用DNA分子杂交模拟人猿之间的亲缘关系

徐翔

【内容摘要】通过制作人、猴子和黑猩猩的DNA分子模型，模拟DNA杂交过程，并根据杂交结果判定人与猴子和黑猩猩的亲缘关系远近。同时，通过此实验，加深对于DNA分子杂交定义、原理、方法和过程的理解，认同DNA分子杂交在生物学研究中的重要意义。

【关键词】DNA分子杂交 碱基互补配对 双链区

实验探究活动课的课题来源于学生的学习过程，而实验探究活动课可以激发学生学习生物的兴趣，增强学生科学探究意识，促进学生学习方式的转变，同时为学生提供了身心活动的空间。学生在必修二《遗传和进化》模块中学习了现代生物进化理论，了解到基因和进化之间的内在联系，所以很自然会有学生提出这样的疑问：人是如何进化而来的？虽然作为常识，人是由猿进化而来。但是学生初中生物知识的匮乏，直接导致会有很多学生分不清楚黑猩猩、猴子之间的区别，甚至会具有“人是由猴子进化而来”的错误观点。那么，究竟人和黑猩猩、猴子之间亲缘关系远近如何？究竟是从黑猩猩进化而来还是从猴子进化而来的呢？我们可以通过设置相应的活动课程，让学生对此进行探究。

虽然人教版教材直到选修三《现代生物科技》模块《基因工程的基本操作程序》这一节中，才提到了DNA分子杂交的方法。但是学生在必修一《分子与细胞》模块中已经学习了有关DNA分子结构的相关知识，如DNA具有反向平行的双螺旋结构，由四种脱氧核苷酸组成，碱基的配对方式是A-T，C-G等等；完全可以由教师简单介绍DNA分子杂交的原理和方法，交由学生思考如何根据DNA杂交判定亲缘关系远近。

【活动背景】

各种生物之间都存在或近或远的亲缘关系，可用DNA分子杂交的模拟实验鉴定两种生物之间的亲缘关系。本实验的原理是：用DNA分子杂交的方法，让来自不同生物的两条DNA分子单链进行杂交，形成的杂合区域越多，说明两种生物的亲缘关系越近，即两种生物在进化史上更加相近。本实验是在已知人类、黑猩猩和猴子的某段DNA单链碱基序列的基础上，通过模拟DNA分子杂交的方法，来探讨这3种生物之间的亲缘关系远近。

DNA分子杂交的基础是根据碱基互补配对，双链之间形成氢键，从而形成稳定的双链区。在进行DNA分子杂交之前，先将两种生物的DNA分子提取出来，用同位素对其中一种进行标记。再通过加热或者提高pH的方法，将双链DNA分子分离成单链。然后将两种生物的DNA单链共同放在一起在适宜条件下复性，如果两张生物DNA分子之间存在互补的部分，就能形成双链区。由于同位素被检出的灵敏度很高，所以即使两种DNA只有百万分之一的双链区，也能被检出。

DNA分子杂交的意义是，分类学上不同物种的DNA都可以杂交，但是远缘物种的DNA分子之间形成杂交双链区的可能性比近缘物种的小得多。例如，人的DNA分子与小鼠的DNA分子之间杂交时，只有少量的人的DNA单链和小鼠的DNA单链能形成杂交分子即双链区，而且只是部分碱基配对。但是人与小鼠之间的DNA杂交分子形成，比人与酵母之间DNA杂交分子的形成要容易。在生物进化过程中，两种生物的DNA单链互补程度越高，双链区的比例就越大，两者的亲缘关系就越近；反之，亲缘关系越远。所以可以通过DNA分子杂交技术鉴定物种之间的亲缘关系。

【活动目的】

1.了解DNA分子杂交的原理，观察DNA杂交分子的形态特征。

2.初步掌握用DNA分子杂交的模拟实验来鉴定人猿之间的亲缘关系的方法。

3.认同DNA分子杂交在生物学研究中的重要意义。

活动准备：

1.学生回顾DNA的基本结构、基因工程的基本操作程序、现代生物进化理论相关知识。

2.教师向学生讲授DNA分子杂交技术的定义、原理、方法及意义。

3.向学生说明本实验只是一种模拟实验，它可以帮助我们理解人与黑猩猩、猴子之间的亲缘关系。真正的DNA分子杂交实验是相当复杂的，在中学实验室是无法完成的。

4.学生自由分组，每组4人，分工合作，共同完成模拟实验。可以两个人负责一种DNA的碱基链接，另外两个人负责核对后，拆分杂交。

【活动过程】

1.取不同颜色的小硬纸板或火柴棍各25个，确定这4种颜色的火柴棍分别代表哪一种碱基：A/T/C/G。

2.分别按照人、黑猩猩、猴子的某段DNA分子单链的碱基顺序，用4种颜色的硬纸板摆成三条链。注意将黑猩猩、猴子的DNA分子分别放在人的DNA分子的上下两侧，并使3条链的碱基上下对齐。

