“DNA的信使”認(rèn)識(shí)誤區(qū)辨析及教學(xué)建議

黃景敏 李德紅

（華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 廣東廣州 510631）

“基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成”是人教版必修2《遺傳與進(jìn)化》模塊［1］第4章第1節(jié)的內(nèi)容。對(duì)于“RNA 適于做DNA 信使”的原因，教材中的解釋是RNA 一般是單鏈，且比DNA 短，因此，能通過核孔，從細(xì)胞核轉(zhuǎn)移至細(xì)胞質(zhì)中。這就暗示了該節(jié)“想象空間”［1］旁欄中第2 個(gè)問題的答案可能為DNA 一般是雙鏈，所以不能通過核孔到達(dá)細(xì)胞質(zhì)中，直接指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。在配套的教師教學(xué)用書（以下簡(jiǎn)稱教參）中也認(rèn)為“DNA 被核膜限制在細(xì)胞核內(nèi)”［2］，而在新版教參［3］中未提及。確實(shí)是因?yàn)镈NA 是雙鏈才不能擺脫核膜的桎梏嗎？

1 核孔及核孔復(fù)合體對(duì)DNA 進(jìn)、出核不形成阻礙

真核細(xì)胞的核膜是核質(zhì)之間的界膜，為雙層膜。內(nèi)、外核膜在某些部位相互融合形成環(huán)狀的核孔，直徑為80～120 nm。核孔上鑲嵌著的核孔復(fù)合體（nuclear pore complex，NPC）有一部分結(jié)構(gòu)嵌入核被膜內(nèi)，故其直徑為120～150 nm［4］。而雙鏈DNA的直徑約2 nm［5］。僅從直徑大小比較，DNA 完全可通過核孔。

事實(shí)上，在自然界中就存在雙鏈DNA 通過核孔的現(xiàn)象。HIV 病毒是RNA 逆轉(zhuǎn)錄病毒，病毒的核衣殼進(jìn)入細(xì)胞后在細(xì)胞質(zhì)中脫殼，釋放基因組RNA。在逆轉(zhuǎn)錄酶的催化下，形成的雙鏈DNA 通過核孔進(jìn)入細(xì)胞核，整合入宿主細(xì)胞基因組中，成為前病毒［6-7］。由此看來，雙鏈DNA 完全可通過核孔。

2 DNA 不輕易移位的原因

2.1 DNA 被結(jié)合蛋白物理束縛隨意移位 一般情況下，基因組DNA 不能隨意移位的最大原因是被其結(jié)合蛋白折疊打包壓縮而束縛。在所有物種的DNA 高級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，都有DNA 結(jié)合蛋白參與組裝。對(duì)于真核細(xì)胞，DNA 結(jié)合蛋白分為2 類：一類為組蛋白（與DNA 結(jié)合，無結(jié)構(gòu)特異性）；另一類為非組蛋白（與特定DNA 序列或組蛋白結(jié)合）。組蛋白主要負(fù)責(zé)DNA 的折疊打包壓縮。折疊后壓縮將近1 680 倍，間期呈絲狀，稱為染色質(zhì)絲，直徑約為10～30 nm?？梢?，即使DNA 高度壓縮也仍比核孔直徑小很多［8］。經(jīng)壓縮后的DNA 序列被固定在核骨架上，呈放射環(huán)狀結(jié)構(gòu)，在分裂期進(jìn)一步包裝成染色體［4］。因此，DNA 無法隨意移動(dòng)。核膜只是保護(hù)核內(nèi)DNA 分子免受損傷［4］，對(duì)其本身并無限制作用。原核細(xì)胞雖然沒有進(jìn)化出核膜，但基因組DNA 同樣與各種擬核結(jié)合蛋白（nucleoid-associated proteins，NAPs）形成聚集結(jié)構(gòu)——擬核，其功能與真核細(xì)胞的細(xì)胞核功能相似［9］。NAPs 調(diào)節(jié)DNA 的折疊結(jié)構(gòu)，正是擬核結(jié)合蛋白對(duì)DNA 的物理約束，使得原核細(xì)胞即使沒有核膜，DNA 也不能隨意移動(dòng)位置。

物理束縛主要對(duì)DNA 起保護(hù)作用。首先，基因組DNA 一般較長(zhǎng)，不折疊則會(huì)像散亂的麻繩一樣糾結(jié)在一起形成混亂，且易受核酸酶或活性氧基團(tuán)的降解損傷［10］，在細(xì)胞分裂過程中也易被拉力扯斷［11］。其次，DNA為高分子聚合物，其水溶液為高分子溶液，1 mg／mL 濃度的粘度已很高［11］。如果散亂分布在整個(gè)細(xì)胞中則形成DNA 水凝膠［12］，阻礙細(xì)胞進(jìn)行正常的生命活動(dòng)。正是DNA 結(jié)合蛋白的打包壓縮，使得原核細(xì)胞的DNA 以30～50 mg／mL的濃度固定在擬核區(qū)域，而真核細(xì)胞可高達(dá)200 mg／mL，固定在細(xì)胞核中，維持細(xì)胞正常的生命活動(dòng)［11］。此外，DNA 結(jié)合蛋白通過化學(xué)修飾調(diào)節(jié)細(xì)胞周期不同階段DNA 的束縛水平，從而參與基因的表達(dá)調(diào)控等作用［10］。

