第28屆國際生物學奧林匹克競賽試題 理論1－1

王戎疆 杜 軍 范六民 佟向軍 張雁云

（1 北京大學生命科學學院 北京 100871 2 中國人民大學附屬中學 北京 100080 3 北京師范大學生命科學學院 北京 100875）

理論考試1 共計3 h。

1～11 題：生命藍圖；12～21 題：生命的組成與生長；22～33 題：對世界作出反應；34～46 題：分享世界。

說明：1）共46 個問題，將在計算機上完成；2）必須回答所有問題的所有部分；對于多項判斷正／誤任務，用“正確”或“錯誤”回答每個陳述；可能沒有選項正確，也可能全部正確；對于計算問題，選擇最接近正確答案的數字；如果不確定，應該作出最好的猜測；不會因猜測錯誤而受懲罰，反而可能會獲得分數；3）每個正確的答案將得1 分；每個錯誤或缺失答案將得0 分；4）應該按照順序回答問題，然后回到不能回答的問題。可通過單擊旗幟圖標標記它們，并通過打開左側的內容窗格查看進度；可能會發現前面問題中探討的想法有助于回答后面的問題；5）有些圖片可通過點擊而放大；6）可通過右上角的選項，改變瀏覽考題的語言；7）將需要在每個問題中創造性地使用提供的信息，可能不需要高級的技術或專業知識。

本考試中，需要以下設備：被批準使用的計算器，鋼筆／鉛筆，給考生提供草稿紙。不得將任何紙張帶入或帶離考場。每個考試的第1 頁將提供文檔的副本。

考場紀律：1）考場上禁止與任何其他考生交流；2）不得打開計算機其他無關窗口；3）不得訪問可能不公平的幫助信息；4）如果需要幫助，請舉手示意，并保持面向前方；5）在無監考人員協助下，不得離開電腦；6）遇到技術問題請務必立即通知監考人員。

有用的科學定義：這些術語已在國際生物學奧林匹克競賽考試中出現多年，但你可能并不熟悉其精確定義。

WT：在所有情況下，WT 是指野生型。野生型生物體沒有被遺傳操作，或以其他方式進行遺傳選擇、使其具有特定的遺傳特性。

敲除（knockout）：是指具有問題中指定基因的生物，經過突變，該基因無法合成有功能的產物。

單倍型（haplotypes）：是發生在同一DNA 分子上的多個不同等位基因的組合。例如，如果基因A、B、C、D和E位于同一染色體上，且每個基因具有2 個等位基因，則該基因組區域可具有許多的不同的單倍型（AbCdE、abcDE、ABCde等）。如果這些基因具有很強的遺傳連鎖，則一般單倍型在種群中將比預期更多地發生。一個基因的特異性等位基因通常與所連鎖的基因的特定等位基因共存。在這樣一個連鎖區域內，從原有序列到現在的序列突變創造出新的單倍型。該區域內的減數分裂交叉互換可破壞現有的單倍型，并隨機重組等位基因，從而消除了隨時間的推移等位基因之間的關聯。

毫米汞柱（mmHg）：生物學家通常使用mmHg作為壓力單位。mmHg 與帕斯卡、cm H2O 柱成正比，但在大多數生物學環境中給出更整的數字。

分壓（partial pressure，Pgas）：只有一種氣體存在，分壓測量氣體對其周圍施加的壓力。分壓注明為Pgas（例如，Po2=氧的分壓）。例如，海平面上大氣的總壓為760 mmHg，氧氣占大氣中所有分子的21%，因此大氣中氧氣的分壓為Po2=0.21×760=160 mmHg。溶液中氣體的分壓是該氣體在空氣與溶液達到平衡時產生的分壓。例如，長時間暴露于大氣中的玻璃水中的氧分壓也將為160 mmHg。因此，生物學家使用分壓預測氣體轉移的速率、方向及平衡狀況。分壓與溶液中氣體的濃度并非直接成比例；濃度取決于分壓、溶解度、溫度等。

