第28届国际生物学奥林匹克竞赛试题理论1

第28届国际生物学奥林匹克竞赛试题理论1－1

2020-07-31王戎疆范六民佟向军张雁云

生物学通报 2020年7期

王戎疆杜军范六民佟向军张雁云

（1 北京大学生命科学学院北京 100871 2 中国人民大学附属中学北京 100080 3 北京师范大学生命科学学院北京 100875）

理论考试1 共计3 h。

1～11 题：生命蓝图；12～21 题：生命的组成与生长；22～33 题：对世界作出反应；34～46 题：分享世界。

说明：1）共46 个问题，将在计算机上完成；2）必须回答所有问题的所有部分；对于多项判断正／误任务，用“正确”或“错误”回答每个陈述；可能没有选项正确，也可能全部正确；对于计算问题，选择最接近正确答案的数字；如果不确定，应该作出最好的猜测；不会因猜测错误而受惩罚，反而可能会获得分数；3）每个正确的答案将得1 分；每个错误或缺失答案将得0 分；4）应该按照顺序回答问题，然后回到不能回答的问题。可通过单击旗帜图标标记它们，并通过打开左侧的内容窗格查看进度；可能会发现前面问题中探讨的想法有助于回答后面的问题；5）有些图片可通过点击而放大；6）可通过右上角的选项，改变浏览考题的语言；7）将需要在每个问题中创造性地使用提供的信息，可能不需要高级的技术或专业知识。

本考试中，需要以下设备：被批准使用的计算器，钢笔／铅笔，给考生提供草稿纸。不得将任何纸张带入或带离考场。每个考试的第1 页将提供文档的副本。

考场纪律：1）考场上禁止与任何其他考生交流；2）不得打开计算机其他无关窗口；3）不得访问可能不公平的帮助信息；4）如果需要帮助，请举手示意，并保持面向前方；5）在无监考人员协助下，不得离开电脑；6）遇到技术问题请务必立即通知监考人员。

有用的科学定义：这些术语已在国际生物学奥林匹克竞赛考试中出现多年，但你可能并不熟悉其精确定义。

WT：在所有情况下，WT 是指野生型。野生型生物体没有被遗传操作，或以其他方式进行遗传选择、使其具有特定的遗传特性。

敲除（knockout）：是指具有问题中指定基因的生物，经过突变，该基因无法合成有功能的产物。

单倍型（haplotypes）：是发生在同一DNA 分子上的多个不同等位基因的组合。例如，如果基因A、B、C、D和E位于同一染色体上，且每个基因具有2 个等位基因，则该基因组区域可具有许多的不同的单倍型（AbCdE、abcDE、ABCde等）。如果这些基因具有很强的遗传连锁，则一般单倍型在种群中将比预期更多地发生。一个基因的特异性等位基因通常与所连锁的基因的特定等位基因共存。在这样一个连锁区域内，从原有序列到现在的序列突变创造出新的单倍型。该区域内的减数分裂交叉互换可破坏现有的单倍型，并随机重组等位基因，从而消除了随时间的推移等位基因之间的关联。

毫米汞柱（mmHg）：生物学家通常使用mmHg作为压力单位。mmHg 与帕斯卡、cm H2O 柱成正比，但在大多数生物学环境中给出更整的数字。

分压（partial pressure，Pgas）：只有一种气体存在，分压测量气体对其周围施加的压力。分压注明为Pgas（例如，Po2=氧的分压）。例如，海平面上大气的总压为760 mmHg，氧气占大气中所有分子的21%，因此大气中氧气的分压为Po2=0.21×760=160 mmHg。溶液中气体的分压是该气体在空气与溶液达到平衡时产生的分压。例如，长时间暴露于大气中的玻璃水中的氧分压也将为160 mmHg。因此，生物学家使用分压预测气体转移的速率、方向及平衡状况。分压与溶液中气体的浓度并非直接成比例；浓度取决于分压、溶解度、温度等。

