高考生物备考专题第1部分专题6命题新情境6

第一部分核心考点突破专题六生物的变异与进化热点情境直击高考方向命题新情境六基因研究从“读取”进入“编辑”和“编写”时代生物科技的重要进展与突破已经在解决有关健康、医药、材料、能源、环境、气候变化和人口增长等全球问题方面展现了巨大前景，关键性、前沿性、交叉性、颠覆性技术发展引起各国高度关注，积极布局新一代基因组技术、合成生物技术、微生物组技术、生物成像技术研发。尤其是基因组学技术不断突破，引领基因组研究从“读取”进入到“编辑”和“编写”时代。近几年的诺贝尔奖多次涉及基因表达或基因编辑的相关内容。角度一诱导多能干细胞诱导性多能干细胞，把Oct3/4、Sox2、C－myc和Klf4这四种转录因子基因克隆入病毒载体，然后引入小鼠成纤维细胞，发现可诱导其发生转化，产生的iPS细胞在形态、基因和蛋白表达、表观遗传修饰状态、细胞倍增能力、类胚体和畸形瘤生成能力、分化能力等方面都与胚胎干细胞相似。与经典的胚胎干细胞技术和体细胞核移植技术不同，iPS技术不使用胚胎细胞或卵细胞，因此没有伦理学的问题。利用iPS技术可以用病人自己的体细胞制备专有的干细胞，所以不会有免疫排斥的问题。角度二基因打靶基因打靶是一种利用同源重组方法改变生物体某一内源基因的遗传学技术。这一技术可以用于删除某一基因、去除外显子或导入点突变，从而可以对此基因的功能进行研究。角度三基因编辑基因编辑技术指能够让人类对目标基因进行定点“编辑”，实现对特定DNA片段的修饰。基因编辑依赖于经过基因工程改造的核酸酶，也称“分子剪刀”，在基因组中特定位置产生位点特异性双链断裂(DSB)，诱导生物体通过非同源末端连接(NHEJ)或同源重组(HR)来修复DSB，因为这个修复过程容易出错，从而导致靶向突变。这种靶向突变就是基因编辑。基因编辑以其能够高效率地进行定点基因组编辑，

在基因研究、基因治疗和遗传改良等方面展示出了巨大的潜力。植物基因的靶向修饰是基因编辑应用最广泛的领域。首先可以通过修饰内源基因来帮助设计所需的植物性状，基因编辑技术还被应用于改良农产品质量。单细胞基因表达分析已经解决了人类发育的转录路线图，从中发现了关键候选基因用于功能研究。使用全基因组转录组学数据指导实验，基于CRISPR的基因组编辑工具使得干扰或删除关键基因以阐明其功能成为可能。1．(2025·郑州质检)科学家将Oct3、Sox2、C－myc和Klf4等基因导入高度分化的体细胞中，使高度分化的成熟体细胞重新编程为可发育成身体组织的非成熟细胞，这种细胞与人类胚胎干细胞极其相似，称为诱导多能干细胞(iPS细胞)，iPS细胞能被诱导分化为肝细胞、神经细胞等人身上几乎所有的细胞类型，被誉为再生医疗的王牌。下列相关叙述错误的是(

)A．iPS细胞能分化成不同种类细胞的实质是基因的选择性表达B．iPS细胞与成熟体细胞相比，细胞内的遗传物质未发生变化C．利用iPS细胞的分化能力，有望成功治愈心脏类疾病D．iPS细胞有丝分裂后期的染色体数目和核DNA分子数目相同【答案】

B【解析】

iPS细胞能分化成不同种类细胞是细胞分化的结果，细胞分化的实质是基因的选择性表达，A正确；根据题意“iPS细胞是通过向成熟体细胞导入特定的基因，诱导其转变为干细胞”可知，iPS细胞与成熟体细胞相比，细胞内的遗传物质发生了变化，B错误；iPS能被诱导分化为肝细胞、神经细胞等人身上几乎所有的细胞类型，因此利用iPS细胞的分化能力，有望成功治愈心脏类疾病，C正确；有丝分裂后期着丝粒分裂，一条染色体上只含有一个DNA分子，故iPS细胞有丝分裂后期的染色体数目和核DNA分子数目相同，D正确。2．(2025·武汉模拟)CRISPR/Cas9系统主要由向导RNA(sgRNA)和Cas9蛋白两部分组成，sgRNA可引导Cas9蛋白到特定基因位点进行切割，其机制如图所示。下列说法正确的是(

