2023届高考生物二轮复习专题9微专题(七)　展望前沿-与生物学相关的诺贝尔奖-讲义(通用版).docx

生命科学的突出成就当属一年一度的诺贝尔生理学或医学奖获得者所研究的内容，在高考题题干中通常以诺贝尔奖获得者的成果展示和说明作为“引子”或切入点，因此在备考过程中要关注生物学相关的突出成就及热点问题：2020年诺贝尔化学奖为CRISPR/Cas9技术。以下为诺贝尔生理学或医学奖：2020年：抗击血源性丙型肝炎做出的决定性贡献。肝硬化和肝癌的最主要原因。2019年：发现了细胞如何感知和适应氧气的可用性。调控基因活性的分子。2018年：癌症免疫治疗。与免疫调节细胞癌变相联系。2017年：发现控制生理节律的机制。与果蝇遗传或生理调控相联系。2016年：日本大隅良典自噬性溶酶体。 2015年：中国屠呦呦疟疾治疗青蒿素。2014年：发现了一种大脑定位系统内部GPS，可以指导我们的空间定位，为更高级的认知功能提供了细胞基础。可以与神经调节、信息传递、人脑的高级功能等相联系。2013年：发现细胞内部囊泡运输调控机制可以与分泌蛋白的形成与分泌、受体等相关联。2012年：成年体细胞重新诱导回早期干细胞状态，以用于形成各种类型的细胞，应用于临床医学。可以与细胞分化、胚胎干细胞的培养、器官移植建立联系。2011年：免疫方面可以与所学免疫知识联系。2010年：试管婴儿方面可以与受精作用、减数分裂、设计试管婴儿联系。解读2020年诺贝尔化学奖(1)CRISPR/Cas9技术敲除掉部分基因原理CRISPR/Cas9是细菌的一种后天免疫防御机制CRISPR序列示意图如下(其中，菱形框表示高度可变的间隔序列，正方形表示相对保守的重复序列)，其中的“间隔序列”来源于病毒或外源质粒的一小段DNA，是细菌对这些外来入侵者的“记录”。病毒或外源质粒上存在“原间隔序列”，“间隔序列”正是与它们互相对应。“原间隔序列”的选取并不是随机的，这些原间隔序列的两端向外延伸的几个碱基往往都很保守，我们称为PAM(原间隔序列临近基序)。当病毒或外源质粒DNA首次入侵到细菌体内时，细菌会对外源DNA潜在的PAM序列进行扫描识别，将临近PAM的序列作为候选的“原间隔序列”，将其整合到细菌基因组上CRISPR序列中的两个“重复序列”之间。这就是“间隔序列”产生的过程。当外源质粒或病毒再次入侵宿主菌时，会诱导CRISPR序列的表达。同时，在CRISPR序列附近还有一组保守的蛋白编码基因，称为Cas基因。CRISPR序列的转录产物CRISPR RNA和Cas基因的表达产物等一起合作，通过对PAM序列的识别，以及“间隔序列”与外源DNA的碱基互补配对，来找到外源DNA上的靶序列，并对其切割，降解外源DNA。这也就实现了对病毒或外源质粒再次入侵的免疫应答。(2)CRISPR/Cas9技术的运用和发展具体运用如下图所示，在待敲除基因的上下游各设计一条向导RNA(指导RNA)，将其与含有Cas9蛋白编码基因的质粒一同转入细胞中，向导RNA通过碱基互补配对可以靶向PAM附近的目标序列，Cas9蛋白会使该基因上下游的DNA双链断裂。 对于DNA双链的断裂这一生物事件，生物体自身存在着DNA损伤修复的应答机制，会将断裂上下游两端的序列连接起来，从而实现了细胞中目标基因的敲除。CRISPR/Cas9基因魔剪：当研究人员要用基因魔剪来编辑一个基因组时，他们会人工构建一个指导RNA，它与将要被切割的DNA代码相匹配。魔剪蛋白Cas9与指导RNA形成复合物，将魔剪带到基因组中将要进行切割的地方。原始的 CRISPRCas9 会由于 RNA 定位偏差而出现脱靶效应，现在通过改进，可以大幅降低脱靶效应。同时还发现了一些新的系统，除了最开始的 Cas9，后面又找到了 Cas12 的一系列酶，机理上有一定不同，但还是用以切割 DNA；还有 Cas13 则用于切割 RNA。