蜂王的分化發(fā)育與表觀遺傳*

王華峰 任鐸鋒 劉 玲

（1 山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院與現(xiàn)代文理學(xué)院 山西臨汾 041000 2 太原市實驗中學(xué) 山西太原 030002 3 臨汾同盛實驗中學(xué) 山西臨汾 041000）

最近不少高中生物學(xué)教師咨詢表觀遺傳方面的知識，在新一輪高中生物學(xué)教材修訂中，表觀遺傳被納入頒布的新課程標(biāo)準(zhǔn)中。 本文從側(cè)面簡單介紹表觀遺傳的一些基本原理與知識，希望借此幫助廣大高中生物學(xué)教師學(xué)習(xí)理解表觀遺傳。

1 蜂王漿的持續(xù)喂食導(dǎo)致蜂王的分化發(fā)育

蜜蜂的蜂王與工蜂都是由基因型相同的雌蜂幼蟲發(fā)育而來，但二者之間存在著巨大的表型差異。 蜂王的體積是工蜂的2 倍，壽命更長，能夠繁育下一代；工蜂則體積嬌小，成日辛勤工作，采集花粉、建設(shè)住宅與飼養(yǎng)幼蜂，且壽命很短，不能繁育下一代。

蜂王與工蜂的命運差異發(fā)生在出生3 天后，這時，護理蜂會在雌蜂幼蟲中挑選很少一部分繼續(xù)喂食蜂王漿，這些幼蟲將發(fā)育成長為蜂王；其他幼蟲則被停止喂食蜂王漿，改為喂食花粉和花蜜，這些幼蟲將發(fā)育成長為工蜂（圖1）。

圖1 雌蜂幼蟲的發(fā)育分化

蜜蜂的雌幼蟲期是否喂食蜂王漿，導(dǎo)致其發(fā)育命運出現(xiàn)天壤之別。

2 蜂王的分化發(fā)育是一種表觀遺傳現(xiàn)象

表觀遺傳是指DNA 序列不發(fā)生變化，但基因表達(dá)卻發(fā)生了穩(wěn)定的改變，最終導(dǎo)致表型的穩(wěn)定差異［1］。 遺傳背景相同的蜜蜂在發(fā)育過程中，由于后天撫育條件的不同，造成基因表達(dá)模式出現(xiàn)了差異，最終導(dǎo)致表型的穩(wěn)定差異。 其情形非常類似于表觀遺傳現(xiàn)象，因此研究者推測一定會有表觀遺傳機制參與其中。表觀遺傳機制涉及DNA 甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重構(gòu)和非編碼RNA 的調(diào)控等，其中研究得最清楚的也是最重要的表觀遺傳修飾形式是DNA 甲基化［1］。 甲基化是指將活性甲基化合物（如S 腺苷基甲硫氨酸）的甲基催化轉(zhuǎn)移到其他化合物（如DNA）的過程［2］。 DNA 甲基化一般發(fā)生在CpG 位點（胞嘧啶-磷酸-鳥嘌呤位點，即DNA序列中胞嘧啶后緊連鳥嘌呤的位點）。 1989年，英國生物學(xué)家霍利迪發(fā)表了題為DNA methylation and epigenetic mechanisms（DNA 甲基化與表觀遺傳機制）的論文［3］，第1 次明確地提出了DNA 的甲基化修飾可以穩(wěn)定地控制基因表達(dá)與否，是基因選擇性表達(dá)的重要機制之一。 2006年，蜜蜂基因組測序協(xié)作組報道了蜜蜂（Apis mellifera） 的基因組序列［4］，同時他們還發(fā)現(xiàn)蜜蜂基因組中廣泛存在著CpG 位點的DNA 甲基化，并斷定蜜蜂的發(fā)育分化與這些DNA 甲基化密切相關(guān)［5］。

早在昆蟲發(fā)育研究之前，在哺乳動物發(fā)育研究中，研究者就發(fā)現(xiàn)環(huán)境因素諸如飲食可以通過影響DNA 甲基化、 組蛋白乙酰化等表觀遺傳修飾，改變生物基因組的表觀遺傳狀態(tài)，影響基因表達(dá)，導(dǎo)致生物性狀出現(xiàn)差異［6-7］。隨后在蜜蜂的研究中，研究者發(fā)現(xiàn)蜂王與工蜂的基因組DNA 甲基化模式存在著明顯的區(qū)別，其中蜂王的基因組甲基化程度低于工蜂的基因組甲基化［8］。進(jìn)一步的研究還證實，這種區(qū)別與蜜蜂幼蟲是否喂食蜂王漿密切相關(guān)：與對照相比，喂食蜂王漿的蜜蜂幼蟲，其基因組甲基化程度低，將來發(fā)育成蜂王［9］（圖2）。

