第28屆國(guó)際生物學(xué)奧林匹克競(jìng)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(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100871 2 中國(guó)人民大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100080 3 北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100875）

理論考試1 共計(jì)3 h。

1～11 題：生命藍(lán)圖；12～21 題：生命的組成與生長(zhǎng)；22～33 題：對(duì)世界作出反應(yīng)；34～46 題：分享世界。

說(shuō)明：1）共46 個(gè)問(wèn)題，將在計(jì)算機(jī)上完成；2）必須回答所有問(wèn)題的所有部分；對(duì)于多項(xiàng)判斷正／誤任務(wù)，用“正確”或“錯(cuò)誤”回答每個(gè)陳述；可能沒(méi)有選項(xiàng)正確，也可能全部正確；對(duì)于計(jì)算問(wèn)題，選擇最接近正確答案的數(shù)字；如果不確定，應(yīng)該作出最好的猜測(cè)；不會(huì)因猜測(cè)錯(cuò)誤而受懲罰，反而可能會(huì)獲得分?jǐn)?shù)；3）每個(gè)正確的答案將得1 分；每個(gè)錯(cuò)誤或缺失答案將得0 分；4）應(yīng)該按照順序回答問(wèn)題，然后回到不能回答的問(wèn)題?？赏ㄟ^(guò)單擊旗幟圖標(biāo)標(biāo)記它們，并通過(guò)打開(kāi)左側(cè)的內(nèi)容窗格查看進(jìn)度；可能會(huì)發(fā)現(xiàn)前面問(wèn)題中探討的想法有助于回答后面的問(wèn)題；5）有些圖片可通過(guò)點(diǎn)擊而放大；6）可通過(guò)右上角的選項(xiàng)，改變?yōu)g覽考題的語(yǔ)言；7）將需要在每個(gè)問(wèn)題中創(chuàng)造性地使用提供的信息，可能不需要高級(jí)的技術(shù)或?qū)I(yè)知識(shí)。

本考試中，需要以下設(shè)備：被批準(zhǔn)使用的計(jì)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(chǎng)。每個(gè)考試的第1 頁(yè)將提供文檔的副本。

考場(chǎng)紀(jì)律：1）考場(chǎng)上禁止與任何其他考生交流；2）不得打開(kāi)計(jì)算機(jī)其他無(wú)關(guān)窗口；3）不得訪問(wèn)可能不公平的幫助信息；4）如果需要幫助，請(qǐng)舉手示意，并保持面向前方；5）在無(wú)監(jiān)考人員協(xié)助下，不得離開(kāi)電腦；6）遇到技術(shù)問(wèn)題請(qǐng)務(wù)必立即通知監(jiān)考人員。

有用的科學(xué)定義：這些術(shù)語(yǔ)已在國(guó)際生物學(xué)奧林匹克競(jìng)賽考試中出現(xiàn)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(méi)有被遺傳操作，或以其他方式進(jìn)行遺傳選擇、使其具有特定的遺傳特性。

敲除（knockout）：是指具有問(wèn)題中指定基因的生物，經(jīng)過(guò)突變，該基因無(wú)法合成有功能的產(chǎn)物。

單倍型（haplotypes）：是發(fā)生在同一DNA 分子上的多個(gè)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(gè)基因具有2 個(gè)等位基因，則該基因組區(qū)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(qiáng)的遺傳連鎖，則一般單倍型在種群中將比預(yù)期更多地發(fā)生。一個(gè)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(gè)連鎖區(qū)域內(nèi)，從原有序列到現(xiàn)在的序列突變創(chuàng)造出新的單倍型。該區(qū)域內(nèi)的減數(shù)分裂交叉互換可破壞現(xiàn)有的單倍型，并隨機(jī)重組等位基因，從而消除了隨時(shí)間的推移等位基因之間的關(guān)聯(lián)。

毫米汞柱（mmHg）：生物學(xué)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(shù)生物學(xué)環(huán)境中給出更整的數(shù)字。

分壓（partial pressure，Pgas）：只有一種氣體存在，分壓測(cè)量氣體對(duì)其周?chē)┘拥膲毫Α７謮鹤⒚鳛镻gas（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(dá)到平衡時(shí)產(chǎn)生的分壓。例如，長(zhǎng)時(shí)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(xué)家使用分壓預(yù)測(cè)氣體轉(zhuǎn)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(dá)（expression）：許多DNA 基因被轉(zhuǎn)錄以產(chǎn)生RNA，其被翻譯以產(chǎn)生多肽。這種折疊可通過(guò)修飾以產(chǎn)生功能性蛋白質(zhì)。除非另有說(shuō)明，基因的表達(dá)水平描述通過(guò)這些過(guò)程的組合作用產(chǎn)生多少功能性產(chǎn)物。因此，如果表達(dá)增加，則產(chǎn)生更多的功能性蛋白質(zhì)。這并不一定意味著蛋白質(zhì)量的增加（可能會(huì)迅速降解）。這些功能性產(chǎn)物可能還需要進(jìn)一步的步驟被激活。

