例析高考試題中的現(xiàn)代生物技術(shù)

甘耀平

(浙江省衢州第二中學(xué))

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》(以下簡稱“課程標(biāo)準(zhǔn)”)提出注重科學(xué)、技術(shù)和社會相互關(guān)系是貫穿生物學(xué)教學(xué)的重要主線之一,也是生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)達(dá)成的重要途徑,教師應(yīng)該重視滲透科學(xué)、技術(shù)、社會相互關(guān)系的教育[1]。以生物技術(shù)為背景材料的試題是近幾年高考命題的熱點(diǎn),受到高考命題專家的青睞。這類試題把課本知識和生物技術(shù)有機(jī)結(jié)合,情境新穎而不陌生,考查靈活而不偏頗,能很好地考查學(xué)生信息獲取和知識遷移應(yīng)用等關(guān)鍵能力。同時(shí)試題體現(xiàn)了較強(qiáng)的時(shí)代性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性,指向不同水平核心素養(yǎng)的評價(jià)目標(biāo)。

1.凝膠色譜法和SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳

例1.(2023年全國甲卷37題節(jié)選)為了研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能,常需要從生物材料中分離純化蛋白質(zhì)。某同學(xué)用凝膠色譜法從某種生物材料中分離純化得到了甲、乙、丙3種蛋白質(zhì),并對純化得到的3種蛋白質(zhì)進(jìn)行SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳,結(jié)果如圖1所示(“+” “-”分別代表電泳槽的陽極和陰極)。已知甲的相對分子質(zhì)量是乙的2倍,且甲、乙均由一條肽鏈組成?；卮鹣铝袉栴}。

(1)圖中甲、乙、丙在進(jìn)行SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳時(shí),遷移的方向是____________(填“從上向下”或“從下向上”)。

圖1

(2)圖中丙在凝膠電泳時(shí)出現(xiàn)2個(gè)條帶,其原因是_______________。

(3)凝膠色譜法可以根據(jù)蛋白質(zhì)________的差異來分離蛋白質(zhì)。據(jù)圖判斷,甲、乙、丙3種蛋白質(zhì)中最先從凝膠色譜柱中洗脫出來的蛋白質(zhì)是________,最后從凝膠色譜柱中洗脫出來的蛋白質(zhì)是________。

參考答案：(1)從上向下 (2)丙由2種相對分子質(zhì)量不同的肽鏈組成,在SDS的作用下解聚成2種肽鏈,2種肽鏈的電泳遷移率不同 (3)相對分子質(zhì)量 丙 乙

解析：凝膠色譜法是根據(jù)相對分子質(zhì)量的大小分離蛋白質(zhì)的有效方法[2]。它是根據(jù)多孔介質(zhì)對不同大小(體積)和不同形狀的分子的排阻能力不同來分離蛋白質(zhì)混合物的[3]。所用的凝膠珠(凝膠顆粒)其內(nèi)部是多孔的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),目前常用的凝膠有交聯(lián)葡聚糖、聚丙烯酰胺和瓊脂糖等。凝膠色譜法分離的原理是當(dāng)相對分子質(zhì)量不同的蛋白質(zhì)通過凝膠柱時(shí),比凝膠孔徑大的分子不能進(jìn)入凝膠珠內(nèi)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),只能在凝膠外部移動,隨著溶劑在凝膠珠之間的孔隙向下移動,其移動距離較短,移動速度也較快,就最先流出柱外;比凝膠珠孔徑小的分子則不同程度地出入凝膠珠內(nèi)外。這樣不同大小(或相對分子質(zhì)量)的蛋白質(zhì)分子由于所經(jīng)過的路徑不同而得以分離,大分子(或相對分子質(zhì)量大)的蛋白質(zhì)先被洗脫出來,小分子(或相對分子質(zhì)量小)的蛋白質(zhì)后被洗脫出來。

SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳是在聚丙烯酰胺凝膠中加入陰離子去垢劑十二烷基硫酸鈉(SDS)的電泳方式。SDS是一種變性劑,它能破壞蛋白質(zhì)分子中的氫鍵和疏水鍵相互作用,能使蛋白質(zhì)的多肽鏈處于展開狀態(tài)[3]。由幾條肽鏈組成的蛋白質(zhì)復(fù)合體在SDS的作用下會解聚成單條肽鏈,因此測定的結(jié)果只是單條肽鏈的分子量。SDS以其烴鏈與各種蛋白質(zhì)分子的側(cè)鏈通過疏水作用結(jié)合成復(fù)合體,SDS所帶的負(fù)電荷量大大超過了蛋白質(zhì)分子原有的電荷量,因而掩蓋了不同種蛋白質(zhì)間的電荷差異,同時(shí)SDS使蛋白質(zhì)都呈同樣的棒狀形態(tài)。因此SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳幾乎是完全根據(jù)蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量分離蛋白質(zhì)的,蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量越小,遷移越快。

2.熒光蛋白標(biāo)記技術(shù)

例2.(2023年全國乙卷38題節(jié)選)GFP是水母體內(nèi)存在的能發(fā)綠色熒光的一種蛋白?？蒲腥藛T以GFP基因?yàn)椴牧?利用基因工程技術(shù)獲得了能發(fā)其他顏色熒光的蛋白,豐富了熒光蛋白的顏色種類?；卮鹣铝袉栴}。

(3)科研人員將構(gòu)建好的表達(dá)載體導(dǎo)入大腸桿菌中進(jìn)行表達(dá),發(fā)現(xiàn)大腸桿菌有的發(fā)綠色熒光,有的發(fā)黃色熒光,有的不發(fā)熒光。請從密碼子特點(diǎn)的角度分析,發(fā)綠色熒光的可能原因是_________(答出1點(diǎn)即可)。

(4)新蛋白與突變基因的關(guān)聯(lián)性分析。將上述發(fā)黃色熒光的大腸桿菌分離純化后,對其所含的GFP突變基因進(jìn)行測序,發(fā)現(xiàn)其堿基序列與GFP基因的不同,將該GFP突變基因命名為YFP基因(黃色熒光蛋白基因)。若要通過基因工程的方法探究YFP基因能否在真核細(xì)胞中表達(dá),實(shí)驗(yàn)思路是______________。

參考答案：(3)GFP基因雖然發(fā)生了突變,但由于存在密碼的簡并現(xiàn)象,突變基因所編碼的氨基酸序列并未改變 (4)將YFP基因插入表達(dá)載體,再將構(gòu)建成功的重組載體導(dǎo)入不能發(fā)黃色熒光的真核細(xì)胞中,觀察黃色熒光是否出現(xiàn)

解析：熒光蛋白標(biāo)記是指利用不同顏色熒光質(zhì)粒通過某種方式結(jié)合其他生物,最終攜帶有顏色熒光且不影響生物正常生理生長的一種方法。因其高靈敏度備受研究者關(guān)注,成為目前生物大分子檢測的主要方法[4]。

熒光蛋白主要包括綠色、黃色和紅色3種,綠色熒光蛋白(GFP)是最早從水母分離得到的發(fā)光蛋白,由238個(gè)氨基酸組成,可在多種生物中廣譜表達(dá)而發(fā)出綠色熒光。下村修、馬丁·查爾菲和錢永健三位科學(xué)家因首次發(fā)現(xiàn)綠色熒光蛋白并在其應(yīng)用上做出了突出貢獻(xiàn)而獲得了2008年諾貝爾化學(xué)獎。黃色熒光蛋白(YFP)最初來自維多利亞多管水母,是GFP的突變體,其第203位由蘇氨酸變?yōu)槔野彼帷＜t色熒光蛋白(RFP)最初從珊瑚蟲中分離,是GFP的同源熒光蛋白。熒光蛋白標(biāo)記技術(shù)可充分利用不同顏色的熒光穩(wěn)定性特點(diǎn),能快速標(biāo)記且檢測簡單,能穩(wěn)定遺傳且有最佳的示蹤結(jié)果[4]。

3.放射自顯影技術(shù)

例3.(2023年1月浙江省選考第23題節(jié)選)研究光合產(chǎn)物從源分配到庫時(shí),給葉片供應(yīng)13CO2,13CO2先與葉綠體內(nèi)的________結(jié)合而被固定,形成的產(chǎn)物還原為糖需接受光反應(yīng)合成的________中的化學(xué)能。合成的糖分子運(yùn)輸?shù)焦麑?shí)等庫中。在本實(shí)驗(yàn)中,選用13CO2的原因有_________(答出2點(diǎn)即可)。

