借模型制作之力 解基因工程之惑

江蘇

近十年，基因工程一直是全國(guó)各地高考命題的熱點(diǎn)。因此講授完基因工程專題內(nèi)容后，筆者為學(xué)生提供了若干道高考題，學(xué)生做題后大呼“太難了”。經(jīng)了解，大部分學(xué)生雖然能聽懂課堂上的知識(shí)，也能應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)的練習(xí)，但是因?yàn)闆](méi)有直觀的感受，當(dāng)遇見(jiàn)高考真題時(shí)，涉及“切”與“連”的問(wèn)題還是底氣不足。為了幫助師生更好地理解“切”與“連”，從容應(yīng)對(duì)高考，筆者與學(xué)生一起動(dòng)手操作，體驗(yàn)了“切”與“連”的過(guò)程，并對(duì)產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行了分析與研究。

1.同尾酶與完全酶切

1.1 真題呈現(xiàn)

【例1】（2016 年，江蘇卷，第33 題節(jié)選）下表是幾種限制酶識(shí)別序列及其切割位點(diǎn)，圖1 中標(biāo)注了相關(guān)限制酶的酶切位點(diǎn)，其中切割位點(diǎn)相同的酶不重復(fù)標(biāo)注。請(qǐng)回答下列問(wèn)題：

圖1

（4）若用Sau3A Ⅰ切圖1 質(zhì)粒最多可能獲得___種大小不同的DNA 片段。

【答案】7

1.2 突破過(guò)程

1.2.1 師生共尋突破口

師：請(qǐng)同學(xué)們分析表格中提供的這些限制酶的識(shí)別序列及切割位點(diǎn)，這些限制酶有什么特點(diǎn)？

生：BamH Ⅰ、Sau3A Ⅰ、Bcl Ⅰ識(shí)別的序列不一樣，但切割后所得的黏性末端是一樣的。

師：這些切割不同的DNA 片段但產(chǎn)生相同的黏性末端的一類限制性核酸內(nèi)切酶稱為“同尾酶”。那同學(xué)們又是如何理解題干中“用Sau3A Ⅰ切圖1 質(zhì)粒最多可能獲得____種大小不同的DNA 片段”中“最多”的意思呢？

生：雖然題中質(zhì)粒上沒(méi)有標(biāo)出Sau3A Ⅰ的酶切位點(diǎn)，但是從表中給出的信息可以知道能被BamH Ⅰ、Bcl Ⅰ識(shí)別并切割的位置，也能被Sau3A Ⅰ識(shí)別并切割。所以切割的次數(shù)不同、位置不同會(huì)得到不同的產(chǎn)物片段。“最多”在此題中的意思就包含了酶切1 次、2 次、3 次。

師：剛剛同學(xué)們分析后得到結(jié)果可以稱為“完全酶切”，為了讓大家更好地理解此題，老師給大家提供了若干質(zhì)粒紙片模型，請(qǐng)大家借助這些質(zhì)粒紙片模型，解答此題。

1.2.2 巧借模型得結(jié)果

學(xué)生為了“剪”完后仍能快速找出酶切位點(diǎn)，給出了三點(diǎn)改進(jìn)模型建議：①再畫一個(gè)稍小的同心圓；②圖中可以被Sau3A Ⅰ識(shí)別并切割的位置用1、2、3 標(biāo)明；③因?yàn)闀簳r(shí)不需要標(biāo)記基因和啟動(dòng)子，可以暫時(shí)不標(biāo)明。最終制作的質(zhì)粒模型如圖2 所示。

圖2 改進(jìn)后的質(zhì)粒模型

學(xué)生模擬限制酶Sau3A Ⅰ“切”質(zhì)粒情況如圖3、圖4、圖5 所示：

圖3 切一刀的情況

由圖3 學(xué)生可以看出切一刀有三種切割方式且三種切割方式獲得的DNA 片段大小一致。

圖4 切兩刀的情況

由圖4 學(xué)生可以看出切兩刀有三種切割方式且三種切割方式一共可以獲得6 段大小不一的DNA 片段。

圖5 切1 號(hào)位、2 號(hào)位、3 號(hào)位

由圖5 學(xué)生可以看出切三刀有一種切割方式且可以獲得3 段大小不一的DNA 片段。

學(xué)生模擬限制酶“切”質(zhì)粒后，發(fā)現(xiàn)切三刀所得的DNA 片段與切兩刀所得的DNA 片段有重復(fù)的，最終得出此題答案：用Sau3A Ⅰ切質(zhì)粒最多可能獲得7 種大小不同的DNA 片段。

