蜜蜂的DNA 甲基化與表觀遺傳

江蘇 張卓鵬

表觀遺傳是指基因的堿基序列不發(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。表觀遺傳不僅是當(dāng)下科學(xué)研究的熱點(diǎn)，而且目前已經(jīng)走進(jìn)了高中生物學(xué)新教材。蜜蜂蜂王與工蜂分化發(fā)育過程中，雌幼蟲蜂王漿的喂食與否，決定了其發(fā)育命運(yùn)的不同，兩者之間存在著巨大的表型差異。現(xiàn)代遺傳學(xué)研究表明，蜜蜂的表觀遺傳與DNA 甲基化密切相關(guān)，涉及基因的選擇性表達(dá)。

1.DNA 甲基化與表觀遺傳

蜜蜂蜂王與工蜂都是由受精卵發(fā)育而來。它們的命運(yùn)差異發(fā)生在出生3 天后，這時(shí)，護(hù)理蜂會(huì)在雌蜂幼蟲中挑選出一小部分個(gè)體繼續(xù)喂食蜂王漿，這些幼蟲將發(fā)育為蜂王；剩下的大部分幼蟲則停喂蜂王漿，改為喂食花粉和花蜜，這些幼蟲將發(fā)育為工蜂（圖1）。蜂王的體積是工蜂的兩倍，壽命更長(zhǎng)，能夠繁育下一代；工蜂體積較小，成日勞作，采集花粉，建筑蜂巢和飼養(yǎng)幼蜂，壽命很短，不具有繁殖能力。

圖1

現(xiàn)代遺傳學(xué)研究表明，表觀遺傳機(jī)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DNA 甲基化是目前研究得最清楚，也是最重要的表觀遺傳修飾形式。甲基化是將活性甲基化合物（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）中的過程。DNA 甲基化是指DNA 序列上特定的堿基在DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMT）的催化作用下添加甲基的過程。DNA 甲基化雖然不改變DNA 序列，但會(huì)導(dǎo)致基因選擇性表達(dá)，甚至相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄沉默。1989 年，英國(guó)生物學(xué)家霍利迪發(fā)表了題為“DNA 甲基化與表觀遺傳機(jī)制”的論文，第一次明確提出了DNA 的甲基化修飾可以穩(wěn)定地控制基因的表達(dá)與否，是基因選擇性表達(dá)的重要機(jī)制。DNA 甲基化在細(xì)胞中普遍存在，在維持細(xì)胞的生長(zhǎng)及代謝等方面有重要作用。研究表明，工蜂大腦細(xì)胞中約有600 個(gè)基因被甲基化，而蜂王大腦細(xì)胞中的基因沒有被甲基化。如果某DNA 片段被甲基化，那么該片段對(duì)應(yīng)的基因功能就會(huì)被抑制。蜜蜂DNA的甲基化是由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMT）來控制的，如果敲除DNMT 基因或破壞幼蟲體內(nèi)表觀遺傳酶（DNMT3），蜜蜂幼蟲細(xì)胞中就會(huì)失去這種酶的作用，幼蟲便會(huì)發(fā)育成蜂王，也就說明，這種作用方式達(dá)到的效果和喂食蜜蜂幼蟲蜂王漿達(dá)到的效果是一樣的（圖2）。

圖2

2.DNA 甲基化相關(guān)試題分析

表觀遺傳學(xué)是近幾年來生命科學(xué)領(lǐng)域迅速發(fā)展的前沿學(xué)科之一，極大地豐富了遺傳信息的內(nèi)容，使遺傳學(xué)向更深層次發(fā)展。高中階段表觀遺傳學(xué)內(nèi)容的教學(xué)不僅僅要立足于讓學(xué)生掌握更多的遺傳學(xué)知識(shí)、完善遺傳知識(shí)體系，更重要的是要發(fā)揮這一內(nèi)容在提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)方面的價(jià)值，即理解科學(xué)本質(zhì)，建立生命觀念。蜜蜂的DNA 甲基化與表觀遺傳便可選作新的試題情境素材，以引導(dǎo)學(xué)生基于情境、問題導(dǎo)向，進(jìn)行深度思維，有助于學(xué)生對(duì)表觀遺傳機(jī)制有更深的了解。

