用DNA分子雜交模擬人猿之間的親緣關(guān)系

徐翔

【內(nèi)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(jù)雜交結(jié)果判定人與猴子和黑猩猩的親緣關(guān)系遠(yuǎn)近。同時(shí)，通過此實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)于DNA分子雜交定義、原理、方法和過程的理解，認(rèn)同DNA分子雜交在生物學(xué)研究中的重要意義。

【關(guān)鍵詞】DNA分子雜交 堿基互補(bǔ)配對(duì) 雙鏈區(qū)

實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)課的課題來源于學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，而實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)課可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)生物的興趣，增強(qiáng)學(xué)生科學(xué)探究意識(shí)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變，同時(shí)為學(xué)生提供了身心活動(dòng)的空間。學(xué)生在必修二《遺傳和進(jìn)化》模塊中學(xué)習(xí)了現(xiàn)代生物進(jìn)化理論，了解到基因和進(jìn)化之間的內(nèi)在聯(lián)系，所以很自然會(huì)有學(xué)生提出這樣的疑問：人是如何進(jìn)化而來的？雖然作為常識(shí)，人是由猿進(jìn)化而來。但是學(xué)生初中生物知識(shí)的匱乏，直接導(dǎo)致會(huì)有很多學(xué)生分不清楚黑猩猩、猴子之間的區(qū)別，甚至?xí)哂小叭耸怯珊镒舆M(jìn)化而來”的錯(cuò)誤觀點(diǎn)。那么，究竟人和黑猩猩、猴子之間親緣關(guān)系遠(yuǎn)近如何？究竟是從黑猩猩進(jìn)化而來還是從猴子進(jìn)化而來的呢？我們可以通過設(shè)置相應(yīng)的活動(dòng)課程，讓學(xué)生對(duì)此進(jìn)行探究。

雖然人教版教材直到選修三《現(xiàn)代生物科技》模塊《基因工程的基本操作程序》這一節(jié)中，才提到了DNA分子雜交的方法。但是學(xué)生在必修一《分子與細(xì)胞》模塊中已經(jīng)學(xué)習(xí)了有關(guān)DNA分子結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識(shí)，如DNA具有反向平行的雙螺旋結(jié)構(gòu)，由四種脫氧核苷酸組成，堿基的配對(duì)方式是A-T，C-G等等；完全可以由教師簡(jiǎn)單介紹DNA分子雜交的原理和方法，交由學(xué)生思考如何根據(jù)DNA雜交判定親緣關(guān)系遠(yuǎn)近。

【活動(dòng)背景】

各種生物之間都存在或近或遠(yuǎn)的親緣關(guān)系，可用DNA分子雜交的模擬實(shí)驗(yàn)鑒定兩種生物之間的親緣關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)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(jìn)行雜交，形成的雜合區(qū)域越多，說明兩種生物的親緣關(guān)系越近，即兩種生物在進(jìn)化史上更加相近。本實(shí)驗(yàn)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(chǔ)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(guān)系遠(yuǎn)近。

DNA分子雜交的基礎(chǔ)是根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)，雙鏈之間形成氫鍵，從而形成穩(wěn)定的雙鏈區(qū)。在進(jìn)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(duì)其中一種進(jìn)行標(biāo)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(fù)性，如果兩張生物DNA分子之間存在互補(bǔ)的部分，就能形成雙鏈區(qū)。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(qū)，也能被檢出。

DNA分子雜交的意義是，分類學(xué)上不同物種的DNA都可以雜交，但是遠(yuǎn)緣物種的DNA分子之間形成雜交雙鏈區(qū)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(shí)，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(qū)，而且只是部分堿基配對(duì)。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(jìn)化過程中，兩種生物的DNA單鏈互補(bǔ)程度越高，雙鏈區(qū)的比例就越大，兩者的親緣關(guān)系就越近；反之，親緣關(guān)系越遠(yuǎn)。所以可以通過DNA分子雜交技術(shù)鑒定物種之間的親緣關(guān)系。

【活動(dòng)目的】

1.了解DNA分子雜交的原理，觀察DNA雜交分子的形態(tài)特征。

2.初步掌握用DNA分子雜交的模擬實(shí)驗(yàn)來鑒定人猿之間的親緣關(guān)系的方法。

3.認(rèn)同DNA分子雜交在生物學(xué)研究中的重要意義。

活動(dòng)準(zhǔn)備：

1.學(xué)生回顧DNA的基本結(jié)構(gòu)、基因工程的基本操作程序、現(xiàn)代生物進(jìn)化理論相關(guān)知識(shí)。

2.教師向?qū)W生講授DNA分子雜交技術(shù)的定義、原理、方法及意義。

3.向?qū)W生說明本實(shí)驗(yàn)只是一種模擬實(shí)驗(yàn)，它可以幫助我們理解人與黑猩猩、猴子之間的親緣關(guān)系。真正的DNA分子雜交實(shí)驗(yàn)是相當(dāng)復(fù)雜的，在中學(xué)實(shí)驗(yàn)室是無法完成的。

