情境預測
生物科技的重要進展與突破已經(jīng)在解決有關(guān)健康、醫(yī)藥、材料、能源、環(huán)境、氣候變化和人口增長等全球問題方面展現(xiàn)了巨大前景，關(guān)鍵性、前沿性、交叉性、顛覆性技術(shù)發(fā)展引起各國高度關(guān)注，積極布局新一代基因組技術(shù)、合成生物技術(shù)、微生物組技術(shù)、生物成像技術(shù)研發(fā)。尤其是基因組學技術(shù)不斷突破，引領(lǐng)基因組研究從“讀取”進入到“編輯”和“編寫”時代。近幾年的諾貝爾獎多次涉及基因表達或基因編輯的相關(guān)內(nèi)容。
命題點：①基因打靶；②基因編輯；③誘導多能干細胞；④細胞自噬的機制和相關(guān)基因表達(預測命題點)。
重難詮釋
誘導性多能干細胞，把Oct3/4、Sx2、C－myc和Klf4這四種轉(zhuǎn)錄因子基因克隆入病毒載體，然后引入小鼠成纖維細胞，發(fā)現(xiàn)可誘導其發(fā)生轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生的iPS細胞在形態(tài)、基因和蛋白表達、表觀遺傳修飾狀態(tài)、細胞倍增能力、類胚體和畸形瘤生成能力、分化能力等方面都與胚胎干細胞相似。與經(jīng)典的胚胎干細胞技術(shù)和體細胞核移植技術(shù)不同，iPS技術(shù)不使用胚胎細胞或卵細胞，因此沒有倫理學的問題。利用iPS技術(shù)可以用病人自己的體細胞制備專有的干細胞，所以不會有免疫排斥的問題。
基因打靶是一種利用同源重組方法改變生物體某一內(nèi)源基因的遺傳學技術(shù)。這一技術(shù)可以用于刪除某一基因、去除外顯子或?qū)朦c突變，從而可以對此基因的功能進行研究。
基因編輯技術(shù)指能夠讓人類對目標基因進行定點“編輯”，實現(xiàn)對特定DNA片段的修飾。基因編輯依賴于經(jīng)過基因工程改造的核酸酶，也稱“分子剪刀”，在基因組中特定位置產(chǎn)生位點特異性雙鏈斷裂(DSB)，誘導生物體通過非同源末端連接(NHEJ)或同源重組(HR)來修復DSB，因為這個修復過程容易出錯，從而導致靶向突變。這種靶向突變就是基因編輯。基因編輯以其能夠高效率地進行定點基因組編輯， 在基因研究、基因治療和遺傳改良等方面展示出了巨大的潛力。植物基因的靶向修飾是基因編輯應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。首先可以通過修飾內(nèi)源基因來幫助設(shè)計所需的植物性狀，基因編輯技術(shù)還被應(yīng)用于改良農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。單細胞基因表達分析已經(jīng)解決了人類發(fā)育的轉(zhuǎn)錄路線圖，從中發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵候選基因用于功能研究。使用全基因組轉(zhuǎn)錄組學數(shù)據(jù)指導實驗，基于CRISPR的基因組編輯工具使得干擾或刪除關(guān)鍵基因以闡明其功能成為可能。
限時檢測 （限時30分鐘）
一、單選題
1．（2023上·安徽合肥·高三合肥一六八中學校考階段練習）CRISPR/Cas9系統(tǒng)是一種基因組編輯技術(shù)，Cas9蛋白能與人工設(shè)計的sgRNA形成復合體（如圖），利用該技術(shù)可以對DNA進行一系列的定向改造。下列相關(guān)敘述錯誤的是（ ）

A．Cas9蛋白能切割目的基因的磷酸二酯鍵，使DNA雙鏈斷裂
B．對不同的目的基因進行編輯時可能使用相同的Cas9蛋白和sgRNA
C．基因編輯技術(shù)能夠定點插入、刪除或替換部分堿基對
D．通過基因組編輯技術(shù)引起的變異屬于基因重組
2．（2024上·重慶·高三重慶南開中學校考階段練習）2023年12月8日，F(xiàn)DA一次批準了兩個針對鐮狀細胞貧血的基因治療方法，其中包括首個基于CRISPR基因編輯技術(shù)的療法——Casgevy。已知胎兒的血紅蛋白由兩條α鏈與γ鏈構(gòu)成（α2γ2），成人血紅蛋白由兩條α鏈與β鏈構(gòu)成（α2β2）。鐮狀細胞貧血患者體內(nèi)β鏈結(jié)構(gòu)和功能異常，使紅細胞呈鐮刀狀，而增加血紅蛋白γ鏈的表達能治療鐮狀細胞貧血。研究發(fā)現(xiàn)，BCL 11A蛋白促進胎兒到成人的血紅蛋白類型轉(zhuǎn)變。Casgevy療法即是通過調(diào)控BCL 11A的含量達到治療鐮狀細胞貧血的目的。下列說法正確的是（ ）
