清單08生物中的各種技術(shù)

一、CRISPR/Cas9技術(shù)

1.CRISPR/Cas9技術(shù)敲除掉部分基因原理

（1）CRISPR/Cas9是細(xì)菌的一種后天免疫防

釀膿鏈球?^,'四。（土病毒

病毒DNA/苧%

御機(jī)制——CRISPR序列示意圖如下（其中，“翕毒EJNA「序列［病用DNA

菱形框表示高度可變的間隔序列，正方形表1------------CRISPRDNA-------------------------------------1

細(xì)菌在基因組的CRISPR片段中插入一段

1病毒DNA。每段病毒DNA之間是一段重

示相對(duì)保守的重復(fù)序列），其中的“間隔序復(fù)序列。

cCRISPRDNA被復(fù)制，創(chuàng)▼

2遙由一個(gè)僅RNA分?。/

CRISPRDNA—

列”來源于病毒或外源質(zhì)粒的一小段DNA,1MMM

CRISPRRNA—.........1M1tti1MMl1Hz0MMMtX

是細(xì)菌對(duì)這些外來入侵者的“記錄”。

RNaseIII

基因魔剪

⑵病毒或外源質(zhì)粒上存在“原間隔序列”，

tracrRNA與CRISPRRNA的重復(fù)部分契合，就像拼圖

“間隔序列”正是與它們互相對(duì)應(yīng)。“原間Q一樣。當(dāng)tracrRNA連接到CRISPRRNA上時(shí)，廢剪蛋

白Cas9也連接到復(fù)合物上。長(zhǎng)分子隨后被RNaseDI切;

割成更小的片段。

隔序列”的選取并不是隨機(jī)的，這些原間隔完成的基因魔剪包含r來自單個(gè)病毒的編▼

4碼。如果細(xì)菌再次被同樣的病毒感染，基

因魔剪將會(huì)立刻識(shí)別出來，并將病毒裂解。

序列的兩端向外延伸的幾個(gè)堿基往往都很

熱毒DM4mMl1nM

^Cas9

保守，我們稱為PAM（原間隔序列臨近基序）。

⑶當(dāng)病毒或外源質(zhì)粒DNA首次入侵到細(xì)菌

體內(nèi)時(shí)，細(xì)菌會(huì)對(duì)外源DNA潛在的PAM序列進(jìn)行掃

描識(shí)別，將臨近PAM的序列作為候選的“原間隔序

列”，將其整合到細(xì)菌基因組上CRISPR序列中的兩個(gè)

“重復(fù)序列”之間。這就是“間隔序列”產(chǎn)生的過程。

⑷當(dāng)外源質(zhì)粒或病毒再次入侵宿主菌時(shí)，會(huì)誘導(dǎo)

CRISPR序列的表達(dá)。同時(shí)，在CRISPR序列附近還有

一組保守的蛋白編碼基因，稱為Cas基因。CRISPR序

研究人員能夠讓細(xì)如果研究人員想要插入、修

復(fù)或編輯某個(gè)基因，他們可

列的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物CRISPRRNA和Cas基因的表達(dá)產(chǎn)物等胞自身修復(fù)DNA中

的切口。在大多數(shù)以特別為此設(shè)計(jì)一個(gè)小型DNA

模板。當(dāng)細(xì)胞修復(fù)基因組中

一起合作,通過對(duì)序列的識(shí)別，以及“間隔序列”情況下，這會(huì)讓基

PAM因功能被關(guān)閉的切口時(shí)，它會(huì)使用模板，基

因組中的編碼因此會(huì)改變

與外源DNA的堿基互補(bǔ)配對(duì)，來找到外源DNA上的

_________________修復(fù)模板

靶序列，并對(duì)其切割，降解外源DNA。這也就實(shí)現(xiàn)了

,4、IIIIIHIIIIIIHIIbII?II?III?III????I

易出錯(cuò)的修復(fù)二二二二:二二二二

對(duì)病毒或外源質(zhì)粒再次入侵的免疫應(yīng)答。

插入菌DNA

2.CRISPR/Cas9技術(shù)的運(yùn)用和發(fā)展

⑴具體運(yùn)用如下圖所示，在待敲除基因的上下游各設(shè)計(jì)一條向?qū)NA（指導(dǎo)RNA）,將其與含有Cas9

蛋白編碼基因的質(zhì)粒一同轉(zhuǎn)入細(xì)胞中，向?qū)NA通過堿基互補(bǔ)配對(duì)可以靶向PAM附近的目標(biāo)序列，

Cas9蛋白會(huì)使該基因上下游的DNA雙鏈斷裂。對(duì)于DNA雙鏈的斷裂這一生物事件，生物體自身存

在著DNA損傷修復(fù)的應(yīng)答機(jī)制，會(huì)將斷裂上下游兩端的序列連接起來，從而實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞中目標(biāo)基因

