2023-2024学年高一生物人教版（2019）必修第二册 学案 4.2 基因表达与性状的关系

第2节　基因表达与性状的关系
【学习目标】
1.通过分析实例,明确基因控制性状的两种方式,归纳基因表达产物与性状的关系。(生命观念、科学思维)
2.通过分析材料,认同细胞分化的实质是基因的选择性表达,理解细胞调控基因表达的机制。(生命观念、科学思维)
3.通过分析案例,认识DNA甲基化等因素在未改变碱基序列的情况下,导致基因表达情况发生可遗传的变化;分析基因与性状之间的复杂关系。(科学思维、科学探究、社会责任)
【自主预习】
一、基因表达产物与性状的关系
1.基因控制生物体性状的两种途径
(1)间接途径:基因通过控制　酶的合成　来控制代谢过程,进而控制生物体的性状。
基因　酶　的合成　代谢　过程生物体的性状。
(2)直接途径:基因通过控制　蛋白质的结构　直接控制生物体的性状。
基因　蛋白质　的结构生物体的性状。
2.基因对性状的控制实例(连线)
　　提示　①—b　②—a　③—b　④—a　⑤—b　⑥—b
二、基因的选择性表达与细胞分化
1.基因类型
一类是在所有细胞中都表达的基因,指导合成的蛋白质是维持细胞基本生命活动所　必需　的,如　A、B、E　(填“A”、“B”、“C”、“D”或“E”)。
还有一类是只在某类细胞中　特异性　表达的基因,如　C、D　(填“A”、“B”、“C”、“D”或“E”)。
A.核糖体蛋白基因
B.ATP合成酶基因
C.卵清蛋白基因
D.胰岛素基因
E.呼吸酶基因
2.细胞分化的本质:　基因的选择性表达　。
3.基因的选择性表达与　基因表达的调控　有关。
三、表观遗传
1.概念:生物体基因的　碱基序列　保持不变,但　基因表达　和　表型　发生可遗传变化的现象,叫作表观遗传。
2.存在时期:表观遗传现象普遍存在于生物体　生长、发育和衰老　的整个生命活动过程中。
3.类型:DNA的　甲基化　,组蛋白的甲基化、乙酰化等。
四、基因与性状间的对应关系
1.在大多数情况下,基因与性状的关系并不是简单的一一对应的关系。
(1)一个性状可以受到　多个基因　的影响。
(2)一个基因也可以影响　多个性状　。
(3)生物体的性状也不完全是由基因决定的,　环境　对性状也有着重要影响。
2.基因与基因、基因与基因表达产物、　基因与环境　之间存在着复杂的相互作用,这种相互作用形成了一个错综复杂的网络,精细地调控着生物体的　性状　。
【合作探究】
任务1　阐明基因表达产物与性状的关系
活动1　阅读课本P71~72,分析案例,归纳基因表达产物与性状的关系,结合下列材料,思考基因是如何控制性状的
　　材料一
　　材料二
1.材料一说明:基因通过控制　　　　　　　　　　　　　,进而控制生物体的性状。
提示　酶的合成来控制代谢过程
2.材料二说明:基因通过控制　　　　　　　　　控制生物体的性状。
提示　蛋白质的结构直接
3.请由材料一、二总结基因对性状的控制方式。
　　提示　
认知生成
基因控制性状的途径比较
项目 直接途径 间接途径
方式 基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状 基因通过控制酶的合成来控制代谢过程,进而控制生物体的性状
图解
举例 囊性纤维化:CFTR 基因缺失3个碱基→CFTR蛋白结构异常→功能异常 白化病:酪氨酸酶基因异常→缺少酪氨酸酶→酪氨酸不能转化为黑色素→白化病
例1　(2022·襄城练习)皱粒种子形成的原因是淀粉分支酶基因中插入了一段DNA序列,导致淀粉分支酶出现异常,细胞中淀粉含量下降,豌豆种子皱缩,但是蔗糖含量较高。下列关于基因表达与性状关系的叙述,正确的是(　　)。
A.皱粒种子的形成说明基因可通过控制酶的活性间接控制生物性状
B.淀粉分支酶基因对皱粒种子的影响体现了一个基因不只影响一种性状