基于 Cas12 和 Cas13 的开发以及机制研究，又发展出了新的工具用于快速检测病毒，效率可以达到几分钟检测一个样品，并且用到了现在的新冠病毒检测中。1(2021·重庆西南大学附中高三月考)2020年诺贝尔生理学或医学奖颁给了发现丙肝病毒的三位科学家。丙肝病毒是单股正链RNA病毒，用RNA表示。主要侵染肝细胞，引发肝炎。下图表示丙肝病毒的增殖和表达过程。对多个丙肝病毒进行分析比较，发现其核苷酸和氨基酸序列存在较大差异。目前尚无有效的疫苗预防丙肝。下列相关说法错误的是()A丙肝病毒合成蛋白质原料由肝细胞提供B丙肝病毒的遗传物质是单链RNA ，结构不稳定，易发生变异，导致丙肝疫苗研制困难较大C丙肝病毒的RNA中，每个核糖均与两个磷酸相连D过程消耗的嘧啶核苷酸数等于过程消耗的嘌呤核苷酸数答案C解析丙肝病毒的 RNA 中，中间的核糖均与两个磷酸残基相连，3端的核糖只与一个磷酸相连， C 错误。2(2021·济南市历城第二中学高三月考)蛋白质是细胞生命活动的主要承担者，多肽只有折叠成正确的空间结构，才具有正常的生物学功能，若发生错误折叠，则无法从内质网运输到高尔基体。错误折叠的蛋白质和损伤的线粒体等细胞器在细胞内堆积会影响细胞的功能。研究发现，细胞可通过下图所示机制对蛋白质和细胞器的质量进行精密调控，减少细胞内功能异常的蛋白质和细胞器，避免它们对细胞生命活动产生干扰。下列有关叙述错误的是()A错误折叠的蛋白质会被泛素标记，被标记的蛋白质与自噬受体结合，被包裹进吞噬泡，最后被溶酶体降解B损伤的线粒体也可被标记并最终被溶酶体降解，其中的生物膜结构在溶酶体中可被降解并释放出氨基酸、磷脂(甘油、磷酸及其他衍生物)等物质C降解产物可被细胞重新利用，可节约物质进入细胞消耗的能量D该过程利用了膜的流动性，但不涉及信息交流答案D解析根据图示可知，泛素可标记错误折叠的蛋白质，使其与自噬受体结合，被包裹进吞噬泡，最后被溶酶体降解，A正确；生物膜主要由磷脂双分子层和蛋白质构成，被溶酶体降解时，可释放出氨基酸、磷脂(甘油、磷酸及其他衍生物)等物质，B正确；降解产物是氨基酸、磷脂(甘油、磷酸及其他衍生物)等小分子物质，氨基酸可被细胞重新用于蛋白质的合成，磷脂可被细胞重新用于生物膜构建，C正确；该过程利用了膜的流动性，泛素标记“错误折叠的蛋白质和损伤的线粒体等细胞器”、与溶酶体融合等过程均涉及信息交流，D错误。3屠呦呦从黄花蒿(中医药方中称为青蒿)中提取青蒿素，荣膺2015年诺贝尔生理学或医学奖。青蒿素是治疗疟疾的特效药，是脂类性物质，易溶于有机溶剂，几乎不溶于水。其抗疟疾作用机理主要是通过青蒿素活化产生自由基，自由基与疟原蛋白结合，从而对疟原虫的细胞结构及其功能造成破坏。下列相关叙述正确的是()A青蒿素可以用无水乙醇、丙酮等物质进行提取B青蒿素在核糖体上合成，其合成受青蒿素基因直接控制C青蒿素可使疟原虫生物膜系统的基本支架及染色质遭到破坏D青蒿素以胞吞形式进入疟原虫细胞，需要消耗ATP答案A解析青蒿素是脂类性物质，易溶于有机溶剂，几乎不溶于水，根据其性质，可以用无水乙醇、丙酮等物质进行提取，A正确；青蒿素是脂类性物质，在内质网上合成，基因通过控制合成的酶控制青蒿素的合成，B错误；青蒿素活化产生自由基，自由基与疟原蛋白结合，从而对疟原虫的细胞结构及其功能造成破坏，生物膜系统的基本支架是磷脂双分子层，青蒿素不会破坏疟原虫生物膜系统的基本支架，C错误；青蒿素是脂类性物质，通过自由扩散进入细胞，不需要消耗ATP，D错误。42019年的诺贝尔生理学或医学奖获奖者发现了“细胞如何感知和适应氧气的可用性”的机制。当氧气充足时，HIF1(一种由蛋白质组成的转录调控因子)经过一系列过程会被降解，而当氧气不足时，HIF1的降解过程会被迫中止，HIF1会与特异的DNA片段相结合，促进相关物质的合成以缓解缺氧症状。