新高考生物二轮复习重难点专练热点04 遗传前沿科技（原卷版+解析版）

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情境预测
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。
命题点：①基因打靶；②基因编辑；③诱导多能干细胞；④细胞自噬的机制和相关基因表达(预测命题点)。
重难诠释
诱导性多能干细胞，把Oct3/4、Sx2、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。
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。
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。
限时检测 （限时30分钟）
一、单选题
1．（2023上·安徽合肥·高三合肥一六八中学校考阶段练习）CRISPR/Cas9系统是一种基因组编辑技术，Cas9蛋白能与人工设计的sgRNA形成复合体（如图），利用该技术可以对DNA进行一系列的定向改造。下列相关叙述错误的是（ ）

A．Cas9蛋白能切割目的基因的磷酸二酯键，使DNA双链断裂
B．对不同的目的基因进行编辑时可能使用相同的Cas9蛋白和sgRNA
C．基因编辑技术能够定点插入、删除或替换部分碱基对
D．通过基因组编辑技术引起的变异属于基因重组
2．（2024上·重庆·高三重庆南开中学校考阶段练习）2023年12月8日，FDA一次批准了两个针对镰状细胞贫血的基因治疗方法，其中包括首个基于CRISPR基因编辑技术的疗法——Casgevy。已知胎儿的血红蛋白由两条α链与γ链构成（α2γ2），成人血红蛋白由两条α链与β链构成（α2β2）。镰状细胞贫血患者体内β链结构和功能异常，使红细胞呈镰刀状，而增加血红蛋白γ链的表达能治疗镰状细胞贫血。研究发现，BCL 11A蛋白促进胎儿到成人的血红蛋白类型转变。Casgevy疗法即是通过调控BCL 11A的含量达到治疗镰状细胞贫血的目的。下列说法正确的是（ ）
A．镰状细胞贫血患者体内编码血红蛋白β链的基因发生了碱基的替换、增添或缺失
B．胎儿与成人体内血红蛋白构成不同，主要是因为成人体内编码血红蛋白γ链的基因缺失
C．BCL11A可能通过促进血红蛋白γ链的合成而促进胎儿到成人的血红蛋白类型转变
D．Casgevy疗法可能通过降低BCL 11A基因的表达而增加患者体内α2γ2型血红蛋白的比例
3．（2023上·全国·高三阶段练习）为降低免疫排斥问题，科研人员取供体动物胚胎干细胞，利用基因编辑技术获得重构胚胎干细胞，再经过培养、检测和筛选后，移入受体动物的子宫内进行培养，培养出能提供异体移植器官的供体动物。下列相关说法正确的是（ ）
A．进行动物细胞培养时，需置于含有95%空气和5%O2气体的培养箱中培养
B．重构胚胎干细胞体外培养时，高要在培养液中加入血清等物质
C．培养得到该供体动物过程中将胚胎移入受体子宫后不需要再进行任何检查
D．经过基因编辑技术改造后的供体器官移植到人体后，一定不会发生免疫排斥反应
4．（2024上·江苏连云港·高三统考阶段练习）科学家已把多种器官的细胞转变成了诱导多功能干细胞，并让诱导多功能干细胞分化成了皮肤、肌肉、软骨、神经细胞以及可以同步搏动的心脏细胞。下列相关叙述正确的是（ ）
A．成熟细胞被重新编程的过程中细胞的分化程度逐渐升高
B．多能干细胞能分化成神经细胞的过程中发生了基因突变，有些基因不能表达
C．多能干细胞与成熟细胞相比，细胞内核酸相同，蛋白质却不完全相同
D．诱导多能干细胞分化的过程与基因有关，与细胞直接生活的微环境有关
5．（2023·浙江·校联考模拟预测）科学家通过体外诱导小鼠成纤维细胞，获得类似胚胎干细胞的诱导多能干细胞（iPS细胞），并在用iPS细胞治疗人类疾病等领域取得很多成就。下列叙述错误的是（ ）
A．成纤维细胞经诱导分化为iPS细胞，体现了细胞全能性
B．iPS细胞培养时培养液中通常需要添加血清等物质
C．iPS细胞增殖过程中的DNA复制发生在分裂间期的S期
D．若iPS细胞来源于自身，则其移植回病人体内可减少免疫排斥
二、非选择题
6．（2023·广东·华南师大附中校考三模）基因打靶又称基因敲除，是一种利用外源DNA分子与染色体DNA之间的同源重组，定点改造基因的技术。通过基因同源重组对基因进行灭活、引入点突变、缺失突变、外源基因定位引入等修饰和改造，使细胞、生物表达突变性状。基因打靶是通过基因打靶载体介导实现的，如图为基因打靶的示意图。