的敲除。

（2）CRISPR/Cas9基因魔剪：當(dāng)研究人員要用基因魔剪來編輯一個(gè)基因組時(shí)，他們會(huì)人工構(gòu)建一個(gè)指

導(dǎo)RNA,它與將要被切割的DNA代碼相匹配。魔剪蛋白Cas9與指導(dǎo)RNA形成復(fù)合物，將魔剪帶

到基因組中將要進(jìn)行切割的地方。

⑶原始的CRISPR/Cas9會(huì)由于RNA定位偏差而出現(xiàn)脫靶效應(yīng)，現(xiàn)在通過改進(jìn)，可以大幅降低脫靶效

應(yīng)。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了一些新的系統(tǒng)，除了最開始的Cas9,后面又找到了Casl2的一系列酶，機(jī)理上有

一定不同，但還是用以切割DNA；還有Casl3則用于切割RNA。基于Casl2和Casl3的開發(fā)以及機(jī)

制研究，又發(fā)展出了新的工具用于快速檢測(cè)病毒，效率可以達(dá)到幾分鐘檢測(cè)一個(gè)樣品，并且用到了現(xiàn)

在的新冠病毒檢測(cè)中。

二、電泳圖譜分析

電泳是帶電物質(zhì)在電場(chǎng)中向著與其電荷相反的電極移動(dòng)的現(xiàn)象。各種生物大分子在一定的pH條

件下，可以解離成帶電荷的離子，在電場(chǎng)中會(huì)向相反的電極移動(dòng)。在分析核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子

時(shí)，電泳是一個(gè)非常有效的手段。含有電解液的凝膠在電場(chǎng)中，其中的電離子會(huì)發(fā)生移動(dòng)，此時(shí)移動(dòng)

的速度可因電離子大小、形態(tài)及電荷量的不同而有差異。利用移動(dòng)速度差異，就可以區(qū)別各種大小不

同的分子。

瓊脂糖凝膠電泳是分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室中分離鑒定核酸的常規(guī)方法。核酸是兩性電解質(zhì)，其等電點(diǎn)

為PH225,在常規(guī)的電泳緩沖液中（pH約8.5）,核酸分子帶負(fù)電荷，在電場(chǎng)中向正極移動(dòng)。線狀雙鏈

DNA分子在一定濃度瓊脂糖凝膠中的遷移速率與DNA分子量對(duì)數(shù)成反比,分子越大則所受阻力越大，

也越難于在凝膠孔隙中移動(dòng)，因而遷移得越慢。

【能力提升練】

1.2020年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了兩位女科學(xué)家以表彰她們?cè)诨蚓庉嬔芯款I(lǐng)域做出的卓越貢獻(xiàn)。這兩

位科學(xué)家巧用CRISPR/Cas9基因剪刀，以極高的精度編輯了動(dòng)物、植物和微生物的DNA.CRISPR/Cas9

基因組編輯系統(tǒng)工作原理如圖所示，關(guān)于此技術(shù)的解釋錯(cuò)誤的是（）

A.Cas9為一種能使磷酸二酯鍵斷裂的酶

B.DNA-RNA雜交區(qū)域不存在T-A堿基對(duì)

C.在單鏈引導(dǎo)RNA中也存在堿基互補(bǔ)配對(duì)

D.人為改變引導(dǎo)RNA的序列可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定基因的切割

2.下圖1是某單基因遺傳病的遺傳系譜圖，在人群中的患病率為1/8100,科研人員提取了四名女性

的DNA,用PCR擴(kuò)增了與此基因相關(guān)的片段，并對(duì)產(chǎn)物酶切后進(jìn)行電泳（正常基因含有一個(gè)限制酶切

位點(diǎn)，突變基因增加了一個(gè)酶切位點(diǎn)）。結(jié)果如圖2,相關(guān)敘述正確的是（)

I|彳口正常男性

IIo正常女性

12345■?患者

0901圖2

A.該病為x染色體上的隱性遺傳病B.n-i與n-2婚配生一個(gè)患病男孩的概率是1/8

C.該突變基因新增的酶切位點(diǎn)位于310bp中

D.如果用PCR擴(kuò)增n-2與此基因相關(guān)的片段，酶切后電泳將產(chǎn)生2種條帶

3.美國(guó)紐約大學(xué)朗格尼健康中心日前實(shí)施了一臺(tái)特殊的腎移植手術(shù)，醫(yī)生成功將一頭轉(zhuǎn)基因豬（通

過基因編輯技術(shù)敲除a-Gal基因）的腎臟移植到人體，且隨后3天里均未發(fā)生排異現(xiàn)象，病人體內(nèi)

