“DNA的信使”认识误区辨析及教学建议

黄景敏 李德红

（华南师范大学生命科学学院 广东广州 510631）

“基因指导蛋白质合成”是人教版必修2《遗传与进化》模块［1］第4章第1节的内容。对于“RNA 适于做DNA 信使”的原因，教材中的解释是RNA 一般是单链，且比DNA 短，因此，能通过核孔，从细胞核转移至细胞质中。这就暗示了该节“想象空间”［1］旁栏中第2 个问题的答案可能为DNA 一般是双链，所以不能通过核孔到达细胞质中，直接指导蛋白质的合成。在配套的教师教学用书（以下简称教参）中也认为“DNA 被核膜限制在细胞核内”［2］，而在新版教参［3］中未提及。确实是因为DNA 是双链才不能摆脱核膜的桎梏吗？

1 核孔及核孔复合体对DNA 进、出核不形成阻碍

真核细胞的核膜是核质之间的界膜，为双层膜。内、外核膜在某些部位相互融合形成环状的核孔，直径为80～120 nm。核孔上镶嵌着的核孔复合体（nuclear pore complex，NPC）有一部分结构嵌入核被膜内，故其直径为120～150 nm［4］。而双链DNA的直径约2 nm［5］。仅从直径大小比较，DNA 完全可通过核孔。

事实上，在自然界中就存在双链DNA 通过核孔的现象。HIV 病毒是RNA 逆转录病毒，病毒的核衣壳进入细胞后在细胞质中脱壳，释放基因组RNA。在逆转录酶的催化下，形成的双链DNA 通过核孔进入细胞核，整合入宿主细胞基因组中，成为前病毒［6-7］。由此看来，双链DNA 完全可通过核孔。

2 DNA 不轻易移位的原因

2.1 DNA 被结合蛋白物理束缚随意移位 一般情况下，基因组DNA 不能随意移位的最大原因是被其结合蛋白折叠打包压缩而束缚。在所有物种的DNA 高级拓扑结构中，都有DNA 结合蛋白参与组装。对于真核细胞，DNA 结合蛋白分为2 类：一类为组蛋白（与DNA 结合，无结构特异性）；另一类为非组蛋白（与特定DNA 序列或组蛋白结合）。组蛋白主要负责DNA 的折叠打包压缩。折叠后压缩将近1 680 倍，间期呈丝状，称为染色质丝，直径约为10～30 nm。可见，即使DNA 高度压缩也仍比核孔直径小很多［8］。经压缩后的DNA 序列被固定在核骨架上，呈放射环状结构，在分裂期进一步包装成染色体［4］。因此，DNA 无法随意移动。核膜只是保护核内DNA 分子免受损伤［4］，对其本身并无限制作用。原核细胞虽然没有进化出核膜，但基因组DNA 同样与各种拟核结合蛋白（nucleoid-associated proteins，NAPs）形成聚集结构——拟核，其功能与真核细胞的细胞核功能相似［9］。NAPs 调节DNA 的折叠结构，正是拟核结合蛋白对DNA 的物理约束，使得原核细胞即使没有核膜，DNA 也不能随意移动位置。

物理束缚主要对DNA 起保护作用。首先，基因组DNA 一般较长，不折叠则会像散乱的麻绳一样纠结在一起形成混乱，且易受核酸酶或活性氧基团的降解损伤［10］，在细胞分裂过程中也易被拉力扯断［11］。其次，DNA为高分子聚合物，其水溶液为高分子溶液，1 mg／mL 浓度的粘度已很高［11］。如果散乱分布在整个细胞中则形成DNA 水凝胶［12］，阻碍细胞进行正常的生命活动。正是DNA 结合蛋白的打包压缩，使得原核细胞的DNA 以30～50 mg／mL的浓度固定在拟核区域，而真核细胞可高达200 mg／mL，固定在细胞核中，维持细胞正常的生命活动［11］。此外，DNA 结合蛋白通过化学修饰调节细胞周期不同阶段DNA 的束缚水平，从而参与基因的表达调控等作用［10］。

2.2 DNA 作为主要的遗传物质不需移位 DNA是主要的遗传物质，相当于中央指挥系统，其核苷酸序列不仅决定了胞内所有物质的基本结构，还通过信号分子产生的级联反应，使储存的遗传信息不断被修饰并逐渐形成更为精细、复杂的指令，间接控制细胞内全部有效成分的生产、转运和功能发挥［4］。此外，位于细胞质基质中的核糖体是翻译的场所，遗传信息需要与核糖体识别并结合后才能被翻译［4］。而基因组DNA 缺乏与核糖体识别并结合的结构。因此，即使基因组DNA 能移位，也无法直接与核糖体结合翻译出蛋白质。

3 mRNA 适合作为DNA 信使的原因

既然基因组DNA 被结合蛋白物理束缚不能随意移位，作为主要的遗传物质也不需移位，而翻译的场所在细胞质中的核糖体，则应该有将DNA 的遗传信息传递出去的邮差、信使（messenger），即“DNA 的信使”。实验证明，RNA 是DNA 的信使，这样的RNA称为信使RNA，即mRNA。从“结构与功能观”［13］分析，mRNA 有以下特点足以担任DNA 的信使。

