淺析“凝膠電泳圖譜”典型高考試題

李 萍

(天津外國語大學(xué)附屬濱海外國語學(xué)校 300467)

凝膠電泳是分離、鑒定核酸及蛋白質(zhì)大分子的生化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，目前在分子生物學(xué)、遺傳學(xué)、生物化學(xué)研究中廣泛應(yīng)用。雖然電泳的概念、原理在人教版高中生物學(xué)教材選修1 《生物技術(shù)實(shí)踐》中有簡(jiǎn)要介紹，但這部分知識(shí)對(duì)于高中生來說還是相當(dāng)抽象的，學(xué)生在理解應(yīng)用上有一定困難。此外，高考命題突出能力考查，注重在新情境中考查學(xué)生從文字、圖表等形式中獲取信息以及運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問題的能力，試題形式往往靈活多變。因此，很多學(xué)生遇到凝膠電泳圖譜與遺傳、基因工程等教材知識(shí)相結(jié)合的試題時(shí)，往往感覺無從下手。本文對(duì)凝膠電泳圖譜類高考試題進(jìn)行整理解析。

1 凝膠電泳的基本原理

許多重要的生物大分子如蛋白質(zhì)、核酸等具有可解離的基團(tuán)，在一定的pH下，這些基團(tuán)會(huì)帶上正電或負(fù)電。在電場(chǎng)的作用下這些帶電分子會(huì)向著與其所帶電荷相反的電極移動(dòng)。電泳利用了待分離樣品中各種分子帶電性質(zhì)的差異以及分子本身的大小、形狀的不同，使帶電分子在通過凝膠介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生不同的遷移速度，從而實(shí)現(xiàn)樣品中各種分子的分離。

凝膠電泳主要分為瓊脂糖凝膠電泳和聚丙烯酰胺凝膠電泳兩種類型，前者一般用于核酸的分離，后者主要用于蛋白質(zhì)鑒別。電泳中樣品分子移動(dòng)的本質(zhì)確實(shí)是其所攜帶的電荷，但由于各分子的電荷/分子量比達(dá)到恒定，所以區(qū)分樣品分子遷移速率，可以直接用分子量而無需使用電荷數(shù)。以DNA分子為例，它在電泳中的移動(dòng)是靠其骨架中磷酸所攜帶的負(fù)電荷來實(shí)現(xiàn)的，而這個(gè)磷酸分子又是每一個(gè)核苷酸中都有的，所以DNA分子所攜帶的負(fù)電荷數(shù)是由其核苷酸總數(shù)決定的，這樣，DNA分子中負(fù)電荷的量就可以用DNA的分子量來代替。與之類似的蛋白質(zhì)電泳中，由于蛋白質(zhì)所攜帶的電荷與蛋白分子量也成了一定比例，同樣使得電泳的遷移速率完全取決于分子的大小。

2 高考試題分析

近年來，以遺傳、基因工程知識(shí)為背景，以DNA電泳圖譜為情境的高考試題較為常見，另外也出現(xiàn)了對(duì)蛋白質(zhì)電泳圖譜的考查。

例1 (2015年高考福建卷節(jié)選) GDNF是一種神經(jīng)營養(yǎng)因子，對(duì)損傷的神經(jīng)細(xì)胞具有營養(yǎng)和保護(hù)作用，研究人員構(gòu)建了GDNF基因的表達(dá)載體(圖1)，并導(dǎo)入到大鼠神經(jīng)干細(xì)胞中，用于細(xì)胞基因治療的研究，請(qǐng)回答：

圖1 GDNF基因表達(dá)載體的構(gòu)建過程

(注：bp表示堿基對(duì)；載體和基因片段上的小箭頭表示相關(guān)限制酶的酶切位點(diǎn))

(1)構(gòu)建含GDNF基因的表達(dá)載體時(shí)，需選擇圖1中的________限制酶進(jìn)行酶切。

(2)經(jīng)酶切后的載體和GDNF基因進(jìn)行連接，連接產(chǎn)物經(jīng)篩選得到的載體主要有3種：?jiǎn)蝹€(gè)載體自連、GDNF基因與載體正向連接、GDNF基因與載體反向連接(圖1)。為鑒定這3種連接方式，選擇HpaⅠ酶和BamHⅠ酶對(duì)篩選得到的載體進(jìn)行雙酶切，并對(duì)酶切后的DNA片段進(jìn)行電泳分析，結(jié)果如圖2所示，圖中第________泳道顯示所鑒定的載體是正向連接的。

圖2 載體酶切電泳分析圖譜

命題立意：本題考查基因工程的相關(guān)知識(shí)，要求考生識(shí)記基因工程的原理、操作工具及操作步驟等，掌握各步驟中的相關(guān)細(xì)節(jié)，能結(jié)合所學(xué)知識(shí)做出準(zhǔn)確判斷，其中電泳結(jié)果的推理較靈活，難度中等。