表达（expression）：许多DNA 基因被转录以产生RNA，其被翻译以产生多肽。这种折叠可通过修饰以产生功能性蛋白质。除非另有说明，基因的表达水平描述通过这些过程的组合作用产生多少功能性产物。因此，如果表达增加，则产生更多的功能性蛋白质。这并不一定意味着蛋白质量的增加（可能会迅速降解）。这些功能性产物可能还需要进一步的步骤被激活。

箭头（arrows）：在科学图示中，用箭头表示导致、激活、成为或仅是一个标签。

平头箭头（flat-headed arrows）：在科学图示中，平头箭头指的是抑制、阻断或减少。

生命蓝图

1.测序：Frederick Sanger（1918—2013）发明了蛋白质、RNA 和DNA 的测序方法，Shanker Balasubramanian 爵士（1966—）发明了高通量DNA 测序。国家卫生部门正在对罕见病患者进行前所未有的100 000 个基因组测序，但如下所述，对于这一工作，不同的测序技术具有不同的优点。

PacificBiosciences技术可读取的序列片段的最大长度错误率每个样品每天测序的碱基总数Sanger测序900 bp1 bp／1 000 bp900 bp（1 个片段）Illumina机器200 bp1 bp／100 bp3×1011 bp（＞1.5×109 个片段）机器5 000 bp1 bp／10 bp4×108 bp（＞80 000 个片段）

关于100 000 基因组的项目，判断以下每个陈述是否正确。

A.Illumina 技术最适用于在患者基因组中发现新的核苷酸变异（单个碱基突变）

B.PacificBiosciences 技术最适用于通过RNA测序评估转录的变化

C.PacificBiosciences 技术最适用于在病人基因组中发现DNA 片段的重组

D.在使用患者的遗传信息指导临床干预之前，Sanger 测序最适用于验证结果

2.古DNA：Mark Thomas（1964—）测定了真猛犸象（Mammuthus primigenius）的第1 个DNA 序列。然而，由于降解、样品污染和样品中的聚合酶抑制剂，古DNA 分析仍然是困难的。科学家试图从恐龙化石中提取DNA，并分析一个特定基因的序列。将序列与其他物种进行比较后，作出以下系统发生关系。

判断以下每个陈述是否正确。

A.当使用古代样品时，要得到相同长度的DNA片段，从线粒体基因中比从核基因中更容易

B.测定古代样品非常长的DNA 片段序列，比测定非常短的片段序列更好

C.添加已知序列的DNA 片段可显示样品中是否含有聚合酶抑制剂

D.这种恐龙化石提取物很可能含有受污染的DNA

3.癌症微阵列（基因芯片）：Edwin Southern 爵士（1938—）发明了微阵列，以同时分析数百个基因的表达。微阵列上固定有探测特异性互补mRNA 的探针，这些探针探测基因组水平上表达的mRNA。通过微阵列分析来自数10 名患者的弥漫性大B 细胞淋巴瘤（DLBCL）（图1）。此外，测量了DLBCL 2 种临床亚型患者的存活率（图2）。

判断以下每个陈述是否正确。

A.这些数据说明病人存活率不是由DLBCL 亚型之间的基因表达差异决定

B.基因表达数据表明DLBCL 在分子水平上区分为2 个主要亚型

C.测量单个基因的表达足以区分DLBCL 的亚型

D.与其他亚型相比，DLBCL 的每个亚型具有相等数量的相对上调和相对下调的基因

4.基因表达噪声：将质粒转入细菌中（图1）。当转录因子结合基因启动子时，该质粒中的基因产生红色荧光蛋白（RFP）或绿色荧光蛋白（GFP）。红色和绿色基因启动子序列完全相同。质粒DNA复制从复制起点开始，复制叉以2 个方向向外移动，速度相同。每当复制因子结合在复制起点时，就会复制。测量了各细菌个体的红色和绿色荧光强度（图2）。

