從一桶水到一碗水

王官勛

從我國(guó)現(xiàn)行高中生物教材內(nèi)容選擇與設(shè)計(jì)上來(lái)看，現(xiàn)行高中生物教材是將生命科學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)概念化、形象化，將復(fù)雜的生命現(xiàn)象、過(guò)程與原理簡(jiǎn)單化、系統(tǒng)化后展示給學(xué)生。在這種“去粗取精”、“化繁為簡(jiǎn)”之后往往模糊了細(xì)節(jié)、突出了輪廓，淡化了知識(shí)深度與難度要求，著眼于提升能力與學(xué)科素養(yǎng)。這種取舍符合學(xué)習(xí)的認(rèn)知規(guī)律，也是現(xiàn)實(shí)教學(xué)中的必然要求。但是，實(shí)際上生命系統(tǒng)是如此的精細(xì)復(fù)雜，生物現(xiàn)象是如此地包羅萬(wàn)象又充滿“個(gè)性”。所以，人們常說(shuō)“要給學(xué)生‘一碗水，教師得要有‘一桶水”。只有把桶做得更大一些、水裝得盡量多一些，才能減少一些主觀的臆斷，踏實(shí)地倒給學(xué)生“一碗水”。

“轉(zhuǎn)錄到底要不要解旋酶”這一問(wèn)題很早就有人提出并存在爭(zhēng)議，并且這種爭(zhēng)議似乎在高中教師中依然存在。原因在于我國(guó)目前的高中教材中沒(méi)有哪個(gè)版本明確地提出或者解答了這一問(wèn)題（值得注意的是各版本的高中生物教材在“轉(zhuǎn)錄”的配圖中都沒(méi)有畫(huà)出“解旋酶”）。筆者在查找了生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、分子生物學(xué)等大學(xué)教材的相關(guān)內(nèi)容后，也均未發(fā)現(xiàn)能夠直接解答這一問(wèn)題的描述。但是，綜合這些教材中關(guān)于轉(zhuǎn)錄過(guò)程的描述，會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題并非是簡(jiǎn)單的“是”與“否”，而是存在著更深層次的機(jī)制、更復(fù)雜的過(guò)程。其中，原核生物與真核生物的轉(zhuǎn)錄又存在著一定的區(qū)別，下面就分別從原核生物與真核生物的轉(zhuǎn)錄過(guò)程來(lái)看，應(yīng)當(dāng)如何理解這一問(wèn)題。

1 原核生物的轉(zhuǎn)錄

無(wú)論原核生物還是真核生物的轉(zhuǎn)錄均存在能與RNA聚合酶結(jié)合從而啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列，稱為啟動(dòng)子。對(duì)于原核生物而言，其RNA聚合酶可以直接識(shí)別、結(jié)合啟動(dòng)子序列。以大腸桿菌RNA聚合酶為例：大腸桿菌RNA聚合酶由兩個(gè)α亞基、一個(gè)β亞基、一個(gè)β′亞基和一個(gè)ω亞基組成核心酶，加上σ亞基（也稱σ因子）共同構(gòu)成RNA聚合酶全酶。在電鏡下觀察RNA聚合酶核心酶部分，其形狀猶如右手，拇指與食指間的凹槽正好可以結(jié)合DNA，而σ亞基可以極大地提高RNA聚合酶對(duì)啟動(dòng)子DNA序列的親和力。單獨(dú)核心酶存在時(shí)拇指與食指呈閉合狀態(tài)，當(dāng)核心酶與σ亞基結(jié)合后隨即張開(kāi)，DNA可落入凹槽內(nèi)。當(dāng)酶遇到啟動(dòng)子時(shí)拇指與食指閉合，在由β和β′亞基組成的聚合酶催化中心作用下DNA雙鏈被局部解開(kāi)，然后模板鏈上開(kāi)始合成RNA鏈。完成最初幾個(gè)核苷酸的連接后，σ亞基脫落，核心酶離開(kāi)啟動(dòng)子向前移動(dòng)。由于核心酶牢固鉗住DNA，保證了轉(zhuǎn)錄過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，直至轉(zhuǎn)錄終點(diǎn)。圖1即為大腸桿菌轉(zhuǎn)錄的示意圖。

