对“基因操作四步曲”的解读

秦四哥

在教学中发现，人教版高中《生物选修教材“基因工程简介”一节中有关基因操作的“四步曲”，绝大多数学生都能熟记四个基本步骤，但有些环节不能透彻理解，对相关知识的认知甚至存在误区。针对这些情况，在教学过程中，笔者通过定向质疑，点拨启发等方法，有的放矢，帮助学生进行了相关知识的解读。

1第一步：提取目的基因

提取目的基因主要有两条途径：一条是从供体细胞中的DNA上直接分离基因，另一条是人工合成基因。但在两条途径中相关知识的认知上，许多学生存在误区，如“鸟枪法”许多学生认为就是像打鸟一样把目的基因直接“打”下来，实际并非如此。针对这些情况，提出：①“鸟枪法”提取目的基因过程中是否遵循碱基互补配对原则？②逆转录法合成目的基因的过程与化学合成法合成目的基因的过程是否都需要模板、原料和酶？分别是什么？③人工合成的目的基因的碱基序列与原目的基因的碱基序列是否一定完全相同？

带着这些问题，学生通过阅读教材，并联系相关章节的知识，澄清了一些模糊概念，完成了知识认知的飞跃。其中：

所谓“鸟枪法”并不是像打鸟一样用子弹进行散弹射击，直接获得目的基因，而是用“子弹”即限制性内切酶将供体细胞中的DNA切成许多片段，然后将这些片段分别载入运载体，导入不同的受体细胞，让供体细胞提供的所有DNA片段分别在各个受体细胞中大量复制，从中找出含有目的基因的细胞，再用一定的方法把带有目的基因的DNA片段分离出来。因此，无论是将目的基因载入运载体，还是目的基因在受体细胞中大量复制的过程，都必然要遵循碱基互补配对原则。

逆转录法是以目的基因转录成的信使RNA为模板，反转录成互补的单链DNA，然后在酶的作用下合成双链DNA，从而获得所需要的目的基因。因此，需要以信使RNA为模板，以四种脱氧核苷酸为原料。同时，需要逆转录酶、DNA分子聚合酶等；而化学合成法是根据己知蛋白质的氨基酸序列，推测出相应的信使RNA序列，进而推出结构基因的核苷酸序列，通过化学方法人工合成，无需模板，只需原料和相关酶。

由于基因中含有不能表达的DNA片段，因此人工合成目的基因时只需合成能表达的DNA片段即可，这样人工合成的目的基因与原目的基因的碱基序列就可以不一样。另外，由于组成蛋白质的氨基酸分子，可以有一种或多种密码子，所以合成的目的基因与原目的基因相比，很可能是表达同一种蛋白质的不同的DNA序列。

2第二步：目的基因与运载体结合

所谓运载体，是指能把目的基因送入受体细胞的运输工具。在基因操作过程中使用运载体有两个目的：一是用它作为运载工具，将目的基因转移到宿主细胞中去；二是利用它在宿主细胞内对目的基因进行大量复制。因此，作为运载体必须具备以下条件：①能够在宿主细胞内复制并稳定保存；②具有多个限制酶切点；③具有某些标记基因。目前，常用的运载体有质粒、噬菌体和动植物病毒。在教学中学生对目的基因与运载体的结合过程比较容易掌握，但对于运载体选择的问题却不能与下一步即将目的基因导入受体细胞的知识结合在一起。这就要求教师要善于帮助学生完成知识整合，可以通过定向质疑，解决相关的问题。既然质粒、噬菌体和动植物病毒作为运载体具有的共同特征是能够在宿主细胞中复制并稳定的保存，那么质粒、噬菌体、动植物病毒的宿主细胞分别是什么？

这样，学生就明确了，质粒是存在于许多细菌以及酵母菌等生物体内的，能自主复制的小型环状DN人能在细菌以及酵母菌等生物的细胞中复制并稳定保存，如果以细菌、酵母菌等微生物作受体细胞，通常选择质粒作运载体。同时，也可以利用噬菌体侵染细菌的特性，选择处理过的噬菌体作为细菌的运载体。而动、植物病毒专门侵染动、植物，所以动、植物病毒的宿主只能是动、植物细胞。但在生产实际中，由于土壤农杆菌很容易感染植物细胞，使植物细胞生有瘤状物。所以培育转基因植物时，常常用土壤农杆菌中的质粒做运载体。

