详析高考电泳图谱的分析方法

邓过房

DNA电泳是基因工程中最基本的技术。近年来基于DNA电泳图谱分析与比较，结合高中所学的基因诊断、DNA指纹技术以及基因克隆等相关内容的遗传学试题考查较为常见。以遗传学基本知识为背景，以DNA电泳图谱为情境，强调情境与立意相结合，体现高考能力考核目标和要求，很好地考查学生的获取与处理表达信息能力和应用分析能力。

一、电泳图谱概述

1. 原理。

电泳是利用带电分子或离子所带电荷或分子量不同，在电场中移动距离（或速度）不同的原理分离分子或离子的方法，如等位基因A与a，经限制酶切开后，由于相关片段分子量等差异，在电场中移动距离不同，从而使两种基因得以分离。

2. 实例。

对图1中1～4号个体进行基因检测，将含有该遗传病基因或正常基因的相关DNA片段各自用电泳法分离。正常基因显示一个条带，患病基因显示为另一个不同的条带，结果如图2。请据图1、图2分析图1中5号及7号个体基因电泳条带应为何类？

分析如下：

（1）先据图1求得1～4号个体基因型，4为aa，则1、2均为Aa，3为AA或Aa。

（2）将1～4基因型与图2的电泳图谱作对照发现只有c编号的个体基因电泳带特别——只有条带2，无条带1，则c所代表的个体中基因型为“纯合子”，即只含一种基因，由此推测c为1～4中的4号个体。进一步结合图1与图2可推知a、b、d所代表的个体既含A又含a（由此确定3号不可能为AA）。

（3）由5、6均正常，所生女儿7号为患者可推知：5号基因型为Aa，应含条带1、条带2，7号个体基因型为aa，其电泳条带应与c吻合。

二、典例剖析

【例1】（2015·江苏卷）由苯丙氨酸羟化酶基因突变引起的苯丙氨酸代谢障碍，是一种严重的单基因遗传病，称为苯丙酮尿症（PKU），正常人群中每70 人有1 人是该致病基因的携带者（显、隐性基因分别用 A、a 表示）。 图3是某患者的家族系谱图，其中Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3 及胎儿Ⅲ1（羊水细胞）的 DNA 经限制酶 Msp玉消化，产生不同的片段（kb 表示千碱基对），经电泳后用苯丙氨酸羟化酶 cDNA 探针杂交，结果见图4。 请回答下列问题：

（1）Ⅰ1、Ⅱ1 的基因型分别为 。

（2）依据 cDNA 探针杂交结果，胎儿Ⅲ1 的基因型是 。Ⅲ1 长大后，若与正常异性婚配，生一个正常孩子的概率为 。

（3）若Ⅱ2 和Ⅱ3 生的第2 个孩子表型正常，长大后与正常异性婚配，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）已知人类红绿色盲症是伴 X 染色体隐性遗传病（致病基因用 b 表示），Ⅱ2 和Ⅱ3 色觉正常，Ⅲ1 是红绿色盲患者，则Ⅲ1 两对基因的基因型是 。 若Ⅱ2 和Ⅱ3 再生一正常女孩，长大后与正常男性婚配，生一个红绿色盲且为 PKU 患者的概率为 。

【考点】伴性遗传；基因的分离规律的实质及应用；常见的人类遗传病。

【分析】根据题意和图示分析可知：Ⅱ1为患病女孩，而其父母正常，说明苯丙酮尿症属于常染色体隐性遗传病.根据电泳后用苯丙氨酸羟化酶cDNA探针杂交结果，Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅲ1的基因型分别为aa、Aa、Aa、Aa。

【解答】解：（1）由于Ⅱ1为患病，且属于常染色体隐性遗传病，所以其基因型为aa.由于Ⅰ1正常，所以其基因型为Aa.

