廣東 鄧過(guò)房

聚焦高考題中的“電泳圖譜”

廣東 鄧過(guò)房

DNA電泳是基因工程中最基本的技術(shù)。近年來(lái)基于DNA電泳圖譜分析與比較，結(jié)合高中所學(xué)的基因診斷、DNA指紋技術(shù)以及基因克隆等相關(guān)內(nèi)容的遺傳學(xué)試題較為常見(jiàn)。以遺傳學(xué)基本知識(shí)為背景，以DNA電泳圖譜為情境，強(qiáng)調(diào)情境與立意相結(jié)合，體現(xiàn)高考能力考核目標(biāo)和要求，很好地考查學(xué)生獲取與處理表達(dá)信息能力和應(yīng)用分析能力。

一、電泳圖譜概述

1.原理

電泳是利用帶電分子或離子所帶電荷或分子量不同，在電場(chǎng)中移動(dòng)距離（或速度）不同的原理分離分子或離子的方法，如等位基因A與a，經(jīng)限制酶切開(kāi)后，由于相關(guān)片段分子量等差異，在電場(chǎng)中移動(dòng)距離不同，從而使兩種基因得以分離。

2.實(shí)例

對(duì)圖1中1～4號(hào)個(gè)體進(jìn)行基因檢測(cè)，將含有該遺傳病基因或正?；虻南嚓P(guān)DNA片段各自用電泳法分離。正?；蝻@示一個(gè)條帶，患病基因顯示為另一個(gè)不同的條帶，結(jié)果如圖2。請(qǐng)據(jù)圖1、圖2分析圖1中5號(hào)及7號(hào)個(gè)體基因電泳條帶應(yīng)為何類？

圖1

圖2

分析如下：

（1）先據(jù)圖1求得1～4號(hào)個(gè)體基因型（相關(guān)基因用A/a），4為aa，則1、2均為Aa，3為AA或Aa。

（2）將1～4基因型與圖2的電泳圖譜作對(duì)照發(fā)現(xiàn)只有c編號(hào)的個(gè)體基因電泳帶特別——只有條帶2，無(wú)條帶1，則c所代表的個(gè)體中基因型為“純合子”，即只含一種基因，由此推測(cè)c為1～4中的4號(hào)個(gè)體。進(jìn)一步結(jié)合圖1與圖2可推知a、b、d所代表的個(gè)體既含A又含a（由此確定3號(hào)不可能為AA）。

（3）由5、6均正常，所生女兒7號(hào)為患者可推知：5號(hào)基因型為Aa，應(yīng)含條帶1、條帶2，7號(hào)個(gè)體基因型為aa，其電泳條帶應(yīng)與c吻合。

二、典例剖析

例：（2015·江蘇卷）由苯丙氨酸羥化酶基因突變引起的苯丙氨酸代謝障礙，是一種嚴(yán)重的單基因遺傳病，稱為苯丙酮尿癥（PKU），正常人群中每70人有1人是該致病基因的攜帶者（顯、隱性基因分別用A、a表示）。圖1是某患者的家族系譜圖，其中Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3及胎兒Ⅲ1（羊水細(xì)胞）的DNA經(jīng)限制酶Msp1消化，產(chǎn)生不同的片段（kb表示千堿基對(duì)），經(jīng)電泳后用苯丙氨酸羥化酶cDNA探針雜交，結(jié)果見(jiàn)圖2。請(qǐng)回答下列問(wèn)題：

圖1

圖2

（1）Ⅰ1、Ⅱ1的基因型分別為_(kāi)__________。

（2）依據(jù)cDNA探針雜交結(jié)果，胎兒Ⅲ1的基因型是___________。Ⅲ1長(zhǎng)大后，若與正常異性婚配，生一個(gè)正常孩子的概率為_(kāi)_________。

（3）若Ⅱ2和Ⅱ3生的第2個(gè)孩子表型正常，長(zhǎng)大后與正常異性婚配，生下PKU患者的概率是正常人群中男女婚配生下PKU患者的_________倍。

（4）已知人類紅綠色盲癥是伴X染色體隱性遺傳病（致病基因用b表示），Ⅱ2和Ⅱ3色覺(jué)正常，Ⅲ1是紅綠色盲患者，則Ⅲ1兩對(duì)基因的基因型是__________。若Ⅱ2和Ⅱ3再生一正常女孩，長(zhǎng)大后與正常男性婚配，生一個(gè)紅綠色盲且為PKU患者的概率為_(kāi)_________。

