詳析高考電泳圖譜的分析方法

鄧過房

DNA電泳是基因工程中最基本的技術(shù)。近年來基于DNA電泳圖譜分析與比較，結(jié)合高中所學(xué)的基因診斷、DNA指紋技術(shù)以及基因克隆等相關(guān)內(nèi)容的遺傳學(xué)試題考查較為常見。以遺傳學(xué)基本知識為背景，以DNA電泳圖譜為情境，強(qiáng)調(diào)情境與立意相結(jié)合，體現(xiàn)高考能力考核目標(biāo)和要求，很好地考查學(xué)生的獲取與處理表達(dá)信息能力和應(yīng)用分析能力。

一、電泳圖譜概述

1. 原理。

電泳是利用帶電分子或離子所帶電荷或分子量不同，在電場中移動(dòng)距離（或速度）不同的原理分離分子或離子的方法，如等位基因A與a，經(jīng)限制酶切開后，由于相關(guān)片段分子量等差異，在電場中移動(dòng)距離不同，從而使兩種基因得以分離。

2. 實(shí)例。

對圖1中1～4號個(gè)體進(jìn)行基因檢測，將含有該遺傳病基因或正?；虻南嚓P(guān)DNA片段各自用電泳法分離。正常基因顯示一個(gè)條帶，患病基因顯示為另一個(gè)不同的條帶，結(jié)果如圖2。請據(jù)圖1、圖2分析圖1中5號及7號個(gè)體基因電泳條帶應(yīng)為何類？

分析如下：

（1）先據(jù)圖1求得1～4號個(gè)體基因型，4為aa，則1、2均為Aa，3為AA或Aa。

（2）將1～4基因型與圖2的電泳圖譜作對照發(fā)現(xiàn)只有c編號的個(gè)體基因電泳帶特別——只有條帶2，無條帶1，則c所代表的個(gè)體中基因型為“純合子”，即只含一種基因，由此推測c為1～4中的4號個(gè)體。進(jìn)一步結(jié)合圖1與圖2可推知a、b、d所代表的個(gè)體既含A又含a（由此確定3號不可能為AA）。

（3）由5、6均正常，所生女兒7號為患者可推知：5號基因型為Aa，應(yīng)含條帶1、條帶2，7號個(gè)體基因型為aa，其電泳條帶應(yīng)與c吻合。

二、典例剖析

【例1】（2015·江蘇卷）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(yán)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3是某患者的家族系譜圖，其中Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3 及胎兒Ⅲ1（羊水細(xì)胞）的 DNA 經(jīng)限制酶 Msp玉消化，產(chǎn)生不同的片段（kb 表示千堿基對），經(jīng)電泳后用苯丙氨酸羥化酶 cDNA 探針雜交，結(jié)果見圖4。 請回答下列問題：

（1）Ⅰ1、Ⅱ1 的基因型分別為 。

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

（3）若Ⅱ2 和Ⅱ3 生的第2 個(gè)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。

（4）已知人類紅綠色盲癥是伴 X 染色體隱性遺傳?。ㄖ虏』蛴?b 表示），Ⅱ2 和Ⅱ3 色覺正常，Ⅲ1 是紅綠色盲患者，則Ⅲ1 兩對基因的基因型是 。 若Ⅱ2 和Ⅱ3 再生一正常女孩，長大后與正常男性婚配，生一個(gè)紅綠色盲且為 PKU 患者的概率為 。

【考點(diǎn)】伴性遺傳；基因的分離規(guī)律的實(shí)質(zhì)及應(yīng)用；常見的人類遺傳病。

【分析】根據(jù)題意和圖示分析可知：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.根據(jù)電泳后用苯丙氨酸羥化酶cDNA探針雜交結(jié)果，Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅱ3、Ⅲ1的基因型分別為aa、Aa、Aa、Aa。

【解答】解：（1）由于Ⅱ1為患病，且屬于常染色體隱性遺傳病，所以其基因型為aa.由于Ⅰ1正常，所以其基因型為Aa.

（2）依據(jù)cDNA探針雜交結(jié)果，胎兒Ⅲ1的基因型是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(gè)正常孩子的概率為1-1/70×1/4=279/280；

（3）若Ⅱ2和Ⅱ3生的第2個(gè)孩子表型正常，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2/3×1/70×1/4÷1/70×1/70×1/4=140÷3=46.67.

（4）根據(jù)Ⅱ2和Ⅱ3色覺正常，Ⅲ1是紅綠色盲患者，則Ⅲ1兩對基因的基因型是AaXbY，Ⅱ2和Ⅱ3的基因型分別為AaXBY和AaXBXb.若Ⅱ2和Ⅱ3再生一正常女孩，其基因型是2/3Aa、1/2XBXb。長大后與正常男性婚配，生一個(gè)紅綠色盲且為PKU患者的概率為2/3×1/70×1/4×1/2×1/4=1/3360。

【點(diǎn)評】本題結(jié)合系譜圖，考查伴性遺傳、基因自由組合定律的應(yīng)用，意在考查考生分析題圖提取有效信息的能力，運(yùn)用所學(xué)知識綜合分析問題和解決問題的能力.

