2015年度諾貝爾獎相關生物學試題設計

王士朝

背景資料一： 2015年度諾貝爾生理學或醫學獎。

10月5日，瑞典卡羅琳醫學院在斯德哥爾摩宣布，將2015年諾貝爾生理學或醫學獎授予中國女藥學家屠呦呦，以及另外兩名科學家威廉·坎貝爾和大村智，分別發現了青蒿素和阿維菌素，可以有效治療瘧原蟲和線蟲兩大類寄生蟲引發的疾病，為人類對抗寄生蟲疾病的斗爭找到了新方法，從而提升疾病治療手段、改善人類健康。瘧疾是威脅人類生命的一大頑敵，它是一種由蚊子傳播的、因單細胞寄生蟲——瘧原蟲入侵紅細胞引起發熱并在嚴重情況下造成腦損傷和死亡的疾病。目前，每年還有45萬人被瘧疾奪去生命，其中大多數是兒童。瘧疾的傳統療法是使用氯喹或奎寧，但在上世紀60年代后期，這種方法成功率不斷降低，瘧疾感染率呈上升趨勢。屠呦呦當時在中國轉向中草藥，力求從中找尋治療瘧疾的新方法，她受到中國古代醫書關于青蒿治療瘧疾的記載啟發，提煉出具有全新化學結構和顯著抗瘧功效的新藥——青蒿素，再將其應用于臨床，成為一種能夠在瘧疾早期階段扼殺瘧原蟲的有效藥物，這一研究成果具有重要意義。醫學上很重要的另一類寄生蟲——線蟲也正在折磨世界上1/3的人類，主要分布于撒哈拉以南的非洲地區、南亞、中美洲和南美洲，而河盲癥（盤尾絲蟲病）和淋巴絲蟲病是兩種最常見的由線蟲引發的疾病。河盲癥患者會因眼睛角膜發炎而致盲，淋巴絲蟲病則會誘發淋巴水腫等終身感染的癥狀，近百萬人因此備受折磨。日本微生物學家大村智專注于研究鏈霉菌，這一菌群生活在土壤中，能夠產生很多活性化合物。他用獨特的方式大批培養菌株并保持其特征，然后從土壤中成功分離出新菌株并成功移植到實驗室中，再選出其中最具活性的50株作為新的生物活性化合物來源，這些菌株中的一個，后來被證明是阿維菌素的來源。威廉·坎貝爾出生在愛爾蘭，現在美國任教，他是寄生蟲領域的生物學家。坎貝爾從大村智手中收購了大批鏈霉菌菌株以探求其功效，并證明其中一個菌株對牲畜寄生蟲非常有效。這種活性物質提純后命名為阿維菌素，此后又改進為伊維菌素。伊維菌素最初作為獸藥，但后來發現它能夠治療人類的河盲癥和淋巴絲蟲病，由此在非洲、拉美地區廣泛分發使用，有效抗擊了線蟲類寄生蟲引發的疾病。阿維菌素的衍生物伊維菌素目前被運用于全球線蟲類寄生蟲病的治療，其給人類帶來的福祉也不可估量。這一研究成果使得相關疾病瀕臨消滅，也是人類醫學史上的一大壯舉。

1. 2015年10月5日，本年度諾貝爾生理學或醫學獎授予中國科學家屠呦呦，屠呦呦獲獎的理由是：“因為發現青蒿素（C15H22O5，結構式如圖1所示）——一種用于治療瘧疾的藥物，挽救了全球特別是發展中國家的數百萬人的生命”。下列敘述錯誤的是

