劉紅蕾 聶劉旺

（安徽師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 安徽蕪湖 241000）

2018年全國高考卷Ⅰ第38 題是一道選做題，分值為15 分，其中的第1 小題：博耶和科恩將非洲爪蟾核糖體蛋白基因與質(zhì)粒重組后導(dǎo)入大腸桿菌細(xì)胞中進(jìn)行了表達(dá)。 該研究除證明了質(zhì)粒可以作為載體外， 還證明了__________ （答出2 點(diǎn)即可）。 該題的標(biāo)準(zhǔn)答案是：體外重組質(zhì)?？蛇M(jìn)入受體細(xì)胞并表達(dá)（4 分，其他合理答案可酌情給分）。

博耶（H. Boyer）和科恩（S. Cohen）是現(xiàn)代基因工程的重要奠基者， 在他們之前還有一批科學(xué)家同樣為基因工程的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 1972年，美國斯坦福大學(xué)Berg 博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組， 第1次成功地在體外將猿猴病毒SV40 的DNA 和λ 噬菌體的DNA 分別進(jìn)行酶切， 再用連接酶將其重組，結(jié)果獲得了雜合DNA 分子［1］。 這給生命科學(xué)研究者帶來了巨大的啟發(fā)， 不同來源的原核生物DNA 片斷可在體外重組得到雜合DNA 分子。 隨后，在1973年，斯坦福大學(xué)的Cohen 等［1］也成功地進(jìn)行了另一個體外重組實(shí)驗(yàn)， 并實(shí)現(xiàn)了細(xì)菌間性狀的轉(zhuǎn)移。這表明原核生物的DNA 不僅可在體外重組，甚至重組后的DNA 分子仍然可在大腸桿菌中繁殖。自此，基因工程在1973年正式問世。但是僅在原核生物中被實(shí)驗(yàn)證明可實(shí)現(xiàn)。一年后，科恩和博耶進(jìn)行了這道題中所描述的實(shí)驗(yàn)， 即將真核生物的基因轉(zhuǎn)移到原核細(xì)胞， 并實(shí)現(xiàn)功能的表達(dá)。這一結(jié)果，極大沖擊了人們對生物種間界限的傳統(tǒng)認(rèn)識， 而這一結(jié)果又能夠說明什么生物學(xué)內(nèi)涵？這道高考題正是以此為背景，要求學(xué)生寫出該實(shí)驗(yàn)所證明的生物學(xué)內(nèi)涵。 筆者歸納總結(jié)了上述實(shí)驗(yàn)所證明的論點(diǎn)， 以期能給教師在進(jìn)行這部分內(nèi)容的教學(xué)時提供更多的教學(xué)啟發(fā)， 也幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)基因工程這一新興生物技術(shù)時能更好地理解其中的操作原理。

1 重組質(zhì)粒可進(jìn)入受體細(xì)胞

質(zhì)粒是一種裸露的、結(jié)構(gòu)簡單、獨(dú)立于細(xì)菌擬核DNA 之外，并具有自我復(fù)制能力的很小的雙鏈環(huán)狀DNA 分子［2］。 它在很多原核細(xì)胞中都存在，自然狀態(tài)下可在原核細(xì)胞內(nèi)自我復(fù)制。 由于質(zhì)粒上有一個至多個限制酶的酶切位點(diǎn)，因此，可將外源基因?qū)胫临|(zhì)粒中， 再由質(zhì)粒運(yùn)載至原核細(xì)胞中。博耶和科恩進(jìn)行的體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，說明非洲爪蟾核糖體蛋白基因與質(zhì)粒重組后仍可導(dǎo)入大腸桿菌， 且可以像在自然狀態(tài)下一樣進(jìn)行自我復(fù)制或整合至染色體DNA 上， 并隨染色體DNA 進(jìn)行轉(zhuǎn)錄和翻譯，最終表達(dá)。 該實(shí)驗(yàn)說明在基因工程中，質(zhì)?？勺鳛檫\(yùn)載體。

在進(jìn)行體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)時， 通常都是利用質(zhì)粒作為載體的。 其優(yōu)勢不言而喻，主要表現(xiàn)為：

