在动态过程中巧判遗传信息读取的方向*

杨才伟 （成都市华阳中学 四川成都 610213）

1 DNA 的结构与遗传信息的读取方向

1.1 DNA 双链反向平行的方向标识 双链DNA的平面（一级）结构中，每条单链都具有方向性，且双链是反向平行的，怎么识别DNA 单链的方向？ 目前普遍采用五碳糖的碳环标号标识方向,如图1的核苷酸结构模型中，接碱基形成共价键的碳是1 号，然后顺时针标号，5 号接磷酸，这端称为5′端，3 号接羟基的为3′端；如图2在形成DNA 单链后，α 链一端为5′端（一个磷酸单连），另一端必为3′端（无磷酸单连），即5′-3′链；与α链互补的β 链则方向相反，为3′-5′链。

1.2 空间DNA 遗传信息读取方向的复杂性DNA 的方向性决定遗传信息具有方向，一个基因（DNA 片段）通常只有一条模板链，遗传信息的读取通常只有一个方向，但在空间动态中找准这个方向并不容易，因为DNA 是空间双螺旋结构，判断模板链是哪条就有2 种可能，模板链的阅读方向又有2 种可能。例如图3是基因P 的一端，代表遗传信息的序列可能是α 链的“ATGTCA……”或反向的“……ACTGTA”，或者是β 链的“TACAGT……”或反向的 “……TGACAT”，4 种不同的序列只有一种序列代表遗传信息，如果不考虑遗传信息碱基序列读取的方向，基本无法找准遗传信息序列，也就无法找准mRNA 上密码子排序，编码的多肽中氨基酸种类及排序的判断也必然错误。

目前研究证实，在基因表达中，遗传信息转录的读取方向是3′→5′端［1］，然而在许多空间动态过程中，基因序列或基因模型并没有方向标识3′端或5′端，怎样巧妙判断遗传信息的读取方向，就非常有趣。

2 转录中遗传信息读取的方向

遗传信息的读取是一个连续动态的过程，对于没有模板链及其方向标识的DNA（或基因）模型，仔细分析转录中物质结构的动态变化，也可以巧妙判断遗传信息的读取方向。

2.1 RNA 聚合酶移动指示方向 RNA 聚合酶本身就能识别DNA 模板链的碱基序列，并合成mRNA，它的移动方向就是转录的方向，必定是遗传信息的读取方向，也是mRNA 密码子的读取方向［2］，如图4中，RNA 聚合酶从②向①移动，转录方向②→①，读取遗传信息也从②→①，所以2 个密码子是GCUACA,而不是ACAUCG，遗传信息序列只能是CGATGT。

2.2 mRNA 释放指示方向 图5中的mRNA 先合成的先释放，靠右端的先合成，正在向右端释放，靠左端的正在转录，所以mRNA 释放的方向，与RNA 聚合酶的移动方向相反，也与转录方向②→①相反。故mRNA 释放的方向与遗传信息读取方向相反。

2.3 起始（终止）密码指示方向 由于起始密码子编码第1 个氨基酸，终止密码子结束编码氨基酸序列，它们本身就是遗传信息读取的方向，例如图6，如果某染色体上P 基因和Q 基因编码相应蛋白质前3 个氨基酸的DNA 序列如图（起始密码子均为AUG），则基因P 和基因Q 的模板链相同吗？ 相应的遗传信息序列是什么？

2 个方向分析发现，基因P 只能找到β 链的TAC 与起始密码子AUG 互补配对，其模板链是β链，遗传信息序列为TACCTAGAT……；但基因Q 的β 链找不到与起始密码子AUG 互补配对的TAC，只能在与β 链反向平行的α 链中，反向读取TAC 与起始密码子AUG 互补配对，说明基因Q 的模板链是α 链，遗传信息序列为TACCAGAGG……。本例就是借助起始密码子AUG，分析发现基因P 和基因Q 的模板链不同，遗传信息读取的空间方向相反。

3 翻译中遗传信息读取的方向

翻译是遗传信息表达的最后一个动态过程，翻译中物质结构的动态变化，也能巧妙指示遗传信息读取的方向

3.1 核糖体移动指示方向 核糖体是翻译的唯一场所，核糖体移动的方向，就是翻译的方向，也是读取mRNA 上面的密码子的方向，如图7中肽链长的先合成，核糖体先移动，核糖体从①→②移动，密码子读取的方向也是①→②。

3.2 tRNA 进位指示方向 在翻译中tRNA 上的反密码子通过碱基互补配对，阅读mRNA 上的密码子，这时先进位的tRNA 先读取先离开，后进位的后读取，tRNA 的进位（移动）方向总是与核糖体移动方向相反，也与mRNA 上密码子读取方向相反。如图8翻译过程，其中→表示②④的移动方向，则该段mRNA 编码的氨基酸序列是什么？ 如果忽视空间方向性，密码子在①上，图中4 个密码子“CUU-UCU-UCG-GUA”，读密码子表，肽链为“亮氨酸-丝氨酸-丝氨酸-缬氨酸”，但是核酸的空间方向性客观存在。图中④先进位先移开，读码应该从“右→左”，密码子为“AUG-GCU-UCU-UUC”,正确的氨基酸序列是“甲硫氨酸-丙氨酸-丝氨酸-苯丙氨酸”。

3.3 肽链合成指示方向 如图9，在翻译过程中，②位上tRNA 携带的肽链，将移向①位的tRNA，与①位tRNA 携带的氨基酸缩合形成一个新的肽键［3］，肽链按此方向递增氨基酸而延伸，因此肽链延伸 （合成） 的方向，正是密码子读取的方向，即“肽链在前，新加氨基酸在后”，读取方向为②→①。图中密码子是AUU 不是UUA，编码异亮氨酸不是亮氨酸。

3.4 反密码子指示方向 tRNA 上的反密码子与mRNA 上的密码子互补配对，它们的空间读取方向一致。如图10所示的tRNA（注：反密码子从携带氨基酸的3′端开始读码）所携带的氨基酸是什么？ 由于tRNA 反密码子是UGC 而不是CGU，故配对的mRNA 上的密码子是ACG 而不是GCA，进而查密码子表，图中tRNA 携带的是苏氨酸而不是丙氨酸。

3.5 反义RNA 结合指示方向 反义RNA 是DNA 非模板链一些特殊区段的转录产物，一般分子量小，在基因表达的调控中，它可与特异mRNA的起始端（5′端）互补成双链，抑制核糖体与mRNA结合，适时阻止翻译过程继续进行［4］。如图11所示，正常翻译的方向必然是①→②，即反义RNA与mRNA 的结合位点，一般在翻译的起始端。

在基因表达的空间立体动态过程中，分析遗传信息读取的方向，能很好地培养学生的理性思维和空间想像能力，纠正平面静止的惯性思维的一些错误，对培育严谨的科学核心素养具有重要意义。