（2）依据cDNA探针杂交结果，胎儿Ⅲ1的基因型是Aa.Ⅲ1长大后，若与正常异性婚配，由于正常人群中每70人有1人是该致病基因的携带者，所以生一个正常孩子的概率为1-1/70×1/4=279/280；

（3）若Ⅱ2和Ⅱ3生的第2个孩子表型正常，其基因型为AA或Aa，长大后与正常异性婚配，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）根据Ⅱ2和Ⅱ3色觉正常，Ⅲ1是红绿色盲患者，则Ⅲ1两对基因的基因型是AaXbY，Ⅱ2和Ⅱ3的基因型分别为AaXBY和AaXBXb.若Ⅱ2和Ⅱ3再生一正常女孩，其基因型是2/3Aa、1/2XBXb。长大后与正常男性婚配，生一个红绿色盲且为PKU患者的概率为2/3×1/70×1/4×1/2×1/4=1/3360。

【点评】本题结合系谱图，考查伴性遗传、基因自由组合定律的应用，意在考查考生分析题图提取有效信息的能力，运用所学知识综合分析问题和解决问题的能力.

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

三、跟踪训练

1.（2013·高考安徽卷）图5是一个常染色体遗传病的家系系谱。致病基因（a）是由正常基因（A）序列中一个碱基对的替换而形成的。图6显示的是A和a基因区域中某限制酶的酶切位点。分别提取家系中Ⅰ1、Ⅰ2和Ⅱ1的DNA，经过酶切、电泳等步骤，再用特异性探针做分子杂交，结果见图7。

（1）Ⅱ2的基因型是________。

（2）一个处于平衡状态的群体中a基因的频率为q。如果Ⅱ2与一个正常男性随机婚配，他们第一个孩子患病的概率为________ 。如果第一个孩子是患者，他们第二个孩子正常的概率为________。

（3）B和b是一对等位基因。为了研究A、a与B、b的位置关系，遗传学家对若干基因型为AaBb和AABB个体婚配的众多后代的基因型进行了分析。结果发现这些后代的基因型只有AaBB和AABb两种。据此，可以判断这两对基因位于________染色体上，理由是___________________________。

【考点】常见的人类遗传病；基因的自由组合规律的实质及应用；基因突变的原因。

【分析】分析图1：图1是一个常染色体遗传病的家系系谱.Ⅰ1和Ⅰ2均正常，但他们有一个患病的儿子，即“无中生有为隐性”，说明该病为常染色体隐性遗传病，则Ⅰ1和Ⅰ2的基因型均为Aa，Ⅱ1的基因型为aa，Ⅱ2的基因型为AA或Aa.

分析图6：图6显示的是A和a基因区域中某限制酶的酶切位点，其中A基因含有3个该限制酶的酶切位点，而a基因只有2个该限制酶的酶切位点.

【解答】（1）图5是一个常染色体遗传病，由图可知该病为常染色体隐性遗传病，因此Ⅰ1、Ⅰ2均为Aa，所以Ⅱ2的基因型是AA或Aa.

（2）Ⅱ2的基因型是1/3AA、2/3Aa；一个处于平衡状态的群体中a基因的频率为q，正常男性为Aa的概率为Aa/AA+Aa=2（1-q）q/（1-q）（1-q）+2（1-q）q=2q/1+q，则他们第一个孩子患病的概率为2/3×2q/1+q×1/4=q/3（1+q）。如果第一个孩子是患者，则Ⅱ2与正常男性的基因型均为Aa，他们第二个孩子正常的概率为3/4。

（3）由于基因型AaBb个体只产生Ab、aB两种类型配子，结果这些后代的基因型只有AaBB和AABb两种，因此可以判断这两对基因位于一对同源染色体上.

【点评】本题结合图解，考查人类遗传病、基因分离定律和基因自由组合定律等知识，要求考生识记几种常见的人类遗传病的类型及特点，能根据系谱图确定该遗传病的遗传方式及相应个体的基因型；掌握基因分离定律和基因自由组合定律的实质，能进行相关概率的计算；能分析图6和图7，从中提取有效信息答题。

【答案】（1）AA或Aa （2） （3）一对同源 基因型AaBb个体只产生Ab、aB两种类型配子，不符合自由组合规律

2.（2015·南京市二模）单基因遗传病可以通过核酸杂交技术进行早期诊断。镰刀型细胞贫血症是一种在地中海地区发病率较高的单基因遗传病。已知红细胞正常个体的基因型为BB、Bb，镰刀型细胞贫血症患者的基因型为bb。有一对夫妇被检测出均为该致病基因的携带者，为了能生下健康的孩子，每次妊娠早期都进行产前诊断。下图为其产前核酸分子杂交诊断和结果示意图。

