RNA→cDNA——由“2015年高考理綜能力測試40（1）題”引發的思考

王華峰+孫瑞嫻+劉國平+郝晶晶

1 引言

高中生物《選修3·現代生物科技專題》的內容中，許多是目前發展非常快速的領域，既新穎又專業，伴隨而來的是新概念層出不窮。而且，很多概念還在形成之中，不同的專家由于各自的理解角度的差異，難免會有歧義產生。在這樣的形勢下，選修3中的不少教學內容的分寸很難把握好。因此，中學教師對一些專業概念的理解，可能就會形成一些分歧。例如對2015年高考新課標理綜能力測試卷Ⅰ的40（1）題，由于各自的理解程度不一，就曾經在廣大閱卷老師中，引發了激烈討論，雖然最終按照試題的參考答案進行評卷，但不等于說人人做到了真正理解，形成了科學認識。帶著疑惑的教學必然有糊涂之處，以下就來分析這個問題。

2 問題的提出（困惑與不解）

40. [選修3：現代生物科技專題]

HIV屬于逆轉錄病毒，是艾滋病的病原體。回答下列問題：

（1） 用基因工程方法制備HIV的某蛋白（目的蛋白）時，可先提取HIV中的 ，以其為模板，在 的作用下合成 ，獲取該目的蛋白的基因，構建重組表達載體，隨后導入受體細胞。

（2） 略

（3） 略

參考答案：RNA 逆（反）轉錄酶 cDNA（或DNA）

閱卷過程中，閱卷老師尤其是來自中學的閱卷老師，對于該題所涉及的cDNA的相關問題存有一連串的疑問：以RNA為模板合成的DNA，也就是互補DNA，簡稱cDNA，究竟是雙鏈分子，還是單鏈分子？在以RNA為模板合成cDNA過程中形成的RNA/DNA雜合鏈中RNA去了哪里？基因工程中，為什么要由RNA轉變為cDNA？是為了實現DNA拼接？最終形成雙鏈cDNA是否需要DNA聚合酶的參與？（例如，有的考生寫出逆（反）轉錄酶和DNA聚合酶）。眾多的疑惑與不解，紛至沓來，讓人應接不暇。

3 探索與思考

3.1 逆（反）轉錄病毒

逆（反）轉錄病毒是一種RNA病毒，其最鮮明的特征就是基因組由RNA組成。逆（反）轉錄病毒含有一個編碼逆轉錄酶的特殊基因，能夠幫助病毒將自身RNA轉變為DNA，潛伏到宿主DNA基因組。其感染整合過程可簡述為：病毒吸附感染細胞，隨后向胞內釋放出病毒RNA，在逆轉錄酶作用下，合成線性雙螺旋DNA分子，進入細胞核，最后整合進宿主DNA基因組（圖1）。HIV是人類免疫缺陷病毒的英文縮寫，就是人們常說的艾滋病（AIDS）病毒，它屬于逆（反）轉錄病毒，能誘發人類獲得性免疫缺陷綜合征，給許多受感染的人帶去了生命危險。

由高中生物教材可知，RNA與DNA的分子結構相似，均由基本單位——核苷酸連接而成，各自的核苷酸含有4種堿基，兩者都可以儲存遺傳信息。兩者之間的主要區別是，組成DNA的五碳糖是脫氧核糖，而RNA則是核糖；RNA的堿基組成中沒有堿基T（胸腺嘧啶），而替換成堿基U（尿嘧啶）；RNA一般是單鏈，DNA一般為雙鏈。以上是高中廣大師生認可的內容。另外，“與DNA相比，RNA化學活性高，具有與蛋白酶一樣的催化活性”，則是高中師生不熟悉或者不常用到的。根據“RNA世界”假說，由于RNA兼具遺傳物質與催化物兩種功能，所以最早的生命生化系統主要由RNA組成。在進化過程中，蛋白質結構上的多樣性使得其催化能力遠高于RNA，逐步取代了RNA，承擔生化反應的催化主角；DNA結構的穩定性，使得其儲存生物信息能力非常強，逐步取代RNA，成為生命系統中的遺傳物質主角。但是，RNA基因組在一些低級生命體中依然存在，如逆轉錄病毒。

3.2 RNA轉化為cDNA具有非常重要的現實意義

RNA分子結構的不穩定性決定了其裸露在環境中時，極易被環境中無處不在的微生物等釋放的RNA酶或其他理化因素破壞降解，造成RNA所攜帶的生物信息被破壞而殘缺不全，甚至完全丟失。RNA分子的這個缺陷給研究RNA所攜帶生物信息，帶來很大困擾。逆轉錄病毒研究中，逆轉錄酶的發現給了生物學家一個很好的啟發。利用逆轉錄酶，迅速及時地將RNA反轉錄成與其生物信息完全一致、結構穩定的cDNA，構建信息庫（常被稱為cDNA文庫），極大地避免了RNA信息的丟失，解除了生物學家的后顧之憂，從而可以非常從容地進行后續的生物信息獲取與保留。并且，RNA轉變為cDNA后，非常方便地完成后續的DNA拼接。

3.3 反轉錄酶工作的原理

反轉錄酶是重組DNA技術中一個強有力的工具，應用非常普遍。反轉錄酶具有多種酶活性，經人工改良后，基因工程中使用的反轉錄酶主要有3個特點：① RNA依賴的DNA聚合酶活性，能夠以RNA為模板，在引物的作用下，催化dNTP聚合成cDNA；② 核糖核酸酶H（RNase H）的活性，降解DNA-RNA雜合體中的RNA部分，RNase H不能水解單鏈或雙鏈DNA或RNA中的磷酸二酯鍵，即不能消化單鏈或雙鏈DNA或RNA；③DNA依賴的DNA聚合酶活性，以反轉錄合成的第一條cDNA單鏈為模板，DNA-RNA雜合體中的RNA降解過程中殘留的RNA片段為引物，以dNTP為底物，再合成第二條cDNA分子。

4 小結與展望

通過以上探索與思考，可以得出：cDNA的本質是RNA生物信息的DNA拷貝。用基因工程方法制備HIV的某蛋白（目的蛋白）時，將HIV的RNA所攜帶的遺傳信息，通過反轉錄，轉化為與其信息完全一致、結構穩定的cDNA，確保了HIV的RNA信息完整，而且還極大方便了后續的基因操作。在此過程中，逆轉錄酶首先以RNA為模板，在引物的引領下，合成cDNA第一鏈，形成DNA-RNA雜合體；DNA-RNA雜合體中RNA被逆轉錄酶特異性降解，其殘留片段作為引物，以第一鏈cDNA為模板，合成cDNA的第二鏈，最終形成雙鏈DNA分子。

現代生物科技領域的發展日新月異，與此同時，很多高中生物教師的知識結構老化，難以適應生物科學快速發展的形勢。因此，加強高中生物教師的職后培訓，不斷充實高中生物教師生物科學素養，應當是當下高中生物教育中一項迫在眉睫的任務。其實，不止生物，其他學科也是如此。目前，已經有地方政府的教育部門意識到該問題的存在，并采取了具體的措施。例如，山西師范大學最近成立的“山西基礎教育質量提升協同創新中心”，它是山西省人民政府確定的14個省級協同創新平臺之一，也是山西省唯一的一個教育類協同創新平臺。相信在不久的將來，我們國家的高中教育會更上一個新臺階。

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