1）質(zhì)粒具有自我復(fù)制的能力。 當(dāng)外源基因?qū)胭|(zhì)粒后，質(zhì)粒進(jìn)入受體細(xì)胞可獨(dú)立自我復(fù)制，不受擬核染色體DNA 復(fù)制的影響，即具有自身的復(fù)制原點(diǎn)。

2）質(zhì)粒不會對受體細(xì)胞造成傷害。 質(zhì)粒本身就是細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)， 對于細(xì)胞而言不屬于外來物，因此，不會對受體細(xì)胞造成傷害。

3）質(zhì)粒DNA 分子上有一個至多個限制酶切割位點(diǎn)。 質(zhì)?？杀幌拗泼盖懈铋_，供外源DNA 片斷（基因）插入其中。

4）質(zhì)粒DNA 分子上有特殊的標(biāo)記基因。當(dāng)重組質(zhì)粒進(jìn)入受體細(xì)胞，需要對重組DNA 進(jìn)行鑒定和選擇， 標(biāo)記基因即可幫助人們挑選出符合要求的細(xì)胞， 例如常用的四環(huán)素抗性基因和氨芐青霉素抗性基因等。

2 真核生物基因可在原核細(xì)胞中表達(dá)并實(shí)現(xiàn)物種間的基因交流

真核生物和原核生物遺傳信息的儲存方式是不同的， 真核生物的遺傳信息儲存在細(xì)胞核中的染色體DNA 上，而原核生物則是儲存在擬核中的染色體DNA 上，且不同物種的基因在自然狀態(tài)下相對較難進(jìn)行交流和融合， 但通過人工改造的方式，摒棄生物有性繁殖的基因交流方式，改為人工操作的無性繁殖即可有效提高不同物種之間基因交流的成功率。在博耶和科恩進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，非洲爪蟾核糖體蛋白基因就是真核細(xì)胞中控制蛋白質(zhì)合成的基因， 而大腸桿菌是最常見的原核受體細(xì)胞，最終基因可表達(dá)，說明已實(shí)現(xiàn)了爪蟾與大腸桿菌間的基因交流。

因?yàn)樵松锎蠖嗑哂畜w積小、繁殖快、多為單細(xì)胞生物且遺傳物質(zhì)較少等特點(diǎn)，因此，常被用于真核生物體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的受體細(xì)胞。 基因工程也正是利用真核細(xì)胞的遺傳物質(zhì)可在原核細(xì)胞中表達(dá)這一事實(shí)，大量生產(chǎn)人類所需要的，但在正常細(xì)胞代謝中產(chǎn)量很低的多肽。 可利用原核生物生產(chǎn)大量的基因工程藥物， 為更多的疑難雜癥患者帶來康復(fù)的希望， 例如白血病在20 世紀(jì)40年代之前一直被認(rèn)為是不治之癥， 但現(xiàn)代基因工程技術(shù)則給白血病患者帶來康復(fù)的希望， 最早研制出的抗CD33 抗體為鼠源性IgG2 抗體-M195，可治療急性髓性白血病，但由于人會對此產(chǎn)生抗鼠抗體反應(yīng)而限制了其臨床應(yīng)用。現(xiàn)在可利用基因工程使鼠源性IgG2 抗體－M195 的恒定區(qū)序列（即抗體分子的輕鏈和重鏈中靠近C 端相對穩(wěn)定的氨基酸序列）被人源序列所取代，成為人源化的M195－HuM195，然后利用原核生物大量生產(chǎn)，使得更多患者有康復(fù)的可能［3］。 還有人們很熟悉的治療糖尿病的胰島素，于1978年9月由美國基因工程技術(shù)公司研制。通過在細(xì)菌體內(nèi)植入胰島素基因，人類從此不再需要從豬、牛等動物體內(nèi)獲取胰島素。 這不僅開啟了生物工程藥物的新紀(jì)元，也給全世界糖尿病患者帶來了福音，具體應(yīng)用過程如圖1。