2.自身環(huán)化

2.1 真題呈現(xiàn)

【例2】（2017 年，天津卷，第9 題節(jié)選）玉米自交系（遺傳穩(wěn)定的育種材料）B 具有高產(chǎn)、抗病等優(yōu)良性狀，但難以直接培育成轉(zhuǎn)基因植株，為使其獲得抗除草劑性狀，需依次進(jìn)行步驟Ⅰ、Ⅱ試驗(yàn)。

Ⅰ.獲得抗除草劑轉(zhuǎn)基因玉米自交系A(chǔ)，技術(shù)路線如圖6。

圖6

（1）為防止酶切產(chǎn)物自身環(huán)化，構(gòu)建表達(dá)載體需用2 種限制酶，選擇的原則是______（單選）。

①Ti 質(zhì)粒內(nèi)，每種限制酶只有一個(gè)切割位點(diǎn)

②G 基因編碼蛋白質(zhì)的序列中，每種限制酶只有一個(gè)切割位點(diǎn)

③酶切后，G 基因形成的兩個(gè)黏性末端序列不相同

④酶切后，Ti 質(zhì)粒形成的兩個(gè)黏性末端序列相同

A.①③ B.①④ C.②③ D.②④

【答案】A

2.2 突破過(guò)程

2.2.1 師生共建模型

師：為了更好地解決此題，老師參照人教版選修3 教材第6 頁(yè)提供的核苷酸序列，為同學(xué)們提供若干代表質(zhì)粒平面模型的白色紙條（如圖7）、代表含目的基因（不同字體并加粗）的外源DNA 分子的平面模型紅色紙條（如圖8）；其中DNA 片段上增加的箭頭表示遺傳信息轉(zhuǎn)錄的方向；剪刀代表EcoR Ⅰ，透明膠條代表DNA 連接酶。

圖7 質(zhì)粒平面模型

圖8 外源DNA 分子平面模型

師：請(qǐng)同學(xué)們利用這些平面模型，先制成環(huán)狀的質(zhì)粒模型，備用。

生：將模型兩端用透明膠條連接起來(lái)，制成環(huán)狀的質(zhì)粒模型（如圖9）。

圖9 環(huán)狀質(zhì)粒模型

師：請(qǐng)大家分析限制酶（EcoR Ⅰ）識(shí)別的外源DNA分子的序列、環(huán)狀質(zhì)粒的特定核苷酸序列及限制酶在特定核苷酸上切割后的結(jié)果。

生：展示歸納分析后的結(jié)果（如圖10、11、12、13）。

圖10 質(zhì)粒

圖11 切開的質(zhì)粒

圖12 外源DNA

圖13 切開的外源DNA

師：請(qǐng)同學(xué)們用剪刀模擬限制酶（EcoR Ⅰ）將手中的模型進(jìn)行“切割”。

生：模擬并展示剪切結(jié)果（如圖14）。

圖14 模擬EcoR Ⅰ切割后的DNA 片段

師：請(qǐng)同學(xué)們繼續(xù)用透明膠條模擬DNA 連接酶連接經(jīng)限制酶（EcoR Ⅰ）切開的外源DNA 分子、質(zhì)粒。

生：模擬并展示連接結(jié)果。

由于學(xué)生得到的連接結(jié)果太多，故筆者歸納后展示部分結(jié)果（如圖15）。

圖15 連接結(jié)果

2.2.2 模型中“悟”結(jié)果

生：通過(guò)以上活動(dòng)，得知如果只用一種限制酶，得到一種黏性末端，容易造成反應(yīng)體系中片段的任意連接，會(huì)出現(xiàn)“自身環(huán)化”。

