借模型制作之力 解基因工程之惑
2021-04-20江苏
江苏
近十年，基因工程一直是全国各地高考命题的热点。因此讲授完基因工程专题内容后，笔者为学生提供了若干道高考题，学生做题后大呼“太难了”。经了解，大部分学生虽然能听懂课堂上的知识，也能应对基础的练习，但是因为没有直观的感受，当遇见高考真题时，涉及“切”与“连”的问题还是底气不足。为了帮助师生更好地理解“切”与“连”，从容应对高考，笔者与学生一起动手操作，体验了“切”与“连”的过程，并对产生的结果进行了分析与研究。
1.同尾酶与完全酶切
1.1 真题呈现
【例1】（2016 年，江苏卷，第33 题节选）下表是几种限制酶识别序列及其切割位点，图1 中标注了相关限制酶的酶切位点，其中切割位点相同的酶不重复标注。请回答下列问题：
图1
（4）若用Sau3A Ⅰ切图1 质粒最多可能获得___种大小不同的DNA 片段。
【答案】7
1.2 突破过程
1.2.1 师生共寻突破口
师：请同学们分析表格中提供的这些限制酶的识别序列及切割位点，这些限制酶有什么特点？
生：BamH Ⅰ、Sau3A Ⅰ、Bcl Ⅰ识别的序列不一样，但切割后所得的黏性末端是一样的。
师：这些切割不同的DNA 片段但产生相同的黏性末端的一类限制性核酸内切酶称为“同尾酶”。那同学们又是如何理解题干中“用Sau3A Ⅰ切图1 质粒最多可能获得____种大小不同的DNA 片段”中“最多”的意思呢？
生：虽然题中质粒上没有标出Sau3A Ⅰ的酶切位点，但是从表中给出的信息可以知道能被BamH Ⅰ、Bcl Ⅰ识别并切割的位置，也能被Sau3A Ⅰ识别并切割。所以切割的次数不同、位置不同会得到不同的产物片段。“最多”在此题中的意思就包含了酶切1 次、2 次、3 次。
师：刚刚同学们分析后得到结果可以称为“完全酶切”，为了让大家更好地理解此题，老师给大家提供了若干质粒纸片模型，请大家借助这些质粒纸片模型，解答此题。
1.2.2 巧借模型得结果
学生为了“剪”完后仍能快速找出酶切位点，给出了三点改进模型建议：①再画一个稍小的同心圆；②图中可以被Sau3A Ⅰ识别并切割的位置用1、2、3 标明；③因为暂时不需要标记基因和启动子，可以暂时不标明。最终制作的质粒模型如图2 所示。
图2 改进后的质粒模型
学生模拟限制酶Sau3A Ⅰ“切”质粒情况如图3、图4、图5 所示：
图3 切一刀的情况
由图3 学生可以看出切一刀有三种切割方式且三种切割方式获得的DNA 片段大小一致。
图4 切两刀的情况
由图4 学生可以看出切两刀有三种切割方式且三种切割方式一共可以获得6 段大小不一的DNA 片段。
图5 切1 号位、2 号位、3 号位
由图5 学生可以看出切三刀有一种切割方式且可以获得3 段大小不一的DNA 片段。
学生模拟限制酶“切”质粒后，发现切三刀所得的DNA 片段与切两刀所得的DNA 片段有重复的，最终得出此题答案：用Sau3A Ⅰ切质粒最多可能获得7 种大小不同的DNA 片段。
2.自身环化
2.1 真题呈现
【例2】（2017 年，天津卷，第9 题节选）玉米自交系（遗传稳定的育种材料）B 具有高产、抗病等优良性状，但难以直接培育成转基因植株，为使其获得抗除草剂性状，需依次进行步骤Ⅰ、Ⅱ试验。
Ⅰ.获得抗除草剂转基因玉米自交系A，技术路线如图6。
图6
（1）为防止酶切产物自身环化，构建表达载体需用2 种限制酶，选择的原则是______（单选）。
①Ti 质粒内，每种限制酶只有一个切割位点
②G 基因编码蛋白质的序列中，每种限制酶只有一个切割位点
③酶切后，G 基因形成的两个黏性末端序列不相同
④酶切后，Ti 质粒形成的两个黏性末端序列相同
A.①③ B.①④ C.②③ D.②④
【答案】A
2.2 突破过程
2.2.1 师生共建模型
