用DNA分子雜交模擬人猿之間的親緣關系

徐翔

【內容摘要】通過制作人、猴子和黑猩猩的DNA分子模型，模擬DNA雜交過程，并根據雜交結果判定人與猴子和黑猩猩的親緣關系遠近。同時，通過此實驗，加深對于DNA分子雜交定義、原理、方法和過程的理解，認同DNA分子雜交在生物學研究中的重要意義。

【關鍵詞】DNA分子雜交 堿基互補配對 雙鏈區

實驗探究活動課的課題來源于學生的學習過程，而實驗探究活動課可以激發學生學習生物的興趣，增強學生科學探究意識，促進學生學習方式的轉變，同時為學生提供了身心活動的空間。學生在必修二《遺傳和進化》模塊中學習了現代生物進化理論，了解到基因和進化之間的內在聯系，所以很自然會有學生提出這樣的疑問：人是如何進化而來的？雖然作為常識，人是由猿進化而來。但是學生初中生物知識的匱乏，直接導致會有很多學生分不清楚黑猩猩、猴子之間的區別，甚至會具有“人是由猴子進化而來”的錯誤觀點。那么，究竟人和黑猩猩、猴子之間親緣關系遠近如何？究竟是從黑猩猩進化而來還是從猴子進化而來的呢？我們可以通過設置相應的活動課程，讓學生對此進行探究。

雖然人教版教材直到選修三《現代生物科技》模塊《基因工程的基本操作程序》這一節中，才提到了DNA分子雜交的方法。但是學生在必修一《分子與細胞》模塊中已經學習了有關DNA分子結構的相關知識，如DNA具有反向平行的雙螺旋結構，由四種脫氧核苷酸組成，堿基的配對方式是A-T，C-G等等；完全可以由教師簡單介紹DNA分子雜交的原理和方法，交由學生思考如何根據DNA雜交判定親緣關系遠近。

【活動背景】

各種生物之間都存在或近或遠的親緣關系，可用DNA分子雜交的模擬實驗鑒定兩種生物之間的親緣關系。本實驗的原理是：用DNA分子雜交的方法，讓來自不同生物的兩條DNA分子單鏈進行雜交，形成的雜合區域越多，說明兩種生物的親緣關系越近，即兩種生物在進化史上更加相近。本實驗是在已知人類、黑猩猩和猴子的某段DNA單鏈堿基序列的基礎上，通過模擬DNA分子雜交的方法，來探討這3種生物之間的親緣關系遠近。

DNA分子雜交的基礎是根據堿基互補配對，雙鏈之間形成氫鍵，從而形成穩定的雙鏈區。在進行DNA分子雜交之前，先將兩種生物的DNA分子提取出來，用同位素對其中一種進行標記。再通過加熱或者提高pH的方法，將雙鏈DNA分子分離成單鏈。然后將兩種生物的DNA單鏈共同放在一起在適宜條件下復性，如果兩張生物DNA分子之間存在互補的部分，就能形成雙鏈區。由于同位素被檢出的靈敏度很高，所以即使兩種DNA只有百萬分之一的雙鏈區，也能被檢出。

DNA分子雜交的意義是，分類學上不同物種的DNA都可以雜交，但是遠緣物種的DNA分子之間形成雜交雙鏈區的可能性比近緣物種的小得多。例如，人的DNA分子與小鼠的DNA分子之間雜交時，只有少量的人的DNA單鏈和小鼠的DNA單鏈能形成雜交分子即雙鏈區，而且只是部分堿基配對。但是人與小鼠之間的DNA雜交分子形成，比人與酵母之間DNA雜交分子的形成要容易。在生物進化過程中，兩種生物的DNA單鏈互補程度越高，雙鏈區的比例就越大，兩者的親緣關系就越近；反之，親緣關系越遠。所以可以通過DNA分子雜交技術鑒定物種之間的親緣關系。

【活動目的】

1.了解DNA分子雜交的原理，觀察DNA雜交分子的形態特征。

2.初步掌握用DNA分子雜交的模擬實驗來鑒定人猿之間的親緣關系的方法。

3.認同DNA分子雜交在生物學研究中的重要意義。

活動準備：

1.學生回顧DNA的基本結構、基因工程的基本操作程序、現代生物進化理論相關知識。

2.教師向學生講授DNA分子雜交技術的定義、原理、方法及意義。

3.向學生說明本實驗只是一種模擬實驗，它可以幫助我們理解人與黑猩猩、猴子之間的親緣關系。真正的DNA分子雜交實驗是相當復雜的，在中學實驗室是無法完成的。

4.學生自由分組，每組4人，分工合作，共同完成模擬實驗。可以兩個人負責一種DNA的堿基鏈接，另外兩個人負責核對后，拆分雜交。

【活動過程】

1.取不同顏色的小硬紙板或火柴棍各25個，確定這4種顏色的火柴棍分別代表哪一種堿基：A/T/C/G。

2.分別按照人、黑猩猩、猴子的某段DNA分子單鏈的堿基順序，用4種顏色的硬紙板擺成三條鏈。注意將黑猩猩、猴子的DNA分子分別放在人的DNA分子的上下兩側，并使3條鏈的堿基上下對齊。