3第三步：将目的基因导入受体细胞

目的基因的片段与运载体在生物体外连接形成重组DNA分子后，就要将重组DNA导入到受体细胞，基因工程中常用的受体细胞有大肠杆菌、枯草杆菌、土壤农杆菌等细菌、酵母菌及动、植物细胞。在基因工程中，基因操作的目的不同，选择的受体细胞也不一样，提出下列问题：①通过基因工程想获得大量的人的胰岛素，选择哪种细胞作受体？②培育转基因植物时，选择的受体细胞是什么？转基因动物呢？

这样的问题，仅仅通过阅读教材，很难得出结论。这就要求教师要善于指导学生阅读教材中基因工程与医药卫生等内容，并链接相关章节的知识，引导学生进行发散思维：胰岛素作为细胞的代谢产物，要大量生产，应选择代谢旺盛的微生物作为受体细胞，因此在生产实践中经常选择细菌、酵母菌等能使外源基因得到高效表达的菌类细胞株系作为工程菌，通过发酵过程，可以高效率地生产出各种高质量、低成本的药品；培育转基因植物，是要获得完整的植物体，因此只能以植物细胞作为受体细胞。同时再引导学生结合植物细胞工程的知识进行总结，可以选择离体的植物体细胞作为受体细胞，但必须结合植物组织培养技术才能实现。引导学生进一步思考：能否选择其他的植物细胞作为受体？经过这样的思维过程，一部分学生的思路己经打开，并得出结论：植物的受精卵作受体更容易完成转基因作物的培育。带着这样的结论，引导学生阅读教材中基因工程在畜牧养殖业上的成果，科学家己通过感染或显微注射技术将重组DNA转移到动物的受精卵中，培育出转基因动物。为使知识脉络清晰，可列表对第二、三步的知识进行归纳总结：

                             

那么，能否选择动物的体细胞作为受体来培育转基因动物呢？结合动物细胞工程的知识，学生容易得出结论：以目前的科技手段还不能，因为动物细胞的全能性很难表达。

4第四步：目的基因的检测和表达

实验结果表明，在全部的受体细胞中，真正能够摄入重组DNA的受体细胞是非常少的。因此，必须通过一定的手段对受体细胞中是否导入目的基因进行检测。提问：①检测的目的？常用的方法？②目的基因表达的标志？

带着这样的问题，学生在阅读教材时有的放矢，明确了所谓检测是指通过一定的手段确认受体细胞中是否导入了目的基因，通常的方法是以运载体上的标记基因的某些性状是否表达为依据。但是对于为什么选择标记基因的性状进行筛选，以及如何筛选的问题教材没有涉及，这就要求教师在教学过程中要准确把握，挖掘教材，并可通过习题进行解读：

科研人员欲将人的生长激素基因通过质粒A导入大肠杆菌细胞中，制备工程菌。己知质粒A中有两个抗性基因；a是抗链霉素基因，b是抗青霉素基因，假设目的基因只能插入质粒a中，而大肠杆菌细胞内不含有任何抗性基因。当完成基因工程的操作后，经过一段时间的培养，对工程菌进行检测产生了以下三种结果，解释原因：①既不抗链霉素，也不抗青霉素；②在抗链霉素同时，也抗青霉素；③不抗链霉素，但抗青霉素。

分析得知：①是因质粒A未能导入；②中质粒虽导入，但导入的质粒上并未结合目的基因，即导入的只是普通质粒；③表明重组质粒成功导入。由上述情况可知，虽然经过了一系列操作，许多受体细胞中并未导入目的基因，为避免后续工作的无效，必须对受体细胞进行筛选，这时标记基因就发挥了作用。如本题可将完成导入过程后的大肠杆菌涂布在含有青霉素的选择培养基上，就能筛选出所需的工程菌。这样大大降低了发酵生产的盲目性，提高了生产效率。同样，对转基因动、植物的培育也是一样的道理。

那么，标记基因表达了是否就意味着目的基因也表达了呢？其实生物体内基因表达的调控过程非常复杂，重组DNA即使导入到受体细胞，但不一定能够表达。

因此，受体细胞只有表现出特定的性状，才能说明目的基因完成了表达过程，即转基因生物的培育成功。例如，科学家在做抗虫棉试验时，虽然用一定的方法己检测出棉花植株中含有抗虫基因，但棉铃虫食用叶片后并没有被杀死，说明抗虫基因并没有表达。当对棉花植株中的抗虫基因进行修饰后，就具有了抗虫性状，这才说明抗虫基因在棉植株中得到了表达。

——潘建英.对“基因操作四步曲”的解读.生物学教学.2010年第1期