的一些指標(biāo)也降至正常水平。CRISPR/Cas9系統(tǒng)是目前最常用的一種基因編輯工具，該系統(tǒng)由向?qū)NA

（SgRNA）和Cas9蛋白組成，由SgRNA引導(dǎo)Cas9蛋白在特定的基因位點(diǎn)進(jìn)行切割完成基因編輯過程，

其原理如圖所示。下列相關(guān)敘述中，錯(cuò)誤的是（）

非靶DNA分子

注入受體細(xì)胞3

Cas9-sgRNA靶DNA分子

復(fù)合體復(fù)合體自發(fā)識(shí)別、結(jié)

合并切割和D'A分子Q-Gal基因

A.通常選擇受精卵作為受體細(xì)胞，是因?yàn)槭芫洋w積大容易操作

B.將Cas9-SgRNA復(fù)合體注入受體細(xì)胞的常用方法是顯微注射法

C.推測(cè)Cas9蛋白與限制性核酸內(nèi)切酶具有相似的功能

D.轉(zhuǎn)基因豬的培育過程還需要用到胚胎移植等現(xiàn)代生物技術(shù)

4..CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)能夠高效剪切、更改基因中的遺傳信息。其基本原理是利用單鏈向?qū)?/p>

RNA（sgRNA）引導(dǎo)Cas9蛋白切割特定的基因位點(diǎn)，以達(dá)到敲除基因或插入新基因的目的。回答下列

問題：

（1）sgRNA作為向?qū)В鋲A基序列應(yīng)該與靶基因的堿基序列,Cas9蛋白相當(dāng)于酶。

sgRNA序列長(zhǎng)度不能過短，否則容易出現(xiàn)“脫靶”（與其他基因片段結(jié)合），推測(cè)“脫靶”最可能的原

因是O

⑵進(jìn)行基因編輯需構(gòu)建CRISPR/Cas9重組質(zhì)粒，將重組質(zhì)粒導(dǎo)入經(jīng)處理的大腸桿菌細(xì)胞。

要將目的基因整合到重組質(zhì)粒中需確保兩者具有相同的。

⑶在分子水平上判斷靶基因是否已從某生物的基因組DNA上成功敲除，可采用的方法是,

請(qǐng)簡(jiǎn)述該操作方法及該方法的判斷依據(jù)2。

三、乳腺生物反應(yīng)器

乳腺生物反應(yīng)器原理是應(yīng)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，將目的基因轉(zhuǎn)移到尚處于原核階段的動(dòng)物胚胎中（通常

是受精卵）。經(jīng)胚胎移植得到轉(zhuǎn)基因乳腺表達(dá)多肽藥物，如蛋白酶、抗體等蛋白的技術(shù)。

外源基因在乳腺細(xì)胞中特異性表達(dá)，需要乳腺蛋白基因的一個(gè)啟動(dòng)子和調(diào)控區(qū)。這需要一個(gè)引導(dǎo)

泌乳期乳腺蛋白基因表達(dá)的序列，這樣才能將外源基因置于乳腺特異性調(diào)控序列控制之下，使其在乳

腺中表達(dá)，再通過回收奶獲得具有生物活性的目的蛋白。

啟動(dòng)子是位于結(jié)構(gòu)基因上游的一段可以行使轉(zhuǎn)錄起始功能的序列（限于高中知識(shí)，結(jié)構(gòu)介紹略，

如圖）。不同類型的細(xì)胞具有不同的啟動(dòng)子，這使得細(xì)胞能夠表達(dá)不同的基因，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞特異性。

啟動(dòng)子決定了目的基因在何時(shí)何處表達(dá)，而使用乳腺生物反應(yīng)器的目的是特異性的生產(chǎn)目的基因蛋白。

當(dāng)目的基因與乳腺蛋白基因的啟動(dòng)子重組時(shí)，目的基因獲得了在乳腺細(xì)胞中特異表達(dá)的能力，因而可

以在乳腺細(xì)胞中高表達(dá)。

啟動(dòng)子區(qū)

2.步驟一一利用乳腺生物反應(yīng)器生產(chǎn)人的血清白蛋白

（1）通過限制酶獲得目的基因或人工合成目的基因獲得人的血清白蛋白基因。

（2）人的血清白蛋白基因和乳腺組織特異性表達(dá)的啟動(dòng)分子等調(diào)控組建重組在一起，其中，乳

腺蛋白基因（BLG基因）5,端調(diào)控序列作為啟動(dòng)子裝載，構(gòu)建基因表達(dá)載體，啟動(dòng)子是RNA聚合酶

識(shí)別和結(jié)合的部位，能驅(qū)動(dòng)目的基因轉(zhuǎn)錄出mRNA,所以能使目的基因在動(dòng)物的乳腺細(xì)胞中特異性表