圖2 DNA 甲基化與蜜蜂的發(fā)育分化密切相關(guān)

蜜蜂的雌幼蟲后期是否喂食蜂王漿，可造成基因組DNA 甲基化程度的差異。

同生物系統(tǒng)內(nèi)的其他生理生化反應(yīng)一樣，甲基化也是一種酶催化反應(yīng)，承擔(dān)該催化作用的主要是DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶（英文簡稱為Dnmt），能夠催化胞嘧啶轉(zhuǎn)化為5-甲基胞嘧啶。 研究人員在真核生物中發(fā)現(xiàn)了3 類DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶，分別是Dnmt1、Dnmt2 與Dnmt3。 其中，Dnmt3 被證實是蜜蜂基因組甲基化的主要參與者［5］。 通過RNA 干涉的分子生物學(xué)手段，在幼蟲時期人為地將Dnmt3的基因表達(dá)水平敲低，使得雌蜂幼蟲表觀遺傳酶（Dnmt3）的功能發(fā)揮遭到破壞性抑制干預(yù)，則在同樣喂食花粉和花蜜的條件下，正常雌蜂幼蟲繼續(xù)正常發(fā)育成工蜂；相比之下，Dnmt3 功能缺陷的雌蜂幼蟲發(fā)育成蜂王［8］（圖3）。 該結(jié)果說明，即使在飲食中缺乏蜂王漿的情況下，如果能夠利用其他手段降低基因組甲基化水平，雌蜂幼蟲仍然能夠發(fā)育成蜂王，即基因組甲基化水平是決定蜜蜂發(fā)育分化的關(guān)鍵因素。

圖3 雌蜂幼蟲表觀遺傳酶Dnmt3 的破壞，導(dǎo)致雌幼蟲向蜂王發(fā)育分化

從上述結(jié)果，人們很自然地可以推斷：蜂王漿飲食之所以能夠影響蜜蜂的分化發(fā)育，其原因可能是蜂王漿能夠影響關(guān)鍵表觀遺傳酶基因（如圖2、圖3 中的dnmt3）的表達(dá)。 事實上的確如此，2011年，來自我國江西農(nóng)大的一篇研究報道，證實蜂王漿的處理可降低蜂王細(xì)胞中dnmt3基因的表達(dá)水平［10］。 之后，他們通過對蜂王漿成分的分析研究發(fā)現(xiàn)： 蜂王漿中含有一種被稱為10-羥基-2-癸烯酸（或稱為“蜂王酸”，英文簡稱為10HDA）的成分［11］，可以控制關(guān)鍵表觀遺傳酶基因的表達(dá)，進(jìn)而影響蜂王分化發(fā)育相關(guān)基因的甲基化修飾特征，從而使得基因表達(dá)模式朝著蜂王方向定向發(fā)育。

3 小結(jié)與展望

表觀遺傳變異不涉及DNA 序列的改變，但基因表達(dá)卻發(fā)生了可遺傳的穩(wěn)定改變。 這種改變是細(xì)胞內(nèi)除了遺傳信息以外的其他可遺傳物質(zhì)發(fā)生的改變，且這種改變在發(fā)育和體細(xì)胞增殖過程中能穩(wěn)定傳遞［12］。 基因表達(dá)模式的穩(wěn)定改變涉及DNA 序列的修飾，本文中蜂王分化的例子中，后天喂食條件的不同，可導(dǎo)致具有相同遺傳背景（DNA 序列相同）的雌蜂幼蟲個體間的基因表達(dá)模式（DNA 序列修飾的不同）出現(xiàn)差異，從而導(dǎo)致雌蜂成蟲最終表型（蜂王/工蜂）的差異。與傳統(tǒng)遺傳相比，表觀遺傳告訴我們，基因的表達(dá)與否，不僅取決于基因序列中信息的正確/缺失與否，而且還取決于基因的修飾狀態(tài)。 DNA 甲基化是最早被發(fā)現(xiàn)的表觀遺傳調(diào)控方式，DNA 甲基化能引起染色體結(jié)構(gòu)、DNA 與蛋白質(zhì)相互作用方式的改變，從而抑制基因表達(dá)，甲基化程度降低使基因表達(dá)增強。越來越多的研究發(fā)現(xiàn)DNA 甲基化不僅參與人類發(fā)育，而且還和許多疾?。ɡ缒[瘤）的發(fā)生發(fā)展有著密切關(guān)系，特別是CpG 島甲基化所致抑癌基因轉(zhuǎn)錄失活問題，DNA 甲基化已經(jīng)成為表觀遺傳學(xué)和表觀基因組學(xué)的重要研究內(nèi)容。