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2024新教材生物高考专题复习
微专题　常见遗传病的原理、检测鉴定及治疗
　　目前许多高考题都是真实情境改编,如从镰状细胞贫血和地中海贫血症中提炼情境,以这两种疾病的致病原理、检测方法和基因治疗方法为脉络进行关键能力的考查。
镰状细胞贫血症和地中海贫血症都属于血红蛋白分子病,由单基因突变引起,但它们的发病机制、发病人群等都不同。
一、致病原理
　　正常血红蛋白是由两条α珠蛋白链和两条β珠蛋白链构成的α2β2四聚体。编码α珠蛋白的基因位于16号染色体上,编码β珠蛋白的基因位于11号染色体上。
当编码珠蛋白的基因发生碱基替换或基因片段缺失时,会使血红蛋白结构异常,从而导致贫血。例如编码β珠蛋白的基因发生碱基替换导致第6位密码子发生改变,使该密码子编码的氨基酸由谷氨酸变成缬氨酸,导致镰状细胞贫血的产生。例如编码α珠蛋白的基因因片段缺失,由14 kb变为10 kb,会导致α地中海贫血症。
二、检测方法
例1　(2020山东,17)(不定项)如图表示甲、乙两种单基因遗传病的家系图和各家庭成员基因检测的结果。检测过程中用限制酶处理相关基因得到大小不同的片段后进行电泳,电泳结果中的条带表示检出的特定长度的酶切片段,数字表示碱基对的数目。下列说法正确的是(　　)
　A.甲病的致病基因位于常染色体上,乙病的致病基因位于X染色体上
　B.甲病可能由正常基因发生碱基对的替换导致,替换后的序列可被MstⅡ识别
　C.乙病可能由正常基因上的两个BamHⅠ识别序列之间发生碱基对的缺失导致
　D.Ⅱ4不携带致病基因、Ⅱ8携带致病基因,两者均不患待测遗传病
答案　CD
　　一般常见的地中海贫血症基因可以利用限制性片段长度多态(RFLP)技术进行检测,即先用PCR技术扩增编码珠蛋白的基因,然后利用特定的限制酶切割,最后电泳或利用探针进行检测。而罕见珠蛋白突变基因的检测必须测序然后与正常基因进行序列比对。
1.镰状细胞贫血的基因诊断
　　正常编码β珠蛋白的基因βA和编码镰状β珠蛋白的基因βs,序列比较如图所示。
血红蛋白 基因 第5、6、7位密码子所 对应的核苷酸序列 相对应的氨 基酸残基
βA …CCTGAGGAG… …Pro Glu Glu…
βs …CCTGTGGAG… …Pro Val Glu…
　　正常编码β珠蛋白的基因第5、6、7位密码子中含有一个限制酶MstⅡ的酶切位点,发生镰状突变后该酶切位点消失。检测时对编码β珠蛋白的基因序列进行PCR扩增,扩增产物用MstⅡ酶切,并对酶切片段进行电泳及探针杂交分析,结果如图所示。
　　图示β珠蛋白基因纯合子S(SS)、纯合子A(AA)和杂合子AS个体的DNA杂交结果,探针为β珠蛋白基因5'端的基因片段
2.常见α地中海贫血症的基因诊断
　　正常编码α珠蛋白的基因片段及限制酶酶切位点,如图所示。
若用BamHⅠ切割再用探针检测,含正常编码α珠蛋白的基因片段为14 kb,含α地中海贫血症基因的片段因为发生片段缺失,为10 kb,检测结果如图所示。
　　上述两个案例中,基因单碱基替换和基因片段缺失造成限制酶酶切位点改变,使得不同个体的同一基因或同一个体的两个等位基因用某种限制酶酶切产生的片段长度不同,这种通过对DNA片段长度进行检测和比较,进行遗传学分析的方法就是RFLP。
例2　(2022天津,17节选)α地中海贫血是一种常染色体遗传病,可由α2珠蛋白基因变异导致,常见变异类型有基因缺失型和碱基替换突变型。现发现一例患者,疑似携带罕见α2基因变异,对其家系α2基因进行分析。
①检测碱基替换突变,发现祖母不携带碱基替换突变;母亲的α2基因仅含一个单碱基替换突变,该变异基因可记录为“αW”。
②检测有无α2基因缺失,电泳结果如图。