表達（expression）：許多DNA 基因被轉錄以產生RNA，其被翻譯以產生多肽。這種折疊可通過修飾以產生功能性蛋白質。除非另有說明，基因的表達水平描述通過這些過程的組合作用產生多少功能性產物。因此，如果表達增加，則產生更多的功能性蛋白質。這并不一定意味著蛋白質量的增加（可能會迅速降解）。這些功能性產物可能還需要進一步的步驟被激活。

箭頭（arrows）：在科學圖示中，用箭頭表示導致、激活、成為或僅是一個標簽。

平頭箭頭（flat-headed arrows）：在科學圖示中，平頭箭頭指的是抑制、阻斷或減少。

生命藍圖

1.測序：Frederick Sanger（1918—2013）發明了蛋白質、RNA 和DNA 的測序方法，Shanker Balasubramanian 爵士（1966—）發明了高通量DNA 測序。國家衛生部門正在對罕見病患者進行前所未有的100 000 個基因組測序，但如下所述，對于這一工作，不同的測序技術具有不同的優點。

PacificBiosciences技術可讀取的序列片段的最大長度錯誤率每個樣品每天測序的堿基總數Sanger測序900 bp1 bp／1 000 bp900 bp（1 個片段）Illumina機器200 bp1 bp／100 bp3×1011 bp（＞1.5×109 個片段）機器5 000 bp1 bp／10 bp4×108 bp（＞80 000 個片段）

關于100 000 基因組的項目，判斷以下每個陳述是否正確。

A.Illumina 技術最適用于在患者基因組中發現新的核苷酸變異（單個堿基突變）

B.PacificBiosciences 技術最適用于通過RNA測序評估轉錄的變化

C.PacificBiosciences 技術最適用于在病人基因組中發現DNA 片段的重組

D.在使用患者的遺傳信息指導臨床干預之前，Sanger 測序最適用于驗證結果

2.古DNA：Mark Thomas（1964—）測定了真猛犸象（Mammuthus primigenius）的第1 個DNA 序列。然而，由于降解、樣品污染和樣品中的聚合酶抑制劑，古DNA 分析仍然是困難的。科學家試圖從恐龍化石中提取DNA，并分析一個特定基因的序列。將序列與其他物種進行比較后，作出以下系統發生關系。

判斷以下每個陳述是否正確。

A.當使用古代樣品時，要得到相同長度的DNA片段，從線粒體基因中比從核基因中更容易

B.測定古代樣品非常長的DNA 片段序列，比測定非常短的片段序列更好

C.添加已知序列的DNA 片段可顯示樣品中是否含有聚合酶抑制劑

D.這種恐龍化石提取物很可能含有受污染的DNA

3.癌癥微陣列（基因芯片）：Edwin Southern 爵士（1938—）發明了微陣列，以同時分析數百個基因的表達。微陣列上固定有探測特異性互補mRNA 的探針，這些探針探測基因組水平上表達的mRNA。通過微陣列分析來自數10 名患者的彌漫性大B 細胞淋巴瘤（DLBCL）（圖1）。此外，測量了DLBCL 2 種臨床亞型患者的存活率（圖2）。

判斷以下每個陳述是否正確。

A.這些數據說明病人存活率不是由DLBCL 亞型之間的基因表達差異決定

B.基因表達數據表明DLBCL 在分子水平上區分為2 個主要亞型

C.測量單個基因的表達足以區分DLBCL 的亞型

D.與其他亞型相比，DLBCL 的每個亞型具有相等數量的相對上調和相對下調的基因

4.基因表達噪聲：將質粒轉入細菌中（圖1）。當轉錄因子結合基因啟動子時，該質粒中的基因產生紅色熒光蛋白（RFP）或綠色熒光蛋白（GFP）。紅色和綠色基因啟動子序列完全相同。質粒DNA復制從復制起點開始，復制叉以2 個方向向外移動，速度相同。每當復制因子結合在復制起點時，就會復制。測量了各細菌個體的紅色和綠色熒光強度（圖2）。

