資源簡介

第2節　基因表達與性狀的關系
【學習目標】
1.通過分析實例,明確基因控制性狀的兩種方式,歸納基因表達產物與性狀的關系。(生命觀念、科學思維)
2.通過分析材料,認同細胞分化的實質是基因的選擇性表達,理解細胞調控基因表達的機制。(生命觀念、科學思維)
3.通過分析案例,認識DNA甲基化等因素在未改變堿基序列的情況下,導致基因表達情況發生可遺傳的變化;分析基因與性狀之間的復雜關系。(科學思維、科學探究、社會責任)
【自主預習】
一、基因表達產物與性狀的關系
1.基因控制生物體性狀的兩種途徑
(1)間接途徑:基因通過控制　酶的合成　來控制代謝過程,進而控制生物體的性狀。
基因　酶　的合成　代謝　過程生物體的性狀。
(2)直接途徑:基因通過控制　蛋白質的結構　直接控制生物體的性狀。
基因　蛋白質　的結構生物體的性狀。
2.基因對性狀的控制實例(連線)
　　提示　①—b?、凇猘?、邸猙　④—a　⑤—b　⑥—b
二、基因的選擇性表達與細胞分化
1.基因類型
一類是在所有細胞中都表達的基因,指導合成的蛋白質是維持細胞基本生命活動所　必需　的,如　A、B、E　(填“A”、“B”、“C”、“D”或“E”)。
還有一類是只在某類細胞中　特異性　表達的基因,如　C、D　(填“A”、“B”、“C”、“D”或“E”)。
A.核糖體蛋白基因
B.ATP合成酶基因
C.卵清蛋白基因
D.胰島素基因
E.呼吸酶基因
2.細胞分化的本質:　基因的選擇性表達　。
3.基因的選擇性表達與　基因表達的調控　有關。
三、表觀遺傳
1.概念:生物體基因的　堿基序列　保持不變,但　基因表達　和　表型　發生可遺傳變化的現象,叫作表觀遺傳。
2.存在時期:表觀遺傳現象普遍存在于生物體　生長、發育和衰老　的整個生命活動過程中。
3.類型:DNA的　甲基化　,組蛋白的甲基化、乙?；?。
四、基因與性狀間的對應關系
1.在大多數情況下,基因與性狀的關系并不是簡單的一一對應的關系。
(1)一個性狀可以受到　多個基因　的影響。
(2)一個基因也可以影響　多個性狀　。
(3)生物體的性狀也不完全是由基因決定的,　環境　對性狀也有著重要影響。
2.基因與基因、基因與基因表達產物、　基因與環境　之間存在著復雜的相互作用,這種相互作用形成了一個錯綜復雜的網絡,精細地調控著生物體的　性狀　。
【合作探究】
任務1　闡明基因表達產物與性狀的關系
活動1　閱讀課本P71~72,分析案例,歸納基因表達產物與性狀的關系,結合下列材料,思考基因是如何控制性狀的
　　材料一
　　材料二
1.材料一說明:基因通過控制　　　　　　　　　　　　　,進而控制生物體的性狀。
提示　酶的合成來控制代謝過程
2.材料二說明:基因通過控制　　　　　　　　　控制生物體的性狀。
提示　蛋白質的結構直接
3.請由材料一、二總結基因對性狀的控制方式。
　　提示　
認知生成
基因控制性狀的途徑比較
項目 直接途徑 間接途徑
方式 基因通過控制蛋白質的結構直接控制生物體的性狀 基因通過控制酶的合成來控制代謝過程,進而控制生物體的性狀
圖解
舉例 囊性纖維化:CFTR 基因缺失3個堿基→CFTR蛋白結構異?！δ墚惓? 白化病:酪氨酸酶基因異?！鄙倮野彼崦浮野彼岵荒苻D化為黑色素→白化病
例1　(2022·襄城練習)皺粒種子形成的原因是淀粉分支酶基因中插入了一段DNA序列,導致淀粉分支酶出現異常,細胞中淀粉含量下降,豌豆種子皺縮,但是蔗糖含量較高。下列關于基因表達與性狀關系的敘述,正確的是(　　)。
A.皺粒種子的形成說明基因可通過控制酶的活性間接控制生物性狀
B.淀粉分支酶基因對皺粒種子的影響體現了一個基因不只影響一種性狀
C.基因還可以通過控制蛋白質的結構直接控制生物的性狀,如白化病
