【考前必看】以端粒和端粒酶为背景的一组高中生物学试题解析

以端粒和端粒酶为背景的一组高中生物学

试题解析

（注：本文修订版发表于《生物学教学》2010年第3期）

汪久佳（江苏省南京市江宁高级中学，211100)

徐英（江苏省苏州市第四中学，215003）

摘要：本文对2009年诺贝尔医学或生理学奖的颁奖领域——端粒和端粒酶有关的一组高中生物学试题作了解析。

关键词：诺贝尔奖端粒和端粒酶试题解析

由于发现端粒和端粒酶保护染色体的机理，美国3位科学家Elizabeth Blackburn、Carol Greider和Jack Szostak被授予2009年诺贝尔生理学或医学奖。端粒是真核细胞内染色体末端的DNA重复片断，经常被比做鞋带两端防止磨损的塑料套。在新细胞中，细胞每分裂一次，端粒就缩短一次，当端粒不能再缩短时，细胞就无法继续分裂而死亡。端粒酶是一种核糖核蛋白复合物，具有逆转录酶的性质，其含有引物特异识别位点，能以自身RNA为模板，合成端粒DNA并加到染色体末端，使端粒延长，从而延长细胞的寿命甚至使其永生。端粒和端粒酶的发现对癌症和衰老的研究具有重要意义。

人教版高中教材《生物1·必修·分子与细胞》在第6章第3节《细胞的衰老和凋亡》中提到了有关细胞衰老的端粒学说，在生物试题中也常常以端粒和端粒酶作为命题背景。笔者梳理了与端粒、端粒酶相关的高中生物学试题并解析如下：

1、选择题

例1 控制细胞分裂次数的“时钟”是位于染色体两端的一种特殊结构（端粒），它随着细胞分裂而变短。癌细胞中，存在延长染色体端粒的酶，正常人的生殖细胞中也有。据此你认为体细胞不能无限分裂的原因是( )

A．缺少合成端粒酶的氨基酸 B．缺少控制端粒酶合成的基因

C．控制端粒酶合成的基因发生突变 D．控制端粒酶合成的基因没有表达

【解析】考查细胞分裂和细胞分化。体细胞不能无限分裂，因为细胞中没有端粒酶，但正常人的生殖细胞中有，说明体细胞中存在控制端粒酶合成的基因，只是没有表达。答案：D

例2 在多莉羊问世以后，许多人怀疑多莉可能不是来自成年羊的体细胞，而是来自实验中污染的胚胎细胞。那么支持多莉来自体细胞而不是胚胎细胞的证据应该是( ) A．多莉的DNA指纹 B．多莉DNA的熔解温度

C．多莉的端粒长度 D．多莉的生物钟

【解析】体细胞端粒长度会随着细胞分裂而变短，胚胎细胞时则会重建，可以用来判断细胞年龄。答案：C

2、材料分析题

例3 阅读、分析下列材料，并结合你所学的知识回答问题：

细胞衰老是一种正常的生命现象。科学家提出的“端粒学说”阐述了细胞衰老的某些可能的机制。端粒是染色体末端的一种特殊结构，其DNA末端含有由简单的串联重复序列(如下图中的－TTAGGG－)组成的单链突出段，它们在细胞分裂时不能被完全复制，因而随分裂

次数的增加而缩短，除非有端粒酶的存在。端粒酶由RNA和蛋白质组成，其RNA含有与端粒DNA重复序列互补的一个片段(如下图中的－AAUCCC－)，是合成端粒DNA的模板；其蛋白质催化端粒DNA的合成，催化的一种机制如下图。研究表明：如果细胞中不存在端粒酶的活性，染色体将随每次分裂而变得越来越短，而且由于细胞的后代因必需基因的丢失，最终死亡。培养中少数变得长生不老的癌细胞表现出有活性的端粒酶和稳定长度的端粒。

