“表觀遺傳”教學(xué)中幾個難點(diǎn)的分析

薛小琪 李韶山

（華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 廣東廣州 510631）

表觀遺傳學(xué)（epigenetics）是近年來隨著分子生物學(xué)發(fā)展而出現(xiàn)的一個遺傳學(xué)熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，主要研究DNA序列不變的情況下，基因表達(dá)變化導(dǎo)致可遺傳表型改變的現(xiàn)象。表觀遺傳可以解釋許多與經(jīng)典孟德爾定律不相符的生命現(xiàn)象，并與癌癥、糖尿病、肥胖等人類疾病相關(guān)。隨著分子遺傳學(xué)和分子醫(yī)學(xué)研究的深入，表觀遺傳學(xué)得到快速的發(fā)展。而它吸引人們不斷探索的另一原因在于它會受到外界環(huán)境的影響并遺傳給后代，與經(jīng)典遺傳理論存在較大差異。所以在高中生物學(xué)中開展表觀遺傳內(nèi)容的學(xué)習(xí)，對于學(xué)生理解更復(fù)雜的遺傳現(xiàn)象，認(rèn)同“表型=基因+環(huán)境影響”規(guī)律，形成系統(tǒng)完善的遺傳知識體系有著重要的價值。

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》首次提出，要讓學(xué)生“概述某些基因中堿基序列不變但表型改變的表觀遺傳現(xiàn)象”。人教版高中生物學(xué)新教材《必修2·遺傳與進(jìn)化》也在“基因表達(dá)與性狀的關(guān)系”一節(jié)中引入了表觀遺傳內(nèi)容。教材用兩個具體實(shí)例說明表觀遺傳的概念，但由于是全新的教學(xué)內(nèi)容，許多教師對某些內(nèi)容存在理解困難，現(xiàn)就幾個難點(diǎn)進(jìn)行思考分析。

1 表觀遺傳機(jī)制

表觀遺傳機(jī)制非常復(fù)雜，目前已發(fā)現(xiàn)有DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑以及非編碼RNA的調(diào)控這幾種類型，其關(guān)系如圖1所示。

（1）DNA甲基化。DNA甲基化是表觀遺傳信息的主要形式，指在甲基轉(zhuǎn)移酶的作用下，基因組DNA上的堿基被選擇性添加甲基的過程，最常見于CpG島序列上胞嘧啶5號碳的甲基化，如圖2所示。在結(jié)構(gòu)基因啟動子上，CpG（胞嘧啶-磷酸-鳥嘌呤）二聯(lián)核苷常以成簇串聯(lián)形式排列形成CpG島，正常CpG島是非甲基化的，基因可以正常表達(dá)，而DNA甲基化一般影響到轉(zhuǎn)錄因子與DNA的結(jié)合，導(dǎo)致基因沉默。部分基因甲基化與非甲基化的轉(zhuǎn)變與疾病相關(guān)，如抑癌基因CpG島非正常的高甲基化是腫瘤患者體內(nèi)的普遍現(xiàn)象。

（2）組蛋白修飾。組蛋白是真核生物染色質(zhì)中的堿性蛋白質(zhì)，與DNA共同組成核小體結(jié)構(gòu)。組蛋白修飾主要是指組蛋白N端伸出核小體外的氨基酸殘基的甲基化、乙?；⒘姿峄?。組蛋白修飾方式的多樣化決定其比DNA甲基化更加復(fù)雜：組蛋白甲基化既能增強(qiáng)，也能抑制基因表達(dá)；乙酰基和磷酸基本身帶有的負(fù)電荷能夠中和組蛋白的正電荷，減少組蛋白與帶負(fù)電的DNA結(jié)合程度，因而組蛋白乙?；土姿峄軌蚣せ罨蜣D(zhuǎn)錄表達(dá)。組蛋白的不同修飾方式通過協(xié)同或拮抗共同發(fā)揮作用，調(diào)控著細(xì)胞分裂、DNA損傷修復(fù)、轉(zhuǎn)錄等生理過程。