D.囊性纖維化是基因通過控制酶的合成來控制代謝過程,進而控制生物體的性狀的結果
　　【答案】　B
【解析】　淀粉分支酶基因通過控制淀粉分支酶的合成來控制代謝過程,進而間接控制生物的性狀,A錯誤;淀粉分支酶基因中插入了一段DNA序列,導致淀粉分支酶出現異常,蔗糖轉化為淀粉的過程受到影響,導致淀粉含量下降,蔗糖含量較高,豌豆種子皺縮,還可影響種子甜度,說明一個基因不只影響一種性狀,B正確;基因可以通過控制蛋白質的結構直接控制性狀,但白化病是酪氨酸酶基因異常導致酶發生改變而間接影響生物性狀的,C錯誤;囊性纖維化是基因通過控制蛋白質的結構直接控制生物體的性狀,D錯誤。
對點練1　豌豆種子有圓粒和皺粒兩種,下圖為圓粒種子形成機制的示意圖,下列相關說法不正確的是(　　)。
A.圖中顯示了基因通過控制酶的合成來控制代謝過程,進而控制生物體的性狀
B.當編碼淀粉分支酶的基因被打亂時,細胞內淀粉的含量會上升
C.皺粒種子中蔗糖含量相對更高,味道更甜美
D.圖中①②過程中堿基互補配對的方式有差異
　　【答案】　B
【解析】　圖中顯示了基因通過控制酶的合成來控制代謝過程,進而控制生物體的性狀,A正確;當編碼淀粉分支酶的基因被打亂時,會導致淀粉分支酶異常,活性大大降低,從而使淀粉的含量下降,B不正確;皺粒種子中淀粉含量相對較低,而蔗糖含量相對較高,種子的甜度增加,C正確;圖中①②過程分別為轉錄和翻譯,都會發生堿基互補配對,其中轉錄過程中堿基配對的方式有A—U、T—A、C—G、G—C,翻譯過程中堿基配對的方式有A—U、U—A、C—G、G—C,D正確。
任務2　闡明基因的選擇性表達與細胞分化的關系
活動2　閱讀課本P72~73,明確細胞分化的實質,分析不同類型細胞中DNA和mRNA的檢測結果
　　科學家提取了雞的輸卵管細胞、紅細胞(有細胞核)和胰島細胞,并對這3種細胞中的DNA和mRNA進行了檢測,結果如下:
檢測的 3種細胞 卵清蛋白基因、珠蛋白基因、胰島素基因 卵清蛋白mRNA 珠蛋白mRNA 胰島素mRNA
輸卵管細胞 +++ + - -
(續表)
檢測的 3種細胞 卵清蛋白基因、珠蛋白基因、胰島素基因 卵清蛋白 mRNA 珠蛋白 mRNA 胰島素 mRNA
紅細胞 +++ - + -
胰島細胞 +++ - - +
注:“+”表示檢測發現相應的分子,“-”表示檢測未發現相應的分子。
1.這3種細胞中的基因組成是否相同 它們合成的蛋白質種類是否相同
　　提示　這3種細胞都屬于雞的體細胞,經受精卵有絲分裂而來,因此基因組成相同,但是它們合成的蛋白質種類不同。
2.3種細胞中都含有卵清蛋白基因、珠蛋白基因、胰島素基因,但是這3種細胞分別只檢測到了一種基因的mRNA,這說明了什么問題
　　提示　在高度分化的體細胞中,基因是選擇性表達的。同一個體不同種類的體細胞中,DNA(基因)相同,而RNA、蛋白質的種類不同。
3.這三類細胞中表達的基因是不是完全不相同 如不是,請舉例說明。
　　提示　不是?？刂萍毎旧顒拥幕蛟谒屑毎卸寄鼙磉_,如核糖體蛋白基因、ATP合成酶基因等。
4.該資料說明細胞分化的本質是什么
　　提示　細胞分化的本質是基因的選擇性表達。
認知生成
1.細胞分化的本質是基因的選擇性表達。
同一生物的各種體細胞具有完全相同的遺傳物質,但不同的體細胞中遺傳信息的執行情況不同,即基因的選擇性表達。
(1)從起源上看,甲、乙兩種細胞都是由同一個受精卵經有絲分裂增殖而來的,根據有絲分裂的特征,染色體經復制后平均分配到兩個子細胞中,所以甲、乙中遺傳信息是一樣的。
(2)從發育過程上看,不同細胞中遺傳信息的執行情況不同,于是就產生了與不同細胞功能相適應的蛋白質。
2.基因的選擇性表達與基因表達的調控有關。
例2　(不定項)下表是人體內的紅細胞(未成熟)、胰島B細胞、漿細胞內所含有的核基因及這些基因表達的情況(“+”表示該基因表達,“-”表示該基因未表達)。下列說法錯誤的是(　　)。
