第29屆國際生物學奧林匹克競賽試題理論2-2

周 潔 楊 揚 張 立 張雁云 范六民

（1華中師范大學第一附屬中學 湖北武漢 430223 2清華大學生命科學學院 北京 100084 3北京師范大學生命科學學院 北京 100875 4北京大學生命科學學院 北京 100871）

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題目

1～16題：生物化學與細胞生物學；17～31題：動物生理學與解剖學；32～40題：植物生理學；41～51題：生態(tài)學與進化。

將采用以下計分方案：

1）有4個陳述的問題：

正確的陳述數(shù)量0 1 2 3 4分數(shù)0.0 0.0 0.0 0.5 1.0

2）有5個陳述的問題：

正確的陳述數(shù)量0 1 2 3 4 5分數(shù)0.00 0.00 0.00 0.25 0.75 1.25

注意：沒有負分。嘗試回答盡可能多的問題。

8.酪氨酸激酶受體：將編碼細胞表面酪氨酸激酶受體（RTK）基因的2種不同突變形式分別插入載體中。一個突變體編碼具有非功能性激酶結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)，另一個突變體缺乏功能性配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域。將每種載體分別引入可從其內(nèi)源基因表達出野生型RTK的正常細胞中。

已知所用細胞在其表面具有較高的RTK受體結(jié)合能力。該配體與受體蛋白的單體形式結(jié)合，且異源二聚體受體在信號轉(zhuǎn)導中無活性。下圖描繪了4種已鑒定的細胞類型。每個圖顯示了在各細胞類型上觀察到的僅有的受體形式，以及觀察到的比例。

實驗在添加非飽和濃度的配體條件下進行。

判斷以下陳述是否正確。

A.在1型細胞中，具有非功能性激酶結(jié)構(gòu)域的突變體受體將通過細胞的正常RTK干擾信號轉(zhuǎn)導

B.在2型細胞中，缺乏功能性配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域的突變體RTK對信號轉(zhuǎn)導無活性，但不會干擾細胞自身酪氨酸激酶受體介導的正常信號轉(zhuǎn)導

C.3型和4型細胞將體現(xiàn)相同的信號轉(zhuǎn)導水平

D.2型細胞和3型細胞的突變體RTK對細胞自身正常RTK的信號轉(zhuǎn)導水平的影響將是相同的

9.ErbB-2蛋白的運輸：ErbB-2是在哺乳動物細胞膜上發(fā)現(xiàn)的受體，可從細胞膜移動至細胞核。由于在細胞質(zhì)與細胞核之間穿梭的大多數(shù)蛋白質(zhì)是可溶的而不是整合的膜結(jié)合蛋白，因此，ErbB-2運輸至細胞核的機制是特別令人感興趣的。進行了下面描述的3個實驗以闡明潛在的機制。

實驗1：siRNA敲低靶細胞輸入蛋白β1的表達。用輸入蛋白β1的siRNA（Imp）、非功能性siRNA對照（N.S.）或僅緩沖液（-）轉(zhuǎn)染細胞。Western blot用于檢測細胞裂解物中的細胞核和細胞質(zhì)部分的蛋白。蛋白的檢測，使用輸入蛋白β1、ErbB-2、α微管蛋白和組蛋白H3的抗體。

實驗 2：用野生型 ErbB-2（WT）、缺少核定位信號ErbB-2突變體（ΔNLS）或載體對照（-），轉(zhuǎn)染缺乏ErbB-2編碼基因的突變細胞。然后通過Western blot分析來自細胞質(zhì)組分和細胞核組分的蛋白質(zhì)，使用ErbB-2、輸入蛋白β1、α微管蛋白和組蛋白H3的抗體。

實驗3：用抗ErbB-2抗體或小鼠IgG（mIgG）免疫沉淀細胞裂解物。然后通過Western blot分析沉淀的免疫復合物和細胞裂解物，使用網(wǎng)格蛋白、輸入蛋白β1和ErbB-2的抗體。

判斷以下陳述是否正確。

A.圖a中的數(shù)據(jù)表明，ErbB-2需要輸入蛋白β1才能進入細胞核

B.預計輸入蛋白β1的抗體不會沉淀ErbB-2（ΔNLS）

C.所呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)表明，組蛋白到細胞核的定位是由一種不同于運輸ErbB-2的不同的機制介導的