2.2 DNA 作為主要的遺傳物質(zhì)不需移位 DNA是主要的遺傳物質(zhì)，相當(dāng)于中央指揮系統(tǒng)，其核苷酸序列不僅決定了胞內(nèi)所有物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)，還通過信號(hào)分子產(chǎn)生的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，使儲(chǔ)存的遺傳信息不斷被修飾并逐漸形成更為精細(xì)、復(fù)雜的指令，間接控制細(xì)胞內(nèi)全部有效成分的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)運(yùn)和功能發(fā)揮［4］。此外，位于細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中的核糖體是翻譯的場(chǎng)所，遺傳信息需要與核糖體識(shí)別并結(jié)合后才能被翻譯［4］。而基因組DNA 缺乏與核糖體識(shí)別并結(jié)合的結(jié)構(gòu)。因此，即使基因組DNA 能移位，也無法直接與核糖體結(jié)合翻譯出蛋白質(zhì)。

3 mRNA 適合作為DNA 信使的原因

既然基因組DNA 被結(jié)合蛋白物理束縛不能隨意移位，作為主要的遺傳物質(zhì)也不需移位，而翻譯的場(chǎng)所在細(xì)胞質(zhì)中的核糖體，則應(yīng)該有將DNA 的遺傳信息傳遞出去的郵差、信使（messenger），即“DNA 的信使”。實(shí)驗(yàn)證明，RNA 是DNA 的信使，這樣的RNA稱為信使RNA，即mRNA。從“結(jié)構(gòu)與功能觀”［13］分析，mRNA 有以下特點(diǎn)足以擔(dān)任DNA 的信使。

3.1 mRNA 忠實(shí)地?cái)y帶遺傳信息 要充當(dāng)DNA 的信使，首先應(yīng)能忠實(shí)地?cái)y帶遺傳信息。將DNA 轉(zhuǎn)錄為RNA 時(shí)嚴(yán)格遵循堿基互補(bǔ)配對(duì)原則（A 和U 配對(duì)，C 和G 配對(duì)），因而，mRNA 與DNA 分子上堿基對(duì)的順序是一致的，保證了遺傳信息的準(zhǔn)確性。

3.2 mRNA 靈活地?cái)y帶遺傳信息 “靈活”體現(xiàn)在2 個(gè)方面：1）遺傳信息轉(zhuǎn)錄為mRNA 具有時(shí)空特異性。一方面，轉(zhuǎn)錄時(shí)不是從頭到尾將整個(gè)基因組轉(zhuǎn)錄，只有需要表達(dá)的基因才轉(zhuǎn)錄出相應(yīng)的mRNA。另一方面，不同的細(xì)胞、組織和器官轉(zhuǎn)錄的mRNA 可能都不同。因此，具有高度的靈活性。2）mRNA 沒有物理束縛。在轉(zhuǎn)錄后加工可移動(dòng)，與核糖體結(jié)合后進(jìn)行翻譯。原核細(xì)胞中沒有核膜，且mRNA 無需加工，在基因表達(dá)過程中往往是邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯。真核細(xì)胞有核膜，作為DNA 的信使，mRNA 以主動(dòng)運(yùn)輸?shù)姆绞酵ㄟ^核膜上的核孔復(fù)合體出核［4］，將需要表達(dá)的遺傳信息從細(xì)胞核傳送至細(xì)胞質(zhì)中。

3.3 mRNA 能與核糖體結(jié)合 在真核生物的mRNA 上，與核糖體特異性結(jié)合的結(jié)構(gòu)為mRNA 5′端的甲基化帽子結(jié)構(gòu)。帽子結(jié)構(gòu)是mRNA 在轉(zhuǎn)錄后加工而成，而基因組DNA 無類似的帽子結(jié)構(gòu)。在原核生物的mRNA 上則是其起始密碼子上游的SD 序列。SD 序列從DNA 上轉(zhuǎn)錄而來，轉(zhuǎn)錄后立即與核糖體特異性識(shí)別后結(jié)合，使起始密碼子AUG 正好處于核糖體中的P 位，啟動(dòng)邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯的機(jī)制［4］。

3.4 mRNA 上密碼子具有簡(jiǎn)并性 在翻譯過程中，mRNA 的密碼子第3 位堿基與tRNA 反密碼子的第1 個(gè)堿基之間可擺動(dòng)配對(duì)［8］，導(dǎo)致密碼子的簡(jiǎn)并現(xiàn)象。即密碼子的專一性由第1 位、第2 位堿基決定，而第3 位堿基有較大的靈活性。當(dāng)密碼子的第3 位堿基發(fā)生突變時(shí)，一般仍能翻譯出正確的氨基酸，因而合成的多肽仍具有生物學(xué)活性，即容錯(cuò)性提高，也提高了翻譯的效率。

