关于DNA方向性问题之刍议

2018-08-08沈兆瑞

生物学教学 2018年5期

沈兆瑞

(天津市武清区杨村第一中学 301700)

1 质疑辨惑

例题： 2011年11月，武汉大学的科学家将人的血清白蛋白基因导入水稻体内合成了人的血清白蛋白，这种蛋白质的生理活性和人体自然产生的这类物质是完全一致的。结合图1回答转基因水稻培育过程的相关问题。

其中限制酶MunI的识别序列及切割位点是—C↓TTAAG—，而限制酶EcoR I的识别序列及切割位点为—G↓AATTC—。为保证重组质粒表达载体的准确构建，应用切割质粒，用切割含目的基因的DNA分子，构成重组质粒。(参考答案：MunI、EcoR I)

图1 转基因水稻培育过程示意图

该例题的考点在于基因工程中对限制酶的选择。其中选择MunI切割质粒毫无异议，但是，对于限制酶EcoR I的选择则众说纷纭。争议之处在于：限制酶EcoR I的识别序列为—GAATTC—，而不是—CTTAAG—。按照EcoR I的识别序列，那它能否识别题中的序列呢？

2 条分缕析

2.1 DNA的结构决定其方向 1953年，DNA双螺旋结构被提出，两条脱氧核苷酸链反向平行构成稳定的螺旋结构[1]，这暗示着DNA的两条单链必然具有不同的“方向”。相邻两个脱氧核糖以磷酸二酯键依次相连，共同构成DNA分子的外侧骨架。其中，单条脱氧核苷酸链拥有两个不同的末端： 5′端(游离的磷酸基团)和3′端(游离的羟基)。绘图时常用5′和3′对其进行标注。其次，5′端与3′端的结构差异导致其生物学功能的不同。例如，DNA聚合酶仅能将游离的脱氧核苷酸聚合到子链的3′端，而非5′端。因此，两条子链的延伸(合成)方向均为5′→3′，但合成方式却不同。其中前导链采用连续复制的方式，而后随链的合成为不连续复制——先通过合成多条冈崎片段，再形成完整子链[2]。

除此之外，高中阶段所涉及到的PCR技术、转录以及限制酶识别等过程均与DNA方向密切相关。DNA方向性的重要性不言而喻，同样的碱基排列顺序，一旦变换读取方向则会呈现截然不同的信息。例如，5′—GAATTC—3′和5′—CTTAAG—3′呈现出完全不同的识别信息，前者是EcoR I的识别序列，而识别后者的为AflII。因而，书写单条核苷酸链有着约定俗成的规矩——一律按照5′→3′书写，以免出现读取“方向”不同的误解。例如，在PCR扩增目的基因的过程中，常需要设计引物。在书写这一对反向引物的序列时，必须都遵循5′→3′的原则。

2.2 绘图中的DNA也不能忽略方向性问题相同的碱基排列顺序，在阅读方向不同的情况下，则需要不同的限制酶进行识别和切割(表1)。因此，遵循固定的绘制方向就显得至关重要，特别是在高中阶段(通常不对DNA的方向进行标注)。与固定的书写规则类似，绘图中的DNA也不能忽略方向性问题。

经查阅《基因Ⅷ》《现代分子生物学》等高等教材，发现绝大多数有关DNA 分子的插图在绘制过程中都进行了方向的标注，5′端多位于左上角。尤其在绘制限制酶识别位点时，无论标注与否，左上角均为5′端，无一例外。例如，以DNA为模板转录RNA过程中RNA聚合酶的移动方向图(图2)，不仅直观地体现出5′→3′的转录方向，而且更经得起推敲。如图2所示，RNA聚合酶从左向右移动，启动子(RNA聚合酶的识别和结合位点)位于左侧，即基因首端(上游区域)。这对于后续知识的学习能起到正迁移作用。反之，则不然。