(1)将缺失型变异记录为“-”,正常α2基因记录为“α”,则祖母的基因型可记录为“-/α”。仿此,母亲的基因型可记录为　　　　。
(2)经鉴定,患者确携带一罕见α2基因变异,将该变异基因记录为“αX”,则其基因型可记录为“-/αX”,αX属于　　
　　(缺失型/非缺失型)变异。
(3)患者有一妹妹,经鉴定,基因型为“αX/αW”,请在上图虚线框中画出其在基因缺失型变异检测中的电泳图谱。
答案　(1)-/αW(或αW/-)
(2)非缺失型　(3)
　　罕见的α地中海贫血因突变原因未知,不能用常规RFLP分析,需对基因进行测序后与正常序列进行比对,然后确定突变原因。
三、镰状细胞贫血及β地中海贫血症基因治疗
例3　(2021山东,25节选)人类γ基因启动子上游的调控序列中含有BCL11A蛋白结合位点,该位点结合BCL11A蛋白后,γ基因的表达被抑制。通过改变该结合位点的序列,解除对γ基因表达的抑制,可对某种地中海贫血症进行基因治疗。科研人员扩增了γ基因上游不同长度的片段,将这些片段分别插入表达载体中进行转化和荧光检测,以确定BCL11A蛋白结合位点的具体位置。相关信息如图所示。
(2)将构建的载体导入除去BCL11A基因的受体细胞,成功转化后,含F1~F6与R扩增产物的载体表达荧光蛋白,受体细胞有荧光,含F7与R扩增产物的受体细胞无荧光。含F7与R扩增产物的受体细胞无荧光的原因是　　　　　　　　　　　　　　　　　 　。
(3)向培养液中添加适量的雌激素,含F1~F4与R扩增产物的受体细胞不再有荧光,而含F5~F6与R扩增产物的受体细胞仍有荧光。若γ基因上游调控序列上与引物序列所对应的位置不含有BCL11A蛋白的结合位点序列,据此结果可推测,BCL11A蛋白结合位点位于　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　,理由是　 　。
答案　(2)F7与R扩增产物不含完整的启动子,荧光蛋白基因不表达
(3)引物F4与F5在调控序列上所对应序列之间的区段上　根据有无荧光情况判断,F1~F4与R扩增产物上均有结合位点,因此结合位点位于F4所对应调控序列的下游(右侧);F5~F6与R扩增产物上均无结合位点,可知结合位点位于F5所对应调控序列的上游(左侧),所以结合位点位于引物F4与F5在调控序列上所对应序列之间的区段上
1.治疗原理
　　镰状细胞贫血及β地中海贫血症均是由编码β-珠蛋白的基因突变所致。事实上人体细胞内存在着编码γ-珠蛋白的基因,在幼年时会表达γ-珠蛋白,γ-珠蛋白与β-珠蛋白功能相似,在幼年时期能与α珠蛋白结合形成有活性的α2γ2血红蛋白,而γ-珠蛋白在人类成年后表达会显著下降,所以成年人体内主要是α2β2血红蛋白。因此,如果能够重新激活γ-珠蛋白基因的表达,就能够弥补β-珠蛋白的缺失,从而缓解或治愈这两种遗传性贫血症。
　　经研究发现BCL11A蛋白与γ-珠蛋白的基因表达抑制有关,γ基因启动子上游的调控序列中含有BCL11A蛋白结合位点,该位点结合BCL11A蛋白后,γ基因的表达被抑制。科研人员设计上游引物和下游引物(F1~F7七种引物加引物R),扩增γ-珠蛋白的基因启动子上游不同长度的序列,将扩增产物分别插入表达载体中进行转化和荧光检测,以确定BCL11A蛋白结合位点的具体位置。最终发现,F4与F5在调控序列上所对应序列之间的区段上包含完整的BCL11A蛋白结合位点。
2.基因治疗方法
　　通过基因编辑技术敲除造血干细胞内表达γ-珠蛋白的基因上游的BCL11A蛋白结合位点,可以解除BCL11A蛋白对表达γ-珠蛋白的基因的抑制,然后再将经基因编辑的造血干细胞输回病人体内,显著缓解了贫血症。
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