判断以下每个陈述是否正确。

A.正在复制的质粒具有不等数量的红色荧光蛋白和绿色荧光蛋白基因

B.平均而言，A 区中的细胞比B 区中的细胞拥有更多的复制因子

C.平均而言，A 区中的细胞比B 区中的细胞拥有更多的转录因子

D.增强转录因子的活性，预计将增加含有等量绿色荧光蛋白和红色荧光蛋白的细胞数量

5.开花的表观遗传学：Dame Jean Thomas（1942—）发现真核DNA 紧密地缠绕在组蛋白上。Adrian Bird 爵士（1947—）帮助解释了DNA 的表观遗传标记。例如，经典的组蛋白H2A 可被变体H2A.Z 替代。测量了不同温度下相同年龄拟南芥植株（图2）中开花驱动基因（图1）上H2A.Z 的占据情况。

判断以下每个陈述是否正确。

A.增加温度会增加开花驱动基因的表达

B.H2A.Z 增强基因表达

C.温度改变H2A.Z 在基因组中结合的位置

D.早开花的植物可能在开花前增加了该基因上H2A.Z 占据度

6.基因沉默：David Baulcombe 爵士（1952—）发现了RNA 介导的基因沉默。将绿色荧光蛋白（GFP）基因插入植物中。用RNA 处理植物，使GFP基因沉默，然后让该植物产生种子（处理的RNA 不传给下一代）。使用的RNA 序列与GFP 的启动子或蛋白质编码序列互补或随机（不互补）。在紫外光下对母本植株、其子代和对照进行成像。

判断以下每个陈述是否正确。

A.在紫外光照下，表达GFP 的叶子将变暗

B.不用靶向目的mRNA 的RNA 处理，也可能实现RNA 介导的基因沉默

C.不改变DNA 序列的情况下，基因表达水平的变化也可从一代遗传至另一代

D.靶向蛋白编码序列的基因沉默是可遗传的

7.基因工程：Michael Smith（1932—2000）发明了定点诱变。科学家最近发明了CRISPR-Case9 技术，使诱变更容易进行。来自化脓链球菌（Streptococcus pyogenes）的Cas9 蛋白由与目标DNA 互补的20 bp 引导RNA 指导。这种Cas9 酶只能在5′-NGG-3′位点（图1）上游3 个碱基上进行双链切割。切割的双链被DNA 降解酶攻击，然后重新连接。希望使用此酶阻止Gene X（图2）的功能。敲除基因的另一种方法是使用修饰过的只能进行单链切割的Case9 和靶向相邻位点的引导RNA。

1）选择将Cas9 引导至位点I 的引导RNA 序列。

你有5 个可供选择的引导RNA 序列：

1=5′-ATTTTTCGACGTTTAGGCCA-3′

2=5′-AUUUUUCGACGUUUAGGCCA-3′

3=5′-AUAAAACGUGCAAAUCCGGU-3′

4=5′-UUUGCACGUUUAGGCCAAGG-3′

5=5′-UUUUUGGGGGCCCAGGAUCU-3′

2）选择最佳可用NGG 位点进行打靶基因X 以阻止其起作用。

选项：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ

3）判断以下每个陈述是否正确。

A.使用一对修饰的Cas9 和引导RNA 将增加脱靶效应而造成其他基因的损伤

B.化脓链球菌基因组比随机预期的具有更多的NGG 位点

C.如果该基因没有GG 序列，应当寻找来自其他物种的Cas9 进行替代

8.复制叉：皇家学会发明的X 射线晶体衍射被Francis Crick 爵士（1916—2004）和Rosalind Franklin（1920—1958）用于发现DNA 结构，并预测其复制的机制。基于他们的工作，预测了大肠杆菌DNA 复制叉的结构，其沿着DNA 以1 000 bp／s的速度移动。ⅰ=管状夹，其拉开一条DNA 链；ⅱ=拓扑异构酶，其在一个磷酸二酯骨架中暂时切割；ⅲ=单链DNA 结合蛋白；ⅳ=不同的聚合酶。