C.基因还可以通过控制蛋白质的结构直接控制生物的性状,如白化病
D.囊性纤维化是基因通过控制酶的合成来控制代谢过程,进而控制生物体的性状的结果
　　【答案】　B
【解析】　淀粉分支酶基因通过控制淀粉分支酶的合成来控制代谢过程,进而间接控制生物的性状,A错误;淀粉分支酶基因中插入了一段DNA序列,导致淀粉分支酶出现异常,蔗糖转化为淀粉的过程受到影响,导致淀粉含量下降,蔗糖含量较高,豌豆种子皱缩,还可影响种子甜度,说明一个基因不只影响一种性状,B正确;基因可以通过控制蛋白质的结构直接控制性状,但白化病是酪氨酸酶基因异常导致酶发生改变而间接影响生物性状的,C错误;囊性纤维化是基因通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状,D错误。
对点练1　豌豆种子有圆粒和皱粒两种,下图为圆粒种子形成机制的示意图,下列相关说法不正确的是(　　)。
A.图中显示了基因通过控制酶的合成来控制代谢过程,进而控制生物体的性状
B.当编码淀粉分支酶的基因被打乱时,细胞内淀粉的含量会上升
C.皱粒种子中蔗糖含量相对更高,味道更甜美
D.图中①②过程中碱基互补配对的方式有差异
　　【答案】　B
【解析】　图中显示了基因通过控制酶的合成来控制代谢过程,进而控制生物体的性状,A正确;当编码淀粉分支酶的基因被打乱时,会导致淀粉分支酶异常,活性大大降低,从而使淀粉的含量下降,B不正确;皱粒种子中淀粉含量相对较低,而蔗糖含量相对较高,种子的甜度增加,C正确;图中①②过程分别为转录和翻译,都会发生碱基互补配对,其中转录过程中碱基配对的方式有A—U、T—A、C—G、G—C,翻译过程中碱基配对的方式有A—U、U—A、C—G、G—C,D正确。
任务2　阐明基因的选择性表达与细胞分化的关系
活动2　阅读课本P72~73,明确细胞分化的实质,分析不同类型细胞中DNA和mRNA的检测结果
　　科学家提取了鸡的输卵管细胞、红细胞(有细胞核)和胰岛细胞,并对这3种细胞中的DNA和mRNA进行了检测,结果如下:
检测的 3种细胞 卵清蛋白基因、珠蛋白基因、胰岛素基因 卵清蛋白mRNA 珠蛋白mRNA 胰岛素mRNA
输卵管细胞 +++ + - -
(续表)
检测的 3种细胞 卵清蛋白基因、珠蛋白基因、胰岛素基因 卵清蛋白 mRNA 珠蛋白 mRNA 胰岛素 mRNA
红细胞 +++ - + -
胰岛细胞 +++ - - +
注:“+”表示检测发现相应的分子,“-”表示检测未发现相应的分子。
1.这3种细胞中的基因组成是否相同 它们合成的蛋白质种类是否相同
　　提示　这3种细胞都属于鸡的体细胞,经受精卵有丝分裂而来,因此基因组成相同,但是它们合成的蛋白质种类不同。
2.3种细胞中都含有卵清蛋白基因、珠蛋白基因、胰岛素基因,但是这3种细胞分别只检测到了一种基因的mRNA,这说明了什么问题
　　提示　在高度分化的体细胞中,基因是选择性表达的。同一个体不同种类的体细胞中,DNA(基因)相同,而RNA、蛋白质的种类不同。
3.这三类细胞中表达的基因是不是完全不相同 如不是,请举例说明。
　　提示　不是。控制细胞基本生命活动的基因在所有细胞中都能表达,如核糖体蛋白基因、ATP合成酶基因等。
4.该资料说明细胞分化的本质是什么
　　提示　细胞分化的本质是基因的选择性表达。
认知生成
1.细胞分化的本质是基因的选择性表达。
同一生物的各种体细胞具有完全相同的遗传物质,但不同的体细胞中遗传信息的执行情况不同,即基因的选择性表达。
(1)从起源上看,甲、乙两种细胞都是由同一个受精卵经有丝分裂增殖而来的,根据有丝分裂的特征,染色体经复制后平均分配到两个子细胞中,所以甲、乙中遗传信息是一样的。
(2)从发育过程上看,不同细胞中遗传信息的执行情况不同,于是就产生了与不同细胞功能相适应的蛋白质。
2.基因的选择性表达与基因表达的调控有关。