【答案】（1）Aa、aa （2）Aa 279/280 （3）46.67 （4）AaXbY 1/3360

三、跟蹤訓(xùn)練

1.（2013·高考安徽卷）圖5是一個(gè)常染色體遺傳病的家系系譜。致病基因（a）是由正?；颍ˋ）序列中一個(gè)堿基對的替換而形成的。圖6顯示的是A和a基因區(qū)域中某限制酶的酶切位點(diǎn)。分別提取家系中Ⅰ1、Ⅰ2和Ⅱ1的DNA，經(jīng)過酶切、電泳等步驟，再用特異性探針做分子雜交，結(jié)果見圖7。

（1）Ⅱ2的基因型是________。

（2）一個(gè)處于平衡狀態(tài)的群體中a基因的頻率為q。如果Ⅱ2與一個(gè)正常男性隨機(jī)婚配，他們第一個(gè)孩子患病的概率為________ 。如果第一個(gè)孩子是患者，他們第二個(gè)孩子正常的概率為________。

（3）B和b是一對等位基因。為了研究A、a與B、b的位置關(guān)系，遺傳學(xué)家對若干基因型為AaBb和AABB個(gè)體婚配的眾多后代的基因型進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些后代的基因型只有AaBB和AABb兩種。據(jù)此，可以判斷這兩對基因位于________染色體上，理由是___________________________。

【考點(diǎn)】常見的人類遺傳病；基因的自由組合規(guī)律的實(shí)質(zhì)及應(yīng)用；基因突變的原因。

【分析】分析圖1：圖1是一個(gè)常染色體遺傳病的家系系譜.Ⅰ1和Ⅰ2均正常，但他們有一個(gè)患病的兒子，即“無中生有為隱性”，說明該病為常染色體隱性遺傳病，則Ⅰ1和Ⅰ2的基因型均為Aa，Ⅱ1的基因型為aa，Ⅱ2的基因型為AA或Aa.

分析圖6：圖6顯示的是A和a基因區(qū)域中某限制酶的酶切位點(diǎn)，其中A基因含有3個(gè)該限制酶的酶切位點(diǎn)，而a基因只有2個(gè)該限制酶的酶切位點(diǎn).

【解答】（1）圖5是一個(gè)常染色體遺傳病，由圖可知該病為常染色體隱性遺傳病，因此Ⅰ1、Ⅰ2均為Aa，所以Ⅱ2的基因型是AA或Aa.

（2）Ⅱ2的基因型是1/3AA、2/3Aa；一個(gè)處于平衡狀態(tài)的群體中a基因的頻率為q，正常男性為Aa的概率為Aa/AA+Aa=2（1-q）q/（1-q）（1-q）+2（1-q）q=2q/1+q，則他們第一個(gè)孩子患病的概率為2/3×2q/1+q×1/4=q/3（1+q）。如果第一個(gè)孩子是患者，則Ⅱ2與正常男性的基因型均為Aa，他們第二個(gè)孩子正常的概率為3/4。

（3）由于基因型AaBb個(gè)體只產(chǎn)生Ab、aB兩種類型配子，結(jié)果這些后代的基因型只有AaBB和AABb兩種，因此可以判斷這兩對基因位于一對同源染色體上.

【點(diǎn)評】本題結(jié)合圖解，考查人類遺傳病、基因分離定律和基因自由組合定律等知識，要求考生識記幾種常見的人類遺傳病的類型及特點(diǎn)，能根據(jù)系譜圖確定該遺傳病的遺傳方式及相應(yīng)個(gè)體的基因型；掌握基因分離定律和基因自由組合定律的實(shí)質(zhì)，能進(jìn)行相關(guān)概率的計(jì)算；能分析圖6和圖7，從中提取有效信息答題。

【答案】（1）AA或Aa （2） （3）一對同源 基因型AaBb個(gè)體只產(chǎn)生Ab、aB兩種類型配子，不符合自由組合規(guī)律

2.（2015·南京市二模）單基因遺傳病可以通過核酸雜交技術(shù)進(jìn)行早期診斷。鐮刀型細(xì)胞貧血癥是一種在地中海地區(qū)發(fā)病率較高的單基因遺傳病。已知紅細(xì)胞正常個(gè)體的基因型為BB、Bb，鐮刀型細(xì)胞貧血癥患者的基因型為bb。有一對夫婦被檢測出均為該致病基因的攜帶者，為了能生下健康的孩子，每次妊娠早期都進(jìn)行產(chǎn)前診斷。下圖為其產(chǎn)前核酸分子雜交診斷和結(jié)果示意圖。