（3）染色質(zhì)重塑。染色質(zhì)重塑復(fù)合物參與的一系列以染色質(zhì)上核小體滑動、重建的生物學(xué)過程，可以獨(dú)立出現(xiàn)或者與轉(zhuǎn)錄過程偶聯(lián)。組蛋白尾部的修飾也可以改變?nèi)旧|(zhì)重塑，為其他蛋白質(zhì)提供與DNA作用的結(jié)合位點(diǎn)，從而影響臨近基因的活性。

（4）非編碼RNA的作用。非編碼RNA不能被翻譯成蛋白質(zhì)但有調(diào)控功能的RNA分子。非編碼RNA的作用機(jī)制多樣，主要包括：①與其他蛋白質(zhì)形成RNA誘導(dǎo)沉默復(fù)合物并解旋為單鏈，與靶mRNA互補(bǔ)結(jié)合后降解靶mRNA，降低或抑制基因活性；②與不完全互補(bǔ)的靶mRNA結(jié)合，抑制其翻譯；③引起染色質(zhì)重塑復(fù)合物，導(dǎo)致核小體結(jié)構(gòu)或形態(tài)改變，致使基因沉默。

2 表觀遺傳信息的傳遞

表觀遺傳信息的傳遞有三種類型：①有絲分裂，將遺傳信息傳遞給子代細(xì)胞；②代際遺傳，即某些性狀能夠從上一代傳遞到下一代；③跨代遺傳，指某個性狀能夠連續(xù)傳遞兩代以上。表觀遺傳信息的遺傳在不同類型中的發(fā)生頻率不同，有絲分裂中的表觀遺傳比較常見，目前研究得最為廣泛；代際遺傳比較少，跨代遺傳非常罕見。例如，父代肥胖可以通過影響精子質(zhì)量，把表觀遺傳信息傳遞給子代，從而對子代健康產(chǎn)生影響。但表觀遺傳信息傳遞給孫代、曾孫代等，目前還很少發(fā)現(xiàn)。動物代際遺傳和跨代遺傳較少的原因在于，配子形成過程中，DNA甲基化會發(fā)生兩次擦除和重建：第一次去甲基化是原始生殖細(xì)胞去除已分化的外胚層細(xì)胞中來自父母雙方DNA的甲基化修飾，以恢復(fù)原始生殖細(xì)胞的全能性；第二次是早期胚胎發(fā)育過程中對父源、母源DNA甲基化狀態(tài)的擦除，再重新編程，使兩個來源的DNA甲基化狀態(tài)達(dá)到一致，為合子基因組轉(zhuǎn)錄激活作好準(zhǔn)備。在去甲基化的過程中，表觀遺傳信息受到阻礙，影響代際以及跨代遺傳。而生殖細(xì)胞及早期胚胎細(xì)胞擦除父源、母源DNA甲基化再重建的原因，可以從進(jìn)化的角度看待，大部分獲得性遺傳信息、性狀是中性或是有害的，如大部分的基因突變，所以受精卵趨向于把上一代獲得的不利表觀遺傳修飾去除。

DNA上堿基排列順序貯藏著大量的遺傳信息，通過堿基互補(bǔ)配對，進(jìn)行半保留復(fù)制傳遞給子代細(xì)胞。表觀遺傳信息主要是一些基團(tuán)的修飾，是如何進(jìn)行傳遞的呢？目前有絲分裂中DNA甲基化的遺傳研究相對清楚，在DNA復(fù)制過程中，隨著復(fù)制叉的移動，DNA甲基轉(zhuǎn)移酶1（Dnmt1）會根據(jù)母鏈的甲基化位點(diǎn)，在子鏈的對應(yīng)位置添加甲基，使子代細(xì)胞具有和母鏈相同的甲基化修飾。但后期的研究發(fā)現(xiàn)，即使清除細(xì)胞DNA上原有的甲基，子代仍然可以添加與母細(xì)胞相同的甲基，說明DNA甲基化能夠進(jìn)行記憶重建，其中從頭甲基化轉(zhuǎn)移酶Dnmt3A、Dnmt3B發(fā)揮重要作用。目前，組蛋白修飾的遺傳研究還不太清楚，已知組蛋白修飾遺傳過程中存在正反饋調(diào)節(jié)，子代DNA上的組蛋白雖然被稀釋，但細(xì)胞可以根據(jù)殘留的組蛋白修飾繼續(xù)添加組蛋白。

