2025届高考生物二轮专题复习与测试板块六生物技术与工程命题最前沿十二基因编辑技术及其应用

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CRISPR/Cas9基因编辑技术能对基因进行定点编辑，其原理是由一条单链向导RNA(sgRNA)引导内切核酸酶Cas9到一个特定的基因位点进行切割(如图)。
CRISPR复合体中的sgRNA的主要功能是与靶向基因(目的基因)上特定碱基序列互补，从而定向引导Cas9蛋白与靶向基因结合， 并在特定位点切割DNA。
CRISPR/Cas9基因编辑技术培育转基因生物，与传统的基因工程相比，其明显优点是可将目的基因定点插入所需位点，避免了因目的基因随机插入宿主细胞DNA引起的生物安全性问题。CRISPR/Cas9基因编辑技术在基因治疗、基因水平进行动植物的育种、研究基因的功能等方面有广阔的应用前景。
1．研究发现，向导RNA能识别特殊的DNA序列，然后引导Cas9蛋白对DNA双链进行切割。据下图分析，下列叙述正确的是( A )
A．向导RNA和双链DNA含有的含氮碱基不完全相同
B．虚线框内的核苷酸序列彻底水解的产物是8种核苷酸
C．Cas9蛋白不具有降低化学反应活化能的作用
D．合成Cas9蛋白的细胞结构含有磷脂分子和核酸
解析：RNA含有的4种含氮碱基是A、U、G、C，DNA含有的4种含氮碱基是A、T、G、C，A项正确；虚线框内的核苷酸序列彻底水解的产物是磷酸、核糖、脱氧核糖和5种含氮碱基，B项错误；Cas9蛋白能对DNA进行切割，说明Cas9蛋白是一种酶，而酶具有降低化学反应活化能的作用，C项错误；合成Cas9蛋白的细胞结构是核糖体，核糖体含有rRNA，但核糖体没有膜结构，不含磷脂分子，D项错误。
2．猪瘟病毒能与猪细胞膜上的LamR受体蛋白结合，进而侵入细胞引起猪瘟。利用基因编辑技术改变LamR受体蛋白基因，使LamR受体蛋白不能与猪瘟病毒正常结合，但不影响生理功能，从而培育出抗猪瘟病毒猪。基因编辑原理是由一条人为设计的单链向导RNA(sgRNA)引导Cas9蛋白到特定的DNA位点进行切割，从而完成对目的基因的编辑。基因编辑过程如图所示。下列叙述错误的是( B )
A．培育抗猪瘟病毒猪，一般选择受精卵作为基因编辑的受体细胞，这样获得的个体的所有细胞都无法被猪瘟病毒感染
B．Cas9蛋白的功能是准确识别DNA特定序列并进行切割
C．改造后的受体细胞经培养发育到囊胚或桑葚胚时，可将其进行冷冻保存或胚胎移植
D．通过基因编辑技术改造前后的两种LamR基因是等位基因
解析：培育抗猪瘟病毒猪，一般选择受精卵作为基因编辑的受体细胞，改造后的受精卵开始进行胚胎发育，这样获得的个体的所有细胞都无法被猪瘟病毒感染，A正确；根据基因编辑的原理和题图所示过程，单链向导RNA是通过碱基互补配对原则准确地识别并结合到DNA的特定位点，从而引导Cas9蛋白到达准确位置进行DNA的切割，B错误；改造后的受体细胞经培养发育到囊胚或桑葚胚时，可将其进行胚胎移植或冷冻保存，C正确；通过基因编辑技术改造后的LamR基因与改造前的基因位置相同，控制的性状不同，二者是等位基因，D正确。
3．中国科学院遗传与发育生物学研究所李传友团队提出了一种利用多重基因编辑技术以红果番茄(双子叶植物)为材料，快速定向创制七种不同果色番茄材料的策略。该研究利用多重基因编辑系统靶向敲除了红果番茄中控制三类色素合成或代谢的关键基因。下图是科研人员用CRISPR/Cas9基因编辑技术定点敲除目标基因的示意图，请回答下列问题：
(1)CRISPR/Cas9系统能精准识别相关基因，依据的原理是____________发生碱基互补配对；Cas9蛋白能使目标DNA中的______________(填化学键名称)断裂，从而实现对______________________________________________
(填“DNA单链”“DNA双链”“RNA单链”或“RNA双链”)的剪切。若要插入其他基因，可以利用____________酶将它们连接起来。
(2)研究人员将编辑好的基因导入番茄的体细胞，常用的方法是____________。该方法的优点是可以使目的基因进入植物细胞，并__________________________________________
