RNA→cDNA——由“2015年高考理综能力测试40（1）题”引发的思考

王华峰+孙瑞娴+刘国平+郝晶晶

1 引言

高中生物《选修3·现代生物科技专题》的内容中，许多是目前发展非常快速的领域，既新颖又专业，伴随而来的是新概念层出不穷。而且，很多概念还在形成之中，不同的专家由于各自的理解角度的差异，难免会有歧义产生。在这样的形势下，选修3中的不少教学内容的分寸很难把握好。因此，中学教师对一些专业概念的理解，可能就会形成一些分歧。例如对2015年高考新课标理综能力测试卷Ⅰ的40（1）题，由于各自的理解程度不一，就曾经在广大阅卷老师中，引发了激烈讨论，虽然最终按照试题的参考答案进行评卷，但不等于说人人做到了真正理解，形成了科学认识。带着疑惑的教学必然有糊涂之处，以下就来分析这个问题。

2 问题的提出（困惑与不解）

40. [选修3：现代生物科技专题]

HIV属于逆转录病毒，是艾滋病的病原体。回答下列问题：

（1） 用基因工程方法制备HIV的某蛋白（目的蛋白）时，可先提取HIV中的 ，以其为模板，在 的作用下合成 ，获取该目的蛋白的基因，构建重组表达载体，随后导入受体细胞。

（2） 略

（3） 略

参考答案：RNA 逆（反）转录酶 cDNA（或DNA）

閱卷过程中，阅卷老师尤其是来自中学的阅卷老师，对于该题所涉及的cDNA的相关问题存有一连串的疑问：以RNA为模板合成的DNA，也就是互补DNA，简称cDNA，究竟是双链分子，还是单链分子？在以RNA为模板合成cDNA过程中形成的RNA/DNA杂合链中RNA去了哪里？基因工程中，为什么要由RNA转变为cDNA？是为了实现DNA拼接？最终形成双链cDNA是否需要DNA聚合酶的参与？（例如，有的考生写出逆（反）转录酶和DNA聚合酶）。众多的疑惑与不解，纷至沓来，让人应接不暇。

3 探索与思考

3.1 逆（反）转录病毒

逆（反）转录病毒是一种RNA病毒，其最鲜明的特征就是基因组由RNA组成。逆（反）转录病毒含有一个编码逆转录酶的特殊基因，能够帮助病毒将自身RNA转变为DNA，潜伏到宿主DNA基因组。其感染整合过程可简述为：病毒吸附感染细胞，随后向胞内释放出病毒RNA，在逆转录酶作用下，合成线性双螺旋DNA分子，进入细胞核，最后整合进宿主DNA基因组（图1）。HIV是人类免疫缺陷病毒的英文缩写，就是人们常说的艾滋病（AIDS）病毒，它属于逆（反）转录病毒，能诱发人类获得性免疫缺陷综合征，给许多受感染的人带去了生命危险。

由高中生物教材可知，RNA与DNA的分子结构相似，均由基本单位——核苷酸连接而成，各自的核苷酸含有4种碱基，两者都可以储存遗传信息。两者之间的主要区别是，组成DNA的五碳糖是脱氧核糖，而RNA则是核糖；RNA的碱基组成中没有碱基T（胸腺嘧啶），而替换成碱基U（尿嘧啶）；RNA一般是单链，DNA一般为双链。以上是高中广大师生认可的内容。另外，“与DNA相比，RNA化学活性高，具有与蛋白酶一样的催化活性”，则是高中师生不熟悉或者不常用到的。根据“RNA世界”假说，由于RNA兼具遗传物质与催化物两种功能，所以最早的生命生化系统主要由RNA组成。在进化过程中，蛋白质结构上的多样性使得其催化能力远高于RNA，逐步取代了RNA，承担生化反应的催化主角；DNA结构的稳定性，使得其储存生物信息能力非常强，逐步取代RNA，成为生命系统中的遗传物质主角。但是，RNA基因组在一些低级生命体中依然存在，如逆转录病毒。