（1）從圖中可見，該基因突變是由___________________引起的。正常基因該區(qū)域上有3個(gè)酶切位點(diǎn)，突變基因上只有2個(gè)酶切位點(diǎn)，酶切后，凝膠電泳分離酶切片段，與探針雜交后可顯示出不同的帶譜，正?；蝻@示________條，突變基因顯示________條。

（2）DNA或RNA分子探針要用________________等標(biāo)記。利用核酸分子雜交原理，根據(jù)圖中突變基因的核苷酸序列（—ACGTATT—），寫出作為探針的核糖核苷酸序列________________。

（3）根據(jù)凝膠電泳帶譜分析可以確定胎兒是否患有鐮刀型細(xì)胞貧血癥。這對夫婦4次妊娠的胎兒Ⅱ-1～Ⅱ-4中需要停止妊娠反應(yīng)的是________，Ⅱ-4的基因型為________。

【分析】（1）由題圖可看出該基因突變是由堿基對的改變引起的，即堿基A變成T；由凝膠電泳分離酶切片段與探針雜交后顯示的帶譜可看出，正常的基因顯示2條帶譜，而突變基因顯示1條。（2）DNA或RNA分子探針要用放射性同位素（或熒光分子）等標(biāo)記，便于檢測，作為探針的核糖核苷酸序列和突變基因的核苷酸序列之間遵循堿基互補(bǔ)配對原則，為—UGCAUAA—。（3）由凝膠電泳帶譜可得出Ⅱ-1和Ⅱ-4的基因型是BB，Ⅱ-3的基因型是Bb，Ⅱ-2的基因型是bb，Ⅱ-2患有鐮刀型細(xì)胞貧血癥，需要停止妊娠反應(yīng)。（4）Ⅰ-2的基因型是Bb，正常女性是鐮刀型細(xì)胞貧血癥攜帶者的概率是1/10 000，因此生出患病兒子的概率是1/10 000×1/4×1/2=1/80 000。

【考點(diǎn)】基因工程的原理及技術(shù)；基因突變的特征。

【分析】分析題圖：正?；蛑杏腥齻€(gè)酶切位點(diǎn)，能將探針雜交區(qū)域切成2段，即形成兩個(gè)條帶，而突變的基因只能形成一個(gè)條帶；I-1為Bb、I-2為Bb、Ⅱ-1是BB、Ⅱ-2bb、Ⅱ-3是Bb、Ⅱ-4是BB。

【解答】（1）由圖可知A變成T是堿基對改變引起的基因突變，正?；蚰苄纬蓛蓚€(gè)條帶，而突變的基因只能形成一個(gè)條帶。

（2）探針是用放射性同位素（或熒光分子）標(biāo)記的含有目的基因DNA片段.若突變基因的核苷酸序列（…ACGTGTT…），則作為探針的核糖核苷酸序列為…UGCACAA…。

（3）由以上分析可知：Ⅱ-1是BB，Ⅱ-2bb，Ⅱ-3是Bb，Ⅱ-4是BB。

【點(diǎn)評】本題結(jié)合產(chǎn)前核酸分子雜交診斷和結(jié)果示意圖，考查基因工程和基因分離定律的相關(guān)知識，要求考生識記基因工程的相關(guān)知識。解答本題的關(guān)鍵是題圖的分析，要求考生能根據(jù)題圖正確判斷正?；蚝屯蛔兓蛐纬傻臈l帶數(shù)及Ⅱ代中4個(gè)個(gè)體的基因型。

【答案】（1）堿基對改變（或A變成T） 2 1 （2）放射性同位素（或熒光分子）—UGCAUAA—

（3）Ⅱ-2 BB

四、深度拓展

【例2】英國科學(xué)家Sanger因發(fā)明了鏈終止DNA測序法而獲諾貝爾獎(jiǎng)。其主要內(nèi)容步驟是：先向DNA復(fù)制體系中加入能夠終止新鏈延伸的某種脫氧核苷酸類似物，以得到各種不同長度的脫氧核苷酸鏈；再通過電泳呈帶（按分子量大小排列），從而讀出對應(yīng)堿基的位置（如圖10所示）。請分析回答：

（1）若在活細(xì)胞內(nèi)發(fā)生圖中“加熱變性”的結(jié)果，必需有______的參與.

（2）假設(shè)一模板鏈中含N個(gè)腺嘌呤脫氧核苷酸，通過上述操作能得到______種長度不同的脫氧核苷酸鏈。

（3）所得到的各種長度不同的脫氧核苷酸鏈之所以能通過電泳而分離開來，主要是依據(jù)它們的______差異.

（4）若用上述測序方法讀出堿基G的位置，則必須加入帶標(biāo)記的______類似物.

（5）采用上述鏈終止法測定某一雙鏈DNA中的全部堿基排序，你認(rèn)為至少要按圖中所示模式操作______次。

參考答案：（1）解旋酶（2）N （3）分子量 （4）鳥嘌呤核苷酸（5）3

責(zé)任編輯 李平安