箭頭（arrows）：在科學(xué)圖示中，用箭頭表示導(dǎo)致、激活、成為或僅是一個(gè)標(biāo)簽。

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

生命藍(lán)圖

1.測(cè)序：Frederick Sanger（1918—2013）發(fā)明了蛋白質(zhì)、RNA 和DNA 的測(cè)序方法，Shanker Balasubramanian 爵士（1966—）發(fā)明了高通量DNA 測(cè)序。國(guó)家衛(wèi)生部門(mén)正在對(duì)罕見(jiàn)病患者進(jìn)行前所未有的100 000 個(gè)基因組測(cè)序，但如下所述，對(duì)于這一工作，不同的測(cè)序技術(shù)具有不同的優(yōu)點(diǎn)。

PacificBiosciences技術(shù)可讀取的序列片段的最大長(zhǎng)度錯(cuò)誤率每個(gè)樣品每天測(cè)序的堿基總數(shù)Sanger測(cè)序900 bp1 bp／1 000 bp900 bp（1 個(gè)片段）Illumina機(jī)器200 bp1 bp／100 bp3×1011 bp（＞1.5×109 個(gè)片段）機(jī)器5 000 bp1 bp／10 bp4×108 bp（＞80 000 個(gè)片段）

關(guān)于100 000 基因組的項(xiàng)目，判斷以下每個(gè)陳述是否正確。

A.Illumina 技術(shù)最適用于在患者基因組中發(fā)現(xiàn)新的核苷酸變異（單個(gè)堿基突變）

B.PacificBiosciences 技術(shù)最適用于通過(guò)RNA測(cè)序評(píng)估轉(zhuǎn)錄的變化

C.PacificBiosciences 技術(shù)最適用于在病人基因組中發(fā)現(xiàn)DNA 片段的重組

D.在使用患者的遺傳信息指導(dǎo)臨床干預(yù)之前，Sanger 測(cè)序最適用于驗(yàn)證結(jié)果

2.古DNA：Mark Thomas（1964—）測(cè)定了真猛犸象（Mammuthus primigenius）的第1 個(gè)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?？茖W(xué)家試圖從恐龍化石中提取DNA，并分析一個(gè)特定基因的序列。將序列與其他物種進(jìn)行比較后，作出以下系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系。

判斷以下每個(gè)陳述是否正確。

A.當(dāng)使用古代樣品時(shí)，要得到相同長(zhǎng)度的DNA片段，從線粒體基因中比從核基因中更容易

B.測(cè)定古代樣品非常長(zhǎng)的DNA 片段序列，比測(cè)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(fā)明了微陣列，以同時(shí)分析數(shù)百個(gè)基因的表達(dá)。微陣列上固定有探測(cè)特異性互補(bǔ)mRNA 的探針，這些探針探測(cè)基因組水平上表達(dá)的mRNA。通過(guò)微陣列分析來(lái)自數(shù)10 名患者的彌漫性大B 細(xì)胞淋巴瘤（DLBCL）（圖1）。此外，測(cè)量了DLBCL 2 種臨床亞型患者的存活率（圖2）。

判斷以下每個(gè)陳述是否正確。

A.這些數(shù)據(jù)說(shuō)明病人存活率不是由DLBCL 亞型之間的基因表達(dá)差異決定

B.基因表達(dá)數(shù)據(jù)表明DLBCL 在分子水平上區(qū)分為2 個(gè)主要亞型

C.測(cè)量單個(gè)基因的表達(dá)足以區(qū)分DLBCL 的亞型

D.與其他亞型相比，DLBCL 的每個(gè)亞型具有相等數(shù)量的相對(duì)上調(diào)和相對(duì)下調(diào)的基因

4.基因表達(dá)噪聲：將質(zhì)粒轉(zhuǎn)入細(xì)菌中（圖1）。當(dāng)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合基因啟動(dòng)子時(shí)，該質(zhì)粒中的基因產(chǎn)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(dòng)子序列完全相同。質(zhì)粒DNA復(fù)制從復(fù)制起點(diǎn)開(kāi)始，復(fù)制叉以2 個(gè)方向向外移動(dòng)，速度相同。每當(dāng)復(fù)制因子結(jié)合在復(fù)制起點(diǎn)時(shí)，就會(huì)復(fù)制。測(cè)量了各細(xì)菌個(gè)體的紅色和綠色熒光強(qiáng)度（圖2）。