判斷以下每個陳述是否正確。

A.正在復制的質粒具有不等數量的紅色熒光蛋白和綠色熒光蛋白基因

B.平均而言，A 區中的細胞比B 區中的細胞擁有更多的復制因子

C.平均而言，A 區中的細胞比B 區中的細胞擁有更多的轉錄因子

D.增強轉錄因子的活性，預計將增加含有等量綠色熒光蛋白和紅色熒光蛋白的細胞數量

5.開花的表觀遺傳學：Dame Jean Thomas（1942—）發現真核DNA 緊密地纏繞在組蛋白上。Adrian Bird 爵士（1947—）幫助解釋了DNA 的表觀遺傳標記。例如，經典的組蛋白H2A 可被變體H2A.Z 替代。測量了不同溫度下相同年齡擬南芥植株（圖2）中開花驅動基因（圖1）上H2A.Z 的占據情況。

判斷以下每個陳述是否正確。

A.增加溫度會增加開花驅動基因的表達

B.H2A.Z 增強基因表達

C.溫度改變H2A.Z 在基因組中結合的位置

D.早開花的植物可能在開花前增加了該基因上H2A.Z 占據度

6.基因沉默：David Baulcombe 爵士（1952—）發現了RNA 介導的基因沉默。將綠色熒光蛋白（GFP）基因插入植物中。用RNA 處理植物，使GFP基因沉默，然后讓該植物產生種子（處理的RNA 不傳給下一代）。使用的RNA 序列與GFP 的啟動子或蛋白質編碼序列互補或隨機（不互補）。在紫外光下對母本植株、其子代和對照進行成像。

判斷以下每個陳述是否正確。

A.在紫外光照下，表達GFP 的葉子將變暗

B.不用靶向目的mRNA 的RNA 處理，也可能實現RNA 介導的基因沉默

C.不改變DNA 序列的情況下，基因表達水平的變化也可從一代遺傳至另一代

D.靶向蛋白編碼序列的基因沉默是可遺傳的

7.基因工程：Michael Smith（1932—2000）發明了定點誘變。科學家最近發明了CRISPR-Case9 技術，使誘變更容易進行。來自化膿鏈球菌（Streptococcus pyogenes）的Cas9 蛋白由與目標DNA 互補的20 bp 引導RNA 指導。這種Cas9 酶只能在5′-NGG-3′位點（圖1）上游3 個堿基上進行雙鏈切割。切割的雙鏈被DNA 降解酶攻擊，然后重新連接。希望使用此酶阻止Gene X（圖2）的功能。敲除基因的另一種方法是使用修飾過的只能進行單鏈切割的Case9 和靶向相鄰位點的引導RNA。

1）選擇將Cas9 引導至位點I 的引導RNA 序列。

你有5 個可供選擇的引導RNA 序列：

1=5′-ATTTTTCGACGTTTAGGCCA-3′

2=5′-AUUUUUCGACGUUUAGGCCA-3′

3=5′-AUAAAACGUGCAAAUCCGGU-3′

4=5′-UUUGCACGUUUAGGCCAAGG-3′

5=5′-UUUUUGGGGGCCCAGGAUCU-3′

2）選擇最佳可用NGG 位點進行打靶基因X 以阻止其起作用。

選項：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ

3）判斷以下每個陳述是否正確。

A.使用一對修飾的Cas9 和引導RNA 將增加脫靶效應而造成其他基因的損傷

B.化膿鏈球菌基因組比隨機預期的具有更多的NGG 位點

C.如果該基因沒有GG 序列，應當尋找來自其他物種的Cas9 進行替代

8.復制叉：皇家學會發明的X 射線晶體衍射被Francis Crick 爵士（1916—2004）和Rosalind Franklin（1920—1958）用于發現DNA 結構，并預測其復制的機制。基于他們的工作，預測了大腸桿菌DNA 復制叉的結構，其沿著DNA 以1 000 bp／s的速度移動。ⅰ=管狀夾，其拉開一條DNA 鏈；ⅱ=拓撲異構酶，其在一個磷酸二酯骨架中暫時切割；ⅲ=單鏈DNA 結合蛋白；ⅳ=不同的聚合酶。

判斷以下每個陳述是否正確。

A.抑制拓撲異構酶活性的抗生素，導致復制叉前的DNA 變得過度扭曲

B.聚合酶復合物X 的一個活性是用胸腺嘧啶脫氧核糖核苷酸替代尿嘧啶核糖核酸

C.酶ⅰ優先結合于富含G/C（少A/T）序列

D.蛋白質ⅲ協助互補堿基配對

9.剪接：Richard Roberts 爵士（1943—）利用腺病毒基因組發現了基因的基本結構。在電子顯微鏡下，Roberts 確定了腺病毒DNA 和RNA 鏈。后來發現真核mRNA 缺失了基因的一部分（內含子），這是因為RNA 序列通過剪接而重排。

