淺析“凝膠電泳圖譜”典型高考試題

李 萍

(天津外國語大學附屬濱海外國語學校 300467)

凝膠電泳是分離、鑒定核酸及蛋白質大分子的生化實驗技術，目前在分子生物學、遺傳學、生物化學研究中廣泛應用。雖然電泳的概念、原理在人教版高中生物學教材選修1 《生物技術實踐》中有簡要介紹，但這部分知識對于高中生來說還是相當抽象的，學生在理解應用上有一定困難。此外，高考命題突出能力考查，注重在新情境中考查學生從文字、圖表等形式中獲取信息以及運用所學知識解決問題的能力，試題形式往往靈活多變。因此，很多學生遇到凝膠電泳圖譜與遺傳、基因工程等教材知識相結合的試題時，往往感覺無從下手。本文對凝膠電泳圖譜類高考試題進行整理解析。

1 凝膠電泳的基本原理

許多重要的生物大分子如蛋白質、核酸等具有可解離的基團，在一定的pH下，這些基團會帶上正電或負電。在電場的作用下這些帶電分子會向著與其所帶電荷相反的電極移動。電泳利用了待分離樣品中各種分子帶電性質的差異以及分子本身的大小、形狀的不同，使帶電分子在通過凝膠介質時產生不同的遷移速度，從而實現樣品中各種分子的分離。

凝膠電泳主要分為瓊脂糖凝膠電泳和聚丙烯酰胺凝膠電泳兩種類型，前者一般用于核酸的分離，后者主要用于蛋白質鑒別。電泳中樣品分子移動的本質確實是其所攜帶的電荷，但由于各分子的電荷/分子量比達到恒定，所以區分樣品分子遷移速率，可以直接用分子量而無需使用電荷數。以DNA分子為例，它在電泳中的移動是靠其骨架中磷酸所攜帶的負電荷來實現的，而這個磷酸分子又是每一個核苷酸中都有的，所以DNA分子所攜帶的負電荷數是由其核苷酸總數決定的，這樣，DNA分子中負電荷的量就可以用DNA的分子量來代替。與之類似的蛋白質電泳中，由于蛋白質所攜帶的電荷與蛋白分子量也成了一定比例，同樣使得電泳的遷移速率完全取決于分子的大小。

2 高考試題分析

近年來，以遺傳、基因工程知識為背景，以DNA電泳圖譜為情境的高考試題較為常見，另外也出現了對蛋白質電泳圖譜的考查。

例1 (2015年高考福建卷節選) GDNF是一種神經營養因子，對損傷的神經細胞具有營養和保護作用，研究人員構建了GDNF基因的表達載體(圖1)，并導入到大鼠神經干細胞中，用于細胞基因治療的研究，請回答：

圖1 GDNF基因表達載體的構建過程

(注：bp表示堿基對；載體和基因片段上的小箭頭表示相關限制酶的酶切位點)

(1)構建含GDNF基因的表達載體時，需選擇圖1中的________限制酶進行酶切。

(2)經酶切后的載體和GDNF基因進行連接，連接產物經篩選得到的載體主要有3種：單個載體自連、GDNF基因與載體正向連接、GDNF基因與載體反向連接(圖1)。為鑒定這3種連接方式，選擇HpaⅠ酶和BamHⅠ酶對篩選得到的載體進行雙酶切，并對酶切后的DNA片段進行電泳分析，結果如圖2所示，圖中第________泳道顯示所鑒定的載體是正向連接的。

圖2 載體酶切電泳分析圖譜

命題立意：本題考查基因工程的相關知識，要求考生識記基因工程的原理、操作工具及操作步驟等，掌握各步驟中的相關細節，能結合所學知識做出準確判斷，其中電泳結果的推理較靈活，難度中等。