D.與其他膜結(jié)合受體一樣，ErbB-2通過胞吞作用進入細胞質(zhì)

10.酵母分泌物捕獲：植物病原體利用其分泌的蛋白質(zhì)“分泌蛋白組”攻擊植物宿主。酵母分泌物捕獲（yeast secretion trap，YST）功能篩選是用于分離和鑒定這些分泌蛋白質(zhì)的方法。該方法涉及構(gòu)建載體文庫，包括利用突變的釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）suc2報告基因融合的植物病原體RNA的cDNA（含有5′非編碼序列）。

Suc2編碼的蛋白質(zhì)是酵母菌用于催化蔗糖降解的唯一轉(zhuǎn)化酶。降解發(fā)生在細胞外。該基因的突變形式（suc2-sp）編碼的轉(zhuǎn)化酶氨基末端缺乏分泌信號肽。融合文庫用于轉(zhuǎn)染轉(zhuǎn)化酶缺陷型酵母菌株，隨后將細胞接種在蔗糖選擇培養(yǎng)基上。預期每個恢復的細胞含有重組載體，其cDNA編碼嵌合蛋白的信號肽。分離載體并對其cDNA進行測序以鑒定分泌的蛋白質(zhì)。

圖1是載體的示意圖，圖2總結(jié)了上述實驗流程。

圖1 GAATTC：EcoRI識別位點；GCGGCCGC：NotI識別位點

圖2

判斷以下陳述是否正確。

A.為實現(xiàn)該篩選，oligo-dT引物可用于合成cDNA

B.載體中NotI位點后可變數(shù)目的胞苷核苷酸可確保獲得正確的閱讀框

C.融合蛋白中信號肽的存在不一定能確保酵母在選擇培養(yǎng)基上的生長

D.為了將EcoRI和NotI位點引入cDNA分子的末端，連接子（linker，其為短雙鏈寡核苷酸；實例如下所示）優(yōu)于適配子（adpter，其具有單鏈末端；實例如下所示）。

EcoRI連接子的實例：

-GAATTC-

-CTTAAG

NotI適配子的實例：

-G- 和-AATTC-

-CTTAA- -G-

11.酶-輔酶相互作用：許多引起酶編碼基因突變的疾病會影響酶與其輔酶相互作用的相關參數(shù)，從而降低反應速率。稱為TPP-或硫胺素依賴性酶（例如，轉(zhuǎn)酮酶）的一組酶的輔酶是硫胺素焦磷酸（thiamine pyrophosphate，TPP）。

分別從患者及正常個體組織分離出TPP依賴性酶，并在底物飽和的條件下，比較二者的動力學性質(zhì)。制備無TPP形式的酶并用于酶動力學測量。Lineweaver-Burk樣圖如下圖所示。

判斷以下陳述是否正確。

A.A與病人的酶有關

B.B的最大速率高于A的最大速率

C.可得出結(jié)論，A中的酶對其底物具有較低的親和力

D.向患者施用硫胺素預期可恢復酶活性

12.F?rster共振能量轉(zhuǎn)移：F?rster共振能量轉(zhuǎn)移（F?rster resonance energy transfer，F(xiàn)RET）是一種依賴于距離的過程，來自被激發(fā)的熒光分子（供體）的能量被轉(zhuǎn)移至其附近的第2個非激發(fā)分子（受體）。FRET效率取決于供體發(fā)射光譜和受體吸收光譜的光譜重疊。各種形式的FRET中的受體在從供體接收能量后可能會或可能不會發(fā)出熒光。

量子點（quantum dots，QD）是熒光納米粒子，可作為FRET供體，用于生物傳感器系統(tǒng)。一些分子與QD的結(jié)合增強了QD的發(fā)射性質(zhì)。在該研究中，使用560 nm發(fā)射的QD（QD-560）。麥芽糖結(jié)合蛋白（maltose binding protein，MBP）-結(jié)合的QD-560比未結(jié)合的QD-560具有更高的發(fā)射強度。