師：老師提供給大家的平面模型中標(biāo)有箭頭，用以表示遺傳信息轉(zhuǎn)錄的方向。不知同學(xué)們有沒(méi)有留意剛才展示的連接結(jié)果中這些箭頭的方向，大家認(rèn)為這些箭頭的方向?qū)δ康幕虻谋磉_(dá)有何影響？下面一起來(lái)分析以下兩道高考題。

3.定向連接

3.1 真題呈現(xiàn)

【例3】（2016 年，全國(guó)卷Ⅲ,第40 題節(jié)選）（題干略）（2）若某人利用圖16 所示的表達(dá)載體獲得了甲、乙、丙三種含有目的基因的重組子,如圖17 所示。這三種重組子中,不能在宿主細(xì)胞中表達(dá)目的基因產(chǎn)物的有_______，不能表達(dá)的原因是 。

圖16

圖16

【答案】甲和丙 甲中目的基因插入在啟動(dòng)子的上游，丙中目的基因插入在終止子的下游，二者的目的基因均不能被轉(zhuǎn)錄

【例4】（2018 年，江蘇卷，第32 題節(jié)選）（題干略）（2）為了便于擴(kuò)增的DNA 片段與表達(dá)載體連接，需在引物的_____ 端加上限制性酶切位點(diǎn)，且常在兩條引物上設(shè)計(jì)加入不同的限制性酶切位點(diǎn)，主要目的是______________________________。

【答案】5' 使DNA 片段能定向插入表達(dá)載體，減少自連

3.2 知識(shí)再延伸

師：分析兩例真題的答案，請(qǐng)同學(xué)們總結(jié)一下如何選擇限制酶從而保證基因表達(dá)載體的正常、正確構(gòu)建？

生：首先，不能選用會(huì)“切壞”目的基因的限制酶；其次，為了防止“環(huán)化”現(xiàn)象發(fā)生不能選用一種限制酶，也不能選用酶切后得到相同黏性末端的限制酶（同尾酶）。所以最好選用2 種會(huì)得到不同黏性末端的限制酶進(jìn)行“切割”，這樣可以確保目的基因與質(zhì)粒的定向連接。

4.課堂小結(jié)

師：本節(jié)課，通過(guò)動(dòng)手操作，大家對(duì)基因工程的“切”與“連”有了直觀的感受，一起小結(jié)本節(jié)課內(nèi)容：

①造成先“切”再“連”出現(xiàn)許多結(jié)果的原因是什么？

生：一種限制酶或同尾酶“切”完后得到相同的黏性末端，所以可以自體連接、相互連接。

②在這么多結(jié)果中，哪一種結(jié)果才是我們需要的目標(biāo)重組DNA？為什么？

生：目的基因-質(zhì)粒正向連接的DNA；因?yàn)槭紫饶康幕蛑挥薪柚\(yùn)載體（質(zhì)粒）才能導(dǎo)入受體細(xì)胞，其次只有按照遺傳信息轉(zhuǎn)錄的方向連接，基因才會(huì)表達(dá)；因此只有此種重組DNA 才符合基本要求。

5.課堂反思

本節(jié)課過(guò)后筆者能感受到學(xué)生在應(yīng)對(duì)基因工程的高考題時(shí)自信心得到了明顯提升，從最初花費(fèi)許多時(shí)間在讀題、審題、分析圖表環(huán)節(jié)上，且由于考慮不周全最后仍然不一定得到正確答案的狀態(tài)轉(zhuǎn)變成主動(dòng)尋求解決途徑、甚至?xí)岢龈倪M(jìn)建議。筆者認(rèn)為紙質(zhì)模型制作這一活動(dòng)功不可沒(méi)，這為今后的教學(xué)提供了新的思路：若學(xué)生無(wú)法把“無(wú)形”的結(jié)果考慮周全，那么教師可以幫學(xué)生將“無(wú)形”變?yōu)椤坝行巍保殉橄蟮闹R(shí)轉(zhuǎn)變成直觀的感受。