A. 青蒿素不可能是蛋白質類藥物

B. 青蒿素不會引起瘧原蟲抗藥性的增強

C. 青蒿素的合成受基因表達的控制

D. 青蒿素可以口服

2. 中國女科學家屠呦呦獲2015年諾貝爾生理醫學獎，她研制的抗瘧藥青蒿素挽救了數百萬人的生命。在野生植物中提取青蒿素治療瘧疾，這體現了野生生物的

A. 直接使用價值 B. 間接使用價值

C. 潛在使用價值 D. A與B的總和

3. 青蒿素是從植物黃花蒿的組織細胞中所提取的一種代謝產物，其作用方式目前尚不明確，推測可能是作用于瘧原蟲的食物泡膜，從而阻斷了營養攝取的最早階段，使瘧原蟲較快出現氨基酸饑餓，迅速形成自噬泡，并不斷排出蟲體外，使瘧原蟲損失大量胞漿而死亡。從上述的論述中，不能得出的是

A. 瘧原蟲對外界食物的獲取方式主要是胞吞，體現了細胞膜的流動性特點

B. 細胞質是細胞代謝的主要場所，如果大量流失，甚至會威脅到細胞生存

C. 瘧原蟲寄生在寄主體內，從生態系統的成分上來看，可以視為分解者

D. 利用植物組織培養的方式，可以實現青蒿素的大規模生產

4. 青蒿中青蒿素的含量很低，且受地域性種植影響較大。研究人員已經弄清了青蒿細胞中青蒿素的合成途徑（如圖2實線框內所示），并且發現酵母細胞也能夠產生青蒿素合成的中間產物FPP（如圖虛線框內所示）。請回答問題：

（1）在FPP合成酶基因表達過程中，完成過程①需要

酶催化，完成過程②需要的物質有 、 、

等，結構有 。

（2）根據圖示代謝過程，科學家在設計培育能生產青蒿素的酵母細胞過程中，需要向酵母細胞中導入 、

等基因。此過程構建的基因表達載體應該含有RNA聚合酶識別和結合的部位，以驅動目的基因的 ，該部位稱為啟動子。

（3）實驗發現，酵母細胞導入相關基因后，這些基因能正常表達，但酵母合成的青蒿素仍很少，根據圖解分析原因可能是 ，為提高酵母菌合成的青蒿素的產量，請提出一個合理的思路 。

（4）利用酵母細胞生產青蒿素與從植物體內直接提取相比較，明顯的優勢有 、 、 等。

（5）在FPP合成酶基因表達過程中，mRNA通過

進入細胞質，該分子的作用是作為 的模板。

5. 利用雌雄同株的野生型青蒿（二倍體，體細胞染色體數為18），通過傳統育種和現代生物技術可培育高青蒿素含量的植株。請回答以下相關問題：

（1）假設野生型青蒿白青稈（A）對紫紅稈（a）為顯性，稀裂葉（B）對分裂葉（b）為顯性，兩對性狀獨立遺傳，則野生型青蒿最多有 種基因型；若F1代中白青稈、稀裂葉植株所占比例為3/8，則其雜交親本的基因型組合為

，該F1代中紫紅稈、分裂葉植株所占比例為 。

（2）四倍體青蒿中青蒿素含量通常高于野生型青蒿，低溫處理野生型青蒿正在有絲分裂的細胞會導致染色體不分離，從而獲得四倍體細胞并發育成植株。推測低溫處理導致細胞染色體不分離的原因是 。四倍體青蒿與野生型青蒿雜交后代體細胞的染色體數為 。

6. 我國山西的青蒿資源非常豐富，本研究為開發利用青蒿資源提供實驗依據。

【實驗一】

研究目的：比較同一植株不同生長期葉片中青蒿素含量的差異

材料準備：5～9月期間，分別采集成苗期、生長盛期、花期和果期的青蒿葉，干燥后粉碎備用。

（1）根據研究目的，下列屬于實驗時需控制的因素是

。（多選）

A. 采摘時葉片中含水量

B. 采集葉片時的氣溫

C. 葉片的著生位置

D. 葉片干燥的程度

（2）將實驗數據繪制成圖。

該坐標圖的橫坐標名稱是

，縱坐標名稱是 。

（3）根據實驗一的研究結果，選擇 期的青蒿作為繼續研究的實驗材料。

【實驗二】

材料準備：采集青蒿不同組織如根、莖、老葉（葉齡21d）、新葉（葉齡7d），共采集3次，每次在同一地方隨機采樣。所有樣品均采用烘干和自然干燥2種方式干燥，粉碎后備用。

