Question

“脑彩虹”是一项最新的大脑成像技术，通过荧光蛋白“点亮”大脑内的神经元，帮助科学家了解大脑。

（1）Cre酶是该技术的关键酶，能随机识别两个相同的loxP序列，催化如图1所示的反应。

通过Cre-loxP系统敲除基因的基本原理是：Cre酶随机识别DNA分子上两个相同的loxP序列并从特定位点切断DNA双链，切口被重新连接后，保留片段_____，从而实现目标基因的敲除。

（2）研究者设计图2所示的DNA片段，转人小鼠体内，获得仅含一个图2所示片段的转基因小鼠。

①构建基因表达载体时，需用限制酶和_____酶处理三种荧光蛋白基因、两种loxP序列，将它们与脑组织特异表达启动子M相连接。

②研究者用显微注射法将图2所示表达载体导入小鼠的_____中，得到仅含一个图2 所示片段的转基因小鼠，再经过进一步筛选，获得纯合的转基因小鼠a。

（3）图2所示序列的两个loxP1之间或两个loxP2之间的基因，只会被Cre酶识别并切割一次。为使脑组织细胞中Cre酶的表达受调控，研究者将Cre酶基因与启动子N（由信号分子X开启)连接，获得纯合转基因小鼠b，将图3所示纯合小鼠a和b杂交，得到F₁。

①无信号分子X作用时，F₁脑组织和其他组织细胞的色彩分别是_____。

②有信号分子X作用时，F₁：出现“脑彩虹”，请阐述机理：_____。

（4）研究者希望具有更丰富的颜色组合，即在一个细胞内随机出现两种或两种以上颜色叠加，形成更多颜色的“脑彩虹”，请依据题目信息，写出设计思路：_____。

Answer

2 DNA连接 受精卵 红色、无色 F1为杂合子，有编码红、黄、蓝荧光蛋白的基因、loxP1、loxP2及Cre酶基因； 有信号分子 X 时，启动 Cre 酶表达，不同脑细胞中 Cre 酶表达情况不同，Cre酶识别的loxP不同，因而不同细胞会差异表达红色、黄色或蓝色荧光蛋白基因 设法使小鼠脑组织细胞内有多个相同的图 2 所示 DNA 片断，Cre 酶对每个DNA片段随机剪切，因而细胞的颜色由细胞内多个荧光蛋白的颜色叠加而成

【解析】

1、限制酶：能够识别双链DNA分子的某种特定核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断裂。

2、将目的基因导入受体细胞：根据受体细胞不同，导入的方法也不一样。将目的基因导入植物细胞的方法有农杆菌转化法、基因枪法和花粉管通道法；将目的基因导入动物细胞最有效的方法是显微注射法；将目的基因导入微生物细胞的方法是感受态细胞法。

（1）通过图1可知，Cre酶识别两个相同的loxP序列，进行切除，切除后片段1自身环化且带有待敲除基因，片段2没有待敲除基因，故保留片段2，从而实现目标基因的敲除。

（2）①基因表达载体构建过程中需要限制酶和DNA连接酶两种工具酶处理三种荧光蛋白基因、两种loxP序列，将它们与脑组织特异表达启动子M相连接。

②常用显微注射法将基因表达载体导入小鼠的受精卵细胞中，得到仅含一个图2所示片段的转基因小鼠，再经过进一步筛选，获得纯合的转基因小鼠a。

（3）①F1为杂合子，脑组织细胞中有编码红、黄、蓝荧光蛋白的基因、loxP1、loxP2及Cre酶基因；无信号分子X时，Cre酶不表达，仅表达与启动子相邻的荧光蛋白的基因即红色荧光蛋白基因，使脑组织细胞呈红色。通过题干信息可知，“脑彩虹”是一项最新的大脑成像技术，通过荧光蛋白“点亮”大脑内的神经元，而其他组织细胞非神经细胞，故表现出无色。

②F1为杂合子，有编码红、黄、蓝荧光蛋白的基因、loxP1、loxP2及Cre酶基因；有信号分子X时，启动Cre酶表达，不同脑细胞中Cre酶表达情况不同，Cre酶识别的loxP不同，因而不同脑细胞会差异表达红色、黄色或蓝色荧光蛋白基因，使F1出现“脑彩虹”。

（4）研究者希望具有更丰富的颜色组合，即在一个细胞内随机出现两种或两种以上颜色叠加，形成更多颜色的“脑彩虹”，依据题目信息，可设计思路为：设法使小鼠脑组织细胞内有多个相同的图2所示DNA片断，Cre酶对每个DNA片段随机剪切，因而细胞的颜色由细胞内多个荧光蛋白的颜色叠加而成。