關于DNA方向性問題之芻議

沈兆瑞

(天津市武清區楊村第一中學 301700)

1 質疑辨惑

例題： 2011年11月，武漢大學的科學家將人的血清白蛋白基因導入水稻體內合成了人的血清白蛋白，這種蛋白質的生理活性和人體自然產生的這類物質是完全一致的。結合圖1回答轉基因水稻培育過程的相關問題。

其中限制酶MunI的識別序列及切割位點是—C↓TTAAG—，而限制酶EcoR I的識別序列及切割位點為—G↓AATTC—。為保證重組質粒表達載體的準確構建，應用 切割質粒，用 切割含目的基因的DNA分子，構成重組質粒。(參考答案：MunI、EcoR I)

圖1 轉基因水稻培育過程示意圖

該例題的考點在于基因工程中對限制酶的選擇。其中選擇MunI切割質粒毫無異議，但是，對于限制酶EcoR I的選擇則眾說紛紜。爭議之處在于： 限制酶EcoR I的識別序列為—GAATTC—，而不是—CTTAAG—。按照EcoR I的識別序列，那它能否識別題中的序列呢？

2 條分縷析

2.1 DNA的結構決定其方向 1953年，DNA雙螺旋結構被提出，兩條脫氧核苷酸鏈反向平行構成穩定的螺旋結構[1]，這暗示著DNA的兩條單鏈必然具有不同的“方向”。相鄰兩個脫氧核糖以磷酸二酯鍵依次相連，共同構成DNA分子的外側骨架。其中，單條脫氧核苷酸鏈擁有兩個不同的末端： 5′端(游離的磷酸基團)和3′端(游離的羥基)。繪圖時常用5′和3′對其進行標注。其次，5′端與3′端的結構差異導致其生物學功能的不同。例如，DNA聚合酶僅能將游離的脫氧核苷酸聚合到子鏈的3′端，而非5′端。因此，兩條子鏈的延伸(合成)方向均為5′→3′，但合成方式卻不同。其中前導鏈采用連續復制的方式，而后隨鏈的合成為不連續復制——先通過合成多條岡崎片段，再形成完整子鏈[2]。

除此之外，高中階段所涉及到的PCR技術、轉錄以及限制酶識別等過程均與DNA方向密切相關。DNA方向性的重要性不言而喻，同樣的堿基排列順序，一旦變換讀取方向則會呈現截然不同的信息。例如，5′—GAATTC—3′和5′—CTTAAG—3′呈現出完全不同的識別信息，前者是EcoR I的識別序列，而識別后者的為AflII。因而，書寫單條核苷酸鏈有著約定俗成的規矩——一律按照5′→3′書寫，以免出現讀取“方向”不同的誤解。例如，在PCR擴增目的基因的過程中，常需要設計引物。在書寫這一對反向引物的序列時，必須都遵循5′→3′的原則。

2.2 繪圖中的DNA也不能忽略方向性問題 相同的堿基排列順序，在閱讀方向不同的情況下，則需要不同的限制酶進行識別和切割(表1)。因此，遵循固定的繪制方向就顯得至關重要，特別是在高中階段(通常不對DNA的方向進行標注)。與固定的書寫規則類似，繪圖中的DNA也不能忽略方向性問題。

經查閱《基因Ⅷ》《現代分子生物學》等高等教材，發現絕大多數有關DNA 分子的插圖在繪制過程中都進行了方向的標注，5′端多位于左上角。尤其在繪制限制酶識別位點時，無論標注與否，左上角均為5′端，無一例外。例如，以DNA為模板轉錄RNA過程中RNA聚合酶的移動方向圖(圖2)，不僅直觀地體現出5′→3′的轉錄方向，而且更經得起推敲。如圖2所示，RNA聚合酶從左向右移動，啟動子(RNA聚合酶的識別和結合位點)位于左側，即基因首端(上游區域)。這對于后續知識的學習能起到正遷移作用。反之，則不然。

表1 部分限制酶及識別序列[3]

圖2 以DNA為模板轉錄RNA

綜上所述，從上述例題出題者的角度來看，假設考慮圖中DNA雙鏈的左上角是3′端，則EcoR I識別該序列(3′—CTTAAG—5′)貌似也無可厚非。但為避免產生不必要的誤解，應對例題做相應修改，使之遵循左上角為5′端的繪圖規則。