判斷以下每個(gè)陳述是否正確。

A.正在復(fù)制的質(zhì)粒具有不等數(shù)量的紅色熒光蛋白和綠色熒光蛋白基因

B.平均而言，A 區(qū)中的細(xì)胞比B 區(qū)中的細(xì)胞擁有更多的復(fù)制因子

C.平均而言，A 區(qū)中的細(xì)胞比B 區(qū)中的細(xì)胞擁有更多的轉(zhuǎn)錄因子

D.增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄因子的活性，預(yù)計(jì)將增加含有等量綠色熒光蛋白和紅色熒光蛋白的細(xì)胞數(shù)量

5.開(kāi)花的表觀遺傳學(xué)：Dame Jean Thomas（1942—）發(fā)現(xiàn)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(biāo)記。例如，經(jīng)典的組蛋白H2A 可被變體H2A.Z 替代。測(cè)量了不同溫度下相同年齡擬南芥植株（圖2）中開(kāi)花驅(qū)動(dòng)基因（圖1）上H2A.Z 的占據(jù)情況。

判斷以下每個(gè)陳述是否正確。

A.增加溫度會(huì)增加開(kāi)花驅(qū)動(dòng)基因的表達(dá)

B.H2A.Z 增強(qiáng)基因表達(dá)

C.溫度改變H2A.Z 在基因組中結(jié)合的位置

D.早開(kāi)花的植物可能在開(kāi)花前增加了該基因上H2A.Z 占據(jù)度

6.基因沉默：David Baulcombe 爵士（1952—）發(fā)現(xiàn)了RNA 介導(dǎo)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(chǎn)生種子（處理的RNA 不傳給下一代）。使用的RNA 序列與GFP 的啟動(dòng)子或蛋白質(zhì)編碼序列互補(bǔ)或隨機(jī)（不互補(bǔ)）。在紫外光下對(duì)母本植株、其子代和對(duì)照進(jìn)行成像。

判斷以下每個(gè)陳述是否正確。

A.在紫外光照下，表達(dá)GFP 的葉子將變暗

B.不用靶向目的mRNA 的RNA 處理，也可能實(shí)現(xiàn)RNA 介導(dǎo)的基因沉默

C.不改變DNA 序列的情況下，基因表達(dá)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(fā)明了定點(diǎn)誘變?？茖W(xué)家最近發(fā)明了CRISPR-Case9 技術(shù)，使誘變更容易進(jìn)行。來(lái)自化膿鏈球菌（Streptococcus pyogenes）的Cas9 蛋白由與目標(biāo)DNA 互補(bǔ)的20 bp 引導(dǎo)RNA 指導(dǎo)。這種Cas9 酶只能在5′-NGG-3′位點(diǎn)（圖1）上游3 個(gè)堿基上進(jìn)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(guò)的只能進(jìn)行單鏈切割的Case9 和靶向相鄰位點(diǎn)的引導(dǎo)RNA。

1）選擇將Cas9 引導(dǎo)至位點(diǎn)I 的引導(dǎo)RNA 序列。

你有5 個(gè)可供選擇的引導(dǎo)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(diǎn)進(jìn)行打靶基因X 以阻止其起作用。

選項(xiàng)：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ

3）判斷以下每個(gè)陳述是否正確。

A.使用一對(duì)修飾的Cas9 和引導(dǎo)RNA 將增加脫靶效應(yīng)而造成其他基因的損傷

B.化膿鏈球菌基因組比隨機(jī)預(yù)期的具有更多的NGG 位點(diǎn)

C.如果該基因沒(méi)有GG 序列，應(yīng)當(dāng)尋找來(lái)自其他物種的Cas9 進(jìn)行替代

8.復(fù)制叉：皇家學(xué)會(huì)發(fā)明的X 射線晶體衍射被Francis Crick 爵士（1916—2004）和Rosalind Franklin（1920—1958）用于發(fā)現(xiàn)DNA 結(jié)構(gòu)，并預(yù)測(cè)其復(fù)制的機(jī)制?；谒麄兊墓ぷ鳎A(yù)測(cè)了大腸桿菌DNA 復(fù)制叉的結(jié)構(gòu)，其沿著DNA 以1 000 bp／s的速度移動(dòng)。ⅰ=管狀?yuàn)A，其拉開(kāi)一條DNA 鏈；ⅱ=拓?fù)洚悩?gòu)酶，其在一個(gè)磷酸二酯骨架中暫時(shí)切割；ⅲ=單鏈DNA 結(jié)合蛋白；ⅳ=不同的聚合酶。

判斷以下每個(gè)陳述是否正確。

A.抑制拓?fù)洚悩?gòu)酶活性的抗生素，導(dǎo)致復(fù)制叉前的DNA 變得過(guò)度扭曲

B.聚合酶復(fù)合物X 的一個(gè)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(yōu)先結(jié)合于富含G/C（少A/T）序列

