【教学延伸】表观遗传”教学中几个难点的分析

百科 2025-01-09 17:07 云南

表观遗传”教学中几个难点的分析

表观遗传学（epigenetics）是近年来随着分子生物学发展而出现的一个遗传学热点研究领域，主要研究DNA序列不变的情况下，基因表达变化导致可遗传表型改变的现象。表观遗传可以解释许多与经典孟德尔定律不相符的生命现象，并与癌症、糖尿病、肥胖等人类疾病相关。随着分子遗传学和分子医学研究的深入，表观遗传学得到快速的发展。而它吸引人们不断探索的另一原因在于它会受到外界环境的影响并遗传给后代，与经典遗传理论存在较大差异。所以在高中生物学中开展表观遗传内容的学习，对于学生理解更复杂的遗传现象，认同“表型=基因+环境影响”规律，形成系统完善的遗传知识体系有着重要的价值。

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》首次提出，要让学生“概述某些基因中碱基序列不变但表型改变的表观遗传现象”。人教版高中生物学新教材《必修2·遗传与进化》也在“基因表达与性状的关系”一节中引入了表观遗传内容。教材用两个具体实例说明表观遗传的概念，但由于是全新的教学内容，许多教师对某些内容存在理解困难，现就几个难点进行思考分析。

1 表观遗传机制

表观遗传机制非常复杂，目前已发现有DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑以及非编码RNA 的调控这几种类型，其关系如图1所示。

（1）DNA 甲基化。DNA 甲基化是表观遗传信息的主要形式，指在甲基转移酶的作用下，基因组DNA上的碱基被选择性添加甲基的过程，最常见于CpG岛序列上胞嘧啶5号碳的甲基化，如图2所示。在结构基因启动子上，CpG（胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤）二联核苷常以成簇串联形式排列形成CpG岛，正常CpG岛是非甲基化的，基因可以正常表达，而DNA甲基化一般影响到转录因子与DNA的结合，导致基因沉默。部分基因甲基化与非甲基化的转变与疾病相关，如抑癌基因CpG 岛非正常的高甲基化是肿瘤患者体内的普遍现象。

（2）组蛋白修饰。组蛋白是真核生物染色质中的碱性蛋白质，与DNA共同组成核小体结构。组蛋白修饰主要是指组蛋白N 端伸出核小体外的氨基酸残基的甲基化、乙酰化、磷酸化等。组蛋白修饰方式的多样化决定其比DNA甲基化更加复杂：组蛋白甲基化既能增强，也能抑制基因表达；乙酰基和磷酸基本身带有的负电荷能够中和组蛋白的正电荷，减少组蛋白与带负电的DNA结合程度，因而组蛋白乙酰化和磷酸化能够激活基因转录表达。组蛋白的不同修饰方式通过协同或拮抗共同发挥作用，调控着细胞分裂、DNA损伤修复、转录等生理过程。

（3）染色质重塑。染色质重塑复合物参与的一系列以染色质上核小体滑动、重建的生物学过程，可以独立出现或者与转录过程偶联。组蛋白尾部的修饰也可以改变染色质重塑，为其他蛋白质提供与DNA作用的结合位点，从而影响临近基因的活性。

（4）非编码RNA的作用。非编码RNA不能被翻译成蛋白质但有调控功能的RNA分子。非编码RNA的作用机制多样，主要包括：① 与其他蛋白质形成RNA诱导沉默复合物并解旋为单链，与靶mRNA互补结合后降解靶mRNA，降低或抑制基因活性；② 与不完全互补的靶mRNA结合，抑制其翻译；③ 引起染色质重塑复合物，导致核小体结构或形态改变，致使基因沉默。

2 表观遗传信息的传递

表观遗传信息的传递有三种类型：① 有丝分裂，将遗传信息传递给子代细胞；② 代际遗传，即某些性状能够从上一代传递到下一代；③ 跨代遗传，指某个性状能够连续传递两代以上。表观遗传信息的遗传在不同类型中的发生频率不同，有丝分裂中的表观遗传比较常见，目前研究得最为广泛；代际遗传比较少，跨代遗传非常罕见。例如，父代肥胖可以通过影响精子质量，把表观遗传信息传递给子代，从而对子代健康产生影响。但表观遗传信息传递给孙代、曾孙代等，目前还很少发现。动物代际遗传和跨代遗传较少的原因在于，配子形成过程中，DNA甲基化会发生两次擦除和重建：第一次去甲基化是原始生殖细胞去除已分化的外胚层细胞中来自父母双方DNA的甲基化修饰，以恢复原始生殖细胞的全能性；第二次是早期胚胎发育过程中对父源、母源 DNA 甲基化状态的擦除，再重新编程，使两个来源的DNA甲基化状态达到一致，为合子基因组转录激活作好准备。在去甲基化的过程中，表观遗传信息受到阻碍，影响代际以及跨代遗传。而生殖细胞及早期胚胎细胞擦除父源、母源DNA甲基化再重建的原因，可以从进化的角度看待，大部分获得性遗传信息、性状是中性或是有害的，如大部分的基因突变，所以受精卵趋向于把上一代获得的不利表观遗传修饰去除。