判斷以下每個陳述是否正確。

A.每個腺病毒RNA 是作為一個整體從同一條DNA 鏈轉錄的

B.腺病毒mRNA 在DNA-RNA 混合雙鏈體中保持結合一段時間

C.轉錄需要解旋酶活性（分開2 條DNA 鏈）

D.腺病毒基因mRNA 的剪接機制與典型的真核剪接相似

10.肌萎縮蛋白：肌營養不良癥是由基因DYSTROPHIN（圖1）的改變引起。這是一個非常大的基因，其長度影響肌營養不良的生物學特征和診斷。RNA 聚合酶以30 bp／s 的速度沿著DNA 移動。DNA 聚合酶每個堿基的錯誤率為10-8。修復系統后來糾正99%的錯誤。Alec Jeffreys 爵士（1950—）發明了DNA 指紋圖譜（RFLPs），通過PCR 擴增DYSTROPHIN外顯子，用DNA 切割酶（核酸內切酶）處理，并在瓊脂糖凝膠上依據bp（片段）長度（圖2）進行分離。

1）計算DYSTROPHIN轉錄需要多長時間。選擇最接近正確答案的時間。

選項：1 s、1 min、1 h、10 h、1 d

2）計算產生一個新的DYSTROPHIN等位基因（序列變體），需要發生多少次細胞分裂。選擇最接近正確答案的數字。

選項：50、500、5 000、50 000、5 000 000

3）計算下列事件發生的位置距離引物1a 的結合位點有多少距離（以堿基對bp 表示）。為A、B和C 選擇正確答案。

A.引物1b 結合位點

B.核酸內切酶切割位點

C.引物2 結合位點

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

4）判斷以下每個陳述是否正確。

A.DYSTROPHIN在X 染色體上

B.肌營養不良是顯性的

C.DYSTROPHIN 蛋白可用20 kb 的質粒在細菌中進行表達

D.許多肌營養不良患者都是由新的（從頭）突變造成的

11.果蠅眼睛：Williams Bateson（1861—1926）創立了現代遺傳學學科，Reginald Punnett（1875—1967）創建了一種預測孟德爾遺傳表型頻率的技術，但Edith Saunders（1865—1945）注意到，某些特征的組合不是以孟德爾方式遺傳的。為研究此現象，可分析果蠅性狀的遺傳。根據以下方案進行一個虛擬的果蠅雜交：野生型（WT）果蠅具有紅眼（圖中1）是通過混合棕色和朱砂色素產生的；white基因突變會產生白眼（圖中2）；敲除cinnabar基因會產生朱砂色眼（圖中3）；敲除brown基因會產生棕眼（圖中4）；野生型果蠅具有功能性翅（圖中5），而vestigial基因突變導致殘翅（圖中6）。white基因位于X 染色體上，基因brown-cinnabar-vestigial以此順序位于相同的染色體上。具有白眼、正常翅的雄性果蠅與白眼、殘翅的雌性果蠅雜交，所有后代（F1）都是紅眼的雌性或白眼的雄性，沒有F1果蠅是殘翅。F1雌性與白眼、殘翅的雄性交配。計數了該雜交所產生的F2雌蠅。

F2（雌性）表型F2 雌性數白眼、正常翅500紅眼、殘翅500紅眼、正常翅50白眼、殘翅50棕眼、殘翅5朱砂眼、正常翅5

1）判斷以下每個陳述是否正確。

A.基因vestigial位于X 染色體上

B.基因brown對于生成棕色素至關重要

C.基因white突變會破壞cinnabar和brown的產物

2）計算brown、cinnabar和vestigial基因之間的遺傳距離（cM）。為A、B 和C 選擇最接近正確答案的選項。

A.brown到cinnabar

B.brown到vestigial

C.cinnabar到vestigial

選項：0、1、5、9、10

（待續）