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微专题(三) 遗传前沿科技
生物科技的重要进展与突破已经在解决有关健康、医药、材料、能源、环境、气候变
化和人口增长等全球问题方面展现了巨大前景，关键性、前沿性、交叉性、颠覆性技术发展
引起各国高度关注，积极布局新一代基因组技术、合成生物技术、微生物组技术、生物成像
技术研发。尤其是基因组学技术不断突破，引领基因组研究从“读取”进入到“编辑”和
“编写”时代。近几年的诺贝尔奖多次涉及基因表达或基因编辑的相关内容。
命题点有：①基因打靶；②基因编辑；③诱导多能干细胞；④细胞自噬的机制和相关
基因表达(预测命题点)。
诱导性多能干细胞，把Oct3/4、Sox2、C－myc和Klf4这四种转录因子基因克隆入病毒
载体，然后引入小鼠成纤维细胞，发现可诱导其发生转化，产生的iPS细胞在形态、基因和
蛋白表达、表观遗传修饰状态、细胞倍增能力、类胚体和畸形瘤生成能力、分化能力等方面
都与胚胎干细胞相似。与经典的胚胎干细胞技术和体细胞核移植技术不同，iPS技术不使用
胚胎细胞或卵细胞，因此没有伦理学的问题。利用iPS技术可以用病人自己的体细胞制备专
有的干细胞，所以不会有免疫排斥的问题。
基因打靶是一种利用同源重组方法改变生物体某一内源基因的遗传学技术。这一技术
可以用于删除某一基因、去除外显子或导入点突变，从而可以对此基因的功能进行研究。
基因编辑技术指能够让人类对目标基因进行定点“编辑”，实现对特定DNA片段的修
饰。基因编辑依赖于经过基因工程改造的核酸酶，也称“分子剪刀”，在基因组中特定位置
产生位点特异性双链断裂(DSB)，诱导生物体通过非同源末端连接(NHEJ)或同源重组(HR)来
修复DSB，因为这个修复过程容易出错，从而导致靶向突变。这种靶向突变就是基因编辑。
基因编辑以其能够高效率地进行定点基因组编辑， 在基因研究、基因治疗和遗传改良等方
面展示出了巨大的潜力。植物基因的靶向修饰是基因编辑应用最广泛的领域。首先可以通过
修饰内源基因来帮助设计所需的植物性状，基因编辑技术还被应用于改良农产品质量。单细
胞基因表达分析已经解决了人类发育的转录路线图，从中发现了关键候选基因用于功能研究。
使用全基因组转录组学数据指导实验，基于CRISPR的基因组编辑工具使得干扰或删除关键
基因以阐明其功能成为可能。
1．(2022·湖南长沙高三月考)科学家将Oct3、Sox2、C－myc和Klf4等基因导入高度分化的
体细胞中，使高度分化的成熟体细胞重新编程为可发育成身体组织的非成熟细胞，这种细胞与人类胚胎干细胞极其相似，称为诱导多能干细胞(iPS细胞)，iPS细胞能被诱导分化为肝细
胞、神经细胞等人身上几乎所有的细胞类型，被誉为再生医疗的王牌。下列相关叙述错误的
是( )
A．iPS细胞能分化成不同种类细胞的实质是基因的选择性表达
B．iPS细胞与成熟体细胞相比，细胞内的遗传物质未发生变化
C．利用iPS细胞的分化能力，有望成功治愈心脏类疾病
D．iPS细胞有丝分裂后期的染色体数目和核DNA分子数目相同
答案 B
解析 iPS细胞能分化成不同种类细胞是细胞分化的结果，细胞分化的实质是基因的选择性
表达，A正确；根据题意“iPS细胞是通过向成熟体细胞导入特定的基因，诱导其转变为干
细胞”可知，iPS细胞与成熟体细胞相比，细胞内的遗传物质发生了变化，B错误；iPS能
被诱导分化为肝细胞、神经细胞等人身上几乎所有的细胞类型，因此利用iPS细胞的分化能
力，有望成功治愈心脏类疾病，C正确；有丝分裂后期着丝点分裂，一条染色体上只含有一
个DNA分子，故iPS细胞有丝分裂后期的染色体数目和核DNA分子数目相同，D正确。
2．(2022·湖北武汉高三模拟)细菌抵御噬菌体的机理如图所示：当某些细菌第一次被特定的
噬菌体感染后，细菌Cas2基因开始表达出Cas2(一种限制酶)，Cas2会随机低效切断入侵的
噬菌体DNA，并将切下的DNA片段插入CRISPR位点。当再次遭到同种噬菌体入侵时，细
菌转录产生的crRNA便会将另一种限制酶(如Cas9)准确带到入侵者DNA处，并将之切断。
下列叙述错误的是( )
A．Cas2切下1个DNA片段的过程中，需破坏4个磷酸二酯键