3 表觀遺傳與中心法則的聯(lián)系

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)極大地推動了遺傳學(xué)的發(fā)展，1957年克里克又提出中心法則，揭示遺傳信息在DNA、RNA、蛋白質(zhì)間單向傳遞的規(guī)律。隨著科學(xué)發(fā)展進(jìn)步，逆轉(zhuǎn)錄和RNA復(fù)制現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，說明了遺傳信息可以從RNA反向流動至DNA，中心法則得到進(jìn)一步補(bǔ)充、完善。然而，表觀遺傳現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)說明中心法則只包括了傳統(tǒng)意義上的遺傳信息傳遞，因?yàn)橛写罅侩[藏在DNA序列之外的遺傳信息。就表觀遺傳中DNA甲基化而言，人單倍體基因組就有5千萬個CpG位點(diǎn)，僅甲基化和未甲基化兩種形式，就可以貯存大量信息。

如果說傳統(tǒng)意義上基因的表達(dá)是從DNA轉(zhuǎn)錄為RNA再翻譯成蛋白質(zhì)的過程，那這些表觀遺傳信息相當(dāng)于提供了何時何地以何種方式去應(yīng)用傳統(tǒng)遺傳信息的指令。中心法則是遺傳的基礎(chǔ)，沒有傳統(tǒng)意義上的遺傳信息，表觀遺傳也無從談起，表觀遺傳是對中心法則的補(bǔ)充和延續(xù)。表觀遺傳的優(yōu)點(diǎn)在于，它不像DNA序列那樣穩(wěn)定，而是可以隨環(huán)境改變，為生物及時調(diào)控基因表達(dá)適應(yīng)環(huán)境提供可能。

4 蜂王的表觀遺傳

教師進(jìn)行染色體數(shù)目變異知識點(diǎn)的授課時，經(jīng)常以雄峰作為材料講解單倍體，同時介紹其與工蜂、蜂王之間的差別，但往往忽視一個現(xiàn)象的解釋：工蜂和蜂王的遺傳背景相同，但蜂王體型大，主要負(fù)責(zé)產(chǎn)卵；工蜂體型小，繁殖器官發(fā)育不全，主要負(fù)責(zé)筑巢、采蜜、保育。什么原因?qū)е聝烧叩男螒B(tài)、結(jié)構(gòu)、行為發(fā)生如此大的差異？其實(shí)，這就是表觀遺傳的典型例子。

蜂王和工蜂是由同一批受精卵發(fā)育而來，全部幼蟲在出生3 d內(nèi)都被喂食蜂王漿，但3 d后它們的食物發(fā)生了區(qū)別：保育蜂挑選極少數(shù)幼蟲繼續(xù)喂食蜂王漿，后期發(fā)育成蜂王；而絕大多數(shù)幼蟲被改喂花粉和花蜜，發(fā)育成工蜂。蜂王和工蜂的DNA序列沒有發(fā)生改變，但由于飲食的影響導(dǎo)致兩者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。進(jìn)一步研究表明，將蜜蜂幼蟲DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（催化DNA甲基化）基因的表達(dá)敲低，即使喂食普通花蜜，幼蟲也可以發(fā)育成蜂王。這說明蜂王漿的關(guān)鍵作用是降低DNA甲基轉(zhuǎn)移酶基因活性，降低DNA甲基化，調(diào)控幼蟲朝向蜂王方向發(fā)育。