)A．sgRNA通过碱基互补配对原则识别目标DNA分子，Cas9蛋白的功能与DNA连接酶相似B．若要利用CRISPR/Cas9技术将一个基因从目标DNA分子上去除，通常需设计两个序列不同的sgRNAC．CRISPR/Cas9技术编辑基因有时会因sgRNA错误结合而出现“脱靶”现象，一般sgRNA序列越短，脱靶率越低D．向导RNA可以在逆转录酶的催化下合成，合成的原料包括四种核糖核苷酸【答案】

B【解析】

由题图可知，sgRNA可通过与特定基因位点的碱基进行互补配对，来引导Cas9蛋白到该位点进行切割，即sgRNA通过碱基互补配对原则识别目标DNA分子，而Cas9蛋白的功能与限制酶相似，A错误；若要利用CRISPR/Cas9技术将一个基因从目标DNA分子上去除，通常需设计两个序列不同的sgRNA，B正确；CRISPR/Cas9技术编辑基因有时会因sgRNA错误结合而出现“脱靶”现象，sgRNA的序列越短，可识别的DNA上的特定碱基序列越短，越容易发生脱靶现象，即脱靶率越高，C错误；向导RNA是以DNA的一条链为模板通过转录形成的，可以在RNA聚合酶的催化下合成，合成的原料包括四种核糖核苷酸，D错误。3．(2025·锦州模拟)TALEN是一种靶向基因操作技术，该技术利用了TAL靶向识别单元对靶向基因的识别作用和FokⅠ蛋白对靶向基因的切割作用，实现了对特定靶向基因的敲除。TAL靶向识别单元为间隔32个氨基酸的双连氨基酸(即两个相连的氨基酸)序列。不同的双连氨基酸分别与靶向基因中的A、T、C、G有恒定的对应关系，根据靶向基因的碱基序列可以设计出双连氨基酸序列。下列说法错误的是(

)A．该技术应该先推测出信使RNA序列，再推测出目的基因的核苷酸序列B．在构建的基因表达载体中，启动子应位于基因的首端，它是RNA聚合酶识别和结合的部位C．TALEN是一种靶向基因操作技术，其中FokⅠ蛋白实质上是一种限制酶D．双连氨基酸能够与含氮碱基A、T、C、G之间发生碱基互补配对【答案】

D【解析】

已知TAL靶向识别单元中双连氨基酸序列和FokⅠ蛋白的氨基酸序列，可先推测出信使RNA序列，再推测出目的基因的核苷酸序列，利用化学法以单个核苷酸为原料合成目的基因，再通过PCR技术进行扩增，A正确；在构建的基因表达载体中，有启动子、终止子、目的基因、标记基因等，其中启动子位于基因的首端，它是RNA聚合酶识别和结合的部位，B正确；由题中“FokⅠ蛋白对靶向基因的切割作用”可知，FokⅠ蛋白实质上是一种限制酶，C正确；只有含氮碱基之间能发生碱基互补配对，而双连氨基酸不含含氮碱基，D错误。4．(2025·烟台模拟)载脂蛋白E(APOE)是由APOE基因编码的一种经典的脂质结合蛋白，介导中枢神经系统和外周组织中的脂质转运。干细胞衰老是机体衰老的关键表征及驱动力。揭示APOE的人类干细胞衰老调控作用，有助于理解人类衰老及相关疾病的驱动机制，为上述过程的干预提供靶点及候选药物。(1)为研究APOE的作用，研究人员需敲除APOE基因。方法一：可使用最新基因编辑工具CRISPR/Cas9，它是由Cas9蛋白和sgRNA构成的RNA－蛋白质复合体，其中的____________负责识别并结合特定DNA序列，引导Cas9蛋白切开____________键，对目的基因进行编辑，敲除APOE基因。方法二：应用基因工程的原理，将新霉素抗性基因即Neo基因插入APOE基因内部，利用同源重组技术制备APOE基因敲除小鼠。①插入Neo基因除了可以破坏APOE基因，还具有的作用最可能是___________________________________________________________。②将APOE基因敲除细胞经克隆培养后，采用显微注射法将其导入正常小鼠的早期胚胎中，再移植到代孕小鼠体内可获得嵌合体APOE基因敲除小鼠。将嵌合体小鼠与野生型小鼠杂交后(假设子代足够多)不一定能获得基因敲除小鼠，原因是_____________________________________________________________________________________________。(2)研究表明，进入干细胞细胞核的APOE蛋白可作用于细胞核骨架(与细胞骨架系统相类似)和异染色质蛋白，诱导这些蛋白发生自噬性降解，影响异染色质上的基因的表达，促进该种干细胞的衰老。请根据以上信息，在图中添加箭头和文字说明完成模型构建(APOE蛋白用▆表示)。【答案】

