对人教版教材“基因工程”相关问题的几点释疑

 

作者：胡明雄　陈进芬

摘要：基因工程是人教版《生物学·选择性必修3·生物技术与工程》第3章的内容,由于本章内容较微观、抽象,学生学习和理解较困难,在教学中需要将抽象内容具体化。对“基因工程”的相关知识进行释疑,包括限制性内切核酸酶、磷酸二酯键、将目的基因导入受体细胞后的筛选等问题,以帮助学生更好地掌握相关知识。

基因工程相关内容是高考的常考点也是难点。人教版新教材相比旧教材，篇幅增多，旧教材中关于基因工程只用了一节进行介绍，而新教材却用了1章进行阐述，内容更详细、学习要求更高，但是基因工程是一个庞大的知识体系，限于篇幅，教材中一些知识点的介绍较简略，教师教学和学生学习难度较大。本文就基因工程一节中的3个问题做进一步分析和解释，以帮助学生理解相关知识。

1 限制性内切核酸酶

限制酶是一类能识别双链DNA分子的特定核苷酸序列，并使每一条链中特定部位的磷酸二酯键断开的酶。研究表明，大肠杆菌拥有不同的限制和修饰系统用于抵抗外来物质的伤害和保护自身 DNA的安全，该系统受hsdR、hsdM和hsdS基因的调控。hsdR是编码限制酶的基因，编码产生的限制酶能对DNA分子进行特异性识别和切割，当外来 DNA入侵时，宿主细胞中的限制酶会将其降解，所以限制性内切核酸酶又叫限制酶；那限制酶为什么不切割自身的DNA分子呢？hsdM是DNA甲基化酶合成基因，它能使宿主细胞的DNA分子发生甲基化，从而封闭其自身DNA上能被限制酶识别的位点，所以大肠杆菌的限制酶不会降解自身的DNA以及长期在它体内生存的噬菌体的DNA；hsdS基因表达产物可以提高以上两种酶的识别能力。此外，限制酶在DNA双链分子上的识别序列最常见的是由 4个或6个核苷酸组成，8个或更多个核苷酸对的识别序列较罕见。对核酸进行切割的酶可以分为两大类：一类是内切酶，切割核酸分子内部的磷酸二酯键，其切割产物是DNA片段；而外切酶则是对核酸分子最末端的磷酸二酯键进行切割，产物是单个核苷酸。由于限制酶能对外源DNA内部的磷酸二酯键进行特异性切割，其产物仍然是DNA片段，因此限制酶是一种对核酸进行内切的酶，故而称为限制性内切核酸酶。旧教材中基因的“剪刀”被称为限制性核酸内切酶，而新教材中修正为“限制性内切核酸酶”，表述更准确

2 磷酸二酯键

关于磷酸二酯键，在旧教材做了如图1的标注，而新教材中的插图改成了如图2所示的标注。磷酸二酯键究竟指的是什么？

图1

图2

可以看出，磷酸二酯键是两个核苷酸分子核苷酸残基的两个羟基分别与同一个磷酸基团形成的共价连接键。和肽键一样，肽键不再指一CO一NH一这个结构，而仅指一CO一NH一中间的化学键，磷酸二酯键也不再指包括磷酸在内的整个结构。如果将结构表示完整，那么磷酸二酯键是指C与O之间形成的共价键（图3）还是O和P之间的共价键（图4）呢？

图4

从生化原理来看，不管是3 ‘一磷酸单酯键，还是 5 ‘一磷酸单酯键，它们的形成都是核糖碳上的3 ‘ OH或者5 ‘一OH中带孤对电子的0对NTT)或者 dNTP中的一个P作亲核进攻形成的共价键，所以与 O（来自核糖或脱氧核糖的羟基）和P（来自核苷酸的磷酸基团）有关。在DNA复制过程中，新链是通过在 3 ‘ -OH端添加dNTP并形成磷酸二酯键来延伸的。因此，图4更准确。

3 目的基因是否导入受体细胞的检测

基因工程操作步骤的第4步“目的基因的检测与鉴定”中对于目的基因是否导人受体细胞的检测教材讲解较简单，简要概括为：通过PCR等技术检测棉花的染色体DNA上是否插人了猕基因。那么检测目的基因是否导人细胞的方法有哪些？具体如何操作呢？

3 · 1 载体表型选择法

基因工程中使用的载体往往携带标记基因，可以利用这些标记基因对目的基因进行筛选。需要注意的是，这种方法只能检测载体是否成功转人，其中可能包括自身环化的载体或导人了含目的基因的载体，所以要确定目的基因是否真正转人，还需要进一步筛选。

进一步筛选通常用“双标记基因”进行，如阝一半乳糖苷酶显色法，即蓝白斑筛选法。这种检测方法用到的载体上含有Lau基因，其表达产物为无活性的肽段受体细胞可以合成无活性的阝肽段仪肽段与阝肽段结合后可以产生有活性的阝一半乳糖苷酶，该酶能将无色的x一gal分解成蓝色产物。如果将目的基因插人Lau基因上，重组载体导人受体细胞后就不能产生仪肽段，也就无法形成阝半乳糖苷酶，无法使x一gal变色，因此含有重组载体的菌落呈白色，该方法也叫蓝白斑筛选法

3 · 2 DNA电泳检测法

DNA电泳检测法是基因工程中常用的检测目的基因是否导人受体细胞的方法。可以提取受体细胞中的质粒直接进行电泳检测，但由于含有目的基因的重组质粒分子质量一般比较大，在电泳凝胶中的迁移速率较慢，为了增加实验的准确度，可以选择合适的限制酶对质粒进行酶切后再进行电泳检测，同时可借助指示分子大小的标准参照物进一步确认目的基因。DNA电泳检测法可以与前面介绍的载体表型选择法结合，快速、准确地检测目的基因是否导人受体细胞

3 · 3 核酸杂交检测法

Southem印记杂交是核酸杂交检测法中的一种，用于对DNA分子的检测。用这种方法检测目的基因是否导人受体细胞的基本过程是：先提取受体细胞的 DNA；用限制酶对DNA分子进行酶切后电泳；然后对分离后的DNA进行变性处理，并将凝胶中变性的 DNA转移至硝酸纤维素膜上固定；再用带有标记的基因探针进行杂交，经放射自显影就可以鉴别出目的基因。

来源：胡明雄,陈进芬.对人教版教材“基因工程”相关问题的几点释疑[J].中学生物教学,2025,(03):61-63.