實驗結果：青蒿素含量（mg/g）

第1次采集：

根：1.02（曬干），0.74（烘干）；

莖：0.09（曬干），0.04（烘干）；

老葉：3.91（曬干），2.66（烘干）；

新葉：4.57（曬干），3.49（烘干）。

第2次采集：

根：1.05（曬干），0.72（烘干）；

莖：0.11（曬干），0.09（烘干）；

老葉：4.02（曬干），2.71（烘干）；

新葉：4.65（曬干），3.69（烘干）。

第3次采集：

根：1.14（曬干），0.79（烘干）；

莖：0.10（曬干），0.02（烘干）；

老葉：4.05（曬干），2.95（烘干）；

新葉：4.58（曬干），3.59（烘干）。

（4）本實驗的研究目的是 。

（5）根據研究目的，設計一個實驗數據記錄表，用于記錄上述數據。（不用抄錄數據）

背景資料二：2015年度諾貝爾化學獎。

2015年諾貝爾化學獎揭曉，瑞典、美國、土耳其三位科學家Tomas Lindahl、Paul Modrich和Aziz Sancar獲獎。獲獎理由是“DNA修復的機制研究”。Aziz Sancar繪制出了核苷酸切除修復機制，細胞利用切除修復機制來修復UV造成的DNA損傷。天生缺失這種機制的人暴露在太陽光下，可導致皮膚癌的發生。細胞還可利用此機制修復致突變物或其他物質引起的DNA損傷。Paul Modrich證明了細胞在有絲分裂時如何去修復錯誤的DNA，這種機制就是錯配修復。錯配修復機制使DNA復制出錯幾率下降了一千倍。如果先天缺失錯配修復機制可導致癌癥的發生，例如遺傳性結腸癌的發生。

7. 2015年諾貝爾化學獎頒給了研究DNA修復細胞機制的三位科學家，細胞通過DNA損傷修復可使DNA在復制過程中受到損傷的結構大部分得以恢復。圖4為其中的一種方式——切除修復過程示意圖。下列有關敘述不正確的是

A. 圖示過程的完成需要限制酶、解旋酶、DNA聚合酶、DNA連接酶等的共同作用

B. 圖中二聚體的形成可能受物理、化學等因素的作用所致

C. 圖示過程涉及到堿基互補配對原則

D. DNA損傷修復降低了突變率，保持了DNA分子的相對穩定性

8. 圖5是受損的DNA分子在人體內的自動切除、修復示意圖，以下說法錯誤的是

A. 酶1作用的化學鍵是磷酸二酯鍵

B. 該修復過程遵循堿基互補配對原則

C. 圖中的結構缺陷可能是多種原因引起的堿基錯配或修飾

D. 酶4應該是DNA聚合酶

9. 納米科技是跨世紀新科技，將激光束的寬度聚焦到納米范圍內，可對人體細胞內的DNA分子進行超微型基因修復，把尚令人類無奈的癌癥、遺傳疾病徹底根除，這種對DNA進行修復屬于