3.1 mRNA 忠实地携带遗传信息 要充当DNA 的信使，首先应能忠实地携带遗传信息。将DNA 转录为RNA 时严格遵循碱基互补配对原则（A 和U 配对，C 和G 配对），因而，mRNA 与DNA 分子上碱基对的顺序是一致的，保证了遗传信息的准确性。

3.2 mRNA 灵活地携带遗传信息 “灵活”体现在2 个方面：1）遗传信息转录为mRNA 具有时空特异性。一方面，转录时不是从头到尾将整个基因组转录，只有需要表达的基因才转录出相应的mRNA。另一方面，不同的细胞、组织和器官转录的mRNA 可能都不同。因此，具有高度的灵活性。2）mRNA 没有物理束缚。在转录后加工可移动，与核糖体结合后进行翻译。原核细胞中没有核膜，且mRNA 无需加工，在基因表达过程中往往是边转录边翻译。真核细胞有核膜，作为DNA 的信使，mRNA 以主动运输的方式通过核膜上的核孔复合体出核［4］，将需要表达的遗传信息从细胞核传送至细胞质中。

3.3 mRNA 能与核糖体结合 在真核生物的mRNA 上，与核糖体特异性结合的结构为mRNA 5′端的甲基化帽子结构。帽子结构是mRNA 在转录后加工而成，而基因组DNA 无类似的帽子结构。在原核生物的mRNA 上则是其起始密码子上游的SD 序列。SD 序列从DNA 上转录而来，转录后立即与核糖体特异性识别后结合，使起始密码子AUG 正好处于核糖体中的P 位，启动边转录边翻译的机制［4］。

3.4 mRNA 上密码子具有简并性 在翻译过程中，mRNA 的密码子第3 位碱基与tRNA 反密码子的第1 个碱基之间可摆动配对［8］，导致密码子的简并现象。即密码子的专一性由第1 位、第2 位碱基决定，而第3 位碱基有较大的灵活性。当密码子的第3 位碱基发生突变时，一般仍能翻译出正确的氨基酸，因而合成的多肽仍具有生物学活性，即容错性提高，也提高了翻译的效率。

3.5 mRNA 相对不稳定，易降解 与DNA 相比，mRNA 相对不稳定的原因有3 个：①单链结构；②无物理束缚；③核糖的亲核基团C′2-OH 易于攻击磷酸二酯键，从而使RNA 链断裂。

RNA 易降解的原因主要是广泛存在的大量RNA 酶较DNA 酶更稳定。在翻译出蛋白质后mRNA 会迅速降解。因此，在各种细胞质RNA 中，mRNA 的“存活”时间（半衰期）是最短的。基因的选择性表达使得不需翻译某种蛋白质时，便不需转录相应的mRNA；而转录出的mRNA 完成其使命后及时降解，能使原料核糖核苷酸及时循环利用，提高资源的利用率。合理分配与利用生物体有限的物质和能量，使生物体更具生存优势［8］。

4 讨论

4.1 对教材及教参编写的建议 针对教材中“RNA一般是单链，而且比DNA 短，因此能通过核孔；而DNA 一般是双链，因此不能通过核孔”这一认识误区，教材和教参可在以下2 个方面完善：①教参可适当对“想象空间”的问题提示思考方向，强调基因组DNA 一般不轻易移动的原因是其被结合蛋白束缚不能随意移位，而DNA 作为主要的遗传物质也不需移位。②阐述mRNA 能充当DNA 信使的核心原因是能忠实、灵活地将DNA 上所需要表达的遗传信息携带到核糖体。

4.2 对教师教学的建议 教材和原教参对“基因组DNA 不直接指导蛋白质合成的原因”的暗示或解释在逻辑上不成立，也与事实证据不符。既忽略了核酸的直径无论单链还是双链都远小于核孔的尺寸这一科学证据，也忽略了基因组DNA 被结合蛋白物理束缚不能随意移位这一科学事实。此外，教材解释了mRNA 能忠实、灵活地将DNA 所需要表达的遗传信息携带到翻译的场所核糖体，但未提及mRNA 还具有相对不稳定、易降解和摆动配对及密码子简并性等特点。生物学教师在教学过程中可从几个方面进行完善：1）聚焦生物学核心素养，牢固树立结构与功能相适应的生命观念，适当补充mRNA 作为DNA 信使还具备相对不稳定、易降解和摆动配对及密码子简并性等知识点，使学生全面地认识mRNA 适合作为DNA 信使的原因。当教材和教参对DNA 不直接翻译蛋白质的原因解释与生命观念和生物学事实相冲突时，要勇于引导学生提出质疑。2）在课堂上呈现能还原真相的教学素材（例如，核孔的直径与DNA 的直径数据、DNA结合蛋白的结构和功能等），引导学生尊重事实和证据，大胆猜测基因组DNA 不折叠打包压缩束缚的后果并小心求证。让学生认识到DNA 在细胞中的地位及DNA 不轻易移动的真正原因。3）对于已证实了的教材或教参上的认识误区，要引导学生敢于纠正。在“质疑—求证—纠正”的过程中帮助学生树立牢固的、正确的生命观念，引导学生运用科学思维、科学方法，从多角度尝试分析和解决问题；多进行反思性学习，培养学生的批判性思维，提高其认识事物、解决实际问题的能力。