【例1】蜜蜂蜂王與工蜂都是由受精卵發(fā)育而來，但它們?cè)谛螒B(tài)、結(jié)構(gòu)、生理和行為等方面截然不同，表觀遺傳在此方面發(fā)揮了重要作用。少數(shù)幼蟲一直取食蜂王漿而發(fā)育成蜂王，而大多數(shù)幼蟲以花粉和花蜜為食將發(fā)育成工蜂。DNMT3 蛋白是DNMT3 基因表達(dá)的一種DNA 甲基化轉(zhuǎn)移酶，能使DNA 某些區(qū)域添加甲基基團(tuán)（圖3）。敲除DNMT3 基因后，蜜蜂幼蟲將發(fā)育成蜂王，這與取食蜂王漿有相同的效果。下列有關(guān)敘述正確的是 （ ）

圖3

A.被甲基化的DNA 片段中遺傳信息發(fā)生了改變

B.蜂群中蜜蜂幼蟲發(fā)育成蜂王可能與體內(nèi)重要基因是否甲基化有關(guān)

C.DNA 甲基化后可能干擾了RNA 聚合酶等對(duì)DNA 部分區(qū)域的識(shí)別和結(jié)合

D.胞嘧啶和5′甲基胞嘧啶在DNA 分子中都可以與鳥嘌呤配對(duì)

【答案】BCD

【解析】由題干可以理出一條邏輯線索：DNMT3 基因轉(zhuǎn)錄出某種mRNA 再翻譯成DNMT3 蛋白，DNMT3 蛋白作用于DNA 某些區(qū)域使其甲基化，結(jié)果是蜜蜂幼蟲發(fā)育成工蜂。DNA 甲基化并沒有改變DNA 內(nèi)部的堿基排列順序，故未改變DNA 片段中的遺傳信息，A 選項(xiàng)錯(cuò)誤；由“邏輯線索”可推知，敲除DNMT3 基因后，就不能翻譯出DNMT3 蛋白，則DNA 某些區(qū)域沒有被甲基化，蜜蜂幼蟲就不能發(fā)育成工蜂（將發(fā)育成蜂王），B 選項(xiàng)正確；DNA 甲基化后可能干擾了RNA 聚合酶等對(duì)DNA 部分區(qū)域的識(shí)別和結(jié)合，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄和翻譯過程發(fā)生變化，從而使生物表現(xiàn)出不同的性狀，C 選項(xiàng)正確；從圖中“部分被甲基化的DNA 片段”可看出，胞嘧啶和5甲基胞嘧啶在DNA 分子中都可以與鳥嘌呤配對(duì)，D 選項(xiàng)正確。

【例2】在一個(gè)蜂群中，少數(shù)幼蟲一直取食蜂王漿而發(fā)育成蜂王，而大多數(shù)幼蟲以花粉和花蜜為食則發(fā)育成工蜂，這是自然界中一種常見的表觀遺傳現(xiàn)象。DNMT3 蛋白是DNMT3 基因表達(dá)的一種DNA 甲基化轉(zhuǎn)移酶，能使DNA 某些區(qū)域添加甲基基團(tuán)（如圖4 所示）。敲除DNMT3 基因后，蜜蜂幼蟲將發(fā)育成蜂王，這與取食蜂王漿有相同的效果。下列有關(guān)敘述錯(cuò)誤的是 （ ）

