对新教材“端粒学说”几个问题的阐释

摘  要：通过对比新旧教材“端粒学说”有关内容的变化，阐释与端粒学说有关的几个问题，有利于学生形成完整的知识体系，在理解生物学概念的基础上，形成“结构与功能观”的生命观念。

关键词：端粒学说；端粒酶；阐释；生命观念

人教版普通高中课程标准实验教科书生物·必修1·分子与细胞》（以下简称“旧教材'）在小字部分介绍了与细胞衰老有关的端粒学说，而普通高中教科书《生物学·必修1·分子与细胞》（以下简称“新教材'）已将该内容调至正文中，提高了其重要性。对旧教材中“端粒”的概念，新教材也作了改动，但对“端粒学说”的关键内容却未做进一步介绍。本文通过阐释与“端粒学说”有关的几个问题，旨在为教学提供参考。

1 端粒概念的变化

旧教材中关于“端粒”的概念为“每条染色体的两端都有一段特殊序列的DNA'，而新教材中的概念为“每条染色体的两端都有一段特殊序列的DNA-蛋白质复合体”。显然，染色体主要由DNA和蛋白质组成，将端粒改为染色体两端的'DNA-蛋白质复合体”更为严谨、科学，有利于建立科学概念，体现了编者的细心。

2 端粒结构的功能

端粒作为染色体的末端，其结构有何特殊性，具有怎样的功能？端粒DNA通常是由富含鸟嘌呤脱氧核苷酸（G）的短串联重复序列组成。人的端粒DNA重复序列为TTAGGG，串联重复300~500次，序列长度在2-20kb不等。哺乳动物的端粒DNA通常会通过双链折回，形成环状结构（D-T环），用于封闭染色体的末端，没有游离的末端可以使染色体免遭核酸酶降解，防止与其他染色体片段发生融合，从而保持染色体结构的完整性。可见，端粒是保护染色体结构稳定的重要结构。但是，端粒DNA序列在DNA每复制一次就会缩短一截，这样随着复制次数的增加，串联重复序列就会越来越短，最后使得染色体上正常基因结构被破坏，从而导致细胞走向衰老，端粒也因此被称为“生命沙漏”或“生命时钟'。

3 端粒DNA序列在每次细胞分裂后为何会缩短—截 

“端粒学说”的关键内容是“端粒DNA序列在每次细胞分裂后会缩短一截”，但新教材对该内容未做进一步阐释。对于该内容的理解，可以从DNA聚合酶的功能特点入手。

所有的DNA聚合酶都需要3，羟基端起始DNA合成。因此，在DNA复制的先导链和后随链开始DNA合成时，都需要引物来提供3羟基。我们知道先导链是连续合成的，只需要一次引物起始，而后随链是不连续的，每个冈崎片段都需要引物起始，胞内DNA复制需要的引物是一段RNA片段，为DNA聚合酶提供延伸的3羟基。一般真核生物是用DNA聚合酶α催化RNA引物的合成用于复制起始，然后用两种核酸酶FEN1和RNAseHI切除RNA引物，再用DNA聚合酶δ或ε来填补这两个冈崎片段之间的缺口，最后用DNA连接酶将两个冈崎片段连接起来。由于DNA聚合酶δ或ε都无法起始合成，所以无法填补子链5’末端RNA引物被去除之后留下的缺口，从而导致DNA复制一次，端粒DNA就避免不了缩短一截（图1）。

4 “端粒学说”为何不适用于癌细胞

“端粒学说”很好地解释了正常细胞走向衰老的原因，但学生很快发现其并不适用于癌细胞，癌细胞在正常情况下不会衰老与凋亡。癌细胞可以对端粒DNA进行填补与修复，而这依赖于端粒酶。学生对端粒酶的结构特性与作用机制产生了浓厚兴趣。

端粒酶延长端粒的机制，教师有必要进行正确的阐释，否则学生很容易进入思维误区，进行错误解读（图2）。迄今为止，只在生殖系细胞和部分干细胞里有端粒酶活性，所有体细胞中尚未发现端粒酶具有活性，但85%~90%的癌细胞端粒酶却能够进行特异性表达。端粒酶是一种由RNA和蛋白质组成的核糖核蛋白复合物，以内源RNA为模板（人的端粒RNA约由450个核苷酸组成，其中，第47-52个核苷酸5'-UAACCC-3'序列是真正的模板，通过端粒酶内相关蛋白进行逆转录，将端粒DNA进行延伸，从而进一步将RNA引物缺口进行填补与修复（图3）。教师进行端粒学说相关教学时，简单介绍端粒酶的结构特性与端粒延长机制，除了帮助学生构建完整的知识体系外，还有利于学生进一步形成“结构与功能观”的生命观念。

结合教材内容，学生对端粒学说的内容不难“知其然”，但对相关问题的理解更要注重“知其所以然”，从而构建正确和完整的知识体系。同时，在倡导学生核心素养培养的背景下，对端粒DNA序列复制后缩短一截的原因、端粒酶结构特性与端粒延长机制的介绍，有利于学生进一步形成“结构与功能观'的生命观念。

作者单位：广东省珠海市第一中学

本文发表于《中学生物教学》2020年第11期