達(dá)。

啟動(dòng)子在使用特點(diǎn)上又可分為三大類：組成型啟動(dòng)子、特異性啟動(dòng)子、誘導(dǎo)啟動(dòng)子。特異性啟動(dòng)

子只能在特定細(xì)胞表達(dá)，因此適合動(dòng)物實(shí)驗(yàn)使用，乳腺蛋白基因就是一咱特異性啟動(dòng)子；誘導(dǎo)啟動(dòng)子

需要加入特定的藥物才能激發(fā)或者抑制其活性，如四環(huán)素誘導(dǎo)TRE表達(dá)；而表達(dá)系統(tǒng)中，運(yùn)用最多的

則是組成型啟動(dòng)子，這類啟動(dòng)子在絕大部分細(xì)胞里面都能維持一定的表達(dá)活性。當(dāng)目的基因直接與乳

腺蛋白基因重組時(shí)，重組蛋白的表達(dá)特異性將取決于重組基因前的啟動(dòng)子。

（3）通過顯微注射法方法導(dǎo)入哺乳動(dòng)物的受精卵，將受精卵體外培養(yǎng)至囊胚期時(shí)，可用分割針

分割部分滋養(yǎng)層細(xì)胞進(jìn)行性別鑒定，將雌性胚胎植入母體，以確保培育的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物能分泌乳汁。

（4）將胚胎移植到同種的生理狀態(tài)相同的受體中，發(fā)育，產(chǎn)仔，得到轉(zhuǎn)基因動(dòng)物。

【能力提升練】

利用轉(zhuǎn)基因母牛乳腺生物反應(yīng)器可生產(chǎn)蛛絲蛋白，獲得轉(zhuǎn)基因母牛的過程如圖所示。

請(qǐng)回答下列問題：

（1）從雌牛的卵巢中采集的卵母細(xì)胞需要培養(yǎng)到期才能進(jìn)行體外受精,體外受精

前，需要對(duì)精子進(jìn)行獲能處理。當(dāng)一個(gè)精子進(jìn)入卵細(xì)胞后會(huì)激發(fā)卵子發(fā)生反應(yīng)，

如和等。

（2）在過程①中，蛛絲蛋白基因應(yīng)與___________________基因的啟動(dòng)子等調(diào)控組件重組在一起。在過

程④前，需對(duì)囊胚的進(jìn)行切割并做DNA分析進(jìn)行性別鑒定，再選用雌性胚胎進(jìn)行

移植。

（3）從生理學(xué)基礎(chǔ)角度看，胚胎移植能成功的原因有.

（任意兩點(diǎn)即可）。

四、蛋白質(zhì)的磷酸化和去磷酸化

蛋白質(zhì)磷酸化是指由蛋白質(zhì)激酶催化的把ATP的磷酸基轉(zhuǎn)移到底物蛋白質(zhì)氨基酸殘基（絲氨酸、

蘇氨酸、酪氨酸）上的過程，或者在信號(hào)作用下結(jié)合GTP,是生物體內(nèi)一種普通的調(diào)節(jié)方式，在細(xì)胞

信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的過程中起重要作用。

在細(xì)胞中，大概有1/3的的蛋白質(zhì)被認(rèn)為是通過磷酸化修飾的。蛋白質(zhì)的磷酸化修飾與多種生物

學(xué)過程密切相關(guān)，如DNA損傷修復(fù)、轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、信號(hào)傳導(dǎo)、細(xì)胞凋亡的調(diào)節(jié)等。

可逆的蛋白質(zhì)磷酸化

A1PADP

蛋「激梅

蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)P

磷酸化改變蛋白表面電荷分布，靜電力使構(gòu)象發(fā)生變化，暴露活性位點(diǎn)。因?yàn)槊總€(gè)磷酸基團(tuán)攜帶

兩個(gè)負(fù)電荷，通過蛋白激酶的催化將磷酸基團(tuán)加到蛋白質(zhì)上能導(dǎo)致蛋白構(gòu)象的顯著變化，例如，可以

通過吸引一群帶正電荷的氨基酸側(cè)鏈。反過來，這個(gè)構(gòu)象的變化能夠影響蛋白表面配體的結(jié)合，從而

改變蛋白的活性。通過另一種酶（蛋白磷酸酶）去除磷酸基團(tuán)，蛋白質(zhì)就能恢復(fù)到最初的構(gòu)象和活性。

2.磷酸化的意義

磷酸化和去磷酸化是一種分子開關(guān)形式。一些蛋白平時(shí)處于失活狀態(tài)，必須被激酶磷酸化之后才

才可以發(fā)揮活性，進(jìn)一步轉(zhuǎn)導(dǎo)各種生命過程。而有些正好相反，某些蛋白磷酸化時(shí)是失活的，必須經(jīng)

