限制性内切酶和二分子遗传学：揭秘回文结构

自从1953年发现DNA的分子结构是双链螺旋，以及腺嘌呤A配胸腺嘧啶T（A-T）、鸟嘌呤G配胞嘧啶C（G-C）的碱基配对规律后，遗传学研究就向着分子水平的探索迈进。 跟随着孟德尔的脚步，科学家们在DNA的合成、mRNA的转录和蛋白质的合成（翻译）等方面，很快就有了长足的进展。 这些在本书第二章已经讲过了；这里再复习一下。

DNA储存遗传信息的办法，是把核苷酸（碱基）的排列顺序（核苷酸序列）和蛋白质的氨基酸排列顺序（氨基酸序列）建立对应关系，也就是“制定”遗传密码。 自然界制定的这些密码规定：三个连续排列的核苷酸（三联码）代表一个氨基酸，而且每个氨基酸都有好几个不同的三联码来代表，这些三联码的最后一个核苷酸不同。 而细胞把DNA储存的蛋白质结构信息取出来的方法，是按照DNA的序列，把有关的结构基因“抄写”成信使RNA（mRNA）。 这在分子遗传学里叫“转录”。

RNA一般是单链，链的局部和同一条链的别处有序列互补，可以自己和自己绞合成像女人用的头发夹子一样的局部双链（叫做“发夹结构”）。 RNA也由4种核苷酸连成：腺嘌呤核糖核苷酸（rA）、鸟嘌呤核糖核苷酸（rG）、胞嘧啶核糖核苷酸（rC）和尿嘧啶核糖核苷酸（rU）。 RNA互补的规则是：rA配rU、rG配rC。 同时RNA还能和DNA配对互补，规则是：rA配T、A配U；rG配C、G配rC。

细胞核中的酶系就是按照这些规则，以DNA中编码蛋白质氨基酸序列的核苷酸序列作为“模板”，精确地合成与这条序列“一字不差”地互补的mRNA。 然后细胞器把合成好的mRNA送出细胞核，进入细胞质。mRNA在细胞质中，被结合到核糖体上，再和运来各种氨基酸的转运RNA （tRNA）相互作用，最后连接成蛋白质的氨基酸链。 完成的蛋白质被释放入细胞质，在其他功能蛋白质的帮助下卷曲成成熟的蛋白质，被运送到目的地去发挥功能。

这些就是基因转化为蛋白质的分子过程，是孟德尔遗传规律的实现。这些重大的科学成就是在20世纪三十至六十年代取得的，这些成就是遗传规律在分子水平上的具体化，因此被称为“分子遗传学”。 其中，遗传信息的流向：DNA↔RNA→蛋白质（以后发现RNA还能逆转录成DNA，所以DNA和RNA之间的箭头是双向的），被叫做“分子生物学的中心法则”。 当然这远没有包括分子遗传学的全部内容。 分子遗传学的其他重要内容，包括DNA合成和操控这种合成的规律，以及负责进行这些工作的核酸酶类，还有人工利用这些酶来操控DNA的方法，等等。 这些内容非常丰富，我们这本小书没法全讲。 这里我们只讲一讲与操控DNA有关的核酸酶类。

DNA作为遗传信息的载体，它其实是比较“被动”的。 它自己没法复制自己，更没法把自己翻译成蛋白质。 这些事情都要细胞的功能蛋白质——酶来做。 细胞里有一大批专门“侍候”DNA的酶。 DNA要复制，就有专门管复制的酶，这些叫做“依赖DNA的DNA聚合酶”。 DNA到细胞分裂的时候，就要断成许多比较短的片段；负责切断DNA的酶叫做“核酸内切酶”。 细胞分裂完成后，DNA又要重新连成一长条，负责连接的酶是“DNA连接酶”。 特别是，科学家在研究细菌的核酸内切酶的时候，发现了一大群核酸内切酶，在人工操控DNA时非常有用。 这些酶原来是细菌自我保护（限制噬菌体DNA进入细菌）用的，所以叫做“限制性内切酶”。

限制性内切酶分好几型，科学家在DNA操作中用得较多的是二型限制性内切酶。 二型限制性内切酶有个很有趣而且有用的特点，它只能在特定的位点切开DNA，这位点的特征是两条核苷酸的序列呈“回文”结构。 什么是“回文”呢？ 看了下面这四句诗，你就明白了：

莺啼岸柳弄春晴

柳弄春晴夜月明

明月夜晴春弄柳

晴春弄柳岸啼莺

图19 明代女诗人吴绛雪做的一首回文诗

这是明代女诗人吴绛雪做的一首回文诗（图19，也有人认为是后人把吴绛雪的《咏四季诗》中的一句“莺啼岸柳弄春晴夜月明”以4/3字读法读成回文诗的——笔者注）。 你看出什么来了吗？ 原来，这首诗从头读到尾或是从尾读到头，都是一样的！ DNA限制性内切酶切断位点的双链，也有这样的结构。 看看几种限制性内切酶的DNA切断位点：

EcoRI酶： G-A-A-T-T-C

C-T-T-A-A-G

HindIII酶： A-A-G-C-T-T

T-T-C-G-A-A

BamHI酶： G-G-A-T-C-C

C-C-T-A-G-G(www.xing528.com)

HaeIII酶： G-G-C-C

C-C-G-G

如此等等。 你看，好玩吗？ 大自然和我国古代的诗人一样，也会写回文诗呢！ 不过，诗人的回文诗虽然用字考究，才华横溢，但除了在月明星稀、乌鹊南飞的夜晚，饮酒作乐、朗诵助兴以外，恐怕就没有什么用处了。可是，自然界创作的限制性内切酶的回文位点，用处却大着呢！ 它们可以帮助我们人类改造动植物，来满足我们的物质需要。 这是那些文人墨客、状元翰林们做一亿首诗都做不出的！

还要补充一点，这些回文位点的切断处，在两条链上也是相同的。 这就使得DNA切断后的双链两端，也是一样的，而且是两两互补的。 例如：

EcoRI酶的切断处：

G↓-A-A-T-T-C

C-T-T-A-A↑-G

结果断端两头的序列都是-G、-C-T-T-A-A，有一条链有4个核苷酸突出在外面。

这两头如果再对齐：

……-G-A-A-T-T-C-……

……C-T-T-A-A-G-……

突出的两段AATT就又能通过碱基互补“黏接”起来。 这样的末端叫做“黏性末端”，在基因工程中是非常有用的。 它们即使没有DNA连接酶的存在也能接合，不过不稳定，温度升高就会散开。

HaeIII的切断处：

G-G↓-C-C

C-C-↑G-G

断头两端的序列都是G-G、C-C-，这样的末端没有突出的核苷酸，所以叫“平头末端”。 平头末端一定要有DNA连接酶，才能连起来。

为了在研究工作中利用这些限制性内切酶，科学家和开发商想了大量的办法，成功地从各种细菌体内提纯了多种限制性内切酶，测出了它们的酶切位点，并使它们能被长期保存（在冷冻下或在室温）。 现在，分子生物学家们可以非常方便地在科学市场上买到几百种的限制性内切酶，这使得几十年前还想都不敢想的事现在变成轻松地就能实现的日常工作。