【考點(diǎn)】伴性遺傳；基因的分離定律的實(shí)質(zhì)及應(yīng)用；常見(jiàn)的人類遺傳病。

【分析】根據(jù)題意和圖示分析可知：Ⅱ1為患病女孩，而其父母正常，說(shuō)明苯丙酮尿癥屬于常染色體隱性遺傳病。根據(jù)電泳后用苯丙氨酸羥化酶cDNA探針雜交結(jié)果，Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅲ1的基因型分別為aa、Aa、Aa、Aa。

【解答】（1）由于Ⅱ1患病，且屬于常染色體隱性遺傳病，所以Ⅱ1基因型為aa，Ⅰ1基因型為Aa。

（2）依據(jù)cDNA探針雜交結(jié)果，胎兒Ⅲ1的基因型是Aa。Ⅲ1長(zhǎng)大后，若與正常異性婚配，由于正常人群中每70人有1人是該致病基因的攜帶者，所以生一個(gè)正常孩子的概率為1-1/70×1/4=279/280。

（3）若Ⅱ2和Ⅱ3生的第2個(gè)孩子表型正常，其基因型為AA或Aa，長(zhǎng)大后與正常異性婚配，生下PKU患者的概率是2/3×1/70×1/4；又正常人群中男女婚配生下PKU患者的概率是1/70×1/70×1/4。因此，前者是后者的2/3×1/70× 1/4÷1/70×1/70×1/4=140÷3=46.67。

（4）根據(jù)Ⅱ2和Ⅱ3色覺(jué)正常，Ⅲ1是紅綠色盲患者，則Ⅲ1兩對(duì)基因的基因型是AaXbY，Ⅱ2和Ⅱ3的基因型分別為AaXBY和AaXBXb。若Ⅱ2和Ⅱ3再生一正常女孩，其攜帶者基因型所占比例是2/3Aa、1/2XBXb。長(zhǎng)大后與正常男性婚配，生一個(gè)紅綠色盲且為PKU患者的概率為2/3×1/70×1/4×1/2×1/4=1/3360。

【點(diǎn)評(píng)】本題結(jié)合系譜圖，考查伴性遺傳、基因自由組合定律的應(yīng)用，意在考查考生分析題圖提取有效信息的能力，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)綜合分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

【答案】（1）Aa、aa （2）Aa 279/280 （3）46.67（4）AaXbY 1/3360

三、跟蹤訓(xùn)練

1.（2016·天津卷）鯉魚和鯽魚體內(nèi)的葡萄糖磷酸異構(gòu)酶（GPI）是同工酶（結(jié)構(gòu)不同、功能相同的酶），由兩條肽鏈構(gòu)成。編碼肽鏈的等位基因在鯉魚中是a1和a2，在鯽魚中是a3和a4，這四個(gè)基因編碼的肽鏈P1、P2、P3、P4可兩兩組合成GPI。以雜合體鯉魚（a1a2）為例，其GPI基因、多肽鏈、GPI的電泳（蛋白分離方法）圖譜如下。

請(qǐng)問(wèn)答相關(guān)問(wèn)題：

（1）若一尾鯽魚為純合二倍體，則其體內(nèi)GPI類型是______________。

（2）若鯉魚與鯽魚均為雜合二倍體，則鯉鯽雜交的子一代中，基因型為a2a4個(gè)體的比例為_(kāi)_________。在其雜交子一代中取一尾魚的組織進(jìn)行GPI電泳分析，圖譜中會(huì)出現(xiàn)_________條帶。

（3）鯉鯽雜交育種過(guò)程中獲得了四倍體魚。四倍體魚與二倍體鯉魚雜交，對(duì)產(chǎn)生的三倍體子代的組織進(jìn)行GPI電泳分析，每尾魚的圖譜均一致，如下所示。

據(jù)圖分析，三倍體的基因型為_(kāi)___________，二倍體鯉魚親本為純合體的概率是____________。

【考點(diǎn)】本題考查基因的分離定律、染色體變異。

【解析】（1）純合鯽魚的基因型是a3a3或a4a4，其編碼的肽鏈分別是P3或P4，則其體內(nèi)GPI類型是P3P3或P4P4。

（2）鯉魚與鯽魚的雜合二倍體基因型分別為a1a2和a3a4，鯉鯽雜交的子一代中，共有a1a3、a1a4、a2a3和a2a44種基因型，基因型為a2a4個(gè)體的比例為25%。子一代中均為雜合子，取一尾魚的組織進(jìn)行GPI電泳分析，與題干圖解類似，圖譜中會(huì)出現(xiàn)3條帶。

