從一桶水到一碗水

王官勛

從我國現行高中生物教材內容選擇與設計上來看，現行高中生物教材是將生命科學的基礎知識概念化、形象化，將復雜的生命現象、過程與原理簡單化、系統化后展示給學生。在這種“去粗取精”、“化繁為簡”之后往往模糊了細節、突出了輪廓，淡化了知識深度與難度要求，著眼于提升能力與學科素養。這種取舍符合學習的認知規律，也是現實教學中的必然要求。但是，實際上生命系統是如此的精細復雜，生物現象是如此地包羅萬象又充滿“個性”。所以，人們常說“要給學生‘一碗水，教師得要有‘一桶水”。只有把桶做得更大一些、水裝得盡量多一些，才能減少一些主觀的臆斷，踏實地倒給學生“一碗水”。

“轉錄到底要不要解旋酶”這一問題很早就有人提出并存在爭議，并且這種爭議似乎在高中教師中依然存在。原因在于我國目前的高中教材中沒有哪個版本明確地提出或者解答了這一問題（值得注意的是各版本的高中生物教材在“轉錄”的配圖中都沒有畫出“解旋酶”）。筆者在查找了生物化學、細胞生物學、分子生物學等大學教材的相關內容后，也均未發現能夠直接解答這一問題的描述。但是，綜合這些教材中關于轉錄過程的描述，會發現這個問題并非是簡單的“是”與“否”，而是存在著更深層次的機制、更復雜的過程。其中，原核生物與真核生物的轉錄又存在著一定的區別，下面就分別從原核生物與真核生物的轉錄過程來看，應當如何理解這一問題。

1 原核生物的轉錄

無論原核生物還是真核生物的轉錄均存在能與RNA聚合酶結合從而啟動轉錄的一段DNA序列，稱為啟動子。對于原核生物而言，其RNA聚合酶可以直接識別、結合啟動子序列。以大腸桿菌RNA聚合酶為例：大腸桿菌RNA聚合酶由兩個α亞基、一個β亞基、一個β′亞基和一個ω亞基組成核心酶，加上σ亞基（也稱σ因子）共同構成RNA聚合酶全酶。在電鏡下觀察RNA聚合酶核心酶部分，其形狀猶如右手，拇指與食指間的凹槽正好可以結合DNA，而σ亞基可以極大地提高RNA聚合酶對啟動子DNA序列的親和力。單獨核心酶存在時拇指與食指呈閉合狀態，當核心酶與σ亞基結合后隨即張開，DNA可落入凹槽內。當酶遇到啟動子時拇指與食指閉合，在由β和β′亞基組成的聚合酶催化中心作用下DNA雙鏈被局部解開，然后模板鏈上開始合成RNA鏈。完成最初幾個核苷酸的連接后，σ亞基脫落，核心酶離開啟動子向前移動。由于核心酶牢固鉗住DNA，保證了轉錄過程的持續進行，直至轉錄終點。圖1即為大腸桿菌轉錄的示意圖。

從轉錄過程來看，可以明確：對于原核生物而言，整個轉錄過程不需要DNA解旋酶的作用，打開螺旋、斷裂氫鍵均在RNA聚合酶核心酶的作用下即可完成。需要注意的是，在轉錄前需要DNA旋轉酶（非DNA解旋酶，屬于DNA拓撲異構酶Ⅱ類）在不消耗ATP的情況下松弛DNA的負超螺旋，以利于在該部位進行轉錄。

2 真核生物的轉錄

真核生物基因組遠比原核生物大，其RNA聚合酶及轉錄機制也更為復雜，可根據RNA聚合酶對α-鵝膏覃堿的敏感性將其劃分為3類（RNA聚合酶Ⅰ、RNA聚合酶Ⅱ和RNA聚合酶Ⅲ）。真核生物轉錄過程大體與細菌相似，不同之處在于真核生物RNA聚合酶自身不能識別結合到啟動子上，而需要在啟動子上由多種轉錄輔助因子和RNA聚合酶裝配成活性轉錄復合物才能起始轉錄。下面以其中的RNA聚合酶Ⅱ（負責轉錄所有mRNA及核內小RNA）參與的轉錄過程為例簡要分析其起始轉錄的過程。

真核生物的啟動子同樣可以分為3類（類別Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），其中的類別Ⅱ參與RNA聚合酶Ⅱ介導的轉錄過程，該類啟動子包含四類控制元件：基本啟動子、起始子、上游元件和應答元件。轉錄過程的解旋過程在基本啟動子處發生，而基本啟動子本身并不能直接與RNA聚合酶結合，它的作用需要多種輔助因子，這些輔助因子稱為通用轉錄因子，以TFⅡX表示（X按發現先后次序用英文字母定名），其轉錄起始過程可簡要描述為以下過程：首先多種通用轉錄因子按一定次序識別并結合基本啟動子，然后RNA聚合酶再與通用轉錄因子結合從而啟動轉錄過程。目前已知至少有6種以上通用轉錄因子參與基本啟動子的作用，其中的TFⅡF具有依賴ATP的DNA解旋酶的活性，可能參與起點的解鏈，而其中的TFⅡH則具有多種酶的活性，包括ATP酶、解旋酶和激酶，因而也可能與解旋過程相關。

從真核生物的轉錄的起始過程來看，真核生物的轉錄非常復雜，需要多種轉錄因子參與識別并與RNA聚合酶結合形成起始復合物從而促進轉錄，至少從與類型Ⅱ啟動子結合的通用因子來看，其中的部分通用轉錄因子具有解旋酶的活性。由此，可以明確：真核生物的轉錄并沒有專門的DNA解旋酶參與解旋過程，但是部分轉錄輔助因子具有解旋酶的活性從而承擔了類似解旋酶作用的功能。

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