例2　(不定项)下表是人体内的红细胞(未成熟)、胰岛B细胞、浆细胞内所含有的核基因及这些基因表达的情况(“+”表示该基因表达,“-”表示该基因未表达)。下列说法错误的是(　　)。
细胞 血红蛋白基因 胰岛素基因 抗体基因 有氧呼吸酶基因
红细胞 + - - +
胰岛B细胞 - ① - +
浆细胞 - - ② ③
A.①②③均表示“+”
B.此表说明细胞分化导致基因的选择性表达
C.3种细胞中mRNA和蛋白质种类完全不同
D.3种细胞的形态、结构和生理功能不同的根本原因是核基因种类不完全相同
【答案】　BCD
【解析】　题表说明细胞分化的本质是基因的选择性表达,B错误;3种细胞中有氧呼吸酶基因都表达,C错误;3种细胞是同一个体中的体细胞,其核基因种类相同,只是表达的基因不同,D错误。
【知识拓展】　　细胞分化的三个关键点
1.分化细胞表达的基因
下图是人体三种细胞内的部分基因及它们的活动状态:
在不同类型的细胞中表达的基因可分为两类:如a是指所有细胞均表达的一类基因,其表达产物是维持细胞基本生命活动所必需的;如b、c、d是指不同类型细胞特异性表达的一类基因,其产物赋予不同细胞特异性的生理功能。
2.细胞分化的“变”与“不变”
(1)不变:DNA、tRNA、rRNA、细胞的数目。
(2)变:mRNA、蛋白质的种类,细胞的形态、结构和功能。
3.细胞分化的标志
(1)分子水平:合成了某种细胞特有的蛋白质,如唾液淀粉酶、胰岛素等。
(2)细胞水平:形成不同种类的细胞。
对点练2　有人把分化细胞中表达的基因形象地分为“管家基因”和“奢侈基因”。“管家基因”在所有细胞中都处于活动状态,是维持细胞基本生命活动所必需的;而“奢侈基因”只在特定组织细胞中才处于活动状态。下列属于“管家基因”指导合成的产物是(　　)。
A.ATP水解酶　　　　　 B.血红蛋白
C.胰岛素 D.卵清蛋白
　　【答案】　A
【解析】　ATP水解酶基因在所有细胞中都表达,属于“管家基因”,A符合题意;血红蛋白基因只在红细胞中表达,属于“奢侈基因”,B不符合题意;胰岛素基因在胰岛B细胞中特异性表达,属于“奢侈基因”,C不符合题意;卵清蛋白基因在输卵管细胞中特异性表达,属于“奢侈基因”,D不符合题意。
任务3　概述表观遗传现象
活动3　阅读课本P73~74,明确基因表达与性状的关系,结合课本P73“思考·讨论”提供的资料,回答下列问题
1.资料1中,柳穿鱼植株A和植株B体内的Lcyc基因的碱基序列是否相同 为什么植株A、B的花形态结构出现差异
　　提示　柳穿鱼植株A和植株B体内的Lcyc基因的碱基序列是相同的。因为植株B体内的Lcyc基因被高度甲基化了,表达受到抑制。
2.植株A和植株B杂交后,F1的花为什么跟植株A的相似 F1自交得到的F2中为什么有些植株的花与植株B的相似 由此说明了什么问题
　　提示　植株A和植株B杂交后,F1体内成对的Lcyc基因,一个来自植株A,一个来自植株B,来自植株B的Lcyc基因由于被高度甲基化不能表达,但来自植株A的Lcyc基因可正常表达,因而F1的花与植株A的相似。F1自交产生F2,发生性状分离现象,因而F2植株的花大部分与植株A的相似,小部分与植株B的相似。
3.资料2中,F1小鼠的基因型是Avya,小鼠毛色为什么不是黄色而是表现出介于黄色和黑色之间的一系列过渡类型
　　提示　因为小鼠的Avy基因的前端有多个可发生DNA甲基化修饰的位点,当Avy基因发生甲基化后表达受抑制,并且甲基化程度越高,表达受到的抑制越明显,小鼠的毛色越深。
4.资料1和资料2展示的遗传现象有什么共性 你对基因和性状的关系有什么新的认识
　　提示　控制柳穿鱼花的形态和小鼠毛色的基因,其碱基序列没有发生改变,但是某些碱基发生了甲基化修饰,从而影响了基因的表达。基因控制生物的性状,基因发生修饰后,虽然碱基序列没有改变,但可以影响生物个体的性状,并且还可以遗传给下一代。
5.
