關于核酸凝膠電泳技術的考點例析

自《普通高中生物學課程標準（2017年版）》（以下簡稱“新課標”）面世以來，以“生命觀念、科學思維、科學探究、社會責任”四個方面為核心的素養(yǎng)教育得到廣泛的推廣。為了助力學生學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)和高中生物學課程改革快速發(fā)展，人教版高中生物學教材隨后也進行了重新修訂，其中核酸凝膠電泳技術是新增內(nèi)容之一。在近一年的模擬試題中，核酸凝膠電泳技術一直是考察的熱點之一，與之相關的題目靈活多變，難度較大。因此，本文筆者對核酸凝膠電泳技術理論知識進行簡要介紹后，并結(jié)合一些典型例題，對其考點進行歸納整理，以期提升提高學生的理解能力和提高解題準確性，助益高三學生的備考。

一、核酸凝膠電泳技術

1.概念—帶電顆粒（如DNA）在電場作用下，向著與電性相反的電極移動，稱為電泳。利用帶電粒子在電場中移動速度不同而達到分離目的的技術為電泳技術。

2.原理—不同帶電粒子因所帶電荷的種類（決定移動的方向）和數(shù)量（決定移動的速度）不同，或雖所帶電荷相同但荷質(zhì)比（所帶電荷與質(zhì)量的比值——移動的速度）不同，在同一電場中電泳，經(jīng)一定時間后，由于移動距離不同而相互分離。分開的距離與外加電場的電壓及電泳時間成正比。

3.應用—許多重要的生物分子，如核酸，都具有可電離集團，它們在某個特定的pH下可以帶正電或負電，在電場的作用下，這些帶電分子會向著與其所帶電荷極性相反的電極方向移動。

二、結(jié)合PCR相關知識點考察

PCR是聚合酶鏈式反應的縮寫，是一種生物體外的特殊DNA復制。PCR（聚合酶鏈式反應）是利用DNA在體外95℃高溫時變性會變成單鏈，低溫（經(jīng)常是60℃左右）時引物與單鏈按堿基互補配對的原則結(jié)合，再調(diào)溫度至DNA聚合酶最適反應溫度（72℃左右），DNA聚合酶從引物開始進行互補點鏈的合成（以5′端向3′端延伸）。瓊脂糖凝膠電泳經(jīng)常用于鑒定PCR的產(chǎn)物。該類題目難點是求出目的DNA序列，解答該類題目首先要明確電泳的產(chǎn)物是模板鏈還是新合成的核酸子鏈，并且根據(jù)條帶在電泳圖的位置確定電泳產(chǎn)物從5′端到3′端的具體的DNA序列，再結(jié)合題干信息和根據(jù)堿基互補配對原則推導出題目所要求的目的DNA序列。

【例1】（2021·揚州高三模擬）20世紀70年代，F(xiàn)red sanger發(fā)明了雙脫氧終止法對DNA進行測序。其原理如圖1所示，在4個試管中分別加入4種脫氧核苷三磷酸（dNTP）和1種雙脫氧核苷三磷酸（ddNTP）；ddNTP可以與dNTP競爭核苷酸鏈延長位點，并終止DNA片段的延伸。在4個試管中DNA鏈將會分別在A、C、G及T位置中止，并形成不同長度的DNA片段。這些片段隨后可被電泳分開并顯示出來。下列說法中正確的是（" ）

圖1

A.這種測序方法需要引物和耐高溫的DNA連接酶

B.電泳圖譜中的箭頭所指的DNA片段以鳥嘌呤結(jié)尾

C.測得未知DNA的序列為5′-GATTCGAGCTGA-3′

D.ddNTP與dNTP競爭的延長位點是核苷酸鏈的5′末端

【解析】PCR測序需要引物和耐高溫的DNA聚合酶（Taq聚合酶），DNA連接酶用于DNA分子片段之間的連接，A錯誤；這也意味著日常要仔細甄別各種與分子操作相關酶（如DNA連接酶、DNA水解酶、DNA聚合酶等）的區(qū)別；根據(jù)題意（ddNTP可以與dNTP競爭核苷酸鏈延長位點，并終止DNA片段的延伸），電泳圖譜中（見圖1）的箭頭所指的DNA片段以鳥嘌呤結(jié)尾，B正確；根據(jù)圖1中各條帶的位置和一開始延伸的DNA片段較小的特點，可得其延伸的序列為5′-GATTCGAGCTGA-3′，而未知序列與其互補，根據(jù)堿基配對互補原則可得到題目中測得未知DNA的序列為5′-TCAGCTCGAATC-3′，C錯誤；ddNTP與dNTP競爭的延長位點是核苷酸鏈的3′末端，D錯誤。