圖4

A.DNA 甲基化本質(zhì)上是一種基因突變，從而導(dǎo)致性狀改變

B.蜜蜂幼蟲以花粉和花蜜為食，導(dǎo)致DNMT3 基因被甲基化

C.蜂王漿可能會(huì)使蜂王細(xì)胞中DNMT3 基因的表達(dá)水平下降

D.DNA 甲基化可能干擾了RNA 聚合酶對(duì)DNA 相關(guān)區(qū)域的作用

【答案】AB

【解析】DNA 甲基化為DNA 化學(xué)修飾的一種形式，能夠在不改變DNA 序列的前提下，改變遺傳表現(xiàn)。大量研究表明，DNA 甲基化能引起染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、DNA 構(gòu)象、DNA 穩(wěn)定性及DNA 與蛋白質(zhì)相互作用方式的改變，從而控制基因的表達(dá)。DNA甲基化并沒有改變基因的堿基序列，故沒有發(fā)生基因突變，A 選項(xiàng)錯(cuò)誤；根據(jù)題意分析可知，DNMT3 基因表達(dá)產(chǎn)生的DNMT3 蛋白能夠使得DNA 某些區(qū)域添加甲基基團(tuán)，而DNMT3 基因本身并沒有被甲基化，B 選項(xiàng)錯(cuò)誤；敲除DNMT3 基因后，蜜蜂幼蟲將發(fā)育成蜂王，這與取食蜂王漿有相同的效果，說明蜂王漿可能會(huì)使蜂王細(xì)胞中DNMT3 基因的表達(dá)水平下降，細(xì)胞未出現(xiàn)DNA 甲基化，或DNA 甲基化程度較低，C 選項(xiàng)正確；DNA 甲基化后可能干擾了RNA 聚合酶等對(duì)DNA 部分區(qū)域的識(shí)別和結(jié)合，使得基因的表達(dá)存在差異，D 選項(xiàng)正確。

【例3】蜜蜂受精卵（2n=32）發(fā)育成的幼蟲若持續(xù)食用蜂王漿則發(fā)育為蜂王，否則發(fā)育為工蜂，未受精的卵細(xì)胞發(fā)育成雄蜂。圖5 為雄蜂產(chǎn)生精細(xì)胞過程的示意圖，下列敘述錯(cuò)誤的是 （ ）

圖5

A.減數(shù)第一次分裂前期初級(jí)精母細(xì)胞中的同源染色體聯(lián)會(huì)形成8 個(gè)四分體

B.減數(shù)第一次分裂染色體數(shù)目未減半的原因可能與細(xì)胞未產(chǎn)生正常的紡錘體有關(guān)

C.產(chǎn)生基因型為Aabb 的次級(jí)精母細(xì)胞的原因是該過程中發(fā)生了基因突變

D.蜂王與工蜂發(fā)育過程差異的原因可能是基因在細(xì)胞中的表達(dá)水平受到了環(huán)境影響

【答案】A

【解析】雄蜂是由未受精的卵細(xì)胞直接發(fā)育而來的，因此它的體細(xì)胞（包括其體內(nèi)的精原細(xì)胞）只含有一個(gè)染色體組。但雄蜂精原細(xì)胞在減數(shù)第一次分裂時(shí)出現(xiàn)了單極紡錘體，即只在細(xì)胞的一極發(fā)出星射線構(gòu)成紡錘體，另一極沒有相關(guān)結(jié)構(gòu)。這樣在第一次分裂后期染色體均移向了同一極，且這一極保留有完整的細(xì)胞核，另一極無染色體，最后形成了一個(gè)無核的細(xì)胞質(zhì)芽體和一個(gè)含有完整細(xì)胞核（內(nèi)含16 條染色體）的子細(xì)胞，且含有完整細(xì)胞核的子細(xì)胞內(nèi)并不發(fā)生染色體數(shù)目的減半。減數(shù)第二次分裂時(shí)，則是按正常的方式進(jìn)行，這次分裂實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于一般的有絲分裂，但其細(xì)胞質(zhì)進(jìn)行不均等的分裂——含細(xì)胞質(zhì)多的部分（內(nèi)含16條染色體）將進(jìn)一步發(fā)育成精細(xì)胞，含細(xì)胞質(zhì)少的部分（內(nèi)含16 條染色體）則逐漸退化。雄蜂的一個(gè)初級(jí)精母細(xì)胞，通過這種減數(shù)分裂，結(jié)果只產(chǎn)生一個(gè)精細(xì)胞。這種特殊的減數(shù)分裂叫作“假減數(shù)分裂”。