解析：(1)根據(jù)圖1分析可知，由于GDNF基因兩邊都有XhoⅠ限制酶識(shí)別序列，所以構(gòu)建含GDNF基因的表達(dá)載體時(shí)，需選擇XhoⅠ限制酶進(jìn)行酶切。(2)選擇HpaⅠ酶和BamHⅠ酶對(duì)構(gòu)建的表達(dá)載體進(jìn)行酶切鑒定，因酶切片段鏈的長(zhǎng)短不同，經(jīng)凝膠電泳分離后，會(huì)顯示不同的帶譜。對(duì)三種連接方式分別分析可得圖3：?jiǎn)蝹€(gè)載體自連，經(jīng)雙酶切后僅能形成一條帶，為質(zhì)粒本身長(zhǎng)度，電泳結(jié)果為泳道①；目的基因與載體反向連接，雙酶切會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)大小不同的DNA片段，一段是質(zhì)粒上HpaⅠ酶與XhoⅠ之間的100bp加上目的基因上XhoⅠ與BamHⅠ之間的100bp，共200bp，另一段是原有質(zhì)粒的5900bp加上目的基因上剩余的BamHⅠ與XhoⅠ之間600bp，共6500bp，由于片段大的泳動(dòng)慢，位于上方，片段小的泳動(dòng)快位于下方，故電泳結(jié)果應(yīng)為泳道③；如果是正向連接，則經(jīng)雙酶切后同樣會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)片段，一段是質(zhì)粒上HpaⅠ酶與XhoⅠ之間的100bp加上目的基因上XhoⅠ與BamHⅠ之間的600bp，共700bp，另一段是原有質(zhì)粒的5900bp加上目的基因上剩余的100bp，共6000bp，故會(huì)出現(xiàn)泳道②所示的電泳結(jié)果?？傊瑢?duì)于基因工程中酶切片段的電泳圖譜分析類問題，首先應(yīng)將題干信息轉(zhuǎn)化為圖像信息，再根據(jù)酶切產(chǎn)生的DNA片段大小分析對(duì)應(yīng)的電泳條帶。參考答案 (1)XhoⅠ (2)②。

圖3 三種連接方式獲得的表達(dá)載體

例2 (2015年高考江蘇卷節(jié)選)由苯丙氨酸羥化酶基因突變引起的苯丙氨酸代謝障礙，是一種嚴(yán)重的單基因遺傳病,稱為苯丙酮尿癥(PKU)，正常人群中每70人有1人是該致病基因的攜帶者(顯、隱性基因分別用A、a表示)。圖4是某患者的家族系譜圖,其中Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3及胎兒Ⅲ1(羊水細(xì)胞)的DNA經(jīng)限制酶Msp消化，產(chǎn)生不同的片段(kb表示千堿基對(duì))，經(jīng)電泳后用苯丙氨酸羥化酶cDNA探針雜交，結(jié)果見圖5。請(qǐng)回答下列問題：

圖4 某患者家族系譜圖

(1)Ⅰ1、Ⅱ1的基因型分別為__________。

(2)依據(jù)cDNA探針雜交結(jié)果，胎兒Ⅲ1的基因型是________。Ⅲ1長(zhǎng)大后，若與正常異性婚配，生一個(gè)正常孩子的概率為__________。

圖5 酶切、電泳及DNA探針檢驗(yàn)結(jié)果

(3)若Ⅱ2和Ⅱ3生的第2個(gè)孩子表型正常，長(zhǎng)大后與正常異性婚配,生下PKU患者的概率是正常人群中男女婚配生下PKU患者的__________倍。

命題立意：本題綜合考查了遺傳學(xué)的相關(guān)知識(shí)，意在考查考生分析題圖提取有效信息的能力、運(yùn)用所學(xué)知識(shí)綜合分析問題和解決問題的能力。本題的一大特點(diǎn)是基因工程、遺傳系譜圖、凝膠電泳圖等知識(shí)的結(jié)合，綜合性較強(qiáng)。

解析：(1)由圖4可見，Ⅱ1為患病女孩，而其父母正常，說明苯丙酮尿癥屬于常染色體隱性遺傳病，所以其基因型為aa。由于Ⅰ1正常，故其基因型為Aa。(2)由圖5可見，用Msp酶對(duì)四位家族成員的DNA進(jìn)行酶切，由于A、a基因酶切片段大小不同，經(jīng)凝膠電泳分離后，再用cDNA探針進(jìn)行雜交，便可顯示不同的兩種條帶，其中A基因酶切片段較大，23kb，故泳動(dòng)距離小，距離點(diǎn)樣孔較近，而a基因酶切片段為19kb的小片段，故泳動(dòng)距離較大，距離點(diǎn)樣孔較遠(yuǎn)。因此，由圖5可以判斷Ⅱ2同時(shí)含有A與a基因，其基因型為Aa，同理可以推理出Ⅱ1、Ⅱ3、Ⅲ1的基因型分別為aa、Aa、Aa。Ⅲ1長(zhǎng)大后，若與正常異性婚配，由于正常人群中每70人有1人是該致病基因的攜帶者，所以生一個(gè)正常孩子的概率為1﹣1/70×1/4=279/280。若Ⅱ2和Ⅱ3生的第2個(gè)孩子表現(xiàn)型正常，其基因型為AA或Aa，長(zhǎng)大后與正常異性婚配，生下PKU患者的概率是2/3×1/70×1/4，又正常人群中男女婚配生下PKU患者的概率是1/70×1/70×1/4。因此，前者是后者的46.67倍?？傊?，本題的突破口在于通過分析凝膠電泳圖譜，推理出Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅲ1的基因型，只有確定了相應(yīng)成員基因型，才能繼續(xù)運(yùn)用所學(xué)的遺傳病概率計(jì)算知識(shí)解決遺傳學(xué)問題。參考答案 (1)Aa、aa (2)Aa 279/280 (3)46.67。