【答案】B

【例2】（改編）脫氧核苷三磷酸（dNTP）3′—C上的—OH被—H替換后轉(zhuǎn)化為雙脫氧核苷三磷酸（ddNTP）。在PCR反應體系中加入待測DNA片段、4種dNTP、1種32P標記的ddNTP和1種引物及其他所需材料，經(jīng)擴增后獲得不同長度的DNA片段混合物。利用每種32P標記的ddNTP分別進行PCR后，將產(chǎn)物點樣在變性凝膠上進行電泳分離，通過放射性自顯影檢測，就可以讀出DNA的核苷酸序列。圖2為某待測DNA片段的電泳檢測結(jié)果，下列說法錯誤的是（" ）

圖2

A.PCR反應體系中的耐高溫的DNA聚合酶可催化磷酸二酯鍵的形成

B.連接到核苷酸鏈上的ddNTP因3′—C上沒有—OH而導致DNA延伸中斷

C.該DNA片段的待測堿基序列為5′—TTGGCTGCAA—3′

D.該PCR過程中待測DNA片段只有1條鏈作為模板

【解析】PCR體系中溫度可達到90 ℃以上，延伸過程中需要耐高溫的DNA聚合酶催化不同的脫氧核糖核苷酸之間形成磷酸二酯鍵，A正確。ddNTP為雙脫氧核苷三磷酸，只要ddNTP摻入鏈端，該鏈就停止延長的原因是3′—C上不是—OH，不能與下一個脫氧核苷酸的磷酸形成磷酸二酯鍵，B正確。當ddNTP結(jié)合到子鏈上時，DNA合成終止，因此DNA合成鏈可能隨機停止在任何堿基處，根據(jù)四種堿基的條帶位置可反向推出DNA序列。PCR擴增時，子鏈合成是由5′端向3′端延伸且核酸電泳時DNA片段越大，跑的越慢，因此根據(jù)電泳圖及點樣點的位置（圖2）可知，該DNA片段的待測堿基序列為3′—TTGGCTGCAA—5′，C錯誤。該PCR過程中待測DNA片段如果有兩條鏈作模板，則合成兩條完整的且堿基互補子鏈。在遵循堿基配對互補原則條件下，像A應該與T互補，數(shù)目一樣，而圖2中A和T及G和C兩兩之間的數(shù)目都不等同，故只有1條鏈作為模板， D正確。

【答案】C

三、結(jié)合遺傳系譜圖相關進行考察

該類題型主要是通過將遺傳系譜圖中幾個有一定親緣的個體的基因型跟電泳結(jié)果結(jié)合一起，從而要求學生求出其中某個個體的基因型。解答該類題目一般通過遺傳圖譜確定遺傳病的遺傳方式和利用電泳圖推知其所展示的一些個體的基因型。在已知某些個體基因型的情況下，將其電泳條帶與題目所求的個體的電泳條帶比對，進而確定所有個體是純合子還是雜合子，最終確定所求個體的具體基因型。

【例3】（2022·濟南二模）某家族有甲、乙兩種單基因遺傳病，其中一種病的致病基因位于X染色體上。控制甲病的基因用A/a表示，某遺傳標記與A/a基因緊密連鎖，可特異性標記并追蹤A/a基因在家系中的遺傳。圖3是該家族的遺傳系譜圖，圖4是家族中部分個體DNA標記成分（N1、N2）的體外復制產(chǎn)物電泳結(jié)果圖，不考慮基因突變和XY同源區(qū)段情況。下列說法正確的是（" ）