(1)sgRNA磷酸二酯①作为标记基因，便于筛选②嵌合体小鼠的生殖器官中不一定含有基因敲除细胞(2)

【解析】

(1)CRISPR/Cas9系统是由Cas9蛋白和sgRNA构成的RNA－蛋白质复合体。其中的sgRNA负责识别并结合特定DNA序列，引导Cas9蛋白对目的基因进行编辑。复合体中Cas9蛋白能发挥酶的作用，负责切开磷酸二酯键，执行目的基因的编辑，实现对APOE基因的敲除。①根据题意，在APOE基因内部插入Neo基因，可破坏APOE基因。此外，Neo基因是新霉素抗性基因，可作为标记基因，便于筛选。②将APOE基因敲除细胞克隆培养后，采用显微注射法将其导入正常小鼠的早期胚胎中，再移植到代孕小鼠体内可获得嵌合体APOE基因敲除小鼠。由于嵌合体小鼠的生殖器官中不一定含有基因敲除细胞，所以将嵌合体小鼠与野生型小鼠杂交后(假设子代足够多)不一定能获得基因敲除小鼠。(2)依题意，APOE蛋白进入细胞核后，作用于细胞核骨架和异染色质蛋白，诱导这些蛋白发生自噬性降解，影响异染色质上的基因的表达，促进该种干细胞的衰老。结合图中信息，完整模型如答案图所示。5．(2025·杭州模拟)Cre/LoxP重组酶系统是对转基因受体细胞DNA上的特定序列进行定点切割和重新连接从而在基因或染色体水平上对生物基因进行遗传改造的一种技术。请回答下列问题：(1)LoxP具有方向性，结构如图一所示，其中决定方向的序列是________(填序号)。Cre酶能随机识别DNA分子上的两个相同的LoxP序列，并在其中的特定位点切断DNA双链，重新连接切口后，连接时形成的化学键是________________，两个同向LoxP在发挥作用时，机制如图二，则保留图二中片段________(填序号)，就能实现目标基因的敲除。(2)Cre/LoxP重组酶系统可以调控基因的表达，在目的基因________(填“上游”或“下游”)插入一个带有LoxP位点的编码终止密码子的序列，在Cre酶存在的情况下，目的基因________(填“表达”或“不表达”)。若经Cre酶作用使得2个LoxP位点间的序列发生反转，其原因可能是_________________________________________________。(3)“脑彩虹”是一项最新的大脑成像技术，通过荧光蛋白“点亮”大脑内的神经元，帮助科学家了解大脑。①研究者设计如图所示的DNA片段。已知三种荧光蛋白的氨基酸序列，则可通过____________________法获得相关基因，再利用限制酶和______________酶将三种荧光蛋白基因和两种LoxP序列、启动子M与载体连接，形成重组质粒，采用____________法将其导入小鼠的受精卵细胞中，经过筛选、培育，获得转基因小鼠。②在Cre酶的帮助下，一些荧光蛋白基因可能会被随机“剪掉”，但两个LoxP1或两个LoxP2之间的基因，最多会被Cre酶敲除一次，Cre酶基因在环境中存在化学物质Tam时才能激活表达，因此该小鼠“脑彩虹”的出现可受Tam的调控：a．若无Tam作用时，该小鼠脑组织的色彩为________色，其他组织细胞颜色为________色。b．若有Tam作用时，该小鼠脑组织会出现“脑彩虹”，请阐述机理：_______________________________________________________。【答案】

(1)②磷酸二酯键2

(2)上游表达两个LoxP序列相反(3)①人工化学合成DNA连接显微注射②a.红无

b．若有Tam作用时，则启动Cre酶基因的表达，在该酶的作用下，一些荧光蛋白基因可能会被随机“剪掉”，若随机敲除两个LoxP1之间的红色荧光蛋白基因，此时细胞为黄色；敲除两个LoxP2之间的红色和黄色荧光蛋白基因，此时细胞为蓝色；也有可能未成功敲除荧光蛋白基因，此时细胞为红色，这样就会出现不同脑细胞差异表达红色、黄色或蓝色荧光蛋白基因，进而出现“脑彩虹”【解析】

(1)从图一中可看到①和③序列单链中从5′到3′的碱基序列相同，因此既可从左向右，也可从右向左，不能决定方向，而②的碱基序列是唯一的；重新连接切口时形成的化学键是磷酸二酯键；LoxP序列中有Cre酶的识别位点，而两个同向LoxP由Cre酶切割后形成相同的黏性末端，可以连接，则中间包括带有敲除基因的片段就会被丢弃，另由图二可知，