RNA→cDNA——由“2015年高考理綜能力測(cè)試40（1）題”引發(fā)的思考

王華峰+孫瑞嫻+劉國(guó)平+郝晶晶

1 引言

高中生物《選修3·現(xiàn)代生物科技專(zhuān)題》的內(nèi)容中，許多是目前發(fā)展非常快速的領(lǐng)域，既新穎又專(zhuān)業(yè)，伴隨而來(lái)的是新概念層出不窮。而且，很多概念還在形成之中，不同的專(zhuān)家由于各自的理解角度的差異，難免會(huì)有歧義產(chǎn)生。在這樣的形勢(shì)下，選修3中的不少教學(xué)內(nèi)容的分寸很難把握好。因此，中學(xué)教師對(duì)一些專(zhuān)業(yè)概念的理解，可能就會(huì)形成一些分歧。例如對(duì)2015年高考新課標(biāo)理綜能力測(cè)試卷Ⅰ的40（1）題，由于各自的理解程度不一，就曾經(jīng)在廣大閱卷老師中，引發(fā)了激烈討論，雖然最終按照試題的參考答案進(jìn)行評(píng)卷，但不等于說(shuō)人人做到了真正理解，形成了科學(xué)認(rèn)識(shí)。帶著疑惑的教學(xué)必然有糊涂之處，以下就來(lái)分析這個(gè)問(wèn)題。

2 問(wèn)題的提出（困惑與不解）

40. [選修3：現(xiàn)代生物科技專(zhuān)題]

HIV屬于逆轉(zhuǎn)錄病毒，是艾滋病的病原體?；卮鹣铝袉?wèn)題：

（1） 用基因工程方法制備HIV的某蛋白（目的蛋白）時(shí)，可先提取HIV中的 ，以其為模板，在 的作用下合成 ，獲取該目的蛋白的基因，構(gòu)建重組表達(dá)載體，隨后導(dǎo)入受體細(xì)胞。

（2） 略

（3） 略

參考答案：RNA 逆（反）轉(zhuǎn)錄酶 cDNA（或DNA）

閱卷過(guò)程中，閱卷老師尤其是來(lái)自中學(xué)的閱卷老師，對(duì)于該題所涉及的cDNA的相關(guān)問(wèn)題存有一連串的疑問(wèn)：以RNA為模板合成的DNA，也就是互補(bǔ)DNA，簡(jiǎn)稱(chēng)cDNA，究竟是雙鏈分子，還是單鏈分子？在以RNA為模板合成cDNA過(guò)程中形成的RNA/DNA雜合鏈中RNA去了哪里？基因工程中，為什么要由RNA轉(zhuǎn)變?yōu)閏DNA？是為了實(shí)現(xiàn)DNA拼接？最終形成雙鏈cDNA是否需要DNA聚合酶的參與？（例如，有的考生寫(xiě)出逆（反）轉(zhuǎn)錄酶和DNA聚合酶）。眾多的疑惑與不解，紛至沓來(lái)，讓人應(yīng)接不暇。

3 探索與思考

3.1 逆（反）轉(zhuǎn)錄病毒

逆（反）轉(zhuǎn)錄病毒是一種RNA病毒，其最鮮明的特征就是基因組由RNA組成。逆（反）轉(zhuǎn)錄病毒含有一個(gè)編碼逆轉(zhuǎn)錄酶的特殊基因，能夠幫助病毒將自身RNA轉(zhuǎn)變?yōu)镈NA，潛伏到宿主DNA基因組。其感染整合過(guò)程可簡(jiǎn)述為：病毒吸附感染細(xì)胞，隨后向胞內(nèi)釋放出病毒RNA，在逆轉(zhuǎn)錄酶作用下，合成線性雙螺旋DNA分子，進(jìn)入細(xì)胞核，最后整合進(jìn)宿主DNA基因組（圖1）。HIV是人類(lèi)免疫缺陷病毒的英文縮寫(xiě)，就是人們常說(shuō)的艾滋?。ˋIDS）病毒，它屬于逆（反）轉(zhuǎn)錄病毒，能誘發(fā)人類(lèi)獲得性免疫缺陷綜合征，給許多受感染的人帶去了生命危險(xiǎn)。

由高中生物教材可知，RNA與DNA的分子結(jié)構(gòu)相似，均由基本單位——核苷酸連接而成，各自的核苷酸含有4種堿基，兩者都可以?xún)?chǔ)存遺傳信息。兩者之間的主要區(qū)別是，組成DNA的五碳糖是脫氧核糖，而RNA則是核糖；RNA的堿基組成中沒(méi)有堿基T（胸腺嘧啶），而替換成堿基U（尿嘧啶）；RNA一般是單鏈，DNA一般為雙鏈。以上是高中廣大師生認(rèn)可的內(nèi)容。另外，“與DNA相比，RNA化學(xué)活性高，具有與蛋白酶一樣的催化活性”，則是高中師生不熟悉或者不常用到的。根據(jù)“RNA世界”假說(shuō)，由于RNA兼具遺傳物質(zhì)與催化物兩種功能，所以最早的生命生化系統(tǒng)主要由RNA組成。在進(jìn)化過(guò)程中，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)上的多樣性使得其催化能力遠(yuǎn)高于RNA，逐步取代了RNA，承擔(dān)生化反應(yīng)的催化主角；DNA結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使得其儲(chǔ)存生物信息能力非常強(qiáng)，逐步取代RNA，成為生命系統(tǒng)中的遺傳物質(zhì)主角。但是，RNA基因組在一些低級(jí)生命體中依然存在，如逆轉(zhuǎn)錄病毒。