B．Cas9借助crRNA识别外来噬菌体身份最可能是依靠碱基互补配对来实现的
C．切下的DNA片段插入CRISPR位点后，会随着细菌DNA的复制而复制
D．上图中crRNA的模板链最初来源于噬菌体DNA，其翻译的产物是Cas9
答案 D
解析 Cas2切下1个DNA片段的过程中，需要切割DNA片段的两侧，而DNA是双链结构，共破坏 4个磷酸二酯键，A正确；由图可知，当细菌再次遭到同种噬菌体入侵时，由
CRISPR位点转录产生的crRNA便会将另一种限制酶准确带到入侵者DNA处，涉及RNA与
DNA的结合，和mRNA与DNA模板链的结合的机理类似，利用的是碱基互补配对的原则，
B正确；切下的DNA片段插入CRISPR位点，相当于基因重组，会随着细菌DNA的复制而
复制，C正确；对比两图可知，crRNA是由切下的噬菌体DNA片段插入CRISPR位点后转
录形成的，其模板链最初来源于噬菌体DNA，但其翻译产物不是Cas9，Cas9是由细菌基因
组中Cas9基因转录翻译形成的，D错误。
3．(2022·辽宁锦州高三模拟)TALEN是一种靶向基因操作技术，该技术利用了TAL靶向识
别单元对靶向基因的识别作用和FokⅠ蛋白对靶向基因的切割作用，实现了对特定靶向基因
的敲除。TAL靶向识别单元为间隔32个氨基酸的双连氨基酸(即两个相连的氨基酸)序列。
不同的双连氨基酸分别与靶向基因中的 A、T、C、G有恒定的对应关系，根据靶向基因的
碱基序列可以设计出双连氨基酸序列。下列说法错误的是( )
A．该技术应该先推测出信使RNA序列，再推测出目的基因的核苷酸序列
B．在构建的基因表达载体中，启动子应位于基因的首端，它是 RNA聚合酶识别和结合的部
位
C．TALEN是一种靶向基因操作技术，其中FokⅠ蛋白实质上是一种限制酶
D．双连氨基酸能够与含氮碱基A、T、C、G之间发生碱基互补配对
答案 D
解析 已知TAL靶向识别单元中双连氨基酸序列和FokⅠ蛋白的氨基酸序列，可先推测出
信使RNA序列，再推测出目的基因的核苷酸序列，利用化学法以单个核苷酸为原料合成目
的基因，再通过PCR技术进行扩增，A正确；在构建的基因表达载体中，有启动子、终止
子、目的基因、标记基因等，其中启动子位于基因的首端，它是 RNA聚合酶识别和结合的
部位，B正确；由题中“FokⅠ蛋白对靶向基因的切割作用”可知，FokⅠ蛋白实质上是一
种限制酶，C正确；只有含氮碱基之间能发生碱基互补配对，而双连氨基酸不含有含氮碱基，
D错误。
4．(2022·湖南娄底高三检测)细胞自噬是指细胞通过降解自身结构或物质使细胞存活的自我
保护机制。图1、图2为细胞自噬的信号调控过程，AKT和mTor是抑制细胞凋亡和自噬的
两种关键蛋白激酶。下列说法错误的是( )
A．细胞凋亡对生物体有利，细胞自噬对生物体不利B．胰岛素可以作为信号分子与细胞膜上的受体结合
C．细胞外葡萄糖充足时，细胞凋亡和细胞自噬受到抑制
D．图中所示细胞自噬与细胞凋亡的过程都受到细胞内酶的调控
答案 A
解析 由图可知，细胞自噬可为细胞提供ATP，保证生命活动的正常进行，对生物体有利，
A错误；分析图1可知，当细胞外葡萄糖充足时，ATK和mTor被激活，从而抑制细胞凋亡
和细胞自噬，C正确；AKT和mTor是抑制细胞凋亡和自噬的两种关键蛋白激酶，细胞自噬
和凋亡受到这两种酶的调控，D正确。
5．(2022·山东烟台高三月考)Cre－loxP系统能实现特定基因的敲除(如图1)。把几种荧光蛋
白基因和Cre酶能识别并切割的序列(loxP1和loxP2)串在一起，构建基因表达载体T(如图
2)。部分荧光蛋白基因会被Cre酶随机“剪掉”，且两个loxP1之间或两个loxP2之间的基
因，最多会被Cre酶敲除一次，剩下的部分得以表达，随机呈现不同的颜色。下列叙述错误
的是( )
A．构建基因表达载体T需用到限制酶和DNA连接酶
B．若小鼠细胞含一个基因表达载体T(不含Cre酶)，其肌肉组织细胞呈红色
C．若小鼠细胞含一个基因表达载体T(含Cre酶)，其脑组织细胞呈红色、黄色或蓝色
D．若小鼠细胞含两个基因表达载体T(含Cre酶)，其脑组织细胞可能出现两种颜色
答案 B
解析 据图可知，该过程在脑组织中特异性发生，在其他组织中不发生，B错误；小鼠有编
码红、黄、蓝荧光蛋白的基因，loxP1、loxP2位置如图2所示，两个loxP1和两个loxP2之