過磷酸酶去磷酸化才可以激活。

磷酸化（由激酶催化）和去磷酸化（由磷酸酶催化）是控制細(xì)胞周期的關(guān)鍵。它們都被用來控制調(diào)控

途徑自身活性和執(zhí)行調(diào)控途徑?jīng)Q定的底物活性。

人體的能量載體（能量貨幣）是ATP,其中第三個(gè)磷酸基團(tuán)容易解離或結(jié)合。解離或結(jié)合過程中，

伴有大量的能量代謝。

激酶通常有ATP結(jié)合位點(diǎn)，ATP在結(jié)合位點(diǎn)水解釋放能量可以保證能量最大效率的利用。而水解

后ADP被釋放重新生成ATP,Pi結(jié)合在激酶上作為活化標(biāo)記。

止匕外，通過一系列磷酸化事件，由激素和神經(jīng)遞質(zhì)產(chǎn)生的許多信號(hào)便從細(xì)胞質(zhì)膜傳遞到細(xì)胞核內(nèi)。

磷酸化蛋白質(zhì)及多肽的研究可以幫助人們闡述上述過程的機(jī)理，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)生命活動(dòng)的本質(zhì)。近

年來隨著蛋白質(zhì)組技術(shù)的不斷發(fā)展，蛋白質(zhì)磷酸化的研究越來越受到廣泛的關(guān)注。

【能力提升練】

1.（24-25高二上?云南玉溪?階段練習(xí)）骨骼肌鈣池由肌細(xì)胞中特化的光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)形成，其主要作用是通過對(duì)Ca2+

的貯存、釋放和再貯存，觸發(fā)和終止肌細(xì)胞的收縮。靜息狀態(tài)下，骨骼肌中Ca2+主要分布在鈣池中，骨骼肌細(xì)胞中

Ca2+主要運(yùn)輸方式如圖。下列敘述正確的是（）

A.缺氧不影響骨骼肌中鈣泵運(yùn)輸Ca2+的速率

B.鈣泵空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變一定是磷酸化的結(jié)果

C.Ca2+是骨骼肌中調(diào)節(jié)自身活動(dòng)的一種信號(hào)物質(zhì)

D.通道蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)Ca2+的速率只取決于膜兩側(cè)Ca2+濃度差

2.（24-25高一上?河北滄州?階段練習(xí)）龍膽花處于低溫（16回）下30min內(nèi)會(huì)發(fā)生閉合，而轉(zhuǎn)移至正常生長(zhǎng)溫度（22回）、

光照條件下30min內(nèi)會(huì)重新開放。龍膽花花冠近軸表皮細(xì)胞的膨壓（原生質(zhì)體對(duì)細(xì)胞壁的壓力）增大能促進(jìn)龍膽花

的開放，水通道蛋白在該過程中發(fā)揮了重要作用，相關(guān)機(jī)理如圖所示。下列相關(guān)敘述正確的是（）

A.溫度會(huì)影響細(xì)胞膜上水通道蛋白的含量

B.光刺激會(huì)影響細(xì)胞膜上水通道蛋白的吸水能力

C.推測(cè)圖中表皮細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)的溶液濃度大于細(xì)胞外的

D.水通道蛋白磷酸化導(dǎo)致運(yùn)輸水的能力增強(qiáng)，消耗的ATP增多

3.（24-25高一上,江蘇鎮(zhèn)江?階段練習(xí)）小腸是人體吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的主要場(chǎng)所。下圖為小腸黏膜部分結(jié)構(gòu)示意圖，請(qǐng)

回答下列問題。

葡萄糖

b葡萄糖

（1）圖中Na+運(yùn)出小腸上皮細(xì)胞的跨膜運(yùn)輸方式為—o該過程發(fā)生時(shí)，Na+與Na+-K+泵結(jié)合，激活—酶活性，催化

ATP水解，導(dǎo)致Na+-K+泵磷酸化，發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)將Na+運(yùn)出細(xì)胞的同時(shí)將K+運(yùn)入細(xì)胞。據(jù)此可知，Na+-K+泵的

本質(zhì)為—，其具有的功能有一。

（2）據(jù)圖可知，小腸上皮細(xì)胞吸收Na+的方式為。SGLTi和GLUT2均為葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。SGLTi轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖進(jìn)入細(xì)

胞時(shí)，需要膜兩側(cè)Na+的電化學(xué)勢(shì)能為葡萄糖以—方式進(jìn)入小腸上皮細(xì)胞提供能量，因此SGLTi既可與葡萄糖結(jié)

合，又可與Na+結(jié)合；GLUT2只與葡萄糖結(jié)合，其轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖出小腸上皮細(xì)胞的速率與和有關(guān)。