______________________________________________，
使目的基因的遗传特性得以稳定维持和表达。
(3)含有编辑好的基因的番茄体细胞具有全能性，在一定的营养和激素等条件下，可以经过____________的过程形成愈伤组织。当培养基中的______________________时，主要诱导根的形成。
(4)五彩缤纷的水果和蔬菜不仅给人以美的视觉享受，还能提高消费者的购买欲。在培育彩色番茄的同时我们还需要考虑该策略对番茄的____________________(答出2点即可)等性状的影响。
答案：(1)向导RNA与目标DNA(或识别序列) 磷酸二酯键 DNA双链 DNA连接 (2)农杆菌转化法 将其插入植物细胞中的染色体的DNA上 (3)脱分化 生长素含量高于细胞分裂素 (4)单果重、单株产量、维生素C含量
4．CRISPR/Cas9是一种高效的基因编辑技术，Cas9基因表达的Cas9蛋白像一把“分子剪刀”，在单链向导RNA(sgRNA)引导下，切割DNA双链以敲除目标基因或插入新的基因。CRISPR/Cas9基因编辑技术的工作原理如图所示。
回答下列问题。
(1)过程①中，为构建CRISPR/Cas9重组质粒，需对含有特定sgRNA编码序列的DNA进行酶切处理，然后将其插入经相同酶切处理过的质粒上，插入时所需要的酶是_________________________________________。
(2)过程②中，将重组质粒导入大肠杆菌细胞的方法是_________________________________________________。
(3)过程③～⑤中，sgRNA与Cas9蛋白形成复合体，该复合体中的sgRNA可识别并与目标DNA序列特异性结合，二者结合所遵循的原则是________________________。随后，Cas9蛋白可切割_____________________________序列。
(4)某种蛋白酶可高效降解羽毛中的角蛋白。科研人员将该蛋白酶基因插入CRISPR/Cas9质粒中获得重组质粒，随后将其导入大肠杆菌细胞，通过基因编辑把该蛋白酶基因插入基因组DNA中，构建得到能大量分泌该蛋白酶的工程菌。据图简述CRISPR/Cas9重组质粒在受体细胞内，将该蛋白酶基因插入基因组DNA的编辑过程：____________________________。
解析：(1)基因工程所需的工具酶有限制酶和DNA连接酶，限制酶负责切割，DNA连接酶负责连接，因此为构建CRISPR/Cas9重组质粒，需对含有特定sgRNA编码序列的 DNA进行酶切处理，然后将其插入经相同酶切处理过的质粒上，插入时所需要的酶是DNA连接酶。(2)大肠杆菌是原核生物，属于微生物，将目的基因导入微生物细胞之前需要用Ca2＋处理细胞，使细胞处于一种能吸收周围环境中DNA分子的生理状态。(3)根据题图可知，在CRISPR/Cas9基因编辑技术中，sgRNA是根据靶基因设计的向导RNA，准确引导Cas9蛋白切割与sgRNA配对的靶基因DNA序列。Cas9蛋白能借助sgRNA分子与目标DNA进行特异性结合的原因在于sgRNA分子上的碱基序列与目标DNA分子上的碱基序列可以通过碱基互补配对原则，实现sgRNA与目标DNA特定序列的特定识别，进而定位；由此可见，Cas9蛋白在功能上属于限制酶，可切割目标DNA特定的核苷酸序列。(4)根据图示可知，CRISPR/Cas9重组质粒在受体细胞内进行转录和表达，转录的产物是sgRNA，表达的产物是Cas9蛋白，二者形成复合体，该复合体中的sgRNA可识别并与目标DNA序列特异性结合，引导Cas9蛋白切割目标DNA序列，从而将该蛋白酶基因插入基因组DNA中。
答案：(1)DNA连接酶 (2)Ca2＋处理法 (3)碱基互补配对原则 目标DNA特定的核苷酸 (4)CRISPR/Cas9重组质粒在受体细胞内进行转录和表达，转录的产物是sgRNA，表达的产物是Cas9蛋白，二者形成复合体，该复合体中的sgRNA可识别并与目标DNA序列特异性结合，引导Cas9蛋白切割目标DNA序列，从而将该蛋白酶基因插入基因组DNA中