參考答案：五碳糖(C5) ATP和NADPH CO2是光合作用的原料;13C可被儀器檢測;13C在自然界中含量極少且穩(wěn)定

解析：放射自顯影技術(shù)是利用放射性同位素的電離射線對乳膠(含AgBr或AgCl)的感光作用,對細(xì)胞內(nèi)生物大分子進(jìn)行定性、定位與半定量研究的一種細(xì)胞化學(xué)技術(shù)。對細(xì)胞或生物體內(nèi)生物大分子進(jìn)行動態(tài)研究和追蹤是這一技術(shù)獨(dú)具的特征[5]。常用于生物學(xué)研究的同位素及其性質(zhì)如表1所示,根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求可選擇合適的同位素。

表1 常用放射性同位素的基本特性[5][6]

科學(xué)史上,研究DNA是遺傳物質(zhì)時(shí),選用32P標(biāo)記噬菌體的DNA;研究DNA復(fù)制時(shí)選用3H標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷(3H-TdR);研究RNA合成時(shí)選用3H標(biāo)記的尿嘧啶核苷(3H-U);研究蛋白質(zhì)合成和代謝時(shí),選用35S標(biāo)記的甲硫氨酸(蛋氨酸)、3H或14C標(biāo)記的亮氨酸等;卡爾文研究光合作用時(shí),選用14C標(biāo)記的CO2;研究甲狀腺的功能時(shí),選用131I標(biāo)記的NaI。

4.miRNA和siRNA介導(dǎo)的RNA干擾技術(shù)

例4.(2023年廣東卷17題節(jié)選)放射性心臟損傷是由電離輻射誘導(dǎo)的大量心肌細(xì)胞凋亡產(chǎn)生的心臟疾病。一項(xiàng)新的研究表明,circRNA可以通過miRNA調(diào)控P基因表達(dá)進(jìn)而影響細(xì)胞凋亡,調(diào)控機(jī)制見圖2。miRNA是細(xì)胞內(nèi)一種單鏈小分子RNA,可與mRNA靶向結(jié)合并使其降解。circRNA是細(xì)胞內(nèi)一種閉合環(huán)狀RNA,可靶向結(jié)合miRNA使其不能與mRNA結(jié)合,從而提高mRNA的翻譯水平。

圖2

回答下列問題:

(2)前體mRNA是通過________酶以DNA的一條鏈為模板合成的,可被剪切成circRNA等多種RNA。circRNA和mRNA在細(xì)胞質(zhì)中通過對________的競爭性結(jié)合,調(diào)節(jié)基因表達(dá)。

(3)據(jù)圖分析,miRNA表達(dá)量升高可影響細(xì)胞凋亡,其可能的原因是_______________。

參考答案：(2)RNA聚合 miRNA (3)miRNA表達(dá)量升高會阻斷P基因的mRNA合成P蛋白,降低P蛋白對細(xì)胞凋亡的抑制作用,促進(jìn)細(xì)胞凋亡

例5.(2023年湖南卷7題)基因Bax和Bcl-2分別促進(jìn)和抑制細(xì)胞凋亡。研究人員利用siRNA干擾技術(shù)降低TRPM7基因表達(dá),研究其對細(xì)胞凋亡的影響,結(jié)果如圖3所示。下列敘述錯(cuò)誤的是

( )

圖3

A.細(xì)胞衰老和細(xì)胞凋亡都受遺傳信息的調(diào)控

B.TRPM7基因可能通過抑制Bax基因的表達(dá)來抑制細(xì)胞凋亡

C.TRPM7基因可能通過促進(jìn)Bcl-2基因的表達(dá)來抑制細(xì)胞凋亡

D.可通過特異性促進(jìn)癌細(xì)胞中TRPM7基因的表達(dá)來治療相關(guān)癌癥

參考答案：D

解析：RNA干擾(RNAi)是指通過形成特定雙鏈RNA使目標(biāo)mRNA發(fā)生降解或者翻譯受到阻遏,從而特異性地抑制目標(biāo)基因在翻譯水平上表達(dá)的現(xiàn)象[7]。RNA干擾有兩種類型,即miRNA和siRNA。這兩類干擾RNA來源不同,作用機(jī)制和作用效果基本相同:成熟的形式都是短的雙鏈RNA;在發(fā)揮作用時(shí),與蛋白質(zhì)結(jié)合形成沉默復(fù)合物;在ATP供能的作用下,雙鏈RNA解開,并促使其與mRNA配對,結(jié)果使mRNA降解或使其翻譯受阻。