雄蜂的精原細(xì)胞中只含有一個(gè)染色體組，無同源染色體，因此在減數(shù)第一次分裂的前期不會(huì)發(fā)生同源染色體的聯(lián)會(huì)，也就不存在四分體了，A 選項(xiàng)錯(cuò)誤；正常減數(shù)第一次分裂的后期，同源染色體的兩側(cè)各有紡錘絲相連，在兩極紡錘絲的作用下分別移向細(xì)胞兩極，最終導(dǎo)致同源染色體分開，形成的次級(jí)精母細(xì)胞中染色體數(shù)目減半。由圖5 分析可知：雄蜂的精原細(xì)胞無同源染色體，形成的次級(jí)精母細(xì)胞中染色體數(shù)目也未減半。故推測(cè)，減數(shù)第一次分裂染色體數(shù)目未減半的原因可能與細(xì)胞未產(chǎn)生正常的紡錘體有關(guān)，B 選項(xiàng)正確；假設(shè)該精原細(xì)胞的基因型是Ab（雄蜂是單倍體），則間期發(fā)生染色體復(fù)制后，基因型為AAbb，由于精原細(xì)胞減數(shù)第一次分裂結(jié)束后形成的次級(jí)精母細(xì)胞染色體數(shù)目不變，則次級(jí)精母細(xì)胞的基因型還是AAbb（減數(shù)第二次分裂后期），若基因型變?yōu)锳abb，則一定是由于發(fā)生了基因突變，而不可能是交叉互換，因?yàn)樵摼?xì)胞中無同源染色體，不存在發(fā)生同源染色體上非姐妹染色單體交叉互換的可能，C 選項(xiàng)正確；同樣是受精卵發(fā)育成的幼蟲，如果持續(xù)食用蜂王漿則幼蟲發(fā)育為蜂王，否則發(fā)育為工蜂。據(jù)此可以推測(cè)，蜂王和工蜂在發(fā)育過程中的基因表達(dá)可能受到了食物等環(huán)境因素的影響，使得它們的性狀和功能都發(fā)生了較大的差異，這屬于表觀遺傳現(xiàn)象，D 選項(xiàng)正確。

3.DNA 甲基化與社會(huì)的聯(lián)系

有研究表明，吸煙會(huì)使人的體細(xì)胞內(nèi)DNA 甲基化水平升高，對(duì)染色體上的組蛋白也會(huì)產(chǎn)生影響。不僅如此，還有研究發(fā)現(xiàn)，男性吸煙者的精子活力下降，精子中DNA 甲基化水平明顯升高。教師可以建議學(xué)生查閱相關(guān)資料，結(jié)合表觀遺傳、煙草煙霧中含有的化學(xué)物質(zhì)及其危害等知識(shí)，向親友和周圍人群宣傳戒煙的道理。

【例4】DNA 甲基化是指DNA 序列上特定的堿基在DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMT）的催化作用下添加甲基，導(dǎo)致相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄沉默。DNA 甲基化在細(xì)胞中普遍存在，對(duì)維持細(xì)胞的生長(zhǎng)及代謝等是必需的。圖6 中甲、乙分別表示DNMT 基因表達(dá)的兩個(gè)過程，a、b、c、d 代表相關(guān)物質(zhì)，據(jù)圖回答：

圖6

細(xì)胞中DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶增多，抑癌基因異常甲基化是引起細(xì)胞癌變的原因之一。一種肺細(xì)胞的癌變是由ASPP 基因（一種抑癌基因）甲基化引起的，則與正常細(xì)胞相比，該癌細(xì)胞中DNMT 基因和ASPP 基因轉(zhuǎn)錄的mRNA 含量分別會(huì)___________、____________。

【答案】增加 減少

【解析】DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶由DNMT 基因表達(dá)產(chǎn)生，癌細(xì)胞中DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶增多，故DNMT 基因轉(zhuǎn)錄的mRNA 含量增加；抑癌基因主要作用是阻止細(xì)胞不正常的增殖，抑癌基因異常甲基化是引起細(xì)胞癌變的原因之一，故癌細(xì)胞中ASPP 基因轉(zhuǎn)錄的mRNA 含量會(huì)減少。

綜上分析，可得出：蜜蜂的表觀遺傳與DNA 甲基化密切相關(guān)，DNA 甲基化并沒有改變基因的堿基排列順序，不屬于基因突變。DNA 甲基化往往會(huì)導(dǎo)致相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄沉默，這涉及基因的選擇性表達(dá)。表觀遺傳現(xiàn)象普遍存在于生物體的整個(gè)生命活動(dòng)過程中，表觀遺傳機(jī)制除涉及DNA 甲基化外，還涉及組蛋白修飾、染色質(zhì)重構(gòu)和非編碼RNA 的調(diào)控等，其中更多的生物遺傳奧秘有待人們進(jìn)一步探索發(fā)現(xiàn)。