2015年度诺贝尔奖相关生物学试题设计

王士朝

背景资料一： 2015年度诺贝尔生理学或医学奖。

10月5日，瑞典卡罗琳医学院在斯德哥尔摩宣布，将2015年诺贝尔生理学或医学奖授予中国女药学家屠呦呦，以及另外两名科学家威廉·坎贝尔和大村智，分别发现了青蒿素和阿维菌素，可以有效治疗疟原虫和线虫两大类寄生虫引发的疾病，为人类对抗寄生虫疾病的斗争找到了新方法，从而提升疾病治疗手段、改善人类健康。疟疾是威胁人类生命的一大顽敌，它是一种由蚊子传播的、因单细胞寄生虫——疟原虫入侵红细胞引起发热并在严重情况下造成脑损伤和死亡的疾病。目前，每年还有45万人被疟疾夺去生命，其中大多数是儿童。疟疾的传统疗法是使用氯喹或奎宁，但在上世纪60年代后期，这种方法成功率不断降低，疟疾感染率呈上升趋势。屠呦呦当时在中国转向中草药，力求从中找寻治疗疟疾的新方法，她受到中国古代医书关于青蒿治疗疟疾的记载启发，提炼出具有全新化学结构和显著抗疟功效的新药——青蒿素，再将其应用于临床，成为一种能够在疟疾早期阶段扼杀疟原虫的有效药物，这一研究成果具有重要意义。医学上很重要的另一类寄生虫——线虫也正在折磨世界上1/3的人类，主要分布于撒哈拉以南的非洲地区、南亚、中美洲和南美洲，而河盲症（盘尾丝虫病）和淋巴丝虫病是两种最常见的由线虫引发的疾病。河盲症患者会因眼睛角膜发炎而致盲，淋巴丝虫病则会诱发淋巴水肿等终身感染的症状，近百万人因此备受折磨。日本微生物学家大村智专注于研究链霉菌，这一菌群生活在土壤中，能够产生很多活性化合物。他用独特的方式大批培养菌株并保持其特征，然后从土壤中成功分离出新菌株并成功移植到实验室中，再选出其中最具活性的50株作为新的生物活性化合物来源，这些菌株中的一个，后来被证明是阿维菌素的来源。威廉·坎贝尔出生在爱尔兰，现在美国任教，他是寄生虫领域的生物学家。坎贝尔从大村智手中收购了大批链霉菌菌株以探求其功效，并证明其中一个菌株对牲畜寄生虫非常有效。这种活性物质提纯后命名为阿维菌素，此后又改进为伊维菌素。伊维菌素最初作为兽药，但后来发现它能够治疗人类的河盲症和淋巴丝虫病，由此在非洲、拉美地区广泛分发使用，有效抗击了线虫类寄生虫引发的疾病。阿维菌素的衍生物伊维菌素目前被运用于全球线虫类寄生虫病的治疗，其给人类带来的福祉也不可估量。这一研究成果使得相关疾病濒临消灭，也是人类医学史上的一大壮举。

1. 2015年10月5日，本年度诺贝尔生理学或医学奖授予中国科学家屠呦呦，屠呦呦获奖的理由是：“因为发现青蒿素（C15H22O5，结构式如图1所示）——一种用于治疗疟疾的药物，挽救了全球特别是发展中国家的数百万人的生命”。下列叙述错误的是

A. 青蒿素不可能是蛋白质类药物

B. 青蒿素不会引起疟原虫抗药性的增强

C. 青蒿素的合成受基因表达的控制

D. 青蒿素可以口服

2. 中国女科学家屠呦呦获2015年诺贝尔生理医学奖，她研制的抗疟药青蒿素挽救了数百万人的生命。在野生植物中提取青蒿素治疗疟疾，这体现了野生生物的

A. 直接使用价值 B. 间接使用价值

C. 潜在使用价值 D. A与B的总和

3. 青蒿素是从植物黄花蒿的组织细胞中所提取的一种代谢产物，其作用方式目前尚不明确，推测可能是作用于疟原虫的食物泡膜，从而阻断了营养摄取的最早阶段，使疟原虫较快出现氨基酸饥饿，迅速形成自噬泡，并不断排出虫体外，使疟原虫损失大量胞浆而死亡。从上述的论述中，不能得出的是

A. 疟原虫对外界食物的获取方式主要是胞吞，体现了细胞膜的流动性特点

B. 细胞质是细胞代谢的主要场所，如果大量流失，甚至会威胁到细胞生存

C. 疟原虫寄生在寄主体内，从生态系统的成分上来看，可以视为分解者

D. 利用植物组织培养的方式，可以实现青蒿素的大规模生产

4. 青蒿中青蒿素的含量很低，且受地域性种植影响较大。研究人员已经弄清了青蒿细胞中青蒿素的合成途径（如图2实线框内所示），并且发现酵母细胞也能够产生青蒿素合成的中间产物FPP（如图虚线框内所示）。请回答问题：