4.學(xué)生自由分組，每組4人，分工合作，共同完成模擬實(shí)驗(yàn)。可以兩個(gè)人負(fù)責(zé)一種DNA的堿基鏈接，另外兩個(gè)人負(fù)責(zé)核對(duì)后，拆分雜交。

【活動(dòng)過程】

1.取不同顏色的小硬紙板或火柴棍各25個(gè)，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(cè)，并使3條鏈的堿基上下對(duì)齊。

黑猩猩的一段DNA分子的單鏈?zhǔn)牵篢CCGGGGAAGGTTGGCTAAT

人的一段DNA分子單鏈?zhǔn)牵篈GGCATAAACCAACCGATTA

猴子的一段DNA分子單鏈?zhǔn)牵篢CCGGGGAAGGTTGGTCCGG

3.將人的DNA分子與黑猩猩的DNA分子進(jìn)行模擬雜交，按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，從左到右將能夠配對(duì)的堿基并排放在一起，將不能配對(duì)的堿基輕輕分開展成環(huán)狀。模擬實(shí)驗(yàn)完成后，數(shù)一數(shù)這兩條鏈之間有幾個(gè)環(huán)。每個(gè)環(huán)中有幾個(gè)不能互補(bǔ)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(jìn)行模擬雜交。將結(jié)果填到表格中。

【分析討論】

1.這個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)與真正的DNA分子雜交實(shí)驗(yàn)相比，除了材料和方法步驟不同外，還有什么明顯區(qū)別？

提示：本實(shí)驗(yàn)只是模擬實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)懂得DNA分子雜交的原理。實(shí)際中的DNA分子雜交時(shí)一項(xiàng)非常復(fù)雜，精細(xì)的實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)一樣是已知的，就沒有必要進(jìn)行雜交了。此外，科學(xué)工作者在做這類實(shí)驗(yàn)時(shí)，會(huì)讓細(xì)胞中所有的染色體上的DNA分子進(jìn)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(guān)系。

2.研究生物之間的親緣關(guān)系，除了DNA分子雜交實(shí)驗(yàn)之外，還有哪些常用的方法？

提示：

（1）解剖學(xué)上可以用觀察生物外部形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和行為方面的相似度，說明兩者間親緣關(guān)系遠(yuǎn)近。

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

（3）生物化學(xué)上，可以測(cè)細(xì)胞色素C的氨基酸序列：通過對(duì)許多物種細(xì)胞色素C的測(cè)定表明，對(duì)于兩種生物來說，氨基酸序列的差異越小，它們的親緣關(guān)系就越近，反之越遠(yuǎn)。

3.DNA分子可以進(jìn)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(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)進(jìn)行雜交；而RNA是單鏈分子，在細(xì)胞內(nèi)很少發(fā)生雙鏈配對(duì)的情況。但是根據(jù)分子雜交的原理，只要能夠符合堿基互補(bǔ)配對(duì)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(qū)，檢測(cè)目的基因在受體細(xì)胞內(nèi)是否發(fā)生轉(zhuǎn)錄；還有細(xì)胞內(nèi)存在iRNA可以與目的基因的轉(zhuǎn)錄形成的mRNA互不配對(duì)，形成雙鏈RNA，干擾其進(jìn)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(duì)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(xì)胞最基本的功能。而且親緣關(guān)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(fā)生完全配對(duì)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(qǐng)從進(jìn)化的角度加以解釋。

提示：在進(jìn)化過程中，三種生物發(fā)生了各種變異，而環(huán)境的差異造成自然選擇的方向不同，導(dǎo)致三種生物之間基因差異會(huì)逐漸擴(kuò)大，有些不適應(yīng)生存的基因會(huì)被逐步淘汰，而共同的適應(yīng)環(huán)境的基因則保留下來。

【深化拓展】

1.探索DNA知道蛋白質(zhì)合成的模擬實(shí)驗(yàn)

提示：假設(shè)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(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證以下結(jié)論：若已知的DNA鏈模板，當(dāng)某個(gè)脫氧核苷酸改變時(shí)，翻譯出來的蛋白質(zhì)不一定相同。

2.利用同源蛋白質(zhì)中的氨基酸序列的差異，判斷生物之間的親緣關(guān)系遠(yuǎn)近。

提示：從分子水平上來研究生物之間的親緣關(guān)系，可以通過對(duì)不同生物體內(nèi)的同一種蛋白質(zhì)或者核酸分子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較研究。比較不同生物的同一種蛋白質(zhì)的差異，常用的方法是測(cè)定蛋白質(zhì)中的氨基酸序列。氨基酸序列差異越小，它們的親緣關(guān)系越近；差異越大，則親緣關(guān)系越遠(yuǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

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

[5] 沈銀柱、黃占景. 進(jìn)化生物學(xué)，高等教育出版社，2013.

（作者單位：安徽省合肥市第十中學(xué)）