(1)图中“聚合”过程需要种脱氧核苷酸。端粒酶中，蛋白质成分的功能类似于(酶)。

(2)正常体细胞中不存在端粒酶的活性，你认为新复制出的DNA与亲代DNA完全相同吗? 。体外培养正常成纤维细胞，细胞中的端粒长度与细胞增殖能力呈关系。

(3)从材料分析可知，正常体细胞不断走向衰老的生理原因是。

(4)依据“端粒学说”，请提出一种可以抗肿瘤药物的作用机制。。【解析】本题需要学生根据提供的新材料，在理解新信息和基础上分析具体问题，结合已有的关于逆转录酶的功能、DNA复制的结果等已有知识，做出新的判断，得出与新材料相应的结论。本题呈现的方式除了文字，还有图表，考查学生的识图能力、判断能力、推理能力和分析表达等多种能力，有较好的区分度。题（1）中正常的情况下聚合需要4种脱氧核苷酸，但题中显示是TAG三种碱基，所以图中聚合需要3种脱氧核苷酸，题（2）可根据题干中信息“研究表明：如果细胞中不存在端粒酶的活性，染色体将随每次分裂而变得越来越短，而且由于细胞的后代因必需基因的丢失，最终死亡。”判断新复制出的DNA与亲代DNA不完全相同。细胞中的端粒长度与细胞增殖能力呈正相关关系，而正常细胞的衰老就是因为端粒酶活性的丧失。题（4）具有一定的开放性，只要是围绕抑制端粒酶的生成和活性提出合理机制的均正确。关于细胞衰老机制的学说还有几种，可以进一步要求学生预期一种不支持端粒学说的结果。解答这类要求学生利用新旧知识解决新问题的试题，不仅要求学生具备一定的获取新信息的能力，同时对旧知识的准确掌握也是必备的基础和前提。

【答案】（1）3 逆转录酶（2）不完全相同正相关（3）端粒酶活性的丧失

（4）抑制端粒酶基因的表达（或剔除端粒酶基因，或抑制端粒酶的活性。）（只要合理即可）

例4 阅读、分析下列材料，并结合你所学的知识回答问题：

细胞衰老可能与端粒截短有关，每条染色体的两端都有一段特殊序列的DNA即端粒。人体细胞分裂的次数与特异性染色体端粒的长短有关。随着每一次分裂，端粒的长度都要缩短一些，一旦达到“关键长度”，细胞增殖就结束。然而，人的骨髓细胞和癌细胞，在端粒酶

的作用下，会伸长已缩短的染色体末端。因此，这些染色体就能快速地进行细胞分裂而不会达到“关键长度”，细胞就持续增殖。细胞衰老可能是在端粒DNA序列“截短”后，端粒内侧正常基因的DNA序列受到损伤，结果使细胞活动渐趋异常。移植会加速供体细胞的衰老过程。移植细胞的端粒较正常骨髓细胞的短，如果将端粒酶插入到供体细胞中，供体组织就能活得长久些，这一过程对器官移植及治疗HIV非常有利，例如,在病人患病早期,将形成的血细胞从病人体内取出,用端粒酶培养,使端粒伸长,当病人血细胞数量下降时,再放入到病人体内。

（1）请指出端粒酶、端粒长度和细胞分裂次数的关系：_________________________

（2）癌症发病的原因是，原癌基因在致癌因子的作用下转变为癌基因。请结合端粒的有关知识，指出癌基因使细胞无限增殖的可能途径：

____________________________________________________________________

（3）请利用上述材料描述两种延缓细胞衰老的方法：

___________________________________；_______________________________________ （4）请指出一种用端粒酶治疗HIV的途径：

【解析】本题将端粒、端粒酶与细胞增殖、细胞癌变、细胞衰老、疾病治疗等知识点联系起来，较好地实现了学科内综合。如题（2）的解答要将癌基因与细胞无限增殖之间通过端粒酶发生联系，这里涉及基因控制酶的合成进而影响代谢过程。题（3）开放性较强，要延缓细胞衰老，就要保持端粒的长度，进而从端粒酶角度寻找解决问题的办法。题(4)可在题目所给材料的最后一句话找到答题的基本思路。

【答案】（1）端粒酶可使端粒伸长，于是细胞可继续分裂

（2）癌基因指导合成端粒酶，端粒酶使已缩短的染色体末端伸长（即修复端粒），从而使染色体不会达到“关键长度”，细胞就持续增殖

（3）①利用基因工程对产生端粒酶基因进行修饰，使之在部分或全部细胞中表达高活性的端粒酶②用脂质体包裹高活性端粒酶导入到某些细胞中去，延缓其细胞衰老③蛋白质工程修饰已有的端粒酶使其保持高活性④使用酶激活剂等（开放式答题，只要一种合理即可）（4）从被HIV侵染早期的患者体内分离出骨髓造血干细胞，用端粒酶培养。在患者血细胞数量下降时，将之输回到患者体内（答案合理即可）

3、实验探究题

例5 端粒酶是与染色体末端结构相关的一种细胞组分。表中数据显示细胞癌变可能与端粒酶的活性有关，请完成下面的探究实验：

实验目的：研究端粒酶与细胞癌变的关系。

实验材料：癌细胞，端粒酶抑制剂，细胞培养液等。

实验步骤：

①。②。

③。 结果预测及分析：。 【解析】该实验为探究性实验，该类实验设计的一般步骤是：提出问题，做出假设，设计实验，观察现象，得出结论。通过审题，准确确定实验的变量为“有无端粒酶抑制剂”，设计时注意编号和排除无关变量的影响，最后得出实验结果（即预测），并注意分析（即结论）。