。假设血管内皮生长因子的合成与EPO合成的调节途径类似,且途径有两个:途径 相当于图中HIF-1 的降解过程,途径相当于HIF-1 对EPO合成的调控过程。为了限制肿瘤快速生长,可以通过调节途径和途径来实现,进行调节的思路是 。【解析】(1)若氧气供应不足,HIF-1 进
3、入细胞核,和ARNT一起与EPO基因上游 的调控序列结合,增强该基因的表达水平,使EPO合成和分泌增加。EPO(促红细 胞生成素)可刺激骨髓造血干细胞增殖和分化,生成大量红细胞,从而提高氧气 的运输能力。(2)氧气进入细胞的方式为自由扩散;若脯氨酰羟化酶基因被敲除,细胞中缺少 脯氨酰羟化酶,则HIF-1 不能被降解,其积累后,可进入细胞核与ARNT一起增强 EPO基因的表达。(3)由题意可知,毛细血管生成滞后可限制肿瘤的快速生长,而毛细血管生成受 血管内皮生长因子的调控。结合图解可知,途径会降低细胞中血管内皮生长 因子的含量,进而抑制毛细血管的生成,可限制肿瘤的快速生长,途径则会增 加细胞中血
4、管内皮生长因子的含量。因此为限制肿瘤快速生长,应促进途径、抑制途径。答案:(1)表达水平 增殖和分化(2)自由扩散 升高 该基因被敲除后,缺少脯氨酰羟化酶,HIF-1 不能被降解,其进入细胞核和ARNT一起与EPO基因上游的调控序列结合,增强EPO基因的表达(3)促进途径,抑制途径【新情境新命题】1.新情境:2019年诺贝尔生理学或医学奖、低氧感应。2.素养考查:3.新命题:(1)考查必备知识。本题以新情境为素材,考查了氧气的运输方式、基因表达等。(2)凸显创新性,提高创新意识。本题通过依据所给信息分析限制肿瘤快速生长的调节思路,增强在新情境中解决问题的能力,体现了一定的创新性。【析重点建模型
5、】重点信息转化构建模型规范答题“与EPO基因上游的调控序列结合”“使EPO合成和分泌增加”EPO基因上游的调控序列可调控EPO基因表达从而合成EPO(1)表达水平 增殖和分化“将细胞中的脯氨酰羟化酶基因敲除”脯氨酰羟化酶基因敲除,低氧诱导因子不能被降解而进入细胞核促进EPO基因的表达(2)自由扩散 升高 该基因被敲除后,缺少脯氨酰羟化酶,HIF-1 不能被降解,其进入细胞核和ARNT一起与EPO基因上游的调控序列结合,增强EPO基因的表达“通过调节途径和途径来实现”途径相当于降低血管内皮因子的含量,途径相当于升高血管内皮因子的含量(3)促进途径,抑制途径情境猜押命题视角 类型原因情境猜押命题视
6、角预测名师押题技术 研发基因技术基因编辑、基因打靶等1.DNA的结构:以基因为素材,考查DNA的组成、结构特点等。2.基因工程:以技术流程为切入点,考查基因工程的基本工具、流程。押题3表观遗传DNA甲基化、蛋白质甲基化等1.细胞的分子组成:以DNA、蛋白质甲基化为切入点,考查DNA、蛋白质的结构及其功能。2.生物的变异:以表观遗传为材料,考查基因突变。押题1类型原因情境猜押命题视角预测名师押题物质 研究生物合成抗体制备、反义RNA合成等1.遗传的分子基础:结合蛋白质的合成,考查基因表达和中心法则等。2.免疫调节:常借助抗体制备,考查体液免疫和免疫细胞等。3.基因工程与细胞工程:考查基因工程、单
7、克隆抗体的制备等。押题4功能研究miRNA等遗传的分子基础:以RNA为切入点,考查遗传信息的转录等。押题21.(表观遗传)阅读下列关于“遗传信息表达”的相关资料,请回答问题:资料一:20世纪60年代,科学家对“遗传信息如何从DNA传递到蛋白质”这一问题展开了广泛而深入的研究。1961年,南非生物学家布伦纳、法国生物学家雅各布和美国遗传学家梅瑟生经过实验发现,用噬菌体侵染细菌,在培养基中添加含C标记的尿嘧啶,培养一段时间后,裂解细菌离心并分离出RNA与核糖体,分离出的RNA含有C标记。他们把分离得到的RNA分子分别与细菌的DNA和噬菌体的DNA杂交,发现RNA可与噬菌体的DNA形成DNARNA双
8、链杂交分子,不能与细菌的DNA结合。新题预测名师猜押 资料二:随着分子遗传学的发展,“DNA甲基化影响基因表达”的研究越来越受到关注。某种小鼠体内的A基因能控制蛋白X的合成,a基因不能控制蛋白X的合成。蛋白X是小鼠正常发育必需的一种蛋白质,缺乏时小鼠表现为个体较小(侏儒鼠)。A基因的表达受到A基因上游一段DNA序列(P序列)调控。P序列甲基化(胞嘧啶上添加CH3)后,A基因不能表达;P序列非甲基化时,A基因正常表达,如图。A基因的P序列在精子中是非甲基化的,传给子代后能正常表达,在卵细胞中是甲基化的,传给子代后不能表达。(1)资料一实验中,选择尿嘧啶作为标记物的原因是 ,合 成含C标记的RNA