A. 基因突變 B. 基因重組

C. 基因互換 D. 染色體變異

10. 基因治療的基本原理是用轉基因技術將目的基因導人患者受體細胞，對DNA分子進行糾正或修復，從而達到治療疾病的目的，這種對DNA的修復屬于

A. 基因轉換 B. 基因突變

C. 基因重組 D. 基因遺傳

11. P53基因能編碼一個由393個氨基酸組成的蛋白質，該蛋白質可與DNA發生特異性結合以阻止損傷的DNA復制，促使DNA自我修復；如修復失敗則引起細胞出現“自殺”現象。下列有關敘述錯誤的是

A. 與P53蛋白質的合成有關的細胞器是核糖體、內質網、高爾基體、線粒體

B. 細胞分裂過程中若DNA受損，P53蛋白質可使間期時間延長

C. 癌細胞的形成可能與P53基因突變有關

D. 細胞出現“自殺”現象屬于細胞凋亡

12.著色性干皮癥是一種常染色體隱性遺傳病，起因為DNA損傷，患者體內缺乏DNA修復酶，DNA損傷后不能修補從而引起突變。這說明一些基因

A. 通過控制酶的合成，從而直接控制生物性狀

B. 通過控制蛋白質分子結構，從而直接控制生物性狀

C. 通過控制酶的合成來控制代謝過程，從而控制生物性狀

D. 可以直接控制生物性狀，發生突變后生物性狀隨之改變

13. P53蛋白對細胞分裂起監視作用。P53蛋白可判斷DNA損傷的程度，如果損傷較小，該蛋白就促使細胞自我修復（過程如圖所示）；若DNA損傷較大，該蛋白則誘導細胞凋亡。下列有關敘述錯誤的是

A. P53蛋白可使DNA受損的細胞分裂間期延長

B. P53蛋白可導致細胞內的基因選擇性表達

C. 抑制P53蛋白基因的表達，細胞將不能分裂

D. 若P53蛋白基因突變，則可能導致細胞癌變

14.“今又生”是我國為數不多的首創基因治療藥物之一，其本質是利用腺病毒和人P53基因（抑癌基因）拼裝得到的重組病毒。人的P53蛋白可對癌變前的DNA損傷進行修復，使其恢復正常，或誘導其進入休眠狀態或細胞凋亡，阻止細胞癌變。“今又生”的載體采用第一代人5型腺病毒，其致病力很弱，其基因不整合到宿主細胞的基因組中，無遺傳毒性；載體經基因工程改造后，只對細胞實施一次感染，不能復制，不能污染。請回答下列問題：

（1）在“今又生”的生產中，為了獲得更高的安全性能，在載體一般應具備的條件中，科學家選擇性地放棄了一般載體都應該具有的 。檢測P53基因的表達產物，還可以采用 技術。

（2）如果要獲取人類基因組中抑癌基因P53，可以采取的方法通常包括 和通過化學方法人工合成。目的基因的大量擴增則可以采用 ，該技術中需使用的一種特殊的酶是 。

（3）在研究中如果要獲得胚胎干細胞進行研究，則胚胎干細胞可來源于囊胚期的 或胎兒的原始性腺，也可以通過 技術得到重組細胞后再進行相應處理獲得。在哺乳動物早期發育過程中，囊胚的后一個階段是 。

參考答案

1. B 解析：從圖示看，青蒿素的元素組成只有C、H、O，而不含N元素，因此青蒿素不可能是蛋白質，故A項正確；青蒿素治療瘧疾，其實是對瘧原蟲的選擇作用，可能會引起瘧原蟲抗藥性的增強，故B項錯誤；青蒿素盡管不是蛋白質，但其合成需多種酶參與，因此其合成仍受基因表達的控制，故C項正確；根據圖示可知，青蒿素是小分子物質，可以口服，故D項正確。

2. A 3. C 4.（1）RNA聚合 氨基酸 ATP tRNA 核糖體 （2）ADS酶基因 CYP71AV1酶基因 轉錄 （3）酵母細胞中部分FPP用于合成固醇 通過基因改造降低FRG9酶活性

（4）青蒿素產量高 成本低 適合各地生產 （5）核孔 合成FPP合成酶 5.（1）9 AaBb×aaBb、AaBb×Aabb 1/8 （2）低溫抑制紡錘體形成27 6.（1）CD （2）生長期 青蒿素含量（mg/g） （3）生長盛期 （4）不同組織中青蒿素含量的比較以及不同干燥方法對青蒿素含量的影響 （5）青蒿素含量實驗數據記錄表（mg/g）

7.A 8.D 9.A 10.C 11.A 12.C 13.C 14.（1）復制原點 抗原-抗體雜交法 （2）從基因文庫 PCR Taq酶 （3）內細胞團 核移植 原腸胚

責任編輯 李平安