注：e1-e4表示不同的基因片段、ner表示新霉素抗性基因
回答下列问题：
(1)基因打靶载体上的序列会置换到A基因上，A基因被置换片段的左端位于图中 基因片段之间，右端位于图中 基因片段之间。同源重组还需要用 酶进行连接。
(2)ner作为基因打靶的标记基因，使A基因失去功能，ner具有两方面的作用，分别是 。
(3)若以动物细胞为基因打靶细胞，培育基因打靶动物研究A基因的功能时，则宜选用 作为靶细胞。将基因打靶载体导入该细胞，常用的方法是 。
(4)研究发现，蛋白S的低水平表达与胰岛素抵抗型糖尿病的发生密切相关。为了研究蛋白S与糖尿病的关系，结合基因打靶技术，请以小鼠为材料，简要写出实验设计思路和相关检测指标： 。
7．（2023下·辽宁铁岭·高三校联考期末）基因打靶技术是建立在基因同源重组（在2个DNA分子的同源序列之间直接交换的一种重组）技术以及胚胎干细胞技术的基础上而发展起来的一种分子生物学技术。请结合图示回答下列有关问题：
注：ner是新霉素抗性基因：tk基因的表达可基因组DNA以使无毒的丙氧鸟苷代谢为毒性物质，导致细胞死亡。
(1)将目的基因和与细胞内靶基因同源的DNA片段都重组到 上，构建打靶载体（基因表达载体）。
(2)打靶载体测序验证正确后，利用 酶，将之线性化，以提高重组率。通过 技术将打靶载体导入胚胎干细胞，这样打靶载体和与细胞内靶基因同源的区段就有机会发生同源重组。
(3)为了筛选发生同源重组的细胞，可在培养液中加入 ，最后还需要通过 技术鉴定同源重组的细胞（去除靶基因），将这样的细胞通过动物细胞培养后，获得大量打靶成功的细胞。其中，暂时不用的细胞进行 保存。
8．（2023上·上海·高三上海交大附中校考阶段练习）基因敲除（gene knckut）又称基因打靶（gene targeting），其原理如图所示:通过基因工程手段，将构建好的打靶质粒导入特定细胞，打靶质粒上的A′、B′序列分别与细胞基因组DNA上的A、B序列发生交换（同源重组），使得基因组DNA上的目的基因被阳性标记基因替换，从而实现对细胞中目的基因的敲除。
(1)将打靶质粒导入特定小鼠细胞的方法是 。
(2)若要培育特定基因被敲除的小鼠，可选取该小鼠的___________细胞进行上述操作。
A．去核卵细胞B．成体干细胞C．造血干细胞D．胚胎干细胞
(3)动物减数分裂过程中，可能发生类似于上述阳性标记基因替换目的基因的过程，具体是在___________
A．减数第一次分裂前期B．减数第一次分裂后期
C．减数第二次分裂前期D．减数第二次分裂后期
打靶质粒与基因组DNA间发生预期同源重组实现基因敲除的几率较低，多数情况下不发生任何重组，也可能发生非同源重组（此时阳性标记基因、阴性标记基因均插入基因组DNA，而目的基因也仍在基因组DNA上），因此需要进行筛选。已知阳性标记基因、阴性标记基因均只有位于基因组DNA上时才能表达。现有两种候选标记基因，相关资料如下，请阅读资料完成筛选方案设计。
【新霉素抗性基因neR】可使细胞获得对新霉素的抗性。
【疱疹病毒胸苷激酶基因HSV-tk】其表达产物可使无毒的丙氧鸟苷转变为有毒的核苷酸，从而杀死细胞。
(4)在设计打靶质粒时，应以 作为阳性标记基因，以 作为阴性标记基因。
(5)为筛选出成功实现预期基因敲除的细胞，对培养基的要求是___________
A．含新霉素，不含丙氧鸟苷B．含丙氧鸟苷，不含新霉素
C．既含新霉素，也含丙氧鸟苷D．既不含新霉素，也不含丙氧鸟苷
(6)某课题组在小鼠中新发现一个蛋白质编码基因X，功能未知。小蕾同学拟通过构建敲除基因X的纯合小鼠并将其和野生型小鼠作对比，从而了解基因X的功能。小源同学认为这种方案值得一试，但敲除基因X后，也未必能获知该基因的功能，小源同学作出此项判断的理由是
9．（2023上·重庆·高三重庆市育才中学校联考阶段练习）地贫是血红蛋白合成障碍导致的遗传病，β地贫是常见类型。血红蛋白由2条α肽链和2条β或γ肽链组成，α肽链基因（用A表示）位于16号染色体，β和γ肽链基因（分别用B、D表示）都位于11号染色体。正常人出生后D基因关闭表达而B基因开始表达，DNA甲基转移酶（DNMT）在此过程发挥关键作用（图1）。β地贫是由于B基因突变致使β链生成受抑制，从而α/β肽链比例失衡引起相应贫血病症。甲的DNMT基因发生突变，因此症状明显减轻。相关基因的研究结果如图2。
(1)A和B基因的遗传 （填“遵循”或“不遵循”）基因的自由组合定律。β地贫体现了基因对性状的控制方式是 。
(2)由图1可知，正常人出生后D基因关闭表达的原因是 。
(3)请根据研究结果，从下列方案中，选出治疗β地贫的可行性思路：______。
A．诱发DNMT基因突变，使其无法表达
B．利用基因编辑技术敲除DNMT基因
C．开发药物阻止DNMT基因的表达
D．开发药物促进DNMT基因的表达