圖3""" 圖4

A.甲病為常染色體隱性遺傳病，乙病與血友病遺傳方式相同

B.Ⅰ-1和Ⅱ-3基因型一定相同，Ⅰ-3與Ⅲ-1基因可能相同

C.N1和A連鎖，N2和a連鎖

D.Ⅱ-2和Ⅱ-3再生一個孩子患甲病的概率為1/6

【解析】分析題意和遺傳圖譜（圖3）可知，圖3中Ⅰ-1、Ⅰ-2不患甲病，Ⅱ-1患甲病，說明甲病為隱性遺傳病，且為常染色體遺傳;故乙病為伴X染色體遺傳。由于Ⅰ-1患乙病，Ⅱ-2不患乙病，則乙病為顯性遺傳。假設用B/b表示乙病的基因，結(jié)合圖4可知，Ⅰ-1基因型為AaXBXb，Ⅰ-2基因型為AaXbY，Ⅰ-3基因型為A_XbXb，Ⅰ-4基因型為aaXBY，Ⅱ-2基因型為AaXbY，Ⅱ-3基因型為AaXBXb。綜合上述分析可知，甲病為常染色體隱性遺傳病，乙病為伴X染色體顯性遺傳病，而血友病為伴X染色體隱性遺傳病，A錯誤;由分析可知，Ⅰ-1與Ⅱ-3的基因型相同，Ⅰ-3基因型為A_XbXb，Ⅱ-2基因型為AaXbY，Ⅲ-1基因型可能為A_XbXb，二者基因型可能相同，B正確;由分析可知，Ⅰ-2基因型為Aa，Ⅱ-1基因型為aa，可判斷N1和a連鎖，N2和A連鎖，C錯誤;Ⅱ-2基因型為AaXbY，Ⅱ-3基因型為AaXBXb，兩人再生一個孩子患甲病的概率為1/4，D錯誤。

【答案】B

四、結(jié)合酶切后電泳片段，考察切割位點相關問題

該類題一般是通過電泳圖中條帶的數(shù)量和條帶的長度考察限制酶的酶切位點位置、DNA分子中酶切位點的個數(shù)。首先，確定限制酶的酶切位點位置要將電泳圖中電泳條帶的長度、數(shù)目和限制酶酶切之后電泳條帶長度、數(shù)目進行比對，進行綜合分析。而解答DNA分子中酶切位點個數(shù)的問題則得一分為二，具體推斷方法如下：①若DNA分子是鏈狀，則限制酶的酶切位點的數(shù)目（n）等于電泳條帶數(shù)目（m）減去1；②若DNA分子是環(huán)狀，限制酶的酶切位點的數(shù)目（n）等于電泳條帶數(shù)目（m）。

圖5

【例4】（2021·泰州高三模擬）在基因工程操作中，科研人員利用識別兩種不同序列的限制酶（R1和R2）處理基因載體，進行聚丙烯酰胺凝膠電泳檢測，結(jié)果如圖5所示。以下相關敘述中，不正確的是（" ）

A.該載體最可能為環(huán)形DNA分子

B.兩種限制酶在載體上各有一個酶切位點

C.限制酶R1與R2的切割位點最短相距200bp

D.限制酶作用于該載體會導致氫鍵和肽鍵斷裂

圖6

【解析】當僅用一種限制酶切割載體時，僅產(chǎn)生一種長度的DNA片段，因此該載體最有可能為環(huán)狀DNA分子，A正確；當僅用一種限制酶切割載體時，兩種限制酶切割產(chǎn)生的DNA片段等長，而兩種限制酶同時切割時則產(chǎn)生兩種長度的DNA片段，所以兩種限制酶在載體上各有一個酶切位點，B正確；由圖5可知，兩種限制酶同時切割時則產(chǎn)生600 bp和200 bp兩種長度的DNA片段（如圖6），而據(jù)圖6可直觀看到兩種限制酶的酶切位點最少相距200 bp，最大相距600 bp，C正確；限制酶切割DNA分子，破壞的是作用位點上兩個脫氧核糖核苷酸之間的磷酸二酯鍵，D錯誤。

【答案】D

【例5】（2022·武漢二模）用A和B兩種限制酶同時和分別處理同一DNA片段，限制酶對應切點一定能切開。兩種酶的酶切位點及酶切產(chǎn)物電泳分離結(jié)果如圖7和圖8所示。下列敘述錯誤的是（" ）。