⑶小腸上皮細(xì)胞靠腸腔側(cè)形成眾多褶皺,其意義是—;小腸上皮細(xì)胞之間通過封閉小帶緊密連接,可有效防止—

4.(24-25高二上?湖南?階段練習(xí))2024年聯(lián)合國(guó)糖尿病日的主題是"糖尿病與幸福感”。胰島素在血糖調(diào)節(jié)中起重要

作用，下圖表示胰島素作用的細(xì)胞分子機(jī)制示意圖，胰島素對(duì)物質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)主要通過與各種組織細(xì)胞上的胰島素

受體結(jié)合而發(fā)揮作用。胰島素受體具有酪氨酸蛋白激酶活性，當(dāng)胰島素與受體結(jié)合時(shí)，酪氨酸蛋白激酶被激活，酪

氨酸殘基被磷酸化，通過跨膜信息傳遞來調(diào)節(jié)細(xì)胞功能。胰島素利用障礙會(huì)導(dǎo)致糖尿病。

⑴當(dāng)血糖濃度升高，據(jù)圖分析胰島素與靶細(xì)胞膜上的受體結(jié)合后，經(jīng)過一系列信號(hào)傳導(dǎo)，促進(jìn)①,同時(shí)

促進(jìn)靶酶基因的表達(dá)，促進(jìn)②、轉(zhuǎn)化為丙酮酸酯，使血糖濃度降低。

⑵長(zhǎng)期高糖飲食導(dǎo)致的血糖濃度持續(xù)偏高，易誘發(fā)糖尿病，相比于健康人,糖尿病患者的尿量會(huì)(填"增加""減

少，，或，，不變，，)。原因可能是其腎小管腔中原尿的葡萄糖含量增加，導(dǎo)致。若從重吸收的角度開發(fā)一種降低

糖尿病患者血糖濃度的新藥物，該藥物應(yīng)具有(填"增加"或"減少")腎小管管壁細(xì)胞膜上重吸收葡萄糖的轉(zhuǎn)

運(yùn)蛋白數(shù)量的效應(yīng)。

(3)2型糖尿病人血液中胰島素水平正常，但卻在體內(nèi)檢測(cè)到含有抗胰島素受體的抗體，導(dǎo)致靶細(xì)胞上受體被破壞。

從免疫學(xué)的角度分析，這種異常抗體引起的糖尿病在免疫學(xué)上屬于病。

五、表觀遺傳中的甲基化修飾

一、DNA甲基化

1、DNA甲基化：

生物體在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DMT)的催化下，以S-腺首甲硫氨酸(SAM)為甲基供體，將甲基轉(zhuǎn)移到特定的堿基上的過

程。DNA甲基化是DNA化學(xué)修飾的一種形式，能夠在不改變DNA序列的前提下，改變遺傳表現(xiàn)。DNA甲基化能關(guān)

閉某些基因的活性，去甲基化則誘導(dǎo)了基因的重新活化和表達(dá)。

1)、酶：DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DMT)

2)、甲基供體：S-腺首甲硫氨酸(SAM)

3)、甲基受體：特定的堿基

4)、甲基化的作用：關(guān)閉基因活性

5）、去甲基化的作用：活化基因表達(dá)

2、DNA甲基化的機(jī)制

DNA的甲基化模式是通過DNA甲基轉(zhuǎn)移酶實(shí)現(xiàn)的。

（1）DNA甲基化酶分為2類：

①維持DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶（DnmtL）

②從頭甲基化酶（Dnmt3a、Dnmt3b和Dnmt3L等）。

DNA甲基化時(shí)，胞喀咤從DNA雙螺旋上突出，進(jìn)入能與酶結(jié)合的裂隙中，在胞喀咤甲基轉(zhuǎn)移酶催化下，把活性的

甲基從S一腺昔甲硫氨酸轉(zhuǎn)移至胞喀咤5位上，形成5-甲基胞喀咤（5-mC）o

（2）DNA甲基化反應(yīng)分為2種類型。

一種是2條鏈均未甲基化的DNA被甲基化，稱為從頭甲基化；另一種是雙鏈DNA的其中一條鏈已存在甲基化，另

一條未甲基化的鏈被甲基化，這種類型稱為保留甲基化。

①?gòu)念^甲基化是指對(duì)非甲基化的DNA進(jìn)行甲基化修飾，主要發(fā)生在胚胎發(fā)育的早期，用于胚胎早期細(xì)胞設(shè)定甲基

化狀態(tài)。

aCH,

9

TTOACAGCCOT?9nmTTGACAGCCGT?