DNA上碱基排列顺序贮藏着大量的遗传信息，通过碱基互补配对，进行半保留复制传递给子代细胞。表观遗传信息主要是一些基团的修饰，是如何进行传递的呢？目前有丝分裂中DNA甲基化的遗传研究相对清楚，在DNA复制过程中，随着复制叉的移动，DNA甲基转移酶 1（Dnmt1）会根据母链的甲基化位点，在子链的对应位置添加甲基，使子代细胞具有和母链相同的甲基化修饰。但后期的研究发现，即使清除细胞DNA上原有的甲基，子代仍然可以添加与母细胞相同的甲基，说明DNA甲基化能够进行记忆重建，其中从头甲基化转移酶Dnmt3A、Dnmt3B发挥重要作用。目前，组蛋白修饰的遗传研究还不太清楚，已知组蛋白修饰遗传过程中存在正反馈调节，子代DNA上的组蛋白虽然被稀释，但细胞可以根据残留的组蛋白修饰继续添加组蛋白。

3 表观遗传与中心法则的联系

DNA双螺旋结构的发现极大地推动了遗传学的发展，1957年克里克又提出中心法则，揭示遗传信息在DNA、RNA、蛋白质间单向传递的规律。随着科学发展进步，逆转录和RNA复制现象的发现，说明了遗传信息可以从 RNA 反向流动至 DNA，中心法则得到进一步补充、完善。然而，表观遗传现象的发现说明中心法则只包括了传统意义上的遗传信息传递，因为有大量隐藏在DNA序列之外的遗传信息。就表观遗传中DNA甲基化而言，人单倍体基因组就有5千万个CpG 位点，仅甲基化和未甲基化两种形式，就可以贮存大量信息。

如果说传统意义上基因的表达是从DNA 转录为 RNA 再翻译成蛋白质的过程，那这些表观遗传信息相当于提供了何时何地以何种方式去应用传统遗传信息的指令。中心法则是遗传的基础，没有传统意义上的遗传信息，表观遗传也无从谈起，表观遗传是对中心法则的补充和延续。表观遗传的优点在于，它不像DNA序列那样稳定，而是可以随环境改变，为生物及时调控基因表达适应环境提供可能。

4 蜂王的表观遗传

教师进行染色体数目变异知识点的授课时，经常以雄峰作为材料讲解单倍体，同时介绍其与工蜂、蜂王之间的差别，但往往忽视一个现象的解释：工蜂和蜂王的遗传背景相同，但蜂王体型大，主要负责产卵；工蜂体型小，繁殖器官发育不全，主要负责筑巢、采蜜、保育。什么原因导致两者的形态、结构、行为发生如此大的差异？其实，这就是表观遗传的典型例子。

蜂王和工蜂是由同一批受精卵发育而来，全部幼虫在出生3 d内都被喂食蜂王浆，但3 d后它们的食物发生了区别：保育蜂挑选极少数幼虫继续喂食蜂王浆，后期发育成蜂王；而绝大多数幼虫被改喂花粉和花蜜，发育成工蜂。蜂王和工蜂的DNA序列没有发生改变，但由于饮食的影响导致两者DNA甲基化程度不同：蜂王的 DNA 甲基化程度低于工蜂的 DNA 甲基化。进一步研究表明，将蜜蜂幼虫 DNA 甲基转移酶（催化DNA甲基化）基因的表达敲低，即使喂食普通花蜜，幼虫也可以发育成蜂王。这说明蜂王浆的关键作用是降低DNA 甲基转移酶基因活性，降低DNA 甲基化，调控幼虫朝向蜂王方向发育。

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本文来自《中学生物学》2020年第36卷第12期:3-4转7,作者:薛小琪李韶

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