A．鐮狀細胞貧血患者體內(nèi)編碼血紅蛋白β鏈的基因發(fā)生了堿基的替換、增添或缺失
B．胎兒與成人體內(nèi)血紅蛋白構(gòu)成不同，主要是因為成人體內(nèi)編碼血紅蛋白γ鏈的基因缺失
C．BCL11A可能通過促進血紅蛋白γ鏈的合成而促進胎兒到成人的血紅蛋白類型轉(zhuǎn)變
D．Casgevy療法可能通過降低BCL 11A基因的表達而增加患者體內(nèi)α2γ2型血紅蛋白的比例
3．（2023上·全國·高三階段練習）為降低免疫排斥問題，科研人員取供體動物胚胎干細胞，利用基因編輯技術(shù)獲得重構(gòu)胚胎干細胞，再經(jīng)過培養(yǎng)、檢測和篩選后，移入受體動物的子宮內(nèi)進行培養(yǎng)，培養(yǎng)出能提供異體移植器官的供體動物。下列相關(guān)說法正確的是（ ）
A．進行動物細胞培養(yǎng)時，需置于含有95%空氣和5%O2氣體的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)
B．重構(gòu)胚胎干細胞體外培養(yǎng)時，高要在培養(yǎng)液中加入血清等物質(zhì)
C．培養(yǎng)得到該供體動物過程中將胚胎移入受體子宮后不需要再進行任何檢查
D．經(jīng)過基因編輯技術(shù)改造后的供體器官移植到人體后，一定不會發(fā)生免疫排斥反應(yīng)
4．（2024上·江蘇連云港·高三統(tǒng)考階段練習）科學家已把多種器官的細胞轉(zhuǎn)變成了誘導多功能干細胞，并讓誘導多功能干細胞分化成了皮膚、肌肉、軟骨、神經(jīng)細胞以及可以同步搏動的心臟細胞。下列相關(guān)敘述正確的是（ ）
A．成熟細胞被重新編程的過程中細胞的分化程度逐漸升高
B．多能干細胞能分化成神經(jīng)細胞的過程中發(fā)生了基因突變，有些基因不能表達
C．多能干細胞與成熟細胞相比，細胞內(nèi)核酸相同，蛋白質(zhì)卻不完全相同
D．誘導多能干細胞分化的過程與基因有關(guān)，與細胞直接生活的微環(huán)境有關(guān)
5．（2023·浙江·校聯(lián)考模擬預測）科學家通過體外誘導小鼠成纖維細胞，獲得類似胚胎干細胞的誘導多能干細胞（iPS細胞），并在用iPS細胞治療人類疾病等領(lǐng)域取得很多成就。下列敘述錯誤的是（ ）
A．成纖維細胞經(jīng)誘導分化為iPS細胞，體現(xiàn)了細胞全能性
B．iPS細胞培養(yǎng)時培養(yǎng)液中通常需要添加血清等物質(zhì)
C．iPS細胞增殖過程中的DNA復制發(fā)生在分裂間期的S期
D．若iPS細胞來源于自身，則其移植回病人體內(nèi)可減少免疫排斥
二、非選擇題
6．（2023·廣東·華南師大附中?？既＃┗虼虬杏址Q基因敲除，是一種利用外源DNA分子與染色體DNA之間的同源重組，定點改造基因的技術(shù)。通過基因同源重組對基因進行滅活、引入點突變、缺失突變、外源基因定位引入等修飾和改造，使細胞、生物表達突變性狀。基因打靶是通過基因打靶載體介導實現(xiàn)的，如圖為基因打靶的示意圖。

注：e1-e4表示不同的基因片段、ner表示新霉素抗性基因
回答下列問題：
(1)基因打靶載體上的序列會置換到A基因上，A基因被置換片段的左端位于圖中 基因片段之間，右端位于圖中 基因片段之間。同源重組還需要用 酶進行連接。
(2)ner作為基因打靶的標記基因，使A基因失去功能，ner具有兩方面的作用，分別是 。
(3)若以動物細胞為基因打靶細胞，培育基因打靶動物研究A基因的功能時，則宜選用 作為靶細胞。將基因打靶載體導入該細胞，常用的方法是 。
(4)研究發(fā)現(xiàn)，蛋白S的低水平表達與胰島素抵抗型糖尿病的發(fā)生密切相關(guān)。為了研究蛋白S與糖尿病的關(guān)系，結(jié)合基因打靶技術(shù)，請以小鼠為材料，簡要寫出實驗設(shè)計思路和相關(guān)檢測指標： 。
7．（2023下·遼寧鐵嶺·高三校聯(lián)考期末）基因打靶技術(shù)是建立在基因同源重組（在2個DNA分子的同源序列之間直接交換的一種重組）技術(shù)以及胚胎干細胞技術(shù)的基礎(chǔ)上而發(fā)展起來的一種分子生物學技術(shù)。請結(jié)合圖示回答下列有關(guān)問題：
注：ner是新霉素抗性基因：tk基因的表達可基因組DNA以使無毒的丙氧鳥苷代謝為毒性物質(zhì)，導致細胞死亡。
