基因工程學習過程中的幾個常見誤區

周毓

摘 要 對學生在基因工程學習過程中存在的幾個概念誤區進行分析討論，并對有關知識進行補充，以幫助學生更好地理解和掌握相關概念。

關鍵詞 限制酶 DNA聚合酶 篩選基因 解旋酶

中圖分類號 Q-49 文獻標志碼 E

人教版高中生物選修3包括：基因工程、細胞工程、胚胎工程、生態工程四個專題，基因工程是其他三個專題的基礎，同時也是近年高考選考部分必會出現的內容，考查學生對實際問題的解決能力。由于基因工程是從分子的角度來考慮問題，概念比較抽象，學生對一些知識點的理解感覺很困難，做題時屢屢出現問題。筆者通過查閱資料，對教師教學以及學生學習過程中存在的幾個誤區進行分析。

1 限制酶只能切割一種核苷酸序列

人教版高中生物選修3第一節“DNA重組技術的基本工具”對限制酶的專一性是這樣描述的，“它們能夠識別雙鏈DNA的某種特定核苷酸序列，并且使每一條鏈中特定部位的兩個核苷酸之間的磷酸二酯鍵斷開”。很多學生認為限制酶只能識別一種核苷酸序列。

表1展示了在歷年考試中出現的部分限制酶及其識別序列。大部分限制酶僅識別一種核苷酸序列，比如BamH I只識別G↓GATCC。但是還有少數限制酶識別的序列不止一種，比如Hind II識別的序列一共有四種：GTT↓AAC、GTT↓GAC、GTC↓AAC、GTC↓ GAC。這四種序列并不是四種核苷酸的隨機組合，而有一定的規律可循，即符合GT（T/C）↓（A/G）AC這樣一種模式。所以，對于書中“限制酶能夠識別雙鏈DNA的某種特定核苷酸序列”，筆者認為還需要教科書編寫者用更精確的語言來描述。

2 DNA復制時，DNA聚合酶不需要引物

人教版高中生物必修3第三章第三節“DNA的復制”的教材，圖3-13展示了DNA分子的復制過程。這個圖可以幫助學生理解DNA復制的基本過程，但同時也給部分學生一種誤導：DNA聚合酶結合到模板DNA后，可以將游離的脫氧核苷酸連接起來，形成與模板DNA互補的DNA單鏈。由于這種理解上的偏差，導致學生在理解PCR技術時很困惑：如果DNA聚合酶可以將單個脫氧核苷酸連接成DNA單鏈，為什么還要在PCR反應體系中再添加引物呢？

事實上，無論在體外還是體內，DNA復制都只能沿著已存在的核苷酸鏈延伸，不能從頭合成DNA鏈。在體內進行DNA復制時，RNA聚合酶先與DNA模板結合，合成一小段RNA鏈，作為引物；接著DNA聚合酶再以RNA引物3′端作為起始端，合成新的DNA鏈；當DNA復制完成后，RNA引物會被DNA聚合酶I或者核糖核酸酶切掉。在體外進行DNA復制時，直接以人工合成的一段DNA片段作為引物，在復制結束時，不需要再將引物切掉。

3 運載體上的標記基因都是抗性基因

重組DNA構建后，緊接著就是導入到受體細胞。在實際操作中，并不能保證所有的重組DNA都能進入到受體細胞，也不能保證導入到受體細胞中的質粒都是重組DNA，也可能含有空載體。所以在技術上要求重組DNA上必須有標記基因來鑒定生物是否成功轉化。在平時教學時，筆者習慣于以抗性基因用作標記基因，比如青霉素抗性基因、氯霉素抗性基因等。這就給學生造成一種誤解，認為只有抗性基因才能作為標記基因。

事實上，在實驗過程中，能夠使用的標記基因的種類有很多，除了抗性基因，還有顏色反應基因、代謝缺陷型互補基因等。比如，藍白斑篩選法（圖1），其原理是載體中含有LacZ基因，外源DNA克隆位點位于在LacZ基因內部。若無外源DNA分子插入，LacZ基因在IPTG（異丙基硫代-β-D-半乳糖苷）誘導下，表達的β-半乳糖苷酶能將X-gal（5-溴-4-氯-3-吲哚-β-D-半乳糖苷）切割成半乳糖和深藍色的物質5-溴-4-靛藍。5-溴-4-靛藍可使整個菌落顯藍色。若外源DNA分子插入運載體中，LacZ基因失活，因而不能表達出β-半乳糖苷酶，在X-gal的培養基上菌落顯白色。根據菌落藍白顏色的不同，篩選出需要的轉化子。在教學的時候，教師應該補充其他的質粒的一些標記基因，開拓學生的視野。學生在碰到類似的信息題時，就不會感覺手足無措。

4 轉錄過程需要解旋酶

人教版高中生物必修3第三章第三節“DNA的復制”教材的，圖3-13展示了DNA分子的復制過程。DNA復制開始時，在解旋酶的作用下，DNA雙螺旋結構被打開，DNA聚合酶以一條鏈為模板合成DNA單鏈。自然地，學生會形成一種定勢，即只要是DNA雙鏈解旋的過程，就必定需要解旋酶。因此學生會理所當然地認為，在DNA轉錄形成mRNA的時候，也需要解旋酶。事實上，并非如此。

原核細胞內只有一種RNA聚合酶，它負責所有mRNA、rRNA、tRNA的合成。此RNA聚合酶由α、β、β′、ω、σ亞基聚而成的全酶。其中α亞基具有解開前方DNA雙螺旋以及恢復后面DNA雙螺旋的作用。因此，原核細胞中的RNA聚合酶具有解旋酶的活性，能夠打開DNA雙鏈。而真核細胞的RNA聚合酶有三種，三種RNA聚合酶都無解旋作用。只有RNA聚合酶II可以轉錄形成mRNA。RNA聚合酶II要實現轉錄形成mRNA，需要至少7種輔助因子參與（表2）。真核細胞轉錄時，輔助因子與模板DNA上的TATA框結合，形成轉錄起始復合物。該復合物具有依賴于ATP供能的DNA解旋酶活性，在轉錄鏈延伸中發揮作用。總之，原核細胞中RNA聚合酶起解旋作用，真核細胞中RNA聚合酶無解旋作用，它依靠某些輔助因子將DNA雙鏈打開。

參考文獻：

[1] 王鏡巖等.生物化學教程[M].北京：高等教育出版社，2008：524.

[2] 李興玉.簡明分子生物學[M].北京：高等教育出版社，2009：91.

[3] 朱玉賢.分子生物學[M].北京：高等教育出版社，2007：75.