例3 (2016年高考天津卷)鯉魚和鯽魚體內(nèi)的葡萄糖磷酸異構(gòu)酶(GPI)是同工酶(結(jié)構(gòu)不同、功能相同的酶)，由兩條肽鏈構(gòu)成。編碼肽鏈的等位基因在鯉魚中是a1和a2，在鯽魚中是a3和a4，這四個(gè)基因編碼的肽鏈P1、P2、P3、P4可兩兩組合成GPI。以雜合體鯽魚(a1a2)為例，其GPI基因、多肽鏈、GPI的電泳(蛋白分離方法)圖譜見圖6。

圖6 GPI基因、多肽鏈及GPI的電泳圖譜

(1)若一尾鯽魚為純合二倍體，則其體內(nèi)GPI類型是__________。

(2)若鯉魚與鯽魚均為雜合二倍體，則鯉鯽雜交的子一代中，基因型為a2a4個(gè)體的比例為________。在其雜交子一代中取一尾魚的組織進(jìn)行GPI電泳分析，圖譜中會(huì)出現(xiàn)__________條帶。

(3)鯉鯽雜交育種過程中獲得了四倍體魚。四倍體魚與二倍體鯉魚雜交，對(duì)產(chǎn)生的三倍體子代的組織進(jìn)行GPI電泳分析，每尾魚的圖譜均一致，如圖7所示。據(jù)圖分析，三倍體的基因型為__________，二倍體鯉魚親本為純合體的概率是__________。

圖7 電泳分析圖譜

命題立意：不同于上面兩道例題的DNA凝膠電泳圖譜分析，本題呈現(xiàn)的是蛋白質(zhì)凝膠電泳圖，考查了基因型和表現(xiàn)型的相互推導(dǎo)和概率分析。解題關(guān)鍵是理解蛋白質(zhì)電泳圖譜和基因組成的關(guān)系。

解析：(1)由圖6可知，鯉魚中基因a1和a2分別編碼P1、P2肽鏈，則鯽魚基因a3、a4分別編碼P3、P4肽鏈，所以純和鯽魚(基因型為a3a3或a4a4)體內(nèi)的GPI類型是P3P3或P4P4。(2)由圖6分析可知，基因型為a1a2的鯉魚，編碼出的P1、P2兩種肽鏈可兩兩隨機(jī)組合成3種GPI類型：P1P1、P1P2、P2P2，3種GPI蛋白由于分子大小的不同，在凝膠中泳動(dòng)的距離不同，因而呈現(xiàn)出3條條帶。鯉魚與鯽魚的雜合二倍體基因型分別為a1a2、a3a4，雜交后代的基因型是a1a3∶a1a4∶a2a3∶a2a4=1∶1∶1∶1，基因型為a2a4個(gè)體的比例為25%。由于雜交后代都是雜合子，因此雜交子一代中取一尾魚的組織進(jìn)行GPI電泳分析，應(yīng)與圖6類似，圖譜中會(huì)出現(xiàn)3條不同大小的蛋白質(zhì)條帶。(3)對(duì)產(chǎn)生的三倍體子代的組織進(jìn)行GPI電泳分析，結(jié)果如圖7，每一尾魚的圖譜中都含有P1、P2、P3(可組合成6種GPI)，因此三倍體同時(shí)含有a1、a2、a3基因，三倍體的基因型均為a1a2a3。由此推知，三倍體的雙親均為純合體。本題的易錯(cuò)點(diǎn)是最后一空，錯(cuò)因在于未能根據(jù)三倍體的電泳圖譜、基因組成均相同，推測(cè)雙親均應(yīng)為純合體。參考答案： (1)P3P3或P4P4(2)25% 3 (3)a1a2a3100%。

3 小結(jié)

隨著新課程改革的進(jìn)一步深化，高考在命題上越來越關(guān)注教材知識(shí)在新情境中的應(yīng)用。凝膠電泳技術(shù)雖未在教材中詳細(xì)介紹，但從近幾年的高考試題來看，凝膠電泳圖譜常常作為基因工程、遺傳學(xué)知識(shí)等的情境材料來考查學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。所以，在高考復(fù)習(xí)中，教師應(yīng)該讓學(xué)生了解電泳技術(shù)的簡(jiǎn)單知識(shí)和原理，學(xué)會(huì)分析電泳圖譜，從中獲取相關(guān)的生物學(xué)信息，并能運(yùn)用這些信息結(jié)合所學(xué)知識(shí)解決相關(guān)的生物學(xué)問題。