（3）對(duì)產(chǎn)生的三倍體子代的組織進(jìn)行GPI電泳分析，每尾魚的圖譜中均含有P1、P2、P3，則三倍體的基因型均為a1a2a3。由此推之雙親均為純合體。

【點(diǎn)評(píng)】本題考查基因型和表現(xiàn)型的相互推導(dǎo)和概率分析。屬于中檔題。解題關(guān)鍵是理解電泳圖譜和基因組成的關(guān)系。易錯(cuò)點(diǎn)是最后一空，錯(cuò)因在于未能根據(jù)三倍體的電泳圖譜、基因組成均相同，推測(cè)雙親均應(yīng)為純合體。

【答案】（1）P3P3或P4P4（2）25% 3 （3）a1a2a3100%

2.（2013·安徽卷）圖1是一個(gè)常染色體遺傳病的家系系譜。致病基因（a）是由正?；颍ˋ）序列中一個(gè)堿基對(duì)的替換而形成的。圖2顯示的是A和a基因區(qū)域中某限制酶的酶切位點(diǎn)。分別提取家系中Ⅰ1、Ⅰ2和Ⅱ1的DNA，經(jīng)過(guò)酶切、電泳等步驟，再用特異性探針做分子雜交，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖1

圖2

圖3

（1）Ⅱ2的基因型是________。

（2）一個(gè)處于平衡狀態(tài)的群體中a的基因頻率為q。如果Ⅱ2與一個(gè)正常男性隨機(jī)婚配，他們第一個(gè)孩子患病的概率為_(kāi)_________。如果第一個(gè)孩子是患者，他們第二個(gè)孩子正常的概率為_(kāi)________。

（3）B和b是一對(duì)等位基因。為了研究A、a與B、b的位置關(guān)系，遺傳學(xué)家對(duì)若干基因型為AaBb和AABB個(gè)體婚配的眾多后代的基因型進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些后代的基因型只有AaBB和AABb兩種。據(jù)此，可以判斷這兩對(duì)基因位于_________染色體上，理由是______________________。

【考點(diǎn)】常見(jiàn)的人類遺傳??；基因的自由組合定律的實(shí)質(zhì)及應(yīng)用；基因突變的原因。

【分析】分析圖1：圖1是一個(gè)常染色體遺傳病的家系系譜，Ⅰ1和Ⅰ2均正常，但他們有一個(gè)患病的兒子，即“無(wú)中生有為隱性”，說(shuō)明該病為常染色體隱性遺傳病，則Ⅰ1和Ⅰ2的基因型均為Aa，Ⅱ1的基因型為aa，Ⅱ2的基因型為AA或Aa。分析圖2：圖2顯示的是A和a基因區(qū)域中某限制酶的酶切位點(diǎn)，其中A基因含有3個(gè)該限制酶的酶切位點(diǎn)，而a基因只有2個(gè)該限制酶的酶切位點(diǎn)。

【解答】（1）圖1是一個(gè)常染色體遺傳病，由圖可知該病為常染色體隱性遺傳病，因此Ⅰ1、Ⅰ2均為Aa，所以Ⅱ2的基因型是AA或Aa。（2）Ⅱ2的基因型是1/3AA、2/3Aa；一個(gè)處于平衡狀態(tài)的群體中a的基因頻率為q，正常男性為Aa的概率為Aa/（AA+Aa）＝2（1-q）q/［（1-q）（1-q）+2（1-q）q］＝2q/（1+q），則他們第一個(gè)孩子患病的概率為2/3× 2q/（1+q）×1/4＝q/3（1+q）。如果第一個(gè)孩子是患者，則Ⅱ2與正常男性的基因型均為Aa，他們第二個(gè)孩子正常的概率為3/4。（3）由于基因型AaBb個(gè)體只產(chǎn)生Ab、aB兩種類型配子，使這些后代的基因型只有AaBB和AABb兩種，因此可以判斷這兩對(duì)基因位于一對(duì)同源染色體上。