判断以下每个陈述是否正确。

A.抑制拓扑异构酶活性的抗生素，导致复制叉前的DNA 变得过度扭曲

B.聚合酶复合物X 的一个活性是用胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸替代尿嘧啶核糖核酸

C.酶ⅰ优先结合于富含G/C（少A/T）序列

D.蛋白质ⅲ协助互补碱基配对

9.剪接：Richard Roberts 爵士（1943—）利用腺病毒基因组发现了基因的基本结构。在电子显微镜下，Roberts 确定了腺病毒DNA 和RNA 链。后来发现真核mRNA 缺失了基因的一部分（内含子），这是因为RNA 序列通过剪接而重排。

判断以下每个陈述是否正确。

A.每个腺病毒RNA 是作为一个整体从同一条DNA 链转录的

B.腺病毒mRNA 在DNA-RNA 混合双链体中保持结合一段时间

C.转录需要解旋酶活性（分开2 条DNA 链）

D.腺病毒基因mRNA 的剪接机制与典型的真核剪接相似

10.肌萎缩蛋白：肌营养不良症是由基因DYSTROPHIN（图1）的改变引起。这是一个非常大的基因，其长度影响肌营养不良的生物学特征和诊断。RNA 聚合酶以30 bp／s 的速度沿着DNA 移动。DNA 聚合酶每个碱基的错误率为10-8。修复系统后来纠正99%的错误。Alec Jeffreys 爵士（1950—）发明了DNA 指纹图谱（RFLPs），通过PCR 扩增DYSTROPHIN外显子，用DNA 切割酶（核酸内切酶）处理，并在琼脂糖凝胶上依据bp（片段）长度（图2）进行分离。

1）计算DYSTROPHIN转录需要多长时间。选择最接近正确答案的时间。

选项：1 s、1 min、1 h、10 h、1 d

2）计算产生一个新的DYSTROPHIN等位基因（序列变体），需要发生多少次细胞分裂。选择最接近正确答案的数字。

选项：50、500、5 000、50 000、5 000 000

3）计算下列事件发生的位置距离引物1a 的结合位点有多少距离（以碱基对bp 表示）。为A、B和C 选择正确答案。

A.引物1b 结合位点

B.核酸内切酶切割位点

C.引物2 结合位点

选项：100 bp、200 bp、300 bp、700 bp、1 000 bp

4）判断以下每个陈述是否正确。

A.DYSTROPHIN在X 染色体上

B.肌营养不良是显性的

C.DYSTROPHIN 蛋白可用20 kb 的质粒在细菌中进行表达

D.许多肌营养不良患者都是由新的（从头）突变造成的

11.果蝇眼睛：Williams Bateson（1861—1926）创立了现代遗传学学科，Reginald Punnett（1875—1967）创建了一种预测孟德尔遗传表型频率的技术，但Edith Saunders（1865—1945）注意到，某些特征的组合不是以孟德尔方式遗传的。为研究此现象，可分析果蝇性状的遗传。根据以下方案进行一个虚拟的果蝇杂交：野生型（WT）果蝇具有红眼（图中1）是通过混合棕色和朱砂色素产生的；white基因突变会产生白眼（图中2）；敲除cinnabar基因会产生朱砂色眼（图中3）；敲除brown基因会产生棕眼（图中4）；野生型果蝇具有功能性翅（图中5），而vestigial基因突变导致残翅（图中6）。white基因位于X 染色体上，基因brown-cinnabar-vestigial以此顺序位于相同的染色体上。具有白眼、正常翅的雄性果蝇与白眼、残翅的雌性果蝇杂交，所有后代（F1）都是红眼的雌性或白眼的雄性，没有F1果蝇是残翅。F1雌性与白眼、残翅的雄性交配。计数了该杂交所产生的F2雌蝇。