DNA的“分子手术”

DNA与染色体

科学家们在对基因进行操作或基因组分析时，往往需要在DNA分子上进行剪接，在分子水平上进行设计“施工”。比如，一种细菌——流感嗜血杆菌的DNA，长度为0．832纳米；大肠杆菌的DNA也只有1．36纳米；DNA的厚度只有1纳米。也就是说，DNA的粗细只是缝衣针的四十万分之一或头发丝的十万分之一。对这样细微的物质进行分析或分离上面的基因是非常不容易的，它实际上是要进行比显微外科手术还要精细得多的一种“分子手术”。

为了在DNA分子上“动手术”，科学家们绞尽了脑汁，经过反复的试验研究，他们终于发现了一种“分子剪刀”。这种“分子剪刀”当然不是用钢铁做成的普通剪刀，也不是用金钢石制的玻璃刀，而是一种专门把DNA切成碎片的酶，它的名字叫“DNA限制性内切酶”（简称内切酶）。

内切酶是研究基因或进行基因工程“施工”的一把“宝刀”。它有2个特别高超的本领。一个是它好像长了眼睛一样，会识别DNA上某种核苷酸的顺序和位置；第二个本领是能在这个位置上使用“法力”将DNA分子一刀两断。例如有一种内切酶，能识别6对核苷酸的顺序，并且只在特定的位置上切断。

DNA分子被EcoR1切割

在一个DNA分子的长链中，由于出现这样6对核苷酸特殊排列的机会很少，大约每隔几千对核苷酸才出现一次。因此用这种内切酶切下来的DNA片段，大约含有几千对核苷酸。它比一般基因所含的1000～2000对核苷酸的长度略长些，所以用内切酶可以完整地切下一个或几个基因，正好符合基因研究的要求。

科学家们发现，用这种酶“动手术”进行切割，切口不平，是交错切割的。切后，产生两个双链的DNA片段，一个上面露出－A－A－T－T－的单链“尾巴”；一个下面露出－T－T－A－A－的单链“尾巴”。如果仔细观察就会发现，这两条单链“尾巴”的核苷酸排列顺序正好相互颠倒，而且正好“互补”。如果再把它们混合在一起时，这种单链“尾巴”又会相互对准进行碱基配对，因此人们把这种单链尾巴叫做“黏性末端”。

有人或许要问，既然生物体内存在着限制性内切酶，那么它们自己的DNA链又为什么不被切断呢？原来限制性内切酶中还有另外一种起“保护作用”的酶，它能把自身DNA链中的内切酶识别位点保护起来，不被切断。

目前，科学家们已在不同生物中发现了几百种这种“爱憎分明”的限制性内切酶。由于有了形形色色的“分子剪刀”，人们就可以随心所欲地进行DNA分子长链的切割了。

在进行基因工程和研究基因时，有时需要把一种生物的DNA段与另一种生物的DNA片段连接起来，需要缝合人工合成DNA链为完整的DNA分子。好像缝纫师做衣服时，按照设计好的样式，先把布裁成一块一块的，然后再把它们缝起来。可是DNA分子的片段特别小，摸不着，看不到。怎么把它们缝合在一起呢？“世上无难事，只怕有心人。”为了完成这个特殊使命，科学家们发现了一种巧妙的“分子针线”——DNA连接酶，用它可以完成精细的难以想像的工作。

限制性内切酶

上面谈到，用内切酶切出来的DNA片段带有一段可以互补的单链“尾巴”。如果用同一种内切酶分别把2种来源不同的DNA切成片段，然后再把它们混合起来，它们会通过“尾巴”互相识别，自动靠拢，碱基配对。不过末端与末端之间还留有“空隙”，有待缝合。连接酶就是专门“缝合”这种空隙的“分子针线”。它能在两个DNA片段的末端之间“架起桥梁”，把它们连接起来。因此，只要用同一种内切酶切割的两种DNA片段加上这种DNA连接酶，它就像“神针神线”一样，会把片段连接得天衣无缝。DNA连接酶也是从生物体内提取出来的一种酶，它和内切酶一样是进行基因工程和分子生物学研究的重要工具。有人称它们为“工具酶”，赞誉它们为分子工程的两大“法宝”。