黑猩猩的一段DNA分子的单链是：TCCGGGGAAGGTTGGCTAAT

人的一段DNA分子单链是：AGGCATAAACCAACCGATTA

猴子的一段DNA分子单链是：TCCGGGGAAGGTTGGTCCGG

3.将人的DNA分子与黑猩猩的DNA分子进行模拟杂交，按照碱基互补配对原则，从左到右将能够配对的碱基并排放在一起，将不能配对的碱基轻轻分开展成环状。模拟实验完成后，数一数这两条链之间有几个环。每个环中有几个不能互补的碱基。

4.按照上述方法，将人的DNA分子单链与猴子的DNA分子单链进行模拟杂交。将结果填到表格中。

【分析讨论】

1.这个模拟实验与真正的DNA分子杂交实验相比，除了材料和方法步骤不同外，还有什么明显区别？

提示：本实验只是模拟实验，通过实验懂得DNA分子杂交的原理。实际中的DNA分子杂交时一项非常复杂，精细的实验，用于杂交的DNA分子碱基序列可能是一方未知的。如果DNA的碱基序列就像该实验一样是已知的，就没有必要进行杂交了。此外，科学工作者在做这类实验时，会让细胞中所有的染色体上的DNA分子进行杂交，而不仅仅是一段单链杂交。这样才能从整体上判断亲缘关系。

2.研究生物之间的亲缘关系，除了DNA分子杂交实验之外，还有哪些常用的方法？

提示：

（1）解剖学上可以用观察生物外部形态、内部结构和行为方面的相似度，说明两者间亲缘关系远近。

（2）生理学上，可以采用血清鉴定法：将人的血清注入家兔体内，使之产生相应抗体，再用这种家兔的抗人血清来检查人和其他哺乳动物的血清反应。如抗原抗体反应越显著，即沉淀越多，表明该动物与人之间的亲缘关系越近，反之越远。

（3）生物化学上，可以测细胞色素C的氨基酸序列：通过对许多物种细胞色素C的测定表明，对于两种生物来说，氨基酸序列的差异越小，它们的亲缘关系就越近，反之越远。

3.DNA分子可以进行杂交，RNA可以吗？

提示：一般情况下DNA是双链，不同物种的DNA拆分成单链后能够根据碱基互补配对进行杂交；而RNA是单链分子，在细胞内很少发生双链配对的情况。但是根据分子杂交的原理，只要能够符合碱基互补配对的单链，无论是DNA-DNA，DNA-RNA，RNA-RNA都可以杂交。例如，可以通过基因探针是否与目的基因的单链形成杂交双链区，检测目的基因在受体细胞内是否发生转录；还有细胞内存在iRNA可以与目的基因的转录形成的mRNA互不配对，形成双链RNA，干扰其进行翻译等等。

4.在人与黑猩猩、猴子的完整DNA中，有没有能够完全配对的DNA片段？

提示：人与黑猩猩、猴子的DNA中，有很多基因序列是完全相同的，这一部分基因控制的是细胞最基本的功能。而且亲缘关系越近，完全相同的基因就越多。所以在三者的DNA中，肯定有可以发生完全配对的DNA片段。

5.是什么原因造成了人与猴子、黑猩猩基因片段之间的差异？请从进化的角度加以解释。

提示：在进化过程中，三种生物发生了各种变异，而环境的差异造成自然选择的方向不同，导致三种生物之间基因差异会逐渐扩大，有些不适应生存的基因会被逐步淘汰，而共同的适应环境的基因则保留下来。

【深化拓展】

1.探索DNA知道蛋白质合成的模拟实验

提示：假设某生物的DNA分子的一条单链脱氧核苷酸的排列顺序是：

CCGATTCGTTGAACTAGCCGTACGTCGTAT。请设计一个模拟实验来验证以下结论：若已知的DNA链模板，当某个脱氧核苷酸改变时，翻译出来的蛋白质不一定相同。

2.利用同源蛋白质中的氨基酸序列的差异，判断生物之间的亲缘关系远近。

提示：从分子水平上来研究生物之间的亲缘关系，可以通过对不同生物体内的同一种蛋白质或者核酸分子的结构进行比较研究。比较不同生物的同一种蛋白质的差异，常用的方法是测定蛋白质中的氨基酸序列。氨基酸序列差异越小，它们的亲缘关系越近；差异越大，则亲缘关系越远。

【参考文献】

[1] 汤先海. 高中生物实验探究活动课的探索与实践，江西省新余市第一中学，2012.

[2] 施忆. 高中生物课程标准中的活动与探究，高等教育出版社，2003年11月.

[3] 李毅. 现代分子生物学，高等教育出版社，2013年2月.

[4] Richard Dawkins. The Greatest Show on Earth，中信出版社，2013.

[5] 沈银柱、黄占景. 进化生物学，高等教育出版社，2013.

（作者单位：安徽省合肥市第十中学）