基因工程学习过程中的几个常见误区

周毓

摘 要 对学生在基因工程学习过程中存在的几个概念误区进行分析讨论，并对有关知识进行补充，以帮助学生更好地理解和掌握相关概念。

关键词 限制酶 DNA聚合酶 筛选基因 解旋酶

中图分类号 Q-49 文献标志码 E

人教版高中生物选修3包括：基因工程、细胞工程、胚胎工程、生态工程四个专题，基因工程是其他三个专题的基础，同时也是近年高考选考部分必会出现的内容，考查学生对实际问题的解决能力。由于基因工程是从分子的角度来考虑问题，概念比较抽象，学生对一些知识点的理解感觉很困难，做题时屡屡出现问题。笔者通过查阅资料，对教师教学以及学生学习过程中存在的几个误区进行分析。

1 限制酶只能切割一种核苷酸序列

人教版高中生物选修3第一节“DNA重组技术的基本工具”对限制酶的专一性是这样描述的，“它们能够识别双链DNA的某种特定核苷酸序列，并且使每一条链中特定部位的两个核苷酸之间的磷酸二酯键断开”。很多学生认为限制酶只能识别一种核苷酸序列。

表1展示了在历年考试中出现的部分限制酶及其识别序列。大部分限制酶仅识别一种核苷酸序列，比如BamH I只识别G↓GATCC。但是还有少数限制酶识别的序列不止一种，比如Hind II识别的序列一共有四种：GTT↓AAC、GTT↓GAC、GTC↓AAC、GTC↓ GAC。這四种序列并不是四种核苷酸的随机组合，而有一定的规律可循，即符合GT（T/C）↓（A/G）AC这样一种模式。所以，对于书中“限制酶能够识别双链DNA的某种特定核苷酸序列”，笔者认为还需要教科书编写者用更精确的语言来描述。

2 DNA复制时，DNA聚合酶不需要引物

人教版高中生物必修3第三章第三节“DNA的复制”的教材，图3-13展示了DNA分子的复制过程。这个图可以帮助学生理解DNA复制的基本过程，但同时也给部分学生一种误导：DNA聚合酶结合到模板DNA后，可以将游离的脱氧核苷酸连接起来，形成与模板DNA互补的DNA单链。由于这种理解上的偏差，导致学生在理解PCR技术时很困惑：如果DNA聚合酶可以将单个脱氧核苷酸连接成DNA单链，为什么还要在PCR反应体系中再添加引物呢？

事实上，无论在体外还是体内，DNA复制都只能沿着已存在的核苷酸链延伸，不能从头合成DNA链。在体内进行DNA复制时，RNA聚合酶先与DNA模板结合，合成一小段RNA链，作为引物；接着DNA聚合酶再以RNA引物3′端作为起始端，合成新的DNA链；当DNA复制完成后，RNA引物会被DNA聚合酶I或者核糖核酸酶切掉。在体外进行DNA复制时，直接以人工合成的一段DNA片段作为引物，在复制结束时，不需要再将引物切掉。

3 运载体上的标记基因都是抗性基因

重组DNA构建后，紧接着就是导入到受体细胞。在实际操作中，并不能保证所有的重组DNA都能进入到受体细胞，也不能保证导入到受体细胞中的质粒都是重组DNA，也可能含有空载体。所以在技术上要求重组DNA上必须有标记基因来鉴定生物是否成功转化。在平时教学时，笔者习惯于以抗性基因用作标记基因，比如青霉素抗性基因、氯霉素抗性基因等。这就给学生造成一种误解，认为只有抗性基因才能作为标记基因。

事实上，在实验过程中，能够使用的标记基因的种类有很多，除了抗性基因，还有颜色反应基因、代谢缺陷型互补基因等。比如，蓝白斑筛选法（图1），其原理是载体中含有LacZ基因，外源DNA克隆位点位于在LacZ基因内部。若无外源DNA分子插入，LacZ基因在IPTG（异丙基硫代-β-D-半乳糖苷）诱导下，表达的β-半乳糖苷酶能将X-gal（5-溴-4-氯-3-吲哚-β-D-半乳糖苷）切割成半乳糖和深蓝色的物质5-溴-4-靛蓝。5-溴-4-靛蓝可使整个菌落显蓝色。若外源DNA分子插入运载体中，LacZ基因失活，因而不能表达出β-半乳糖苷酶，在X-gal的培养基上菌落显白色。根据菌落蓝白颜色的不同，筛选出需要的转化子。在教学的时候，教师应该补充其他的质粒的一些标记基因，开拓学生的视野。学生在碰到类似的信息题时，就不会感觉手足无措。

4 转录过程需要解旋酶

人教版高中生物必修3第三章第三节“DNA的复制”教材的，图3-13展示了DNA分子的复制过程。DNA复制开始时，在解旋酶的作用下，DNA双螺旋结构被打开，DNA聚合酶以一条链为模板合成DNA单链。自然地，学生会形成一种定势，即只要是DNA双链解旋的过程，就必定需要解旋酶。因此学生会理所当然地认为，在DNA转录形成mRNA的时候，也需要解旋酶。事实上，并非如此。

原核细胞内只有一种RNA聚合酶，它负责所有mRNA、rRNA、tRNA的合成。此RNA聚合酶由α、β、β′、ω、σ亚基聚而成的全酶。其中α亚基具有解开前方DNA双螺旋以及恢复后面DNA双螺旋的作用。因此，原核细胞中的RNA聚合酶具有解旋酶的活性，能够打开DNA双链。而真核细胞的RNA聚合酶有三种，三种RNA聚合酶都无解旋作用。只有RNA聚合酶II可以转录形成mRNA。RNA聚合酶II要实现转录形成mRNA，需要至少7种辅助因子参与（表2）。真核细胞转录时，辅助因子与模板DNA上的TATA框结合，形成转录起始复合物。该复合物具有依赖于ATP供能的DNA解旋酶活性，在转录链延伸中发挥作用。总之，原核细胞中RNA聚合酶起解旋作用，真核细胞中RNA聚合酶无解旋作用，它依靠某些辅助因子将DNA双链打开。

参考文献：

[1] 王镜岩等.生物化学教程[M].北京：高等教育出版社，2008：524.

[2] 李兴玉.简明分子生物学[M].北京：高等教育出版社，2009：91.

[3] 朱玉贤.分子生物学[M].北京：高等教育出版社，2007：75.