间的基因最多会被Cre酶敲除一次，将含Cre酶的病毒注入小鼠体内，Cre酶表达情况不同，
识别的loxP不同，则有可能不敲除荧光蛋白基因，此时为红色；也有可能敲除两个loxP1之
间的红色荧光蛋白基因，此时为黄色；有可能敲除两个loxP2之间的红色和黄色荧光蛋白基
因，此时为蓝色，因而不同脑细胞会差异表达红色、黄色或蓝色荧光蛋白基因，C正确；若
小鼠脑组织细胞内有两个相同的基因表达载体T(含Cre酶)，Cre酶对每个DNA片段随机剪
切，则细胞的颜色可知由细胞内两种荧光蛋白的颜色叠加形成，故其脑组织细胞可能出现两种颜色，D正确。
6．2006年，科学家利用病毒将原癌基因(C－myc)、抑癌基因(Klf4)、Sox2和Oct4等转入高
度分化的小鼠成纤维细胞中，获得 iPS细胞(诱导多能干细胞)。在探索肌萎缩侧索硬化
(ALS，俗称“渐冻症”)的治疗中，科研人员利用iPS细胞诱导分化成异常的运动神经元建
立ALS疾病模型，用于进行大规模药物筛选及药效机制研究。在Ⅰ型糖尿病的治疗中，iPS
细胞定向分化为胰岛B细胞，将其输入患者体内，替代被破坏的胰岛 B细胞，显著改善了
患者的血糖控制。2022年3月，我国科学家通过两个关键因子诱导DNA去甲基化，将人类
多能性干细胞转化为8细胞阶段全能性胚胎样细胞(简称8CL细胞)。这是目前全球通过无转
基因、快速和可控的方法获得的体外培养的“最年轻”的人类细胞。相比于iPS细胞，这些
细胞不仅能分化成胎盘组织，还有潜力发育成更成熟的器官。从 ES细胞到iPS细胞，再到
8CL细胞的技术突破，都为早期胚胎发育的基础研究提供了一种新的体外研究系统，有助于
我们了解早期胚胎发育和疾病发生之间的关系，以及研究和治疗出生缺陷和各种发育疾病，
也使个体化器官再生最终有可能成为现实。请回答下列问题：
(1)ES细胞和8CL细胞具有________性，其分化过程从分子水平上看是________________的
结果。
(2)利用成纤维细胞获得iPS细胞的过程中，转入C－myc、Klf4、Sox2和Oct4等的作用是
_____________________________________________________________________________。
(3)结合文中信息，下列可以应用iPS细胞实现的有________(多选)。
A．利用iPS细胞研究完整的哺乳动物胚胎发育过程
B．利用iPS细胞分化获得神经元，用于治疗阿尔茨海默病
C．利用iPS细胞诱导形成疾病模型细胞，对药物的安全性和有效性进行检测
D．诱导iPS细胞形成囊胚并植入子宫，使其进一步发育成新个体
(4)与异体器官移植相比，自体器官移植的优势是________________________。
(5) 相 较 于 ES 细 胞 和 iPS 细 胞 ， 我 国 科 学 家 研 究 获 得 的 8CL 细 胞 的 优 势 是
__________________
_______________________________________________________________________________
。
答案 (1)全能 基因选择性表达 (2)诱导已分化细胞转变为未分化细胞 (3)BC (4)可避免
免疫排斥 (5)8CL细胞比ES细胞和iPS细胞的全能性更高(或8CL细胞比ES细胞和iPS细
胞“更年轻”或8CL细胞来源更多，可以规避伦理问题)
解析 (2)iPS细胞是经成纤维细胞诱导分化得到的，成纤维细胞属于已分化的细胞，故利用
成纤维细胞获得iPS细胞的过程中，转入C－myc、Klf4、Sox2和Oct4等的作用是诱导已分
化细胞转变为未分化细胞。(3)由“使个体化器官再生最终有可能成为现实”可知，目前的
水平还未将iPS细胞成功培育为个体，故不能用于研究完整的哺乳动物胚胎发育过程，诱导
iPS细胞形成囊胚并植入子宫，使其进一步发育成新个体，会对人类现有的伦理道德观念造
成冲击，A、D错误；由“科研人员利用iPS细胞诱导分化成异常的运动神经元建立ALS疾病模型”可知，可利用iPS细胞分化获得神经元，用于治疗阿尔茨海默病，也可利用iPS细
胞诱导形成疾病模型细胞，对药物的安全性和有效性进行检测，B、C正确。