圖7" 圖8

A.圖1中限制酶A、B識別的核苷酸序列不相同

B.圖1中X代表的堿基對數(shù)為4500

C.推測圖1中Y是限制酶B的酶切位點

D.推測圖2中①是限制酶A處理得到的酶切產(chǎn)物

【解析】酶具有專一性，不同的限制酶識別并切割不同的核苷酸序列，A正確;從圖8的A+B酶一組結(jié)果可知，限制酶A和B切完后總共有4個片段，長度分別為500、1500、3500、4500，而圖7表示酶A和B切割時只會得到3個片段，長度應該是3500、X、2000，所以可推測Y是限制酶A或限制酶B的酶切位點，X代表的堿基對數(shù)為4500，B正確;根據(jù)以上結(jié)論，圖7中Y為限制酶A或B的酶切位點，若Y為限制酶A的酶切位點，用酶A切割完后得到3個長度的片段：3500、（4500+1500）、500，正好與圖8的①結(jié)果相符，故推測圖2中①是限制酶A處理得到的酶切產(chǎn)物，C錯誤，D正確。

【答案】C

五、綜合考察

該類題型主要是結(jié)合遺傳系譜圖也夾雜著限制酶切割位點數(shù)量問題，難度大，需要根據(jù)電泳圖將個體之間的電泳圖條帶長度、數(shù)目進行比對，進而確定要求個體的基因型和確定限制酶酶切位點數(shù)目。

【例6】（2022·廣東二模）某單基因遺傳病在人群中的患病率為1/8100，圖9是該病某患者的遺傳系譜圖。科研人員提取了其中4個人的DNA，用PCR擴增相關的基因，并對產(chǎn)物用MspⅠ酶切（正常基因含有一個限制酶切位點，致病基因增加了一個酶切位點）、電泳，結(jié)果如圖10所示。下列相關敘述正確的是（" ）

圖9" 圖10

A.該病為伴X染色體隱性遺傳病

B.Ⅱ-5是攜帶者的概率為2/3

C.致病基因新增的酶切位點位于332 bp片段中

D.Ⅱ-1和Ⅱ-2所生的孩子患該病的概率為1/180

【解析】據(jù)圖9分析，Ⅰ-1和Ⅰ-2均正常，但其子代Ⅱ-2患病，說明該病為隱性遺傳病，又因為Ⅱ-2為女性，其父親正常，說明該病為常染色體隱性遺傳病，設相關基因為A、a，則圖譜中Ⅱ-2基因型為aa，故Ⅰ-1和Ⅰ-2的基因型均為Aa，據(jù)圖10綜合分析可知，Ⅱ-4基因型為Aa，Ⅱ-5基因型為AA，A、B錯誤;Ⅰ-1和Ⅰ-2均為Aa，其酶切條帶有332、 228、 126、 104四條，而Ⅱ-5基因型為AA，條帶有332和126兩條，其中332=228+104，說明致病基因新增的酶切位點位于332 bp片段中，C正確;Ⅱ-2患病，基因型為aa，據(jù)圖10可知，Ⅱ-1基因型為Aa，兩者婚配，生育的孩子患該病（aa）的概率為1/2，D錯誤。

【答案】C

縱觀以上例題，不難發(fā)現(xiàn)，關于核酸凝膠電泳技術的題目綜合性強、難度大、靈活性強，而且考察學生觀察、對比、推理等一系列能力，有效促進學生科學思維的發(fā)展。在此基礎上，基于上述遺傳系譜圖創(chuàng)設的新情境，要求學生運用核酸凝膠電泳技術去解決問題的同時，也能創(chuàng)設性地提出相應的觀點等，譬如為優(yōu)生優(yōu)育提供建議。基于此有效地培養(yǎng)學生的社會責任感。這也是符合新課標中從“知識為本”的賽道轉(zhuǎn)換到“素養(yǎng)為本”賽道的教育風向。因此，與核酸凝膠電泳技術相關的題目在高考中占據(jù)著重要地位。我們有必要掌握該類題目的解題方法。為了更好掌握該類題目解題方法，我們可以做到如下：①日常要對電泳技術的基本概念、基本原理和電泳圖條帶表示意義進行理解，并且對容易混淆的知識點需要加以區(qū)分甄別，如DNA復制用到是DNA解旋酶，體外DNA復制（PCR）則不用。此外，在做典型例題的時候，對其相關高頻考點進行總結(jié)記錄及做好題型分類，復習的時候應該根據(jù)其考點考察的頻度控制相應時間投入的比重；②在上述的基礎上，挑選典型例題對上述總結(jié)的規(guī)律進行有針對性加深鞏固，不斷查漏補缺，深化自己的總結(jié)的解題規(guī)律，提高解決問題的效率和提升解題的能力。

責任編輯" 李平安