师：为了更好地解决此题，老师参照人教版选修3 教材第6 页提供的核苷酸序列，为同学们提供若干代表质粒平面模型的白色纸条（如图7）、代表含目的基因（不同字体并加粗）的外源DNA 分子的平面模型红色纸条（如图8）；其中DNA 片段上增加的箭头表示遗传信息转录的方向；剪刀代表EcoR Ⅰ，透明胶条代表DNA 连接酶。
图7 质粒平面模型
图8 外源DNA 分子平面模型
师：请同学们利用这些平面模型，先制成环状的质粒模型，备用。
生：将模型两端用透明胶条连接起来，制成环状的质粒模型（如图9）。
图9 环状质粒模型
师：请大家分析限制酶（EcoR Ⅰ）识别的外源DNA分子的序列、环状质粒的特定核苷酸序列及限制酶在特定核苷酸上切割后的结果。
生：展示归纳分析后的结果（如图10、11、12、13）。
图10 质粒
图11 切开的质粒
图12 外源DNA
图13 切开的外源DNA
师：请同学们用剪刀模拟限制酶（EcoR Ⅰ）将手中的模型进行“切割”。
生：模拟并展示剪切结果（如图14）。
图14 模拟EcoR Ⅰ切割后的DNA 片段
师：请同学们继续用透明胶条模拟DNA 连接酶连接经限制酶（EcoR Ⅰ）切开的外源DNA 分子、质粒。
生：模拟并展示连接结果。
由于学生得到的连接结果太多，故笔者归纳后展示部分结果（如图15）。
图15 连接结果
2.2.2 模型中“悟”结果
生：通过以上活动，得知如果只用一种限制酶，得到一种黏性末端，容易造成反应体系中片段的任意连接，会出现“自身环化”。
师：老师提供给大家的平面模型中标有箭头，用以表示遗传信息转录的方向。不知同学们有没有留意刚才展示的连接结果中这些箭头的方向，大家认为这些箭头的方向对目的基因的表达有何影响？下面一起来分析以下两道高考题。
3.定向连接
3.1 真题呈现
【例3】（2016 年，全国卷Ⅲ,第40 题节选）（题干略）（2）若某人利用图16 所示的表达载体获得了甲、乙、丙三种含有目的基因的重组子,如图17 所示。这三种重组子中,不能在宿主细胞中表达目的基因产物的有_______，不能表达的原因是 。
图16
图16
【答案】甲和丙 甲中目的基因插入在启动子的上游，丙中目的基因插入在终止子的下游，二者的目的基因均不能被转录
【例4】（2018 年，江苏卷，第32 题节选）（题干略）（2）为了便于扩增的DNA 片段与表达载体连接，需在引物的_____ 端加上限制性酶切位点，且常在两条引物上设计加入不同的限制性酶切位点，主要目的是______________________________。
【答案】5' 使DNA 片段能定向插入表达载体，减少自连
3.2 知识再延伸
师：分析两例真题的答案，请同学们总结一下如何选择限制酶从而保证基因表达载体的正常、正确构建？
生：首先，不能选用会“切坏”目的基因的限制酶；其次，为了防止“环化”现象发生不能选用一种限制酶，也不能选用酶切后得到相同黏性末端的限制酶（同尾酶）。所以最好选用2 种会得到不同黏性末端的限制酶进行“切割”，这样可以确保目的基因与质粒的定向连接。
4.课堂小结
师：本节课，通过动手操作，大家对基因工程的“切”与“连”有了直观的感受，一起小结本节课内容：
①造成先“切”再“连”出现许多结果的原因是什么？
生：一种限制酶或同尾酶“切”完后得到相同的黏性末端，所以可以自体连接、相互连接。
②在这么多结果中，哪一种结果才是我们需要的目标重组DNA？为什么？
生：目的基因-质粒正向连接的DNA；因为首先目的基因只有借助运载体（质粒）才能导入受体细胞，其次只有按照遗传信息转录的方向连接，基因才会表达；因此只有此种重组DNA 才符合基本要求。
5.课堂反思
本节课过后笔者能感受到学生在应对基因工程的高考题时自信心得到了明显提升，从最初花费许多时间在读题、审题、分析图表环节上，且由于考虑不周全最后仍然不一定得到正确答案的状态转变成主动寻求解决途径、甚至会提出改进建议。笔者认为纸质模型制作这一活动功不可没，这为今后的教学提供了新的思路：若学生无法把“无形”的结果考虑周全，那么教师可以帮学生将“无形”变为“有形”，把抽象的知识转变成直观的感受。