9、分子的模板是 ,新合成的含C标记的RNA通常和核 糖体结合在一起,开始进行 过程。(2)资料一中实验结果表明,DNA到蛋白质之间的遗传信息传递途径 是 (用文字和箭头表示)。(3)由资料二可知,DNA甲基化会改变基因的表达,导致基因控制的性状发生改 变。这种现象 (“属于”或“不属于”)基因突变,理由是_ _。(4)某基因型为Aa的小鼠是侏儒鼠,产生该侏儒鼠的原因是_ _。若纯合侏儒雌鼠与纯合正常雄鼠杂交得F1,F1雌雄个体间随 机交配,则F2的表现型及比例为 。【解析】(1)资料一中的实验探究遗传信息的表达,而尿嘧啶是RNA分子特有的碱基,因此选择尿嘧啶作为标记物。由材料信息可知,分离出的含
10、C标记的RNA可与噬菌体的DNA形成DNARNA双链杂交分子,不能与细菌的DNA结合,则合成含C标记的RNA分子的模板为噬菌体的DNA的一条链。新合成的含C标记的RNA通常和核糖体结合在一起,进行翻译过程。(2)由资料一的实验过程可知,DNA通过转录生成RNA,RNA再在核糖体上通过翻译过程合成蛋白质,则DNA到蛋白质之间的遗传信息传递途径是DNARNA蛋白质。(3)DNA甲基化只是在胞嘧啶上添加CH3并未改变基因的碱基数目和排列顺序,因此不属于基因突变。(4)由资料二可知,A基因的P序列在精子中是非甲基化的,传给子代后能正常表 达,在卵细胞中是甲基化的,传给子代后不能表达,若基因型为Aa的小
11、鼠是侏儒 鼠,则其A基因来自卵细胞,P序列甲基化,A基因不能表达,小鼠因缺乏蛋白X而表 现为个体较小。由以上分析可知,纯合侏儒雌鼠基因型应为aa,纯合正常雄鼠基 因型为AA,二者杂交得F1基因型为Aa,设雌鼠卵细胞中P序列甲基化的A基因表示 为A,F1雌雄个体间随机交配可表示为A aAa,F2的基因型及比例为AA (正常鼠)Aa(正常鼠)A a(侏儒鼠)aa(侏儒鼠)=1111,因此F2 的表现型及比例为正常鼠侏儒鼠=11。答案:(1)尿嘧啶是RNA分子特有的碱基 噬菌体的DNA(的一条链)翻译(2)DNARNA蛋白质(3)不属于 DNA甲基化不改变基因的碱基序列(4)A基因来自卵细胞,P序列
12、甲基化,A基因不能表达 正常鼠侏儒鼠=11 2.(功能研究)miRNA是真核细胞中具有调控功能但不编码蛋白质的小分子RNA,某些miRNA能抑制W基因控制的蛋白质(W蛋白)的合成,某真核细胞内形成该miRNA及其发挥作用的过程示意图如图。请回答下列问题:(1)过程需要的原料是 ,合成的分子经过程多次加工剪切后,其碱基的数量 。(2)细胞核中W基因合成的mRNA经过 进入细胞质中。分析题图可知,miRNA通过抑制 过程来抑制W蛋白的合成。(3)多聚核糖体是指一个mRNA上结合多个核糖体,多聚核糖体形成的意义是 _。【解析】(1)转录是指以DNA的一条链为模板,按照碱基互补配对原则,合成RNA 的
13、过程,故所需原料是四种核糖核苷酸,合成的分子经过程多次加工剪切后,其碱基的数量减少。(2)细胞核中W基因合成的mRNA经过核孔进入细胞质中。分析题图可知,单链结 构的miRNA与蛋白质结合形成的miRNA蛋白质复合物直接与W基因的mRNA结合,通 过抑制翻译过程来抑制W蛋白的合成。(3)多聚核糖体是指一个mRNA上结合多个核糖体,多聚核糖体形成的意义是少量 的mRNA分子可以迅速合成大量的蛋白质。答案:(1)四种核糖核苷酸 减少(2)核孔 翻译(3)少量的mRNA分子可以迅速合成大量的蛋白质 3.(基因技术)基因打靶技术是建立在基因同源重组技术以及胚胎干细胞技术的基础上而发展起来的一种分子生物
14、学技术。请结合图示回答下列有关问题:注:neor是新霉素抗性基因;tk基因的表达可以使无毒的丙氧鸟苷代谢为毒性物质,导致细胞死亡。(1)将目的基因和与细胞内靶基因同源的DNA片段都重组到 上,构建打靶载体(基因表达载体)。(2)打靶载体测序验证正确后,利用 酶,将之线性化,以提高重组率。通过 技术将打靶载体导入胚胎干细胞,这样打靶载体和与细胞内靶基因同源的区段就有机会发生同源重组。(3)为了筛选发生同源重组的细胞,可在培养液中加入 。最后还 需要通过 技术鉴定同源重组的细胞(去除靶基因),将这样的细 胞通过动物细胞培养后,获得大量打靶成功的细胞。其中,暂时不用的细胞 进行 保存。(4)将打靶成