3.2 RNA转化为cDNA具有非常重要的现实意义

RNA分子结构的不稳定性决定了其裸露在环境中时，极易被环境中无处不在的微生物等释放的RNA酶或其他理化因素破坏降解，造成RNA所携带的生物信息被破坏而残缺不全，甚至完全丢失。RNA分子的这个缺陷给研究RNA所携带生物信息，带来很大困扰。逆转录病毒研究中，逆转录酶的发现给了生物学家一个很好的启发。利用逆转录酶，迅速及时地将RNA反转录成与其生物信息完全一致、结构稳定的cDNA，构建信息库（常被称为cDNA文库），极大地避免了RNA信息的丢失，解除了生物学家的后顾之忧，从而可以非常从容地进行后续的生物信息获取与保留。并且，RNA转变为cDNA后，非常方便地完成后续的DNA拼接。

3.3 反转录酶工作的原理

反转录酶是重组DNA技术中一个强有力的工具，应用非常普遍。反转录酶具有多种酶活性，经人工改良后，基因工程中使用的反转录酶主要有3个特点：① RNA依赖的DNA聚合酶活性，能够以RNA为模板，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杂合体中的RNA部分，RNase H不能水解单链或双链DNA或RNA中的磷酸二酯键，即不能消化单链或双链DNA或RNA；③DNA依赖的DNA聚合酶活性，以反转录合成的第一条cDNA单链为模板，DNA-RNA杂合体中的RNA降解过程中残留的RNA片段为引物，以dNTP为底物，再合成第二条cDNA分子。

4 小结与展望

通过以上探索与思考，可以得出：cDNA的本质是RNA生物信息的DNA拷贝。用基因工程方法制备HIV的某蛋白（目的蛋白）时，将HIV的RNA所携带的遗传信息，通过反转录，转化为与其信息完全一致、结构稳定的cDNA，确保了HIV的RNA信息完整，而且还极大方便了后续的基因操作。在此过程中，逆转录酶首先以RNA为模板，在引物的引领下，合成cDNA第一链，形成DNA-RNA杂合体；DNA-RNA杂合体中RNA被逆转录酶特异性降解，其残留片段作为引物，以第一链cDNA为模板，合成cDNA的第二链，最终形成双链DNA分子。

现代生物科技领域的发展日新月异，与此同时，很多高中生物教师的知识结构老化，难以适应生物科学快速发展的形势。因此，加强高中生物教师的职后培训，不断充实高中生物教师生物科学素养，应当是当下高中生物教育中一项迫在眉睫的任务。其实，不止生物，其他学科也是如此。目前，已经有地方政府的教育部门意识到该问题的存在，并采取了具体的措施。例如，山西师范大学最近成立的“山西基础教育质量提升协同创新中心”，它是山西省人民政府确定的14个省级协同创新平台之一，也是山西省唯一的一个教育类协同创新平台。相信在不久的将来，我们国家的高中教育会更上一个新台阶。

参考文献：

[1] 人民教育出版社，课程教材研究所，生物课程教材研究开发中心编著.生物·选修3·现代生物科技专题教师用书[M].北京：人民教育出版社.2007.06.

[2] 朱玉贤，李毅，郑晓峰.现代分子生物学[M].北京：高等教育出版社.2013：375-386.

[3] 沈萍，陈向东.微生物学[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4] 人民教育出版社，课程教材研究所，生物课程教材研究开发中心编著.生物·必修2·遗传与进化[M].北京：人民教育出版社，2007.

[5] 闫桂琴.遗传学.[M].北京：科学出版社.2010.

[6] 赵寿元，乔守怡.现代遗传学[M].北京：高等教育出版社，2008.6.

[7] 张玉静.分子遗传学[M].北京：科学出版社.2000：345-353.