表2 miRNA和siRNA的比較

5.逆轉(zhuǎn)錄PCR技術(shù)和原位雜交技術(shù)

例6.(2022年1月浙江選考第29題節(jié)選)我國在新冠疫情防控方面取得了顯著的成績,但全球疫情形勢仍然非常嚴(yán)峻,尤其是病毒出現(xiàn)了新變異株——德爾塔、奧密克戎,更是威脅著全人類的生命健康。

(1)新冠病毒核酸定性檢測原理是:以新冠病毒的單鏈RNA為模板,利用____________酶合成DNA,經(jīng)PCR擴(kuò)增,然后在擴(kuò)增產(chǎn)物中加入特異的____________,如果檢測到特異的雜交分子則核酸檢測為陽性。

參考答案：逆轉(zhuǎn)錄 核酸探針

解析：逆轉(zhuǎn)錄PCR技術(shù)(RT-PCR)是聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)的一種變式應(yīng)用,其基本原理是在逆轉(zhuǎn)錄酶的作用下以RNA為模板合成cDNA,然后利用DNA聚合酶,以cDNA為模板合成雙鏈DNA,再用常規(guī)PCR技術(shù)擴(kuò)增出大量DNA[8](具體過程如圖4所示)。

圖4 逆轉(zhuǎn)錄PCR過程示意圖

逆轉(zhuǎn)錄PCR技術(shù)可用于獲取目的基因、合成cDNA探針、構(gòu)建RNA高效轉(zhuǎn)錄系統(tǒng)等,還可以用來分析不同組織細(xì)胞或是相同組織細(xì)胞在不同發(fā)育階段中mRNA的表達(dá)情況。

原位雜交技術(shù)是細(xì)胞內(nèi)特異核酸(DNA或RNA)定性與定位的重要方法,其原理是利用報(bào)告分子(如熒光素、生物素等)標(biāo)記核酸探針,然后將探針與染色體或DNA顯微切片上的靶DNA雜交,若兩者同源互補(bǔ),即可形成靶DNA與核酸探針的雜交體。原位雜交技術(shù)在顯微與亞顯微水平上基因定位、特異mRNA表達(dá)等問題的研究中具有重要作用[5]。

6.CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)

例7.(2021年6月浙江省選考第20題)采用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)可將增強(qiáng)型綠色熒光蛋白(EGFP)基因定點(diǎn)插入到受精卵的Y染色體上,獲得轉(zhuǎn)基因雄性小鼠。該轉(zhuǎn)基因小鼠與野生型雌性小鼠交配,通過觀察熒光可確定早期胚胎的性別。下列操作錯(cuò)誤的是

( )

A.基因編輯處理的受精卵在體外培養(yǎng)時(shí),不同發(fā)育階段的胚胎需用不同成分的培養(yǎng)液

B.基因編輯處理的受精卵經(jīng)體外培養(yǎng)至2細(xì)胞期,須將其植入同期發(fā)情小鼠的子宮,才可獲得表達(dá)EGFP的小鼠

C.分離能表達(dá)EGFP的胚胎干細(xì)胞,通過核移植等技術(shù)可獲得大量的轉(zhuǎn)基因小鼠

D.通過觀察早期胚胎的熒光,能表達(dá)EGFP的即為雄性小鼠胚胎

參考答案：B

解析：CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)是繼“鋅指核酸酶(ZFN)” “類轉(zhuǎn)錄激活因子效應(yīng)物核酸酶(TALEN)”之后出現(xiàn)的新一代基因組定點(diǎn)編輯技術(shù),自發(fā)現(xiàn)之后迅速發(fā)展成為當(dāng)今最主流的基因編輯方法[9]。

圖5 CRISPR/Cas9系統(tǒng)的功能(根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]修改)