從轉(zhuǎn)錄過(guò)程來(lái)看，可以明確：對(duì)于原核生物而言，整個(gè)轉(zhuǎn)錄過(guò)程不需要DNA解旋酶的作用，打開(kāi)螺旋、斷裂氫鍵均在RNA聚合酶核心酶的作用下即可完成。需要注意的是，在轉(zhuǎn)錄前需要DNA旋轉(zhuǎn)酶（非DNA解旋酶，屬于DNA拓?fù)洚悩?gòu)酶Ⅱ類）在不消耗ATP的情況下松弛DNA的負(fù)超螺旋，以利于在該部位進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。

2 真核生物的轉(zhuǎn)錄

真核生物基因組遠(yuǎn)比原核生物大，其RNA聚合酶及轉(zhuǎn)錄機(jī)制也更為復(fù)雜，可根據(jù)RNA聚合酶對(duì)α-鵝膏覃堿的敏感性將其劃分為3類（RNA聚合酶Ⅰ、RNA聚合酶Ⅱ和RNA聚合酶Ⅲ）。真核生物轉(zhuǎn)錄過(guò)程大體與細(xì)菌相似，不同之處在于真核生物RNA聚合酶自身不能識(shí)別結(jié)合到啟動(dòng)子上，而需要在啟動(dòng)子上由多種轉(zhuǎn)錄輔助因子和RNA聚合酶裝配成活性轉(zhuǎn)錄復(fù)合物才能起始轉(zhuǎn)錄。下面以其中的RNA聚合酶Ⅱ（負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄所有mRNA及核內(nèi)小RNA）參與的轉(zhuǎn)錄過(guò)程為例簡(jiǎn)要分析其起始轉(zhuǎn)錄的過(guò)程。

真核生物的啟動(dòng)子同樣可以分為3類（類別Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ），其中的類別Ⅱ參與RNA聚合酶Ⅱ介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄過(guò)程，該類啟動(dòng)子包含四類控制元件：基本啟動(dòng)子、起始子、上游元件和應(yīng)答元件。轉(zhuǎn)錄過(guò)程的解旋過(guò)程在基本啟動(dòng)子處發(fā)生，而基本啟動(dòng)子本身并不能直接與RNA聚合酶結(jié)合，它的作用需要多種輔助因子，這些輔助因子稱為通用轉(zhuǎn)錄因子，以TFⅡX表示（X按發(fā)現(xiàn)先后次序用英文字母定名），其轉(zhuǎn)錄起始過(guò)程可簡(jiǎn)要描述為以下過(guò)程：首先多種通用轉(zhuǎn)錄因子按一定次序識(shí)別并結(jié)合基本啟動(dòng)子，然后RNA聚合酶再與通用轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合從而啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄過(guò)程。目前已知至少有6種以上通用轉(zhuǎn)錄因子參與基本啟動(dòng)子的作用，其中的TFⅡF具有依賴ATP的DNA解旋酶的活性，可能參與起點(diǎn)的解鏈，而其中的TFⅡH則具有多種酶的活性，包括ATP酶、解旋酶和激酶，因而也可能與解旋過(guò)程相關(guān)。

從真核生物的轉(zhuǎn)錄的起始過(guò)程來(lái)看，真核生物的轉(zhuǎn)錄非常復(fù)雜，需要多種轉(zhuǎn)錄因子參與識(shí)別并與RNA聚合酶結(jié)合形成起始復(fù)合物從而促進(jìn)轉(zhuǎn)錄，至少?gòu)呐c類型Ⅱ啟動(dòng)子結(jié)合的通用因子來(lái)看，其中的部分通用轉(zhuǎn)錄因子具有解旋酶的活性。由此，可以明確：真核生物的轉(zhuǎn)錄并沒(méi)有專門(mén)的DNA解旋酶參與解旋過(guò)程，但是部分轉(zhuǎn)錄輔助因子具有解旋酶的活性從而承擔(dān)了類似解旋酶作用的功能。

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