細胞 血紅蛋白基因 胰島素基因 抗體基因 有氧呼吸酶基因
紅細胞 + - - +
胰島B細胞 - ① - +
漿細胞 - - ② ③
A.①②③均表示“+”
B.此表說明細胞分化導致基因的選擇性表達
C.3種細胞中mRNA和蛋白質種類完全不同
D.3種細胞的形態、結構和生理功能不同的根本原因是核基因種類不完全相同
【答案】　BCD
【解析】　題表說明細胞分化的本質是基因的選擇性表達,B錯誤;3種細胞中有氧呼吸酶基因都表達,C錯誤;3種細胞是同一個體中的體細胞,其核基因種類相同,只是表達的基因不同,D錯誤。
【知識拓展】　　細胞分化的三個關鍵點
1.分化細胞表達的基因
下圖是人體三種細胞內的部分基因及它們的活動狀態:
在不同類型的細胞中表達的基因可分為兩類:如a是指所有細胞均表達的一類基因,其表達產物是維持細胞基本生命活動所必需的;如b、c、d是指不同類型細胞特異性表達的一類基因,其產物賦予不同細胞特異性的生理功能。
2.細胞分化的“變”與“不變”
(1)不變:DNA、tRNA、rRNA、細胞的數目。
(2)變:mRNA、蛋白質的種類,細胞的形態、結構和功能。
3.細胞分化的標志
(1)分子水平:合成了某種細胞特有的蛋白質,如唾液淀粉酶、胰島素等。
(2)細胞水平:形成不同種類的細胞。
對點練2　有人把分化細胞中表達的基因形象地分為“管家基因”和“奢侈基因”?！肮芗一颉痹谒屑毎卸继幱诨顒訝顟B,是維持細胞基本生命活動所必需的;而“奢侈基因”只在特定組織細胞中才處于活動狀態。下列屬于“管家基因”指導合成的產物是(　　)。
A.ATP水解酶　　　　　 B.血紅蛋白
C.胰島素 D.卵清蛋白
　　【答案】　A
【解析】　ATP水解酶基因在所有細胞中都表達,屬于“管家基因”,A符合題意;血紅蛋白基因只在紅細胞中表達,屬于“奢侈基因”,B不符合題意;胰島素基因在胰島B細胞中特異性表達,屬于“奢侈基因”,C不符合題意;卵清蛋白基因在輸卵管細胞中特異性表達,屬于“奢侈基因”,D不符合題意。
任務3　概述表觀遺傳現象
活動3　閱讀課本P73~74,明確基因表達與性狀的關系,結合課本P73“思考·討論”提供的資料,回答下列問題
1.資料1中,柳穿魚植株A和植株B體內的Lcyc基因的堿基序列是否相同 為什么植株A、B的花形態結構出現差異
　　提示　柳穿魚植株A和植株B體內的Lcyc基因的堿基序列是相同的。因為植株B體內的Lcyc基因被高度甲基化了,表達受到抑制。
2.植株A和植株B雜交后,F1的花為什么跟植株A的相似 F1自交得到的F2中為什么有些植株的花與植株B的相似 由此說明了什么問題
　　提示　植株A和植株B雜交后,F1體內成對的Lcyc基因,一個來自植株A,一個來自植株B,來自植株B的Lcyc基因由于被高度甲基化不能表達,但來自植株A的Lcyc基因可正常表達,因而F1的花與植株A的相似。F1自交產生F2,發生性狀分離現象,因而F2植株的花大部分與植株A的相似,小部分與植株B的相似。
3.資料2中,F1小鼠的基因型是Avya,小鼠毛色為什么不是黃色而是表現出介于黃色和黑色之間的一系列過渡類型
　　提示　因為小鼠的Avy基因的前端有多個可發生DNA甲基化修飾的位點,當Avy基因發生甲基化后表達受抑制,并且甲基化程度越高,表達受到的抑制越明顯,小鼠的毛色越深。
4.資料1和資料2展示的遺傳現象有什么共性 你對基因和性狀的關系有什么新的認識
　　提示　控制柳穿魚花的形態和小鼠毛色的基因,其堿基序列沒有發生改變,但是某些堿基發生了甲基化修飾,從而影響了基因的表達?；蚩刂粕锏男誀?基因發生修飾后,雖然堿基序列沒有改變,但可以影響生物個體的性狀,并且還可以遺傳給下一代。
5.