3JUnfTlOD3J

3rli1111115*----?3，111LILL」Ll.5*

AACTGTCGGCAAACTGTCGGCA

o

Dnmt3a和Dnmt3b是從頭Dnmts將甲基（紅色）轉(zhuǎn)移到裸DNA上。

②保留甲基化

甲基化的DNA在每次復(fù)制后，由于半保留復(fù)制，新生的DNA鏈為非甲基化狀態(tài)，此時(shí)特定的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶以半

甲基化的DNA為模板，對(duì)非甲基化的DNA鏈進(jìn)行甲基化修飾，使得復(fù)制后的DNA雙鏈仍能保持親代DNA的甲基

化狀態(tài)。如果沒有甲基轉(zhuǎn)移酶活性，DNA經(jīng)多輪復(fù)制后，DNA將會(huì)出現(xiàn)被動(dòng)去甲基化。

哺乳類動(dòng)物一生中DNA甲基化水平有著顯著變化：在受精卵最初幾次卵裂中，去甲基化酶清除DNA分子上幾乎所

有從親代遺傳下來的甲基化標(biāo)記；在胚胎植入子宮時(shí)，一種新的甲基化遍布整個(gè)基因組，構(gòu)建性甲基化酶使DNA

重新建立一個(gè)新的甲基化模式，一旦細(xì)胞內(nèi)新的甲基化模式建成，將通過維持甲基化酶以“甲基化維持”的形式將

新的DNA甲基化模式傳遞給所有子細(xì)胞DNA分子上。

這就解釋了基因印記不是一種突變，也不是一種永久的變化。印記是可逆的，它只持續(xù)于個(gè)體的一生中，在下一代

個(gè)體的配子形成時(shí)，舊的基因印記消除并又發(fā)生新的基因印記。

3、DNA甲基化和去甲基化的作用

DNA甲基化能關(guān)閉某些基因的活性，去甲基化則誘導(dǎo)了基因的重新活化和表達(dá)。DNA甲基化能引起染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、DNA

構(gòu)象、DNA穩(wěn)定性及DNA與蛋白質(zhì)相互作用方式的改變，從而控制基因表達(dá)。

甲基化的DNA可以發(fā)生去甲基化。DNA的去甲基化由基因內(nèi)部的片段及與其結(jié)合的因子所調(diào)控。有兩種假說可以

解釋DNA去甲基化的分子機(jī)制。

一種假說與DNA半保留復(fù)制聯(lián)系在一起，為被動(dòng)去甲基化。如果甲基化的DNA經(jīng)半保留復(fù)制后不被甲基化，其DNA

則處于半甲基化狀態(tài)，半甲基化的DNA如再次發(fā)生DNA半保留復(fù)制，而DNA甲基化活性仍被抑制，則有50%細(xì)胞

處于半甲基化狀態(tài)。

第二種假說與半保留復(fù)制無關(guān)，為主動(dòng)過程。DNA去甲基化由DNA去甲基化酶催化。DNA去甲基化是在DNA糖普

酶的作用下脫掉甲基化堿基的反應(yīng)，等同于被損傷的DNA在糖昔酶及無堿基核酸酶酶切偶聯(lián)催化下的修復(fù)反應(yīng)。

5-甲基胞喀咤糖基化酶是體內(nèi)侯選去甲基化酶。此外，甲基化CpG結(jié)合蛋白如MBD2等也具有去甲基化酶的活性。

DNA去甲基化的起始機(jī)制依舊是個(gè)謎。

二、蛋白質(zhì)甲基化

1、蛋白質(zhì)甲基化一般發(fā)生在特定的氨基酸殘基上，比較常見的是精氨酸或賴氨酸的甲基化。

①精氨酸甲基化有兩種模式：

單甲基化和雙甲基化（二甲基化），雙甲基化又可分為非對(duì)稱甲基化和對(duì)稱甲基化。

②賴氨酸甲基化有三種模式：

單甲基化、雙甲基化或三甲基化。

2、組蛋白甲基化是被研究最多的一類。

在真核生物中，核小體是染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位，是由DNA和組蛋白共同構(gòu)成。組蛋白分子分為Hl、H2A、H2B、

H3和H4等5種。核心組蛋白是由H2A、H2B、H3、H4各2個(gè)分子形成的八聚體，與其上纏繞的DNA雙螺旋分子

構(gòu)成了核小體的核心顆粒,核小體的核心顆粒之間再由約60個(gè)堿基對(duì)DNA和組蛋白H1連接起來形成串珠樣結(jié)構(gòu)。

組蛋白富含帶正電荷的精氨酸和賴氨酸，可以與帶有負(fù)電荷的DNA分子緊密結(jié)合。每個(gè)核心組蛋白由一個(gè)球形結(jié)