在一系列蛋白質(zhì)∶QD比率下，測試了天然MBP或 5-組 氨 酸 標 記 的 MBP（MBP-5His）與QD-560結(jié)合對熒光強度的影響（圖1）。組氨酸殘基可結(jié)合QD顆粒表面的鋅離子。

圖1 與MBP或MBP-5His結(jié)合的QD在560 nm下的熒光測量

為了構(gòu)建麥芽糖檢測生物傳感器，每個與QD配合的MBP-5His的糖結(jié)合口袋預加載一個麥芽糖類似物，即β-環(huán)糊精。β-環(huán)糊精（β-CD）與QSY9結(jié)合，形成β-CD-QSY9。QSY9成分吸收光線。圖2顯示了這個生物傳感器。

圖2 麥芽糖檢測生物傳感器的示意圖

圖3 各種分子的吸收光譜（A）和發(fā)射光譜（B）

判斷以下陳述是否正確。

A.麥芽糖在生物傳感器上置換β-CD-QSY9將導致熒光強度降低

B.在沒有麥芽糖的情況下，生物傳感器中不會發(fā)生FRET

C.預計在以下條件下的相對熒光強度水平是C＞B＞A

A：QD與MBP-5His和β-CD-QSY9染料一起

B：QD與MBP-5His和游離QSY9染料一起

C：QD與MBP-5His一起

D.預裝有β-CD-QSY9的MBP孵育的QD不顯示FRET

13.產(chǎn)熱基因的表達：通過β-腎上腺素信號轉(zhuǎn)導途徑實現(xiàn)的棕色脂肪組織（brown adipose tissue，BAT）的激活，與產(chǎn)熱基因的表達和產(chǎn)熱過程有關。糖原合成酶激酶-3（glycogen synthase kinase-3，GSK3）作為棕色脂肪細胞中β-腎上腺素信號轉(zhuǎn)導的調(diào)節(jié)劑。ISO也是BAT激活的化學刺激劑，下面的Western blot結(jié)果顯示其對GSK3的作用（p-GSK3是GSK3的磷酸化形式）。SB216763是GSK3的抑制劑。這2種試劑對產(chǎn)熱基因（Fgf21、Ucp1、Dio2和Ppargc1a）表達的影響如下圖所示。

基于這些結(jié)果，判斷以下陳述是否正確。

A.GSK3充當棕色脂肪細胞中β-腎上腺素信號轉(zhuǎn)導的負調(diào)節(jié)因子

B.GSK3的磷酸化導致Fgf21的表達降低

C.SB216763可防止飲食導致的肥胖

*顯示與對照（H2O）相比有顯著性差異

D.SB216763和ISO一起施加導致Ppargc1a mRNA轉(zhuǎn)錄本數(shù)量比Fgf21mRNA轉(zhuǎn)錄本數(shù)量更高

14.瘧原蟲（Plasmodium）中的抗氧化防御：瘧原蟲是一種寄生原生動物，在熱帶國家很普遍。一旦寄生蟲侵入宿主紅細胞，它們會在24 h內(nèi)繁殖。紅細胞中的Fe2+可與游離的O2及H2O2反應，形成可破壞寄生蟲細胞的自由基。

與宿主細胞不同，寄生蟲缺乏抗氧化防御系統(tǒng)的酶?？茖W家使用二維凝膠電泳分析寄生蟲細胞質(zhì)中的蛋白質(zhì)（見下圖）。

然后，用質(zhì)譜和肽質(zhì)量指紋識別鑒定了對應于人類過氧化物還原酶的6種蛋白質(zhì)（蛋白點1～6），以及一種蛋白質(zhì)（點7）對應于瘧原蟲的過氧化物還原酶。

判斷以下陳述是否正確。

A.基于所提供的數(shù)據(jù)，瘧原蟲過氧化物還原酶是多聚體蛋白質(zhì)

B.所有人類的過氧化物還原酶蛋白在生理pH條件下具有正的凈電荷

C.凝膠過濾色譜適用于分離和純化6種人類過氧化物還原酶蛋白

D.免疫親和層析可用于從其他瘧原蟲胞質(zhì)蛋白中分離瘧原蟲過氧化物還原酶

（待續(xù)）