下列相关叙述正确的是()AHIF1合成和发挥作用的场所在细胞核，其被降解的过程与相应识别机制有关B氧气以自由扩散的方式进入细胞，在线粒体基质中直接参与有氧呼吸CHIF1与DNA片段结合后会促进RNA聚合酶发挥作用D人进入高原地区，其组织细胞会出现缺氧情况，导致HIF1大量合成答案C解析HIF1是一种蛋白质，合成场所在核糖体，而发挥作用的场所在细胞核，其被降解的过程与相应识别机制有关，A错误；氧气在线粒体内膜上参与有氧呼吸，B错误；HIF1作为一种转录调控因子，会与特异的DNA片段相结合，促进转录过程的进行，此过程中会有RNA聚合酶的作用，C正确；人进入高原地区，其组织细胞会出现缺氧情况，而当氧气不足时，HIF1的降解过程会被迫中止，从而导致HIF1的含量有所增加，但并不会导致HIF1大量合成，D错误。5因发现控制“昼夜节律”分子机制，三位美国科学家获诺贝尔生理学或医学奖。PER、TIM基因是控制生命体昼夜节律的基因，PER基因编码的蛋白质在细胞核中夜间累积，而白天降解。下列叙述错误的是()APER蛋白是大脑皮层作为自动节律性中枢选择性表达的产物B细胞核的核孔对于通过的物质既有大小限制也有选择透过性C若抑制TIM蛋白的合成，则PER蛋白不能在细胞核中积累DPER蛋白的含量升高抑制PER基因的表达实现生物节律性答案A解析下丘脑为自动节律性中枢，PER蛋白是下丘脑选择性表达的产物，A错误。6癌症治疗经历了三次革命，第一次是手术化疗放疗，第二次是靶向治疗，2018年10月1日，诺贝尔生理学或医学奖颁发给美国科学家艾利森和日本科学家本庶佑，用以奖励他们在癌症免疫治疗(第三次革命)上的重大贡献，请回答以下问题：(1)研究发现，人体内与癌症相关的基因高达100多个，但必须是多个_发生突变才能赋予癌细胞的全部特征，据统计，人可能每天有50100个细胞发生癌变，而正常免疫系统所具有的_功能能有效控制癌细胞在体内的数量。(2)免疫治疗常用到全称为自然杀伤细胞的NK细胞，这是一种淋巴细胞，与T细胞和B细胞都起源于_。艾利森和本庶佑在研究中发现：NK细胞利用其细胞表面的某些蛋白来识别并保护正常细胞(如PD1就是这些蛋白质中的一种，它能与正常细胞表面的PDL1结合)，但是某些癌细胞常常具有免疫逃逸现象。机理是癌细胞表面具有PDL1，能与NK细胞表面的PD1结合，如图1所示，从而逃过NK细胞的追杀。根据这一理论，科研团队开发出PD1抑制剂类药物，能阻断PD1与PDL1的结合，从而使NK细胞可以清除癌细胞(原理如图2所示) 。NK细胞的PD1和PDL1结合体现了细胞膜具有_的作用。(3)PD1免疫治疗给许多癌症病人带来生的希望，但是在治疗中发现，PD1免疫治疗对有些种类的癌症却基本没有疗效，请分析药物无效的可能原因：_。(4)科学家们同时也发现，免疫疗法也存在一定的风险，有些病人在治疗过程中出现了自身免疫性肠炎、肺炎、狼疮皮肤病等副作用，请运用相关免疫知识解释副作用出现的原因： _。答案(1)原癌基因或抑癌基因免疫监视和免疫自稳(2)造血干细胞进行细胞间的信息交流(3)这些癌细胞开启了另外的免疫逃逸通道(或有另外的受体蛋白被NK细胞识别或NK细胞的PD1蛋白结构改变或肿瘤体积太大)(4)抑制剂使得免疫细胞不能识别正常细胞，对正常细胞进行攻击解析(2)T细胞和B细胞都起源于骨髓造血干细胞，据题意NK细胞也起源于骨髓造血干细胞，其中骨髓造血干细胞在骨髓发育成熟形成B细胞，移至胸腺发育成T细胞。7(2021·山东高三期末)CRISPR/Cas9是细菌和古细菌在长期演化过程中形成的一种适应性免疫防御机制，可用来对抗入侵的病毒及外源DNA，受此机制启发，科学家们研发了CRISPR/Cas9基因编辑技术，这是一种对靶向基因进行特定DNA修饰的技术，其原理是由一个向导RNA分子引导核酸内切酶Cas9到一个特定的基因位点进行切割。通过设计向导RNA中20个碱基的识别序列，可人为选择DNA上的任一目标位点进行切割(见下图)。