解析：(1)根據圖1分析可知，由于GDNF基因兩邊都有XhoⅠ限制酶識別序列，所以構建含GDNF基因的表達載體時，需選擇XhoⅠ限制酶進行酶切。(2)選擇HpaⅠ酶和BamHⅠ酶對構建的表達載體進行酶切鑒定，因酶切片段鏈的長短不同，經凝膠電泳分離后，會顯示不同的帶譜。對三種連接方式分別分析可得圖3：單個載體自連，經雙酶切后僅能形成一條帶，為質粒本身長度，電泳結果為泳道①；目的基因與載體反向連接，雙酶切會產生兩個大小不同的DNA片段，一段是質粒上HpaⅠ酶與XhoⅠ之間的100bp加上目的基因上XhoⅠ與BamHⅠ之間的100bp，共200bp，另一段是原有質粒的5900bp加上目的基因上剩余的BamHⅠ與XhoⅠ之間600bp，共6500bp，由于片段大的泳動慢，位于上方，片段小的泳動快位于下方，故電泳結果應為泳道③；如果是正向連接，則經雙酶切后同樣會產生兩個片段，一段是質粒上HpaⅠ酶與XhoⅠ之間的100bp加上目的基因上XhoⅠ與BamHⅠ之間的600bp，共700bp，另一段是原有質粒的5900bp加上目的基因上剩余的100bp，共6000bp，故會出現泳道②所示的電泳結果。總之，對于基因工程中酶切片段的電泳圖譜分析類問題，首先應將題干信息轉化為圖像信息，再根據酶切產生的DNA片段大小分析對應的電泳條帶。參考答案 (1)XhoⅠ (2)②。

圖3 三種連接方式獲得的表達載體

例2 (2015年高考江蘇卷節選)由苯丙氨酸羥化酶基因突變引起的苯丙氨酸代謝障礙，是一種嚴重的單基因遺傳病,稱為苯丙酮尿癥(PKU)，正常人群中每70人有1人是該致病基因的攜帶者(顯、隱性基因分別用A、a表示)。圖4是某患者的家族系譜圖,其中Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3及胎兒Ⅲ1(羊水細胞)的DNA經限制酶Msp消化，產生不同的片段(kb表示千堿基對)，經電泳后用苯丙氨酸羥化酶cDNA探針雜交，結果見圖5。請回答下列問題：

圖4 某患者家族系譜圖

(1)Ⅰ1、Ⅱ1的基因型分別為__________。

(2)依據cDNA探針雜交結果，胎兒Ⅲ1的基因型是________。Ⅲ1長大后，若與正常異性婚配，生一個正常孩子的概率為__________。

圖5 酶切、電泳及DNA探針檢驗結果

(3)若Ⅱ2和Ⅱ3生的第2個孩子表型正常，長大后與正常異性婚配,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。

命題立意：本題綜合考查了遺傳學的相關知識，意在考查考生分析題圖提取有效信息的能力、運用所學知識綜合分析問題和解決問題的能力。本題的一大特點是基因工程、遺傳系譜圖、凝膠電泳圖等知識的結合，綜合性較強。

解析：(1)由圖4可見，Ⅱ1為患病女孩，而其父母正常，說明苯丙酮尿癥屬于常染色體隱性遺傳病，所以其基因型為aa。由于Ⅰ1正常，故其基因型為Aa。(2)由圖5可見，用Msp酶對四位家族成員的DNA進行酶切，由于A、a基因酶切片段大小不同，經凝膠電泳分離后，再用cDNA探針進行雜交，便可顯示不同的兩種條帶，其中A基因酶切片段較大，23kb，故泳動距離小，距離點樣孔較近，而a基因酶切片段為19kb的小片段，故泳動距離較大，距離點樣孔較遠。因此，由圖5可以判斷Ⅱ2同時含有A與a基因，其基因型為Aa，同理可以推理出Ⅱ1、Ⅱ3、Ⅲ1的基因型分別為aa、Aa、Aa。Ⅲ1長大后，若與正常異性婚配，由于正常人群中每70人有1人是該致病基因的攜帶者，所以生一個正常孩子的概率為1﹣1/70×1/4=279/280。若Ⅱ2和Ⅱ3生的第2個孩子表現型正常，其基因型為AA或Aa，長大后與正常異性婚配，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46.67倍。總之，本題的突破口在于通過分析凝膠電泳圖譜，推理出Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅲ1的基因型，只有確定了相應成員基因型，才能繼續運用所學的遺傳病概率計算知識解決遺傳學問題。參考答案 (1)Aa、aa (2)Aa 279/280 (3)46.67。