【點(diǎn)評(píng)】本題結(jié)合圖解，考查人類遺傳病、基因分離定律和基因自由組合定律等知識(shí)，要求考生識(shí)記幾種常見(jiàn)的人類遺傳病的類型及特點(diǎn)，能根據(jù)系譜圖確定該遺傳病的遺傳方式及相應(yīng)個(gè)體的基因型；掌握基因分離定律和基因自由組合定律的實(shí)質(zhì)，能進(jìn)行相關(guān)概率的計(jì)算；能分析圖2和圖3，從中提取有效信息答題。

基因型AaBb個(gè)體只產(chǎn)生Ab、aB兩種類型配子，不符合自由組合定律

四、深度拓展

例：（2016·山東模擬）單基因遺傳病可以通過(guò)核酸雜交技術(shù)進(jìn)行早期診斷。鐮刀型細(xì)胞貧血癥是一種在地中海地區(qū)發(fā)病率較高的單基因遺傳病。已知紅細(xì)胞正常個(gè)體的基因型為BB、Bb，鐮刀型細(xì)胞貧血癥患者的基因型為bb。有一對(duì)夫婦被檢測(cè)出均為該致病基因的攜帶者，為了能生下健康的孩子，每次妊娠早期都進(jìn)行產(chǎn)前診斷。下圖為其產(chǎn)前核酸分子雜交診斷和結(jié)果示意圖。

（1）從圖中可見(jiàn)，該基因突變是由____________引起的。正常基因該區(qū)域上有3個(gè)酶切位點(diǎn)，突變基因上只有2個(gè)酶切位點(diǎn)，酶切后，凝膠電泳分離酶切片段，與探針雜交后可顯示出不同的帶譜，正常基因顯示_______條，突變基因顯示________條。

（2）DNA或RNA分子探針要用________________等標(biāo)記。利用核酸分子雜交原理，根據(jù)圖中突變基因的核苷酸序列（—ACGTATT—），寫出作為探針的核糖核苷酸序列_______________。

（3）根據(jù)凝膠電泳帶譜分析可以確定胎兒是否患有鐮刀型細(xì)胞貧血癥。這對(duì)夫婦4次妊娠的胎兒Ⅱ1～Ⅱ4中需要停止妊娠反應(yīng)的是________，Ⅱ4的基因型為_(kāi)_______。

【考點(diǎn)】基因工程的原理及技術(shù)；基因突變的特征。

【分析】（1）由題圖可看出該基因突變是由堿基對(duì)的改變引起的，即堿基A變成T；由凝膠電泳分離酶切片段與探針雜交后顯示的帶譜可看出，正常的基因顯示2條帶譜，而突變基因顯示1條。（2）DNA或RNA分子探針要用放射性同位素（或熒光分子）等標(biāo)記，便于檢測(cè)，作為探針的核糖核苷酸序列和突變基因的核苷酸序列之間遵循堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，為—UGCAUAA—。（3）由凝膠電泳帶譜可得出Ⅱ1和Ⅱ4的基因型是BB，Ⅱ3的基因型是Bb，Ⅱ2的基因型是bb，Ⅱ2患有鐮刀型細(xì)胞貧血癥，需要停止妊娠反應(yīng)。

【解答】（1）由圖可知A變成T是堿基對(duì)改變引起的基因突變，正?；蚰苄纬蓛蓚€(gè)條帶，而突變的基因只能形成一個(gè)條帶。

（2）探針是用放射性同位素（或熒光分子）標(biāo)記的含有目的基因DNA片段。若突變基因的核苷酸序列（—ACGTATT—），則作為探針的核糖核苷酸序列為—UGCAUAA—。

（3）由以上分析可知：Ⅱ1是BB，Ⅱ2是bb，Ⅱ3是Bb，Ⅱ4是BB。

【點(diǎn)評(píng)】本題結(jié)合產(chǎn)前核酸分子雜交診斷和結(jié)果示意圖，考查基因工程和基因分離定律的相關(guān)知識(shí)，要求考生識(shí)記基因工程的相關(guān)知識(shí)。解答本題的關(guān)鍵是題圖的分析，要求考生能根據(jù)題圖正確判斷正?；蚝屯蛔兓蛐纬傻臈l帶數(shù)及Ⅱ代中4個(gè)個(gè)體的基因型。

【答案】（1）堿基對(duì)改變（或A變成T） 2 1 （2）放射性同位素（或熒光分子） —UGCAUAA— （3）Ⅱ2BB

（作者單位：廣東省中山紀(jì)念中學(xué)）