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《遺傳與進化》模塊［1］第4章第1節(jié)的內(nèi)容。對于“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，從細胞核轉(zhuǎn)移至細胞質(zhì)中。這就暗示了該節(jié)“想象空間”［1］旁欄中第2 個問題的答案可能為DNA 一般是雙鏈，所以不能通過核孔到達細胞質(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（以下簡稱教參）中也認為“DNA 被核膜限制在細胞核內(nèi)”［2］，而在新版教參［3］中未提及。確實是因為DNA 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DNA 進、出核不形成阻礙

真核細胞的核膜是核質(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，病毒的核衣殼進入細胞后在細胞質(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 通過核孔進入細胞核，整合入宿主細胞基因組中，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 高級拓撲結(jié)構(gòu)中，都有DNA 結(jié)合蛋白參與組裝。對于真核細胞，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）。組蛋白主要負責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?？梢姡词笵NA 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)，在分裂期進一步包裝成染色體［4］。因此，DNA 無法隨意移動。核膜只是保護核內(nèi)DNA 分子免受損傷［4］，對其本身并無限制作用。原核細胞雖然沒有進化出核膜，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，其功能與真核細胞的細胞核功能相似［9］。NAPs 調(diào)節(jié)DNA 的折疊結(jié)構(gòu)，正是擬核結(jié)合蛋白對DNA 的物理約束，使得原核細胞即使沒有核膜，DNA 也不能隨意移動位置。

物理束縛主要對DNA 起保護作用。首先，基因組DNA 一般較長，不折疊則會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的降解損傷［10］，在細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細胞中則形成DNA 水凝膠［12］，阻礙細胞進行正常的生命活動。正是DNA 結(jié)合蛋白的打包壓縮，使得原核細胞的DNA 以30～50 mg／mL的濃度固定在擬核區(qū)域，而真核細胞可高達200 mg／mL，固定在細胞核中，維持細胞正常的生命活動［11］。此外，DNA 結(jié)合蛋白通過化學(xué)修飾調(diào)節(jié)細胞周期不同階段DNA 的束縛水平，從而參與基因的表達調(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)，還通過信號分子產(chǎn)生的級聯(lián)反應(yīng)，使儲存的遺傳信息不斷被修飾并逐漸形成更為精細、復(fù)雜的指令，間接控制細胞內(nèi)全部有效成分的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)運和功能發(fā)揮［4］。此外，位于細胞質(zhì)基質(zhì)中的核糖體是翻譯的場所，遺傳信息需要與核糖體識別并結(jié)合后才能被翻譯［4］。而基因組DNA 缺乏與核糖體識別并結(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，而翻譯的場所在細胞質(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”。實驗證明，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 有以下特點足以擔任DNA 的信使。

3.1 mRNA 忠實地攜帶遺傳信息 要充當DNA 的信使，首先應(yīng)能忠實地攜帶遺傳信息。將DNA 轉(zhuǎn)錄為RNA 時嚴格遵循堿基互補配對原則（A 和U 配對，C 和G 配對），因而，mRNA 與DNA 分子上堿基對的順序是一致的，保證了遺傳信息的準確性。

3.2 mRNA 靈活地攜帶遺傳信息 “靈活”體現(xiàn)在2 個方面：1）遺傳信息轉(zhuǎn)錄為mRNA 具有時空特異性。一方面，轉(zhuǎn)錄時不是從頭到尾將整個基因組轉(zhuǎn)錄，只有需要表達的基因才轉(zhuǎn)錄出相應(yīng)的mRNA。另一方面，不同的細胞、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，與核糖體結(jié)合后進行翻譯。原核細胞中沒有核膜，且mRNA 無需加工，在基因表達過程中往往是邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯。真核細胞有核膜，作為DNA 的信使，mRNA 以主動運輸?shù)姆绞酵ㄟ^核膜上的核孔復(fù)合體出核［4］，將需要表達的遺傳信息從細胞核傳送至細胞質(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，啟動邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯的機制［4］。

3.4 mRNA 上密碼子具有簡并性 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 個堿基之間可擺動配對［8］，導(dǎo)致密碼子的簡并現(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。當密碼子的第3 位堿基發(fā)生突變時，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，即容錯性提高，也提高了翻譯的效率。

3.5 mRNA 相對不穩(wěn)定，易降解 與DNA 相比，mRNA 相對不穩(wěn)定的原因有3 個：①單鏈結(jié)構(gòu)；②無物理束縛；③核糖的親核基團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 會迅速降解。因此，在各種細胞質(zhì)RNA 中，mRNA 的“存活”時間（半衰期）是最短的?；虻倪x擇性表達使得不需翻譯某種蛋白質(zhì)時，便不需轉(zhuǎn)錄相應(yīng)的mRNA；而轉(zhuǎn)錄出的mRNA 完成其使命后及時降解，能使原料核糖核苷酸及時循環(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［8］。

4 討論

4.1 對教材及教參編寫的建議 針對教材中“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”這一認識誤區(qū)，教材和教參可在以下2 個方面完善：①教參可適當對“想象空間”的問題提示思考方向，強調(diào)基因組DNA 一般不輕易移動的原因是其被結(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DNA 信使的核心原因是能忠實、靈活地將DNA 上所需要表達的遺傳信息攜帶到核糖體。

4.2 對教師教學(xué)的建議 教材和原教參對“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，也與事實證據(jù)不符。既忽略了核酸的直徑無論單鏈還是雙鏈都遠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。此外，教材解釋了mRNA 能忠實、靈活地將DNA 所需要表達的遺傳信息攜帶到翻譯的場所核糖體，但未提及mRNA 還具有相對不穩(wěn)定、易降解和擺動配對及密碼子簡并性等特點。生物學(xué)教師在教學(xué)過程中可從幾個方面進行完善：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，適當補充mRNA 作為DNA 信使還具備相對不穩(wěn)定、易降解和擺動配對及密碼子簡并性等知識點，使學(xué)生全面地認識mRNA 適合作為DNA 信使的原因。當教材和教參對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)事實相沖突時，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)生尊重事實和證據(jù)，大膽猜測基因組DNA 不折疊打包壓縮束縛的后果并小心求證。讓學(xué)生認識到DNA 在細胞中的地位及DNA 不輕易移動的真正原因。3）對于已證實了的教材或教參上的認識誤區(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；多進行反思性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維，提高其認識事物、解決實際問題的能力。