表觀遺傳的概念延伸及拓展練習(xí)

宋培培 余