请据图分析回答下列问题：(1)CRISPR/Cas9基因编辑复合体中Cas9蛋白是由相应基因指导，在细胞的_中合成的，其工作原理是特异性地切断目标DNA的_(填具体部位)；向导RNA中的识别序列与目标DNA的识别遵循_原则，该复合体中，决定其在DNA上切割位点的是_。(2)中国科学家从肺癌患者血液中提取某种细胞，利用CRISPR/Cas9基因编辑技术加入一个帮助这种细胞定向清除肿瘤的新基因序列，然后再把这些细胞注入患者的血液，以达到杀死癌细胞的目的。这些细胞应该是人体的_，这种治疗方法属于_(填“体内”或“体外”)基因治疗。(3)分析上述信息可知，CRISPR/Cas9基因编辑技术与早期基因工程相比最明显的优势是_。答案(1)核糖体磷酸二酯键碱基互补配对向导RNA中的识别序列(2)T淋巴细胞体外(3)CRISPR/CaS9基因编辑技术可人为地选择DNA上的目标位点进行切割，目的性更强解析(3)与早期基因工程相比，CRISPR/Cas9基因编辑技术可以对特定位点进行编辑，故其最明显的优势是可人为地选择DNA上的目标位点进行切割，目的性更强。8(2021·湖南高三模拟)CRISPR/Cas9基因编辑技术可以按照人们的意愿精准剪切、改变任意靶基因的遗传信息，对该研究有突出贡献的科学家被授予2020年诺贝尔化学奖。其原理是由一条单链向导RNA(sgRNA)引导Cas9蛋白到一个特定的基因位点进行切割，从而达到基因定点敲除、敲入、突变的目的。通过设计向导RNA中20个碱基的识别序列，可人为选择DNA上的目标位点进行切割(如图所示)。请据图分析回答下列问题：(1)CRISPR/Cas9基因编辑技术中，sgRNA是根据靶基因设计的引导RNA，准确引导Cas9切割与sgRNA配对的靶基因DNA序列。Cas9借助向导RNA对目标DNA分子进行精准定位，依赖于_；Cas9蛋白能对目标位点进行准确切割，是因为_，由此可见，Cas9在功能上属于_酶。(2)在使用Cas9对不同目标DNA进行编辑时，应使用Cas9蛋白和_(填“相同”或“不同”)的向导RNA进行基因编辑。在设计向导RNA识别序列时，若目标DNA的链切点附近序列为GAATCTCCA，则向导RNA上识别序列为_。(3)已知玉米中赖氨酸含量较低，原因是与赖氨酸合成过程中的两个关键酶天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶的活性，受细胞内赖氨酸浓度影响较大。当赖氨酸浓度达到一定量时就影响这两种酶的活性，从而使赖氨酸含量很难提高，不能满足需求。现使用CRISPR/Cas9基因编辑技术对天冬氨酸激酶和二氢吡啶二羧酸合成酶基因进行改造，首先需要构建由启动子、_(目的基因)、标记基因、终止子等组成的基因表达载体，然后使用_法导入玉米细胞，完成转化后CRISPR/Cas9系统可在玉米体细胞中特定的基因位点改写遗传信息，再经_技术培育成赖氨酸高产的玉米植株。答案(1)向导RNA 识别序列与目标DNA 之间的碱基互补配对Cas9 蛋白能识别特定核苷酸序列并在特定位点断开磷酸二酯键(Cas9 蛋白具有专一性 )限制性内切核酸(2)不同GAAUCUCCA(3)Cas9蛋白基因和sgRNA基因农杆菌转化植物组织培养解析(1)CRISPR/Cas9基因编辑技术中，sgRNA是根据靶基因设计的引导RNA，准确引导Cas9切割与sgRNA配对的靶基因DNA序列。Cas9能借助向导RNA分子与目标DNA进行精确定位的原因在于向导RNA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向导RNA与目标DNA特定序列的特定识别，进而定位； 对目标位点的切割则依赖于限制性内切核酸酶Cas9的专一识别， Cas9 蛋白能识别特定核苷酸序列并在特定位点剪切特定的碱基序列，使磷酸二酯键断裂。由此可见，Cas9在功能上属于限制性内切核酸酶。