3.5 mRNA 相對(duì)不穩(wěn)定，易降解 與DNA 相比，mRNA 相對(duì)不穩(wěn)定的原因有3 個(gè)：①單鏈結(jié)構(gòu)；②無物理束縛；③核糖的親核基團(tuán)C′2-OH 易于攻擊磷酸二酯鍵，從而使RNA 鏈斷裂。

RNA 易降解的原因主要是廣泛存在的大量RNA 酶較DNA 酶更穩(wěn)定。在翻譯出蛋白質(zhì)后mRNA 會(huì)迅速降解。因此，在各種細(xì)胞質(zhì)RNA 中，mRNA 的“存活”時(shí)間（半衰期）是最短的?；虻倪x擇性表達(dá)使得不需翻譯某種蛋白質(zhì)時(shí)，便不需轉(zhuǎn)錄相應(yīng)的mRNA；而轉(zhuǎn)錄出的mRNA 完成其使命后及時(shí)降解，能使原料核糖核苷酸及時(shí)循環(huán)利用，提高資源的利用率。合理分配與利用生物體有限的物質(zhì)和能量，使生物體更具生存優(yōu)勢(shì)［8］。

4 討論

4.1 對(duì)教材及教參編寫的建議 針對(duì)教材中“RNA一般是單鏈，而且比DNA 短，因此能通過核孔；而DNA 一般是雙鏈，因此不能通過核孔”這一認(rèn)識(shí)誤區(qū)，教材和教參可在以下2 個(gè)方面完善：①教參可適當(dāng)對(duì)“想象空間”的問題提示思考方向，強(qiáng)調(diào)基因組DNA 一般不輕易移動(dòng)的原因是其被結(jié)合蛋白束縛不能隨意移位，而DNA 作為主要的遺傳物質(zhì)也不需移位。②闡述mRNA 能充當(dāng)DNA 信使的核心原因是能忠實(shí)、靈活地將DNA 上所需要表達(dá)的遺傳信息攜帶到核糖體。

4.2 對(duì)教師教學(xué)的建議 教材和原教參對(duì)“基因組DNA 不直接指導(dǎo)蛋白質(zhì)合成的原因”的暗示或解釋在邏輯上不成立，也與事實(shí)證據(jù)不符。既忽略了核酸的直徑無論單鏈還是雙鏈都遠(yuǎn)小于核孔的尺寸這一科學(xué)證據(jù)，也忽略了基因組DNA 被結(jié)合蛋白物理束縛不能隨意移位這一科學(xué)事實(shí)。此外，教材解釋了mRNA 能忠實(shí)、靈活地將DNA 所需要表達(dá)的遺傳信息攜帶到翻譯的場(chǎng)所核糖體，但未提及mRNA 還具有相對(duì)不穩(wěn)定、易降解和擺動(dòng)配對(duì)及密碼子簡(jiǎn)并性等特點(diǎn)。生物學(xué)教師在教學(xué)過程中可從幾個(gè)方面進(jìn)行完善：1）聚焦生物學(xué)核心素養(yǎng)，牢固樹立結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念，適當(dāng)補(bǔ)充mRNA 作為DNA 信使還具備相對(duì)不穩(wěn)定、易降解和擺動(dòng)配對(duì)及密碼子簡(jiǎn)并性等知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生全面地認(rèn)識(shí)mRNA 適合作為DNA 信使的原因。當(dāng)教材和教參對(duì)DNA 不直接翻譯蛋白質(zhì)的原因解釋與生命觀念和生物學(xué)事實(shí)相沖突時(shí)，要勇于引導(dǎo)學(xué)生提出質(zhì)疑。2）在課堂上呈現(xiàn)能還原真相的教學(xué)素材（例如，核孔的直徑與DNA 的直徑數(shù)據(jù)、DNA結(jié)合蛋白的結(jié)構(gòu)和功能等），引導(dǎo)學(xué)生尊重事實(shí)和證據(jù)，大膽猜測(cè)基因組DNA 不折疊打包壓縮束縛的后果并小心求證。讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到DNA 在細(xì)胞中的地位及DNA 不輕易移動(dòng)的真正原因。3）對(duì)于已證實(shí)了的教材或教參上的認(rèn)識(shí)誤區(qū)，要引導(dǎo)學(xué)生敢于糾正。在“質(zhì)疑—求證—糾正”的過程中幫助學(xué)生樹立牢固的、正確的生命觀念，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)思維、科學(xué)方法，從多角度嘗試分析和解決問題；多進(jìn)行反思性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維，提高其認(rèn)識(shí)事物、解決實(shí)際問題的能力。