黑猩猩的一段DNA分子的單鏈是：TCCGGGGAAGGTTGGCTAAT

人的一段DNA分子單鏈是：AGGCATAAACCAACCGATTA

猴子的一段DNA分子單鏈是：TCCGGGGAAGGTTGGTCCGG

3.將人的DNA分子與黑猩猩的DNA分子進行模擬雜交，按照堿基互補配對原則，從左到右將能夠配對的堿基并排放在一起，將不能配對的堿基輕輕分開展成環狀。模擬實驗完成后，數一數這兩條鏈之間有幾個環。每個環中有幾個不能互補的堿基。

4.按照上述方法，將人的DNA分子單鏈與猴子的DNA分子單鏈進行模擬雜交。將結果填到表格中。

【分析討論】

1.這個模擬實驗與真正的DNA分子雜交實驗相比，除了材料和方法步驟不同外，還有什么明顯區別？

提示：本實驗只是模擬實驗，通過實驗懂得DNA分子雜交的原理。實際中的DNA分子雜交時一項非常復雜，精細的實驗，用于雜交的DNA分子堿基序列可能是一方未知的。如果DNA的堿基序列就像該實驗一樣是已知的，就沒有必要進行雜交了。此外，科學工作者在做這類實驗時，會讓細胞中所有的染色體上的DNA分子進行雜交，而不僅僅是一段單鏈雜交。這樣才能從整體上判斷親緣關系。

2.研究生物之間的親緣關系，除了DNA分子雜交實驗之外，還有哪些常用的方法？

提示：

（1）解剖學上可以用觀察生物外部形態、內部結構和行為方面的相似度，說明兩者間親緣關系遠近。

（2）生理學上，可以采用血清鑒定法：將人的血清注入家兔體內，使之產生相應抗體，再用這種家兔的抗人血清來檢查人和其他哺乳動物的血清反應。如抗原抗體反應越顯著，即沉淀越多，表明該動物與人之間的親緣關系越近，反之越遠。

（3）生物化學上，可以測細胞色素C的氨基酸序列：通過對許多物種細胞色素C的測定表明，對于兩種生物來說，氨基酸序列的差異越小，它們的親緣關系就越近，反之越遠。

3.DNA分子可以進行雜交，RNA可以嗎？

提示：一般情況下DNA是雙鏈，不同物種的DNA拆分成單鏈后能夠根據堿基互補配對進行雜交；而RNA是單鏈分子，在細胞內很少發生雙鏈配對的情況。但是根據分子雜交的原理，只要能夠符合堿基互補配對的單鏈，無論是DNA-DNA，DNA-RNA，RNA-RNA都可以雜交。例如，可以通過基因探針是否與目的基因的單鏈形成雜交雙鏈區，檢測目的基因在受體細胞內是否發生轉錄；還有細胞內存在iRNA可以與目的基因的轉錄形成的mRNA互不配對，形成雙鏈RNA，干擾其進行翻譯等等。

4.在人與黑猩猩、猴子的完整DNA中，有沒有能夠完全配對的DNA片段？

提示：人與黑猩猩、猴子的DNA中，有很多基因序列是完全相同的，這一部分基因控制的是細胞最基本的功能。而且親緣關系越近，完全相同的基因就越多。所以在三者的DNA中，肯定有可以發生完全配對的DNA片段。

5.是什么原因造成了人與猴子、黑猩猩基因片段之間的差異？請從進化的角度加以解釋。

提示：在進化過程中，三種生物發生了各種變異，而環境的差異造成自然選擇的方向不同，導致三種生物之間基因差異會逐漸擴大，有些不適應生存的基因會被逐步淘汰，而共同的適應環境的基因則保留下來。

【深化拓展】

1.探索DNA知道蛋白質合成的模擬實驗

提示：假設某生物的DNA分子的一條單鏈脫氧核苷酸的排列順序是：

CCGATTCGTTGAACTAGCCGTACGTCGTAT。請設計一個模擬實驗來驗證以下結論：若已知的DNA鏈模板，當某個脫氧核苷酸改變時，翻譯出來的蛋白質不一定相同。

2.利用同源蛋白質中的氨基酸序列的差異，判斷生物之間的親緣關系遠近。

提示：從分子水平上來研究生物之間的親緣關系，可以通過對不同生物體內的同一種蛋白質或者核酸分子的結構進行比較研究。比較不同生物的同一種蛋白質的差異，常用的方法是測定蛋白質中的氨基酸序列。氨基酸序列差異越小，它們的親緣關系越近；差異越大，則親緣關系越遠。

【參考文獻】

[1] 湯先海. 高中生物實驗探究活動課的探索與實踐，江西省新余市第一中學，2012.

[2] 施憶. 高中生物課程標準中的活動與探究，高等教育出版社，2003年11月.

[3] 李毅. 現代分子生物學，高等教育出版社，2013年2月.

[4] Richard Dawkins. The Greatest Show on Earth，中信出版社，2013.

[5] 沈銀柱、黃占景. 進化生物學，高等教育出版社，2013.

（作者單位：安徽省合肥市第十中學）