（1）在FPP合成酶基因表达过程中，完成过程①需要

酶催化，完成过程②需要的物质有 、 、

等，结构有 。

（2）根据图示代谢过程，科学家在设计培育能生产青蒿素的酵母细胞过程中，需要向酵母细胞中导入 、

等基因。此过程构建的基因表达载体应该含有RNA聚合酶识别和结合的部位，以驱动目的基因的 ，该部位称为启动子。

（3）实验发现，酵母细胞导入相关基因后，这些基因能正常表达，但酵母合成的青蒿素仍很少，根据图解分析原因可能是 ，为提高酵母菌合成的青蒿素的产量，请提出一个合理的思路 。

（4）利用酵母细胞生产青蒿素与从植物体内直接提取相比较，明显的优势有 、 、 等。

（5）在FPP合成酶基因表达过程中，mRNA通过

进入细胞质，该分子的作用是作为 的模板。

5. 利用雌雄同株的野生型青蒿（二倍体，体细胞染色体数为18），通过传统育种和现代生物技术可培育高青蒿素含量的植株。请回答以下相关问题：

（1）假设野生型青蒿白青秆（A）对紫红秆（a）为显性，稀裂叶（B）对分裂叶（b）为显性，两对性状独立遗传，则野生型青蒿最多有 种基因型；若F1代中白青秆、稀裂叶植株所占比例为3/8，则其杂交亲本的基因型组合为

，该F1代中紫红秆、分裂叶植株所占比例为 。

（2）四倍体青蒿中青蒿素含量通常高于野生型青蒿，低温处理野生型青蒿正在有丝分裂的细胞会导致染色体不分离，从而获得四倍体细胞并发育成植株。推测低温处理导致细胞染色体不分离的原因是 。四倍体青蒿与野生型青蒿杂交后代体细胞的染色体数为 。

6. 我国山西的青蒿资源非常丰富，本研究为开发利用青蒿资源提供实验依据。

【实验一】

研究目的：比较同一植株不同生长期叶片中青蒿素含量的差异

材料准备：5～9月期间，分别采集成苗期、生长盛期、花期和果期的青蒿叶，干燥后粉碎备用。

（1）根据研究目的，下列属于实验时需控制的因素是

。（多选）

A. 采摘时叶片中含水量

B. 采集叶片时的气温

C. 叶片的着生位置

D. 叶片干燥的程度

（2）将实验数据绘制成图。

该坐标图的横坐标名称是

，纵坐标名称是 。

（3）根据实验一的研究结果，选择 期的青蒿作为继续研究的实验材料。

【实验二】

材料准备：采集青蒿不同组织如根、茎、老叶（叶龄21d）、新叶（叶龄7d），共采集3次，每次在同一地方随机采样。所有样品均采用烘干和自然干燥2种方式干燥，粉碎后备用。

实验结果：青蒿素含量（mg/g）

第1次采集：

根：1.02（晒干），0.74（烘干）；

茎：0.09（晒干），0.04（烘干）；

老叶：3.91（晒干），2.66（烘干）；

新叶：4.57（晒干），3.49（烘干）。

第2次采集：

根：1.05（晒干），0.72（烘干）；

茎：0.11（晒干），0.09（烘干）；

老叶：4.02（晒干），2.71（烘干）；

新叶：4.65（晒干），3.69（烘干）。

第3次采集：

根：1.14（晒干），0.79（烘干）；

茎：0.10（晒干），0.02（烘干）；

老叶：4.05（晒干），2.95（烘干）；

新叶：4.58（晒干），3.59（烘干）。

（4）本实验的研究目的是 。

（5）根据研究目的，设计一个实验数据记录表，用于记录上述数据。（不用抄录数据）

背景资料二：2015年度诺贝尔化学奖。

2015年诺贝尔化学奖揭晓，瑞典、美国、土耳其三位科学家Tomas Lindahl、Paul Modrich和Aziz Sancar获奖。获奖理由是“DNA修复的机制研究”。Aziz Sancar绘制出了核苷酸切除修复机制，细胞利用切除修复机制来修复UV造成的DNA损伤。天生缺失这种机制的人暴露在太阳光下，可导致皮肤癌的发生。细胞还可利用此机制修复致突变物或其他物质引起的DNA损伤。Paul Modrich证明了细胞在有丝分裂时如何去修复错误的DNA，这种机制就是错配修复。错配修复机制使DNA复制出错几率下降了一千倍。如果先天缺失错配修复机制可导致癌症的发生，例如遗传性结肠癌的发生。

7. 2015年诺贝尔化学奖颁给了研究DNA修复细胞机制的三位科学家，细胞通过DNA损伤修复可使DNA在复制过程中受到损伤的结构大部分得以恢复。图4为其中的一种方式——切除修复过程示意图。下列有关叙述不正确的是

A. 图示过程的完成需要限制酶、解旋酶、DNA聚合酶、DNA连接酶等的共同作用

B. 图中二聚体的形成可能受物理、化学等因素的作用所致

C. 图示过程涉及到碱基互补配对原则

D. DNA损伤修复降低了突变率，保持了DNA分子的相对稳定性

8. 图5是受损的DNA分子在人体内的自动切除、修复示意图，以下说法错误的是

A. 酶1作用的化学键是磷酸二酯键

B. 该修复过程遵循碱基互补配对原则

C. 图中的结构缺陷可能是多种原因引起的碱基错配或修饰

D. 酶4应该是DNA聚合酶

9. 纳米科技是跨世纪新科技，将激光束的宽度聚焦到纳米范围内，可对人体细胞内的DNA分子进行超微型基因修复，把尚令人类无奈的癌症、遗传疾病彻底根除，这种对DNA进行修复属于