3.2 RNA轉(zhuǎn)化為cDNA具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義

RNA分子結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性決定了其裸露在環(huán)境中時(shí)，極易被環(huán)境中無(wú)處不在的微生物等釋放的RNA酶或其他理化因素破壞降解，造成RNA所攜帶的生物信息被破壞而殘缺不全，甚至完全丟失。RNA分子的這個(gè)缺陷給研究RNA所攜帶生物信息，帶來(lái)很大困擾。逆轉(zhuǎn)錄病毒研究中，逆轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn)給了生物學(xué)家一個(gè)很好的啟發(fā)。利用逆轉(zhuǎn)錄酶，迅速及時(shí)地將RNA反轉(zhuǎn)錄成與其生物信息完全一致、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的cDNA，構(gòu)建信息庫(kù)（常被稱(chēng)為cDNA文庫(kù)），極大地避免了RNA信息的丟失，解除了生物學(xué)家的后顧之憂(yōu)，從而可以非常從容地進(jìn)行后續(xù)的生物信息獲取與保留。并且，RNA轉(zhuǎn)變?yōu)閏DNA后，非常方便地完成后續(xù)的DNA拼接。

3.3 反轉(zhuǎn)錄酶工作的原理

反轉(zhuǎn)錄酶是重組DNA技術(shù)中一個(gè)強(qiáng)有力的工具，應(yīng)用非常普遍。反轉(zhuǎn)錄酶具有多種酶活性，經(jīng)人工改良后，基因工程中使用的反轉(zhuǎn)錄酶主要有3個(gè)特點(diǎn)：① RNA依賴(lài)的DNA聚合酶活性，能夠以RNA為模板，在引物的作用下，催化dNTP聚合成cDNA；② 核糖核酸酶H（RNase H）的活性，降解DNA-RNA雜合體中的RNA部分，RNase H不能水解單鏈或雙鏈DNA或RNA中的磷酸二酯鍵，即不能消化單鏈或雙鏈DNA或RNA；③DNA依賴(lài)的DNA聚合酶活性，以反轉(zhuǎn)錄合成的第一條cDNA單鏈為模板，DNA-RNA雜合體中的RNA降解過(guò)程中殘留的RNA片段為引物，以dNTP為底物，再合成第二條cDNA分子。

4 小結(jié)與展望

通過(guò)以上探索與思考，可以得出：cDNA的本質(zhì)是RNA生物信息的DNA拷貝。用基因工程方法制備HIV的某蛋白（目的蛋白）時(shí)，將HIV的RNA所攜帶的遺傳信息，通過(guò)反轉(zhuǎn)錄，轉(zhuǎn)化為與其信息完全一致、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的cDNA，確保了HIV的RNA信息完整，而且還極大方便了后續(xù)的基因操作。在此過(guò)程中，逆轉(zhuǎn)錄酶首先以RNA為模板，在引物的引領(lǐng)下，合成cDNA第一鏈，形成DNA-RNA雜合體；DNA-RNA雜合體中RNA被逆轉(zhuǎn)錄酶特異性降解，其殘留片段作為引物，以第一鏈cDNA為模板，合成cDNA的第二鏈，最終形成雙鏈DNA分子。

現(xiàn)代生物科技領(lǐng)域的發(fā)展日新月異，與此同時(shí)，很多高中生物教師的知識(shí)結(jié)構(gòu)老化，難以適應(yīng)生物科學(xué)快速發(fā)展的形勢(shì)。因此，加強(qiáng)高中生物教師的職后培訓(xùn)，不斷充實(shí)高中生物教師生物科學(xué)素養(yǎng)，應(yīng)當(dāng)是當(dāng)下高中生物教育中一項(xiàng)迫在眉睫的任務(wù)。其實(shí)，不止生物，其他學(xué)科也是如此。目前，已經(jīng)有地方政府的教育部門(mén)意識(shí)到該問(wèn)題的存在，并采取了具體的措施。例如，山西師范大學(xué)最近成立的“山西基礎(chǔ)教育質(zhì)量提升協(xié)同創(chuàng)新中心”，它是山西省人民政府確定的14個(gè)省級(jí)協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)之一，也是山西省唯一的一個(gè)教育類(lèi)協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)。相信在不久的將來(lái)，我們國(guó)家的高中教育會(huì)更上一個(gè)新臺(tái)階。

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