如图,同一株水毛茛,裸露在空气中的叶是扁平的,而浸在水中的叶片深裂成丝状。叶片呈扁平状或丝状,能否说明形状不同的叶片中的基因不同 叶片形状不同的原因是什么
　　提示　不能,形状不同的叶片中的基因是相同的。叶片形状不同是由生活环境引起的。
6.基因型相同,表型是否一定相同 请用一个等式表示基因型、表型和生活环境之间的关系。
　　提示　不一定相同。表型=基因型+生活环境。
认知生成
1.表观遗传的特点
(1)基因的碱基序列保持不变。
(2)可遗传性,即这类改变能在细胞个体间遗传。
(3)可逆性的基因表达。如甲基化时,可影响基因的表达;去甲基化时,可恢复基因的表达。
(4)表观遗传普遍存在于生物体的生长、发育和衰老的整个生命活动过程中。
2.表观遗传对基因表达的调控及其控制
生物遗传信息表达的正确与否,既受控于DNA序列又受制于表观遗传,表观遗传主要在DNA修饰、蛋白质修饰与非编码RNA的调控3个层面上调控基因的表达。
例3　黄色小鼠(AA)与黑色小鼠(aa)杂交,产生的F1(Aa)不同个体出现了不同体色。研究表明,不同体色的小鼠A基因的碱基序列相同,但A基因上二核苷酸(CpG)胞嘧啶有不同程度的甲基化(如图)现象。已知甲基化不影响DNA的复制。有关分析错误的是(　　)。
A.F1个体体色的差异与A基因甲基化程度有关
B.甲基化可能影响RNA聚合酶与该基因的结合
C.碱基甲基化不影响碱基互补配对过程
D.甲基化是引起碱基序列变化的常见方式
　　【答案】　D
【解析】　不同体色的小鼠A基因的碱基序列相同,A基因上的二核苷酸(CpG)胞嘧啶有不同程度的甲基化现象,显然体色差异与A基因甲基化程度有关,A正确;RNA聚合酶与该基因结合可以启动转录,结合部位甲基化可能会导致RNA聚合酶不能与该基因的结合,B正确;碱基甲基化不影响DNA复制过程,而DNA复制过程有碱基互补配对过程,故碱基甲基化不影响碱基互补配对过程,C正确;基因中碱基甲基化后基因序列不变,只是部分碱基发生了甲基化修饰,抑制了基因的表达,进而对表型产生影响,D错误。
对点练3　DNA甲基化是表观遗传中最常见的现象之一。在甲基转移酶的催化下,DNA的胞嘧啶被选择性地添加甲基,导致DNA甲基化,进而使染色质高度螺旋化,失去转录活性。下列相关叙述不正确的是(　　)。
A.DNA甲基化,会导致基因碱基序列的改变
B.DNA甲基化,会导致mRNA合成受阻
C.DNA甲基化,可能会影响生物的性状
D.DNA甲基化,可能会影响细胞分化
　　【答案】　A
【解析】　DNA的胞嘧啶被选择性地添加甲基,导致DNA甲基化,这不会导致基因碱基序列的改变,A不正确;DNA甲基化会使染色质高度螺旋化,从而失去转录活性,导致mRNA合成受阻,进而导致蛋白质合成受阻,这样可能会影响生物的性状,B、C正确;细胞分化的实质是基因的选择性表达,而DNA甲基化会导致mRNA合成受阻,即会影响基因表达,因此DNA甲基化可能会影响细胞分化,D正确。
【随堂检测】
课堂小结 课堂小测
判断正误。 (1)基因只能通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状。 (×) (2)基因是通过控制蛋白质的合成来控制生物性状的。 (×) (3)在一个细胞中所有的基因都能表达。 (×) (4)基因与性状是一对一的线性关系。 (×) (5)生物体的一种性状有时受多个基因的影响。 (√) (6)生物体的基因型相同,表型就一定相同。 (×)
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