2026届高三生物二轮专题复习课件第1部分专题9生物技术与工程命题新情境9

这是一份2026届高三生物二轮专题复习课件第1部分专题9生物技术与工程命题新情境9，共29页。
专题九　生物技术与工程
命题新情境九　基因编辑技术
基因编辑是指对基因组进行定点修饰的一项新技术。利用该技术可以精确地定位到基因组的某一位点上，在该位点上剪断靶标DNA片段并插入新的基因片段。此过程既模拟了基因的自然突变，又修改并编辑了原有的基因组，真正达成了“编辑基因”。有些单基因突变导致的遗传疾病，目前也正在尝试用基因编辑技术进行治疗。让我们有机会通过编辑基因来救治基因问题所导致的遗传病患者，但是现在面临的挑战是如何把基因编辑工具传送到细胞或组织里面。所以，从这个角度考虑，血液疾病可能是用基因编辑工具治疗的首选，因为我们能把血细胞取出来，在体外进行基因修复后再送回体内。
1．基因魔剪：CRISPR/Cas9系统CRISPR/Cas9系统由Cas9蛋白和人工设计的gRNA构成。在gRNA引导下，Cas9与靶序列结合并将DNA双链切断。随后细胞通过自身的DNA损伤修复机制，将断裂上下游两端的序列连接起来，但通常会在断裂处造成少量核苷酸的插入或缺失。当DNA双链断裂后，如果细胞中有DNA修复模板(由需要插入的目的基因和靶序列上下游的同源序列组成)，断裂部分可依据修复模板进行精确修复，从而将目的基因插入指定位点(图1)。
通过在Cas9基因中引入突变，可获得只能切割一条链的nCas9。将nCas9与胞嘧啶脱氨酶或腺嘌呤脱氨酶融合，科学家开发出了单碱基编辑技术(图2)，能够对靶位点进行精准的碱基编辑，最终可以分别实现C→T(G→A)或A→G(T→C)的碱基替换。科学家通过对CRISPR/Cas系统的不断改造，使其还可激活或抑制基因的转录。虽然目前CRISPR/Cas技术还存在一些不足，如脱靶问题，但作为一种革命性的技术，其应用前景广阔。
2．基因定点突变技术——引物重叠PCR技术
(1)该过程需要4种引物。(2)PCR1的产物AB是引物a和引物b扩增的结果。(3)PCR2的产物CD是引物c和引物d扩增的结果。(4)产物AD的形成不需要另加引物，但需要耐高温的DNA聚合酶。(5)需要改变的碱基位于引物b和引物c上。(6)引物b和引物c之间应有部分碱基互补。(7)PCR3中突变产物AD的扩增需要引物a和引物d。
1．(2025·苏州模拟)CRISPR/Cas9基因编辑技术能对基因进行定点编辑，其原理如图1所示。科研人员根据猪的细胞表面抗原基因RAG1的启动子设计了sgRNA1和sgRNA2，并利用CRISPR/Cas9基因编辑技术获得了两种基因敲除猪，检测基因敲除猪体内的RAG1基因表达情况如图2所示。下列说法错误的是(　　)
A．CRISPR/Cas9识别目标DNA序列主要与sgRNA序列的特异性相关B．基因敲除猪的细胞表面抗原减少，器官移植过程中免疫排斥作用减弱C．两种sgRNA都可引导Cas9在转录水平上减弱RAG1基因的表达D．据图2可知，用sgRNA2制备的基因敲除猪用于器官移植效果更好【答案】　D
【解析】　CRISPR/Cas9识别目标DNA序列主要与sgRNA编码序列有关，即主要与sgRNA序列的特异性相关，A正确；猪的细胞表面抗原会导致器官移植时发生免疫排斥，基因敲除猪的细胞表面抗原减少，器官移植过程中免疫排斥作用减弱，提高器官移植的成功率，B正确；转录是在细胞核中，通过RNA聚合酶以DNA的一条链为模板合成RNA的过程，启动子是RNA聚合酶识别与结合的位点，用于驱动基因的转录，科研人员根据猪的细胞表面抗原基因RAG1的启动子设计了sgRNA1和sgRNA2，故两种sgRNA都可引导Cas9在转录水平上减弱RAG1基因的表达，C正确；据图2可知，与对照组相比，用sgRNA1制备的基因敲除猪的RAG1基因表达量更低，说明用sgRNA1制备的基因敲除猪用于器官移植效果更好，D错误。