例3 (2016年高考天津卷)鯉魚和鯽魚體內的葡萄糖磷酸異構酶(GPI)是同工酶(結構不同、功能相同的酶)，由兩條肽鏈構成。編碼肽鏈的等位基因在鯉魚中是a1和a2，在鯽魚中是a3和a4，這四個基因編碼的肽鏈P1、P2、P3、P4可兩兩組合成GPI。以雜合體鯽魚(a1a2)為例，其GPI基因、多肽鏈、GPI的電泳(蛋白分離方法)圖譜見圖6。

圖6 GPI基因、多肽鏈及GPI的電泳圖譜

(1)若一尾鯽魚為純合二倍體，則其體內GPI類型是__________。

(2)若鯉魚與鯽魚均為雜合二倍體，則鯉鯽雜交的子一代中，基因型為a2a4個體的比例為________。在其雜交子一代中取一尾魚的組織進行GPI電泳分析，圖譜中會出現__________條帶。

(3)鯉鯽雜交育種過程中獲得了四倍體魚。四倍體魚與二倍體鯉魚雜交，對產生的三倍體子代的組織進行GPI電泳分析，每尾魚的圖譜均一致，如圖7所示。據圖分析，三倍體的基因型為__________，二倍體鯉魚親本為純合體的概率是__________。

圖7 電泳分析圖譜

命題立意：不同于上面兩道例題的DNA凝膠電泳圖譜分析，本題呈現的是蛋白質凝膠電泳圖，考查了基因型和表現型的相互推導和概率分析。解題關鍵是理解蛋白質電泳圖譜和基因組成的關系。

解析：(1)由圖6可知，鯉魚中基因a1和a2分別編碼P1、P2肽鏈，則鯽魚基因a3、a4分別編碼P3、P4肽鏈，所以純和鯽魚(基因型為a3a3或a4a4)體內的GPI類型是P3P3或P4P4。(2)由圖6分析可知，基因型為a1a2的鯉魚，編碼出的P1、P2兩種肽鏈可兩兩隨機組合成3種GPI類型：P1P1、P1P2、P2P2，3種GPI蛋白由于分子大小的不同，在凝膠中泳動的距離不同，因而呈現出3條條帶。鯉魚與鯽魚的雜合二倍體基因型分別為a1a2、a3a4，雜交后代的基因型是a1a3∶a1a4∶a2a3∶a2a4=1∶1∶1∶1，基因型為a2a4個體的比例為25%。由于雜交后代都是雜合子，因此雜交子一代中取一尾魚的組織進行GPI電泳分析，應與圖6類似，圖譜中會出現3條不同大小的蛋白質條帶。(3)對產生的三倍體子代的組織進行GPI電泳分析，結果如圖7，每一尾魚的圖譜中都含有P1、P2、P3(可組合成6種GPI)，因此三倍體同時含有a1、a2、a3基因，三倍體的基因型均為a1a2a3。由此推知，三倍體的雙親均為純合體。本題的易錯點是最后一空，錯因在于未能根據三倍體的電泳圖譜、基因組成均相同，推測雙親均應為純合體。參考答案： (1)P3P3或P4P4(2)25% 3 (3)a1a2a3100%。

3 小結

隨著新課程改革的進一步深化，高考在命題上越來越關注教材知識在新情境中的應用。凝膠電泳技術雖未在教材中詳細介紹，但從近幾年的高考試題來看，凝膠電泳圖譜常常作為基因工程、遺傳學知識等的情境材料來考查學生的學科核心素養。所以，在高考復習中，教師應該讓學生了解電泳技術的簡單知識和原理，學會分析電泳圖譜，從中獲取相關的生物學信息，并能運用這些信息結合所學知識解決相關的生物學問題。