D.蛋白質(zhì)ⅲ協(xié)助互補(bǔ)堿基配對(duì)

9.剪接：Richard Roberts 爵士（1943—）利用腺病毒基因組發(fā)現(xiàn)了基因的基本結(jié)構(gòu)。在電子顯微鏡下，Roberts 確定了腺病毒DNA 和RNA 鏈。后來(lái)發(fā)現(xiàn)真核mRNA 缺失了基因的一部分（內(nèi)含子），這是因?yàn)镽NA 序列通過(guò)剪接而重排。

判斷以下每個(gè)陳述是否正確。

A.每個(gè)腺病毒RNA 是作為一個(gè)整體從同一條DNA 鏈轉(zhuǎn)錄的

B.腺病毒mRNA 在DNA-RNA 混合雙鏈體中保持結(jié)合一段時(shí)間

C.轉(zhuǎn)錄需要解旋酶活性（分開(kāi)2 條DNA 鏈）

D.腺病毒基因mRNA 的剪接機(jī)制與典型的真核剪接相似

10.肌萎縮蛋白：肌營(yíng)養(yǎng)不良癥是由基因DYSTROPHIN（圖1）的改變引起。這是一個(gè)非常大的基因，其長(zhǎng)度影響肌營(yíng)養(yǎng)不良的生物學(xué)特征和診斷。RNA 聚合酶以30 bp／s 的速度沿著DNA 移動(dòng)。DNA 聚合酶每個(gè)堿基的錯(cuò)誤率為10-8。修復(fù)系統(tǒng)后來(lái)糾正99%的錯(cuò)誤。Alec Jeffreys 爵士（1950—）發(fā)明了DNA 指紋圖譜（RFLPs），通過(guò)PCR 擴(kuò)增DYSTROPHIN外顯子，用DNA 切割酶（核酸內(nèi)切酶）處理，并在瓊脂糖凝膠上依據(jù)bp（片段）長(zhǎng)度（圖2）進(jìn)行分離。

1）計(jì)算DYSTROPHIN轉(zhuǎn)錄需要多長(zhǎng)時(shí)間。選擇最接近正確答案的時(shí)間。

選項(xiàng)：1 s、1 min、1 h、10 h、1 d

2）計(jì)算產(chǎn)生一個(gè)新的DYSTROPHIN等位基因（序列變體），需要發(fā)生多少次細(xì)胞分裂。選擇最接近正確答案的數(shù)字。

選項(xiàng)：50、500、5 000、50 000、5 000 000

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

A.引物1b 結(jié)合位點(diǎn)

B.核酸內(nèi)切酶切割位點(diǎn)

C.引物2 結(jié)合位點(diǎn)

選項(xiàng)：100 bp、200 bp、300 bp、700 bp、1 000 bp

4）判斷以下每個(gè)陳述是否正確。

A.DYSTROPHIN在X 染色體上

B.肌營(yíng)養(yǎng)不良是顯性的

C.DYSTROPHIN 蛋白可用20 kb 的質(zhì)粒在細(xì)菌中進(jìn)行表達(dá)

D.許多肌營(yíng)養(yǎng)不良患者都是由新的（從頭）突變?cè)斐傻?/p>

11.果蠅眼睛：Williams Bateson（1861—1926）創(chuàng)立了現(xiàn)代遺傳學(xué)學(xué)科，Reginald Punnett（1875—1967）創(chuàng)建了一種預(yù)測(cè)孟德?tīng)栠z傳表型頻率的技術(shù)，但Edith Saunders（1865—1945）注意到，某些特征的組合不是以孟德?tīng)柗绞竭z傳的。為研究此現(xiàn)象，可分析果蠅性狀的遺傳。根據(jù)以下方案進(jìn)行一個(gè)虛擬的果蠅雜交：野生型（WT）果蠅具有紅眼（圖中1）是通過(guò)混合棕色和朱砂色素產(chǎn)生的；white基因突變會(huì)產(chǎn)生白眼（圖中2）；敲除cinnabar基因會(huì)產(chǎn)生朱砂色眼（圖中3）；敲除brown基因會(huì)產(chǎn)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(dǎo)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(méi)有F1果蠅是殘翅。F1雌性與白眼、殘翅的雄性交配。計(jì)數(shù)了該雜交所產(chǎn)生的F2雌蠅。

F2（雌性）表型F2 雌性數(shù)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(gè)陳述是否正確。

A.基因vestigial位于X 染色體上

B.基因brown對(duì)于生成棕色素至關(guān)重要

C.基因white突變會(huì)破壞cinnabar和brown的產(chǎn)物

2）計(jì)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(xiàng)。

A.brown到cinnabar

B.brown到vestigial

C.cinnabar到vestigial

選項(xiàng)：0、1、5、9、10

（待續(xù)）