2．(2025·杭州模拟)通过设计引物，运用PCR技术可以实现目的基因的定点诱变。如图为基因工程中获取突变基因的过程，其中引物1序列中含有一个碱基T不能与目的基因片段配对，但不影响引物与模板链的整体配对，反应体系中引物1和引物2的5′端分别设计增加限制酶a和限制酶b的识别位点。下列有关叙述正确的是(　　)
A．在PCR反应体系中还需要加入4种游离脱氧核糖核苷酸、ATP、Taq DNA聚合酶等B．第3轮PCR结束后，含突变碱基对且两条链等长的DNA占1/4C．引物中设计两种限制酶识别位点有利于DNA聚合酶识别和结合D．第2轮PCR，引物1能与图中②结合并且形成两条链等长的突变基因【答案】　B
【解析】　在PCR反应体系中还需要加入4种游离脱氧核苷酸、Taq DNA聚合酶等，但不需要加入ATP，A错误；在第3轮PCR结束后，含突变碱基对且两条链等长的DNA有2个，总DNA分子共8个，所以比例为1/4，B正确；引物中设计两种限制酶识别位点，可以配合载体的限制酶识别位点，帮助目的基因定向定点插入载体，避免发生自身环化，C错误；第2轮PCR，引物1能与图中②结合并且形成两条链不等长的突变基因，其中②较长，D错误。
3．(2025·邵通模拟)大引物PCR定点突变常用来研究蛋白质结构改变导致的功能变化。单核苷酸的定点诱变仅需进行两轮PCR即可获得，第一轮加诱变引物和侧翼引物，第一轮产物作第二轮PCR扩增的大引物，如图表示利用大引物PCR对基因M进行定点诱变。下列说法错误的是(　　)
A．第一轮PCR中，至少需要2个循环才能获得相应的大引物模板B．第二轮PCR所用的引物是第一轮PCR的产物DNA的两条链C．扩增的定点诱变产物通常需具备启动子、终止子等结构才能进行转录和翻译D．为了使两轮PCR在同一支试管中进行，设计引物时应考虑不同的退火温度【答案】　B
【解析】　第一轮PCR中，需要先合成一条链，再用这条链合成互补链，至少需要2个循环才能获得相应的大引物模板，A正确；第一轮产物作第二轮PCR扩增的大引物外，第二轮PCR仍需加入的引物是另一种侧翼引物，以便进行另一条链的延伸，B错误；若要使目的基因可以表达出蛋白质，则需要在PCR扩增的定点诱变产物上添加启动子和终止子，诱导基因转录和翻译，C正确；为了使两轮PCR反应在同一支试管中进行，引物设计时应考虑不同的退火温度，第二轮PCR的退火温度应该比第一轮高，D正确。
4．(2025·兰州模拟)蛋白质工程中可以利用引物引导的方法对DNA进行定点突变，进而改变蛋白质的特定氨基酸。图示为这种定点诱变方法的实验流程。据图分析，下列叙述错误的是(　　)
A．待突变质粒的甲基化修饰不会影响PCR扩增B．用于突变的两条引物之间不能发生碱基互补配对C．图中所示限制酶能够识别质粒中发生甲基化的位点D．突变质粒缺口补齐依赖于大肠杆菌DNA连接酶的作用【答案】　B
【解析】　甲基化修饰属于表观遗传的一种，只会影响基因的表达过程，不会影响基因的复制，而PCR扩增的实质就是DNA在体外进行复制，所以待突变质粒的甲基化修饰不会影响PCR扩增，A正确；由图可以看出，用于突变的两条引物之间在第三、四幅图(从左往右)中都进行了碱基互补配对，B错误；由图可以看出，经限制酶切割后，被甲基化修饰的待突变质粒模板被切割(第四幅图虚线的环)，所以图中所示限制酶能够识别质粒中发生甲基化的位点，C正确；由图可以看出，转入大肠杆菌后突变质粒的缺口被补齐，而大肠杆菌中有DNA连接酶，且DNA连接酶可以进行DNA片段之间的连接，所以突变质粒缺口补齐依赖于大肠杆菌DNA连接酶的作用，D正确。