構(gòu)域和暴露在核小體表面的N端尾區(qū)組成，其N端氨基末端會(huì)發(fā)生多種共價(jià)修飾，包括磷酸化、乙酰化、甲基化、

泛素化、糖基化、碳基化等。組蛋白甲基化是指發(fā)生在H3和H4組蛋白N端精氨酸和賴氨酸殘基上的甲基化，由

組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)催化。組蛋白甲基化的功能主要體現(xiàn)在異染色質(zhì)形成、基因印記、X染色體失活和轉(zhuǎn)錄調(diào)控

方面。

絕大多數(shù)組蛋白的共價(jià)修飾作用都是可逆的。在組蛋白去甲基化酶作用下可以去甲基化。

【能力提升練】

L（24-25高三上?河北?階段練習(xí)）同一蜂群的幼蟲，如果攝食蜂王漿則會(huì)發(fā)育成蜂王，而攝食花粉和花蜜則會(huì)發(fā)育

成工蜂。如果將蜜蜂幼蟲的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMT3）基因敲除，這些幼蟲將發(fā)育成蜂王，與攝食蜂王漿的效果

相同。DNMT3基因表達(dá)產(chǎn)物的作用如圖所示，下列敘述錯(cuò)誤的是（）

AGTCCGCGTTACGTAGC

TCAGGCGCAATGCATCG

部分被甲基化的DNA片段

A.題述現(xiàn)象表明生物的性狀既受到基因的控制，也受到環(huán)境的影響

B.DNMT3可以促進(jìn)相關(guān)基因甲基化，從而促進(jìn)蜜蜂幼蟲發(fā)育成蜂王

C.甲基化不影響胞喀咤與鳥喋吟進(jìn)行堿基互補(bǔ)配對(duì)

D.DNA片段被甲基化后，其堿基序列不發(fā)生改變

2.（24-25高三上?河北?期中）圖甲為豌豆細(xì)胞遺傳信息傳遞的示意圖，①?③表示生理過程；染色體組蛋白乙酰

化引起有關(guān)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，如圖乙。請(qǐng)回答下列問題:

圖甲圖乙

⑴基因控制生物性狀的核心生理過程如圖甲—（填序號(hào)），與③相比，過程②特有的堿基配對(duì)方式是—O

⑵完成過程②，需要—酶；過程③中，模板的右側(cè)是—.（填"3，"或"5，”）端，該過程有的氨基酸可被多種tRNA

轉(zhuǎn)運(yùn)，其意義是o

⑶豌豆的過程①中，編碼淀粉分支酶的基因中插入一段外來的DNA片段致使豌豆皺粒出現(xiàn)，該變異類型為—，

依據(jù)是—；該過程體現(xiàn)出基因控制性狀的途徑是—=

⑷過程①中，某DNA中一個(gè)C-G堿基對(duì)中的胞嚏咤甲基化后，又發(fā)生脫氨基生成了胸腺喀咤。則該DNA分子經(jīng)

過多次復(fù)制后，所產(chǎn)生的子代DNA分子中異常的DNA占比為一。

（5）X射線可破壞DNA結(jié)構(gòu)從而用于癌癥治療，丁酸鈉是一種組蛋白去乙酰化酶抑制劑。依據(jù)圖乙，若利用X射線照

射治療癌癥時(shí)使用丁酸鈉，則治療效果會(huì)—=

L（23-24高二下?上海黃浦?期末）IB型楓糖尿病患者由于支鏈a——酮酸脫氫酶功能異常導(dǎo)致氨基酸代謝異常，其

體內(nèi)氨基酸大量積累而使神經(jīng)系統(tǒng)受損，尿液有楓糖漿氣味。IB型楓糖尿病是由常染色體上的一對(duì)等位基因控制。

下圖為某家系中IB型楓糖尿病的遺傳系譜圖。

。

女性正常

口

□男性正常

?男性患者

未出生

（1）下列關(guān)于支鏈a一酮酸脫氫酶的敘述錯(cuò)誤的是（）

A.化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)B,組成元素包含P、S

C.活性易受溫度影響D.作用場(chǎng)所在細(xì)胞內(nèi)

⑵據(jù)圖分析，該家系中IB型楓糖尿病是一種性遺傳病。

⑶該家系中一定是純合子的是o（編號(hào)選填）

①1號(hào)②2號(hào)③3號(hào)④4號(hào)

⑷5號(hào)個(gè)體也患IB型楓糖尿病的概率是=為了確定5號(hào)個(gè)體是否可能患IB型楓糖尿病，可采取的措施

是O

A.染色體分析B.性別檢查C.基因檢測(cè)D.B超檢查

基因檢測(cè)發(fā)現(xiàn)1號(hào)個(gè)體該對(duì)等位基因中的一個(gè)基因的編碼鏈（編碼鏈與模板鏈互補(bǔ)配對(duì)）發(fā)生了如圖的改變。圖如為

1號(hào)個(gè)體該基因的堿基替換情況及部分密碼子表。

304位ecu脯氨酸

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