(1)將目的基因和與細胞內(nèi)靶基因同源的DNA片段都重組到 上，構(gòu)建打靶載體（基因表達載體）。
(2)打靶載體測序驗證正確后，利用 酶，將之線性化，以提高重組率。通過 技術(shù)將打靶載體導入胚胎干細胞，這樣打靶載體和與細胞內(nèi)靶基因同源的區(qū)段就有機會發(fā)生同源重組。
(3)為了篩選發(fā)生同源重組的細胞，可在培養(yǎng)液中加入 ，最后還需要通過 技術(shù)鑒定同源重組的細胞（去除靶基因），將這樣的細胞通過動物細胞培養(yǎng)后，獲得大量打靶成功的細胞。其中，暫時不用的細胞進行 保存。
8．（2023上·上?！じ呷虾＝淮蟾街行？茧A段練習）基因敲除（gene knckut）又稱基因打靶（gene targeting），其原理如圖所示:通過基因工程手段，將構(gòu)建好的打靶質(zhì)粒導入特定細胞，打靶質(zhì)粒上的A′、B′序列分別與細胞基因組DNA上的A、B序列發(fā)生交換（同源重組），使得基因組DNA上的目的基因被陽性標記基因替換，從而實現(xiàn)對細胞中目的基因的敲除。
(1)將打靶質(zhì)粒導入特定小鼠細胞的方法是 。
(2)若要培育特定基因被敲除的小鼠，可選取該小鼠的___________細胞進行上述操作。
A．去核卵細胞B．成體干細胞C．造血干細胞D．胚胎干細胞
(3)動物減數(shù)分裂過程中，可能發(fā)生類似于上述陽性標記基因替換目的基因的過程，具體是在___________
A．減數(shù)第一次分裂前期B．減數(shù)第一次分裂后期
C．減數(shù)第二次分裂前期D．減數(shù)第二次分裂后期
打靶質(zhì)粒與基因組DNA間發(fā)生預期同源重組實現(xiàn)基因敲除的幾率較低，多數(shù)情況下不發(fā)生任何重組，也可能發(fā)生非同源重組（此時陽性標記基因、陰性標記基因均插入基因組DNA，而目的基因也仍在基因組DNA上），因此需要進行篩選。已知陽性標記基因、陰性標記基因均只有位于基因組DNA上時才能表達?，F(xiàn)有兩種候選標記基因，相關(guān)資料如下，請閱讀資料完成篩選方案設(shè)計。
【新霉素抗性基因neR】可使細胞獲得對新霉素的抗性。
【皰疹病毒胸苷激酶基因HSV-tk】其表達產(chǎn)物可使無毒的丙氧鳥苷轉(zhuǎn)變?yōu)橛卸镜暮塑账?，從而殺死細胞?br>(4)在設(shè)計打靶質(zhì)粒時，應(yīng)以 作為陽性標記基因，以 作為陰性標記基因。
(5)為篩選出成功實現(xiàn)預期基因敲除的細胞，對培養(yǎng)基的要求是___________
A．含新霉素，不含丙氧鳥苷B．含丙氧鳥苷，不含新霉素
C．既含新霉素，也含丙氧鳥苷D．既不含新霉素，也不含丙氧鳥苷
(6)某課題組在小鼠中新發(fā)現(xiàn)一個蛋白質(zhì)編碼基因X，功能未知。小蕾同學擬通過構(gòu)建敲除基因X的純合小鼠并將其和野生型小鼠作對比，從而了解基因X的功能。小源同學認為這種方案值得一試，但敲除基因X后，也未必能獲知該基因的功能，小源同學作出此項判斷的理由是
9．（2023上·重慶·高三重慶市育才中學校聯(lián)考階段練習）地貧是血紅蛋白合成障礙導致的遺傳病，β地貧是常見類型。血紅蛋白由2條α肽鏈和2條β或γ肽鏈組成，α肽鏈基因（用A表示）位于16號染色體，β和γ肽鏈基因（分別用B、D表示）都位于11號染色體。正常人出生后D基因關(guān)閉表達而B基因開始表達，DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMT）在此過程發(fā)揮關(guān)鍵作用（圖1）。β地貧是由于B基因突變致使β鏈生成受抑制，從而α/β肽鏈比例失衡引起相應(yīng)貧血病癥。甲的DNMT基因發(fā)生突變，因此癥狀明顯減輕。相關(guān)基因的研究結(jié)果如圖2。
(1)A和B基因的遺傳 （填“遵循”或“不遵循”）基因的自由組合定律。β地貧體現(xiàn)了基因?qū)π誀畹目刂品绞绞? 。
(2)由圖1可知，正常人出生后D基因關(guān)閉表達的原因是 。
(3)請根據(jù)研究結(jié)果，從下列方案中，選出治療β地貧的可行性思路：______。
A．誘發(fā)DNMT基因突變，使其無法表達
B．利用基因編輯技術(shù)敲除DNMT基因
C．開發(fā)藥物阻止DNMT基因的表達
D．開發(fā)藥物促進DNMT基因的表達

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