聚焦高考题中的“电泳图谱”

广东 邓过房

聚焦高考题中的“电泳图谱”

广东 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？

图1

图2

分析如下：

（1）先据图1求得1～4号个体基因型（相关基因用A/a），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：（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1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Msp1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2。请回答下列问题：

图1

图2

（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；基因的分离定律的实质及应用；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】（1）由于Ⅱ1患病，且属于常染色体隐性遗传病，所以Ⅱ1基因型为aa，Ⅰ1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，其携带者基因型所占比例是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.（2016·天津卷）鲤鱼和鲫鱼体内的葡萄糖磷酸异构酶（GPI）是同工酶（结构不同、功能相同的酶），由两条肽链构成。编码肽链的等位基因在鲤鱼中是a1和a2，在鲫鱼中是a3和a4，这四个基因编码的肽链P1、P2、P3、P4可两两组合成GPI。以杂合体鲤鱼（a1a2）为例，其GPI基因、多肽链、GPI的电泳（蛋白分离方法）图谱如下。

请问答相关问题：

（1）若一尾鲫鱼为纯合二倍体，则其体内GPI类型是______________。

（2）若鲤鱼与鲫鱼均为杂合二倍体，则鲤鲫杂交的子一代中，基因型为a2a4个体的比例为__________。在其杂交子一代中取一尾鱼的组织进行GPI电泳分析，图谱中会出现_________条带。

（3）鲤鲫杂交育种过程中获得了四倍体鱼。四倍体鱼与二倍体鲤鱼杂交，对产生的三倍体子代的组织进行GPI电泳分析，每尾鱼的图谱均一致，如下所示。

据图分析，三倍体的基因型为____________，二倍体鲤鱼亲本为纯合体的概率是____________。

【考点】本题考查基因的分离定律、染色体变异。

【解析】（1）纯合鲫鱼的基因型是a3a3或a4a4，其编码的肽链分别是P3或P4，则其体内GPI类型是P3P3或P4P4。

（2）鲤鱼与鲫鱼的杂合二倍体基因型分别为a1a2和a3a4，鲤鲫杂交的子一代中，共有a1a3、a1a4、a2a3和a2a44种基因型，基因型为a2a4个体的比例为25%。子一代中均为杂合子，取一尾鱼的组织进行GPI电泳分析，与题干图解类似，图谱中会出现3条带。

（3）对产生的三倍体子代的组织进行GPI电泳分析，每尾鱼的图谱中均含有P1、P2、P3，则三倍体的基因型均为a1a2a3。由此推之双亲均为纯合体。

【点评】本题考查基因型和表现型的相互推导和概率分析。属于中档题。解题关键是理解电泳图谱和基因组成的关系。易错点是最后一空，错因在于未能根据三倍体的电泳图谱、基因组成均相同，推测双亲均应为纯合体。

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

2.（2013·安徽卷）图1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2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3。

图1

图2

图3

（1）Ⅱ2的基因型是________。

（2）一个处于平衡状态的群体中a的基因频率为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；基因的自由组合定律的实质及应用；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2：图2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1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的基因频率为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，使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2和图3，从中提取有效信息答题。

基因型AaBb个体只产生Ab、aB两种类型配子，不符合自由组合定律

四、深度拓展

例：（2016·山东模拟）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Ⅱ1～Ⅱ4中需要停止妊娠反应的是________，Ⅱ4的基因型为________。

【考点】基因工程的原理及技术；基因突变的特征。

【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患有镰刀型细胞贫血症，需要停止妊娠反应。

【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（—ACGTATT—），则作为探针的核糖核苷酸序列为—UGCAUAA—。

（3）由以上分析可知：Ⅱ1是BB，Ⅱ2是bb，Ⅱ3是Bb，Ⅱ4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）Ⅱ2BB

（作者单位：广东省中山纪念中学）