圖1 利用基因工程合成胰島素過程示意圖

3 幾乎所有生物都共用一套遺傳密碼子

在細(xì)胞中將mRNA 翻譯為蛋白質(zhì)的過程中，堿基與氨基酸之間是通過密碼子配對的，mRNA上3 個相鄰的堿基決定了1 個氨基酸， 這3 個堿基就是1 個密碼子。 該實(shí)驗(yàn)中非洲爪蟾的基因能在大腸桿菌中表達(dá)， 說明非洲爪蟾和大腸桿菌是共用一套密碼子的。通過大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，目前大多數(shù)生物使用的密碼子具有通用性， 但也發(fā)現(xiàn)極少數(shù)例外。 在支原體中，終止密碼子UGA 被用于編碼色氨酸；在四膜蟲（Tetrahymena）及草履蟲（Paramecium）等一些纖毛蟲中,UGA 是唯一的終止密碼子，UAA 和UAG 編碼谷氨酰胺；而在游仆蟲的一些基因中，通用終止密碼子UGA 不作為終止信號,而是編碼半胱氨酸［4］。 此外，在對人、牛及酵母線粒體DNA 序列和結(jié)構(gòu)的研究中，也發(fā)現(xiàn)一些密碼子使用的特殊情況。線粒體與核DNA 密碼子使用情況相應(yīng)的對比如表1 所示。

表1 線粒體與核DNA 密碼子使用情況的比較［5］

由此可見，密碼子不僅具有通用性，同時還具有一定的特殊性。 因此在選擇受體細(xì)胞時應(yīng)盡量避開使用這些具有特殊密碼子的生物， 以免在進(jìn)行體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)時發(fā)生翻譯的錯亂。 除了某些生物具有特殊的密碼子外， 不同物種使用密碼子的偏好性也不同， 主要是由于不同的生物攜帶不同的反密碼子tRNA 含量是不同的， 例如在大腸桿菌中， 就發(fā)現(xiàn)AGA、AGC、AUA、CCG、CCT、CTC、CGA 和GTC 共8 種稀有密碼子。當(dāng)導(dǎo)入外源基因進(jìn)行表達(dá)時，如果稀有密碼子連續(xù)出現(xiàn)，則會抑制一些蛋白質(zhì)的合成，發(fā)生翻譯的錯誤［6］。 所以，要想使導(dǎo)入的外源基因成功表達(dá)也是需要進(jìn)行篩選和檢測的。

4 生物體內(nèi)有機(jī)大分子的構(gòu)成都遵循共同的規(guī)則

從分子生物學(xué)的角度出發(fā)， 生物的物質(zhì)構(gòu)成其實(shí)具有簡單原則：

1）所有生物的構(gòu)成分子種類相似，例如DNA、RNA、蛋白質(zhì)、糖等，都是以碳原子為核心，且通過共價鍵的形式與其他一些原子構(gòu)成， 本質(zhì)上可以說是相通的。

2）構(gòu)成生物大分子的單體也幾乎都一致。 蛋白質(zhì)分子都是由大約20 種氨基酸通過脫水縮合、盤曲折疊形成的，DNA 都是由4 種脫氧核糖核苷酸形成，RNA 也都是由4 種核糖核苷酸形成的。

因此，在進(jìn)行基因工程操作時，外源基因?qū)胧荏w細(xì)胞后，DNA 的復(fù)制和轉(zhuǎn)錄能利用受體細(xì)胞中游離的核苷酸， 翻譯過程也可利用受體細(xì)胞中游離的氨基酸。 此過程并不會因?yàn)樵系牟町惢驑?gòu)成方式的不同導(dǎo)致外源基因無法表達(dá)。

通過這樣一個簡單的體外轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)， 人們不僅能證明重組質(zhì)?？蛇M(jìn)入受體細(xì)胞、 真核生物基因可在原核細(xì)胞中表達(dá)， 并實(shí)現(xiàn)物種間的基因交流，以及幾乎所有生物都共用一套遺傳密碼子，同時， 也能從分子層面證明生物體內(nèi)有機(jī)大分子的構(gòu)成都遵循共同的規(guī)則。

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確提出現(xiàn)階段的高中生物學(xué)教學(xué)要以培養(yǎng)學(xué)生的生命觀念、 科學(xué)思維、 科學(xué)探究和社會責(zé)任為目標(biāo)。 教師更應(yīng)注重教材概念或科學(xué)實(shí)驗(yàn)等背后所蘊(yùn)含的生物學(xué)原理，讓學(xué)生知其然，知其所以然。通過一道高考題便能帶來如此多的思考， 教材中還有諸多值得深思的內(nèi)容等待教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行探索發(fā)現(xiàn)。