15、功的细胞注射入小鼠囊胚,移植到同种、的母鼠体 内,一段时间后对受体母鼠进行妊娠检查,确保其生下嵌合体小鼠。这种嵌合 体小鼠长大后,体内同时存在被“修饰”过的基因和未被“修饰”的基因。如果 某些小鼠的 (填“体细胞”或“生殖细胞”)恰巧被“修饰”过了,则 它们的杂交后代中,就可能出现基因完全被“修饰”过的小鼠。【解析】(1)将目的基因和与细胞内靶基因同源的DNA片段都重组到载体(或质 粒)上,构建打靶载体(基因表达载体)。(2)由图可知,线性化是指将环状DNA变为线状DNA,该过程需要用限制酶切割;将目的基因导入动物细胞最有效的方法是显微注射技术。(3)由图可知,标记基因是neor(新霉素抗性基
16、因)和tk基因(tk基因的表达可以 使无毒的丙氧鸟苷代谢为毒性物质,导致细胞死亡),因此为了筛选发生同源重 组的细胞,可在培养液中加入新霉素和丙氧鸟苷。最后还需要通过DNA分子杂交 技术鉴定同源重组的细胞(去除靶基因),将这样的细胞通过动物细胞培养后,获 得大量打靶成功的细胞。其中,暂时不用的细胞进行液氮(或冷冻)保存。(4)胚胎移植时,应该将胚胎移植到同种、生理状态相同的母鼠体内。含有被“修饰”的基因的生殖细胞结合形成的后代中,就可能出现基因完全被“修饰”过的小鼠。答案:(1)载体(或质粒)(2)限制 显微注射(3)新霉素和丙氧鸟苷 DNA分子杂交 液氮(或冷冻)(4)生理状态相同(或经同期
17、发情处理)生殖细胞 4.(生物合成)面对2020年新型冠状病毒在全球的肆虐,包括我国在内的各国都在想方设法积极应对。如图为科研人员研发冠状病毒疫苗的几种技术思路。(1)途径和都需要通过动物细胞培养获得足够数量的病毒株。在动物细 胞培养中,除了适宜的营养物质、温度等条件外,还需要控制气体条件是 。途径与途径相比,生产的疫苗安全性更 高的是途径 。(2)途径中,过程的操作需要 酶。途径中所示技术的核心 是 (用图中数字作答)。(3)途径生产的DNA疫苗在动物细胞中表达引起机体免疫应答。与DNA疫苗相 比,mRNA疫苗的安全性更有优势,这是因为mRNA不需要进入 ,无整 合到宿主细胞染色体基因组中的
18、风险,且易被 水解,不会遗传 给子细胞。(4)该病毒表面蛋白A为主要抗原,由病毒的A基因控制合成,为进一步获得更 符合治疗要求的单克隆抗体,科研人员对抗体结构进行精细研究,找到既不影 响抗体空间结构又降低免疫反应的 序列,通过基因工程技术对抗 体结构进行人源化改造。这种人源单克隆抗体属于 工程的 产物。(5)研究发现人体在感染新冠病毒后可引发“细胞因子风暴”(机体感染病原 体后,体液中多种细胞因子迅速大量产生的现象),进而伤害正常的宿主细胞,从而造成免疫攻击行为。“细胞因子风暴”引发的免疫功能异常称为_。【解析】(1)动物细胞培养需要一定的气体条件,即95%空气与5%二氧化碳的混合气体。途径与
19、途径相比,生产的疫苗安全性更高的是途径。(2)途径中,为逆转录过程,需要逆转录酶。途径采用的是基因工程技术,该技术的核心是构建基因表达载体。(3)与DNA疫苗相比,mRNA疫苗的安全性更有优势,这是因为mRNA不需要进入细胞核,无整合到宿主细胞染色体基因组中的风险,且易被RNA(水解)酶水解,不会遗传给子细胞。(4)该病毒表面蛋白A为主要抗原,由病毒的A基因控制合成,为进一步获得更符合治疗要求的单克隆抗体,科研人员对抗体结构进行精细研究,找到既不影响抗体空间结构又降低免疫反应的氨基酸序列,通过基因工程技术对抗体结构进行人源化改造。这种人源单克隆抗体属于蛋白质工程的产物。(5)研究发现人体在感染新冠病毒后可引发“细胞因子风暴”(机体感染病原体后,体液中多种细胞因子迅速大量产生的现象),进而伤害正常的宿主细胞,从而造成免疫攻击行为。“细胞因子风暴”引发的免疫功能异常称为自身免疫病。答案:(1)95%空气与5%二氧化碳的混合气体 (2)逆转录 (3)细胞核 RNA(水解)酶(4)氨基酸 蛋白质(5)自身免疫病