（1）从图中可见，该基因突变是由___________________引起的。正常基因该区域上有3个酶切位点，突变基因上只有2个酶切位点，酶切后，凝胶电泳分离酶切片段，与探针杂交后可显示出不同的带谱，正常基因显示________条，突变基因显示________条。

（2）DNA或RNA分子探针要用________________等标记。利用核酸分子杂交原理，根据图中突变基因的核苷酸序列（—ACGTATT—），写出作为探针的核糖核苷酸序列________________。

（3）根据凝胶电泳带谱分析可以确定胎儿是否患有镰刀型细胞贫血症。这对夫妇4次妊娠的胎儿Ⅱ-1～Ⅱ-4中需要停止妊娠反应的是________，Ⅱ-4的基因型为________。

【分析】（1）由题图可看出该基因突变是由碱基对的改变引起的，即碱基A变成T；由凝胶电泳分离酶切片段与探针杂交后显示的带谱可看出，正常的基因显示2条带谱，而突变基因显示1条。（2）DNA或RNA分子探针要用放射性同位素（或荧光分子）等标记，便于检测，作为探针的核糖核苷酸序列和突变基因的核苷酸序列之间遵循碱基互补配对原则，为—UGCAUAA—。（3）由凝胶电泳带谱可得出Ⅱ-1和Ⅱ-4的基因型是BB，Ⅱ-3的基因型是Bb，Ⅱ-2的基因型是bb，Ⅱ-2患有镰刀型细胞贫血症，需要停止妊娠反应。（4）Ⅰ-2的基因型是Bb，正常女性是镰刀型细胞贫血症携带者的概率是1/10 000，因此生出患病儿子的概率是1/10 000×1/4×1/2=1/80 000。

【考点】基因工程的原理及技术；基因突变的特征。

【分析】分析题图：正常基因中有三个酶切位点，能将探针杂交区域切成2段，即形成两个条带，而突变的基因只能形成一个条带；I-1为Bb、I-2为Bb、Ⅱ-1是BB、Ⅱ-2bb、Ⅱ-3是Bb、Ⅱ-4是BB。

【解答】（1）由图可知A变成T是碱基对改变引起的基因突变，正常基因能形成两个条带，而突变的基因只能形成一个条带。

（2）探针是用放射性同位素（或荧光分子）标记的含有目的基因DNA片段.若突变基因的核苷酸序列（…ACGTGTT…），则作为探针的核糖核苷酸序列为…UGCACAA…。

（3）由以上分析可知：Ⅱ-1是BB，Ⅱ-2bb，Ⅱ-3是Bb，Ⅱ-4是BB。

【点评】本题结合产前核酸分子杂交诊断和结果示意图，考查基因工程和基因分离定律的相关知识，要求考生识记基因工程的相关知识。解答本题的关键是题图的分析，要求考生能根据题图正确判断正常基因和突变基因形成的条带数及Ⅱ代中4个个体的基因型。

【答案】（1）碱基对改变（或A变成T） 2 1 （2）放射性同位素（或荧光分子）—UGCAUAA—

（3）Ⅱ-2 BB

四、深度拓展

【例2】英国科学家Sanger因发明了链终止DNA测序法而获诺贝尔奖。其主要内容步骤是：先向DNA复制体系中加入能够终止新链延伸的某种脱氧核苷酸类似物，以得到各种不同长度的脱氧核苷酸链；再通过电泳呈带（按分子量大小排列），从而读出对应碱基的位置（如图10所示）。请分析回答：

（1）若在活细胞内发生图中“加热变性”的结果，必需有______的参与.

（2）假设一模板链中含N个腺嘌呤脱氧核苷酸，通过上述操作能得到______种长度不同的脱氧核苷酸链。

（3）所得到的各种长度不同的脱氧核苷酸链之所以能通过电泳而分离开来，主要是依据它们的______差异.

（4）若用上述测序方法读出碱基G的位置，则必须加入带标记的______类似物.

（5）采用上述链终止法测定某一双链DNA中的全部碱基排序，你认为至少要按图中所示模式操作______次。

参考答案：（1）解旋酶（2）N （3）分子量 （4）鸟嘌呤核苷酸（5）3

责任编辑 李平安