5．(2025·绵阳模拟)CRISPR－Cas12a系统是第二类用于编辑哺乳动物基因组的CRISPR－Cas系统，该系统主要包含crRNA和Cas12a蛋白两部分，crRNA能特异性识别并结合特定的DNA序列，从而引导Cas12a蛋白到相应位置剪切DNA。某科研团队基于CRISPR－Cas12a系统对宫颈癌细胞中的KIFC1基因进行敲除，来探讨KIFC1基因在宫颈癌细胞中的功能及对宫颈癌HeLa细胞增殖的影响。(1)在CRISPR－Cas12a系统中，crRNA的序列与目的基因特定碱基序列部分结合，结合区域最多含________种核苷酸；细菌细胞中的________________也能起到类似Cas12a蛋白的作用。若要将KIFC1基因从目标DNA上剪切下来，需要设计________种crRNA。
(2)为保证目的基因与PX458质粒正确连接，在扩增目的基因时，应在引物端加入相应的限制酶序列，其中P1的碱基序列为5′－________________－3′(写出前9个碱基)。采用PCR技术对一个DNA进行扩增时，第n次循环共需要引物________个。
(3)在目的基因与PX458质粒连接时，最好用________________(填“E.cliDNA连接酶”或“T4DNA连接酶”)进行连接。(4)将crRNA－Cas12a重组载体成功转染至HeLa细胞，与对照组相比，实验组中KIFC1蛋白表达量如图2所示，细胞数目的变化如图3所示，由此可得出的结论是________________________，判断依据是__________________________________________。
【答案】　(1)8　限制酶(限制性内切核酸酶)　2(2)CAGCTGCTC　2n(3)T4DNA连接酶(4)KIFC1基因可以促进HeLa细胞的增殖　敲除细胞株中KIFC1蛋白表达量明显下降，证明HeLa细胞KIFC1基因敲除成功；KIFC1基因敲除组细胞数目显著低于对照组，表明KIFC1基因敲除可使HeLa细胞增殖能力下降
【解析】　(1)在CRISPR－Cas12a系统中，crRNA的序列与目的基因特定碱基序列部分结合，结合区域既有DNA也有RNA，故最多有8种核苷酸(4种脱氧核苷酸和4种核糖核苷酸)；Cas12a蛋白可以到相应位置剪切DNA，其作用相当于限制酶；若要将KIFC1基因从目标DNA上剪切下来，需要有两个切口，而crRNA的识别具有特异性，故需要2种crRNA。(2)扩增目的基因时，应在引物的5′端加入相应的限制酶序列，引物需要与模板链的3′端结合，按照碱基互补配对原则保证子链从5′向3′延伸，结合图示可知，P1的碱基序列为5′－CAGCTGCTC－3′；一个DNA分子有两条链，第n次循环共需要引物为2n×2－2－(2n－1×2－2)＝2n个。
(3)T4DNA连接酶连接黏性末端和平末端且连接平末端的效率高，故在目的基因与PX458质粒连接时，最好用T4DNA连接酶连接。(4)结合图示可知，敲除细胞株中KIFC1蛋白表达量明显下降，证明HeLa细胞KIFC1基因敲除成功；KIFC1基因敲除组细胞数目显著低于对照组，表明KIFC1基因敲除可使HeLa细胞增殖能力下降，据此可知，KIFC1基因可以促进HeLa细胞的增殖。