A. 基因突变 B. 基因重组

C. 基因互换 D. 染色体变异

10. 基因治疗的基本原理是用转基因技术将目的基因导人患者受体细胞，对DNA分子进行纠正或修复，从而达到治疗疾病的目的，这种对DNA的修复属于

A. 基因转换 B. 基因突变

C. 基因重组 D. 基因遗传

11. P53基因能编码一个由393个氨基酸组成的蛋白质，该蛋白质可与DNA发生特异性结合以阻止损伤的DNA复制，促使DNA自我修复；如修复失败则引起细胞出现“自杀”现象。下列有关叙述错误的是

A. 与P53蛋白质的合成有关的细胞器是核糖体、内质网、高尔基体、线粒体

B. 细胞分裂过程中若DNA受损，P53蛋白质可使间期时间延长

C. 癌细胞的形成可能与P53基因突变有关

D. 细胞出现“自杀”现象属于细胞凋亡

12.着色性干皮症是一种常染色体隐性遗传病，起因为DNA损伤，患者体内缺乏DNA修复酶，DNA损伤后不能修补从而引起突变。这说明一些基因

A. 通过控制酶的合成，从而直接控制生物性状

B. 通过控制蛋白质分子结构，从而直接控制生物性状

C. 通过控制酶的合成来控制代谢过程，从而控制生物性状

D. 可以直接控制生物性状，发生突变后生物性状随之改变

13. P53蛋白对细胞分裂起监视作用。P53蛋白可判断DNA损伤的程度，如果损伤较小，该蛋白就促使细胞自我修复（过程如图所示）；若DNA损伤较大，该蛋白则诱导细胞凋亡。下列有关叙述错误的是

A. P53蛋白可使DNA受损的细胞分裂间期延长

B. P53蛋白可导致细胞内的基因选择性表达

C. 抑制P53蛋白基因的表达，细胞将不能分裂

D. 若P53蛋白基因突变，则可能导致细胞癌变

14.“今又生”是我国为数不多的首创基因治疗药物之一，其本质是利用腺病毒和人P53基因（抑癌基因）拼装得到的重组病毒。人的P53蛋白可对癌变前的DNA损伤进行修复，使其恢复正常，或诱导其进入休眠状态或细胞凋亡，阻止细胞癌变。“今又生”的载体采用第一代人5型腺病毒，其致病力很弱，其基因不整合到宿主细胞的基因组中，无遗传毒性；载体经基因工程改造后，只对细胞实施一次感染，不能复制，不能污染。请回答下列问题：

（1）在“今又生”的生产中，为了获得更高的安全性能，在载体一般应具备的条件中，科学家选择性地放弃了一般载体都应该具有的 。检测P53基因的表达产物，还可以采用 技术。

（2）如果要获取人类基因组中抑癌基因P53，可以采取的方法通常包括 和通过化学方法人工合成。目的基因的大量扩增则可以采用 ，该技术中需使用的一种特殊的酶是 。

（3）在研究中如果要获得胚胎干细胞进行研究，则胚胎干细胞可来源于囊胚期的 或胎儿的原始性腺，也可以通过 技术得到重组细胞后再进行相应处理获得。在哺乳动物早期发育过程中，囊胚的后一个阶段是 。

参考答案

1. B 解析：从图示看，青蒿素的元素组成只有C、H、O，而不含N元素，因此青蒿素不可能是蛋白质，故A项正确；青蒿素治疗疟疾，其实是对疟原虫的选择作用，可能会引起疟原虫抗药性的增强，故B项错误；青蒿素尽管不是蛋白质，但其合成需多种酶参与，因此其合成仍受基因表达的控制，故C项正确；根据图示可知，青蒿素是小分子物质，可以口服，故D项正确。

2. A 3. C 4.（1）RNA聚合 氨基酸 ATP tRNA 核糖体 （2）ADS酶基因 CYP71AV1酶基因 转录 （3）酵母细胞中部分FPP用于合成固醇 通过基因改造降低FRG9酶活性

（4）青蒿素产量高 成本低 适合各地生产 （5）核孔 合成FPP合成酶 5.（1）9 AaBb×aaBb、AaBb×Aabb 1/8 （2）低温抑制纺锤体形成27 6.（1）CD （2）生长期 青蒿素含量（mg/g） （3）生长盛期 （4）不同组织中青蒿素含量的比较以及不同干燥方法对青蒿素含量的影响 （5）青蒿素含量实验数据记录表（mg/g）

7.A 8.D 9.A 10.C 11.A 12.C 13.C 14.（1）复制原点 抗原-抗体杂交法 （2）从基因文库 PCR Taq酶 （3）内细胞团 核移植 原肠胚

责任编辑 李平安