在動態過程中巧判遺傳信息讀取的方向*

楊才偉 （成都市華陽中學 四川成都 610213）

1 DNA 的結構與遺傳信息的讀取方向

1.1 DNA 雙鏈反向平行的方向標識 雙鏈DNA的平面（一級）結構中，每條單鏈都具有方向性，且雙鏈是反向平行的，怎么識別DNA 單鏈的方向？ 目前普遍采用五碳糖的碳環標號標識方向,如圖1的核苷酸結構模型中，接堿基形成共價鍵的碳是1 號，然后順時針標號，5 號接磷酸，這端稱為5′端，3 號接羥基的為3′端；如圖2在形成DNA 單鏈后，α 鏈一端為5′端（一個磷酸單連），另一端必為3′端（無磷酸單連），即5′-3′鏈；與α鏈互補的β 鏈則方向相反，為3′-5′鏈。

1.2 空間DNA 遺傳信息讀取方向的復雜性DNA 的方向性決定遺傳信息具有方向，一個基因（DNA 片段）通常只有一條模板鏈，遺傳信息的讀取通常只有一個方向，但在空間動態中找準這個方向并不容易，因為DNA 是空間雙螺旋結構，判斷模板鏈是哪條就有2 種可能，模板鏈的閱讀方向又有2 種可能。例如圖3是基因P 的一端，代表遺傳信息的序列可能是α 鏈的“ATGTCA……”或反向的“……ACTGTA”，或者是β 鏈的“TACAGT……”或反向的 “……TGACAT”，4 種不同的序列只有一種序列代表遺傳信息，如果不考慮遺傳信息堿基序列讀取的方向，基本無法找準遺傳信息序列，也就無法找準mRNA 上密碼子排序，編碼的多肽中氨基酸種類及排序的判斷也必然錯誤。

目前研究證實，在基因表達中，遺傳信息轉錄的讀取方向是3′→5′端［1］，然而在許多空間動態過程中，基因序列或基因模型并沒有方向標識3′端或5′端，怎樣巧妙判斷遺傳信息的讀取方向，就非常有趣。

2 轉錄中遺傳信息讀取的方向

遺傳信息的讀取是一個連續動態的過程，對于沒有模板鏈及其方向標識的DNA（或基因）模型，仔細分析轉錄中物質結構的動態變化，也可以巧妙判斷遺傳信息的讀取方向。

2.1 RNA 聚合酶移動指示方向 RNA 聚合酶本身就能識別DNA 模板鏈的堿基序列，并合成mRNA，它的移動方向就是轉錄的方向，必定是遺傳信息的讀取方向，也是mRNA 密碼子的讀取方向［2］，如圖4中，RNA 聚合酶從②向①移動，轉錄方向②→①，讀取遺傳信息也從②→①，所以2 個密碼子是GCUACA,而不是ACAUCG，遺傳信息序列只能是CGATGT。

2.2 mRNA 釋放指示方向 圖5中的mRNA 先合成的先釋放，靠右端的先合成，正在向右端釋放，靠左端的正在轉錄，所以mRNA 釋放的方向，與RNA 聚合酶的移動方向相反，也與轉錄方向②→①相反。故mRNA 釋放的方向與遺傳信息讀取方向相反。

2.3 起始（終止）密碼指示方向 由于起始密碼子編碼第1 個氨基酸，終止密碼子結束編碼氨基酸序列，它們本身就是遺傳信息讀取的方向，例如圖6，如果某染色體上P 基因和Q 基因編碼相應蛋白質前3 個氨基酸的DNA 序列如圖（起始密碼子均為AUG），則基因P 和基因Q 的模板鏈相同嗎？ 相應的遺傳信息序列是什么？

2 個方向分析發現，基因P 只能找到β 鏈的TAC 與起始密碼子AUG 互補配對，其模板鏈是β鏈，遺傳信息序列為TACCTAGAT……；但基因Q 的β 鏈找不到與起始密碼子AUG 互補配對的TAC，只能在與β 鏈反向平行的α 鏈中，反向讀取TAC 與起始密碼子AUG 互補配對，說明基因Q 的模板鏈是α 鏈，遺傳信息序列為TACCAGAGG……。本例就是借助起始密碼子AUG，分析發現基因P 和基因Q 的模板鏈不同，遺傳信息讀取的空間方向相反。

3 翻譯中遺傳信息讀取的方向

翻譯是遺傳信息表達的最后一個動態過程，翻譯中物質結構的動態變化，也能巧妙指示遺傳信息讀取的方向

3.1 核糖體移動指示方向 核糖體是翻譯的唯一場所，核糖體移動的方向，就是翻譯的方向，也是讀取mRNA 上面的密碼子的方向，如圖7中肽鏈長的先合成，核糖體先移動，核糖體從①→②移動，密碼子讀取的方向也是①→②。

3.2 tRNA 進位指示方向 在翻譯中tRNA 上的反密碼子通過堿基互補配對，閱讀mRNA 上的密碼子，這時先進位的tRNA 先讀取先離開，后進位的后讀取，tRNA 的進位（移動）方向總是與核糖體移動方向相反，也與mRNA 上密碼子讀取方向相反。如圖8翻譯過程，其中→表示②④的移動方向，則該段mRNA 編碼的氨基酸序列是什么？ 如果忽視空間方向性，密碼子在①上，圖中4 個密碼子“CUU-UCU-UCG-GUA”，讀密碼子表，肽鏈為“亮氨酸-絲氨酸-絲氨酸-纈氨酸”，但是核酸的空間方向性客觀存在。圖中④先進位先移開，讀碼應該從“右→左”，密碼子為“AUG-GCU-UCU-UUC”,正確的氨基酸序列是“甲硫氨酸-丙氨酸-絲氨酸-苯丙氨酸”。

3.3 肽鏈合成指示方向 如圖9，在翻譯過程中，②位上tRNA 攜帶的肽鏈，將移向①位的tRNA，與①位tRNA 攜帶的氨基酸縮合形成一個新的肽鍵［3］，肽鏈按此方向遞增氨基酸而延伸，因此肽鏈延伸 （合成） 的方向，正是密碼子讀取的方向，即“肽鏈在前，新加氨基酸在后”，讀取方向為②→①。圖中密碼子是AUU 不是UUA，編碼異亮氨酸不是亮氨酸。

3.4 反密碼子指示方向 tRNA 上的反密碼子與mRNA 上的密碼子互補配對，它們的空間讀取方向一致。如圖10所示的tRNA（注：反密碼子從攜帶氨基酸的3′端開始讀碼）所攜帶的氨基酸是什么？ 由于tRNA 反密碼子是UGC 而不是CGU，故配對的mRNA 上的密碼子是ACG 而不是GCA，進而查密碼子表，圖中tRNA 攜帶的是蘇氨酸而不是丙氨酸。

3.5 反義RNA 結合指示方向 反義RNA 是DNA 非模板鏈一些特殊區段的轉錄產物，一般分子量小，在基因表達的調控中，它可與特異mRNA的起始端（5′端）互補成雙鏈，抑制核糖體與mRNA結合，適時阻止翻譯過程繼續進行［4］。如圖11所示，正常翻譯的方向必然是①→②，即反義RNA與mRNA 的結合位點，一般在翻譯的起始端。

在基因表達的空間立體動態過程中，分析遺傳信息讀取的方向，能很好地培養學生的理性思維和空間想像能力，糾正平面靜止的慣性思維的一些錯誤，對培育嚴謹的科學核心素養具有重要意義。