如圖,同一株水毛茛,裸露在空氣中的葉是扁平的,而浸在水中的葉片深裂成絲狀。葉片呈扁平狀或絲狀,能否說明形狀不同的葉片中的基因不同 葉片形狀不同的原因是什么
　　提示　不能,形狀不同的葉片中的基因是相同的。葉片形狀不同是由生活環境引起的。
6.基因型相同,表型是否一定相同 請用一個等式表示基因型、表型和生活環境之間的關系。
　　提示　不一定相同。表型=基因型+生活環境。
認知生成
1.表觀遺傳的特點
(1)基因的堿基序列保持不變。
(2)可遺傳性,即這類改變能在細胞個體間遺傳。
(3)可逆性的基因表達。如甲基化時,可影響基因的表達;去甲基化時,可恢復基因的表達。
(4)表觀遺傳普遍存在于生物體的生長、發育和衰老的整個生命活動過程中。
2.表觀遺傳對基因表達的調控及其控制
生物遺傳信息表達的正確與否,既受控于DNA序列又受制于表觀遺傳,表觀遺傳主要在DNA修飾、蛋白質修飾與非編碼RNA的調控3個層面上調控基因的表達。
例3　黃色小鼠(AA)與黑色小鼠(aa)雜交,產生的F1(Aa)不同個體出現了不同體色。研究表明,不同體色的小鼠A基因的堿基序列相同,但A基因上二核苷酸(CpG)胞嘧啶有不同程度的甲基化(如圖)現象。已知甲基化不影響DNA的復制。有關分析錯誤的是(　　)。
A.F1個體體色的差異與A基因甲基化程度有關
B.甲基化可能影響RNA聚合酶與該基因的結合
C.堿基甲基化不影響堿基互補配對過程
D.甲基化是引起堿基序列變化的常見方式
　　【答案】　D
【解析】　不同體色的小鼠A基因的堿基序列相同,A基因上的二核苷酸(CpG)胞嘧啶有不同程度的甲基化現象,顯然體色差異與A基因甲基化程度有關,A正確;RNA聚合酶與該基因結合可以啟動轉錄,結合部位甲基化可能會導致RNA聚合酶不能與該基因的結合,B正確;堿基甲基化不影響DNA復制過程,而DNA復制過程有堿基互補配對過程,故堿基甲基化不影響堿基互補配對過程,C正確;基因中堿基甲基化后基因序列不變,只是部分堿基發生了甲基化修飾,抑制了基因的表達,進而對表型產生影響,D錯誤。
對點練3　DNA甲基化是表觀遺傳中最常見的現象之一。在甲基轉移酶的催化下,DNA的胞嘧啶被選擇性地添加甲基,導致DNA甲基化,進而使染色質高度螺旋化,失去轉錄活性。下列相關敘述不正確的是(　　)。
A.DNA甲基化,會導致基因堿基序列的改變
B.DNA甲基化,會導致mRNA合成受阻
C.DNA甲基化,可能會影響生物的性狀
D.DNA甲基化,可能會影響細胞分化
　　【答案】　A
【解析】　DNA的胞嘧啶被選擇性地添加甲基,導致DNA甲基化,這不會導致基因堿基序列的改變,A不正確;DNA甲基化會使染色質高度螺旋化,從而失去轉錄活性,導致mRNA合成受阻,進而導致蛋白質合成受阻,這樣可能會影響生物的性狀,B、C正確;細胞分化的實質是基因的選擇性表達,而DNA甲基化會導致mRNA合成受阻,即會影響基因表達,因此DNA甲基化可能會影響細胞分化,D正確。
【隨堂檢測】
課堂小結 課堂小測
判斷正誤。 (1)基因只能通過控制蛋白質的結構直接控制生物體的性狀。 (×) (2)基因是通過控制蛋白質的合成來控制生物性狀的。 (×) (3)在一個細胞中所有的基因都能表達。 (×) (4)基因與性狀是一對一的線性關系。 (×) (5)生物體的一種性狀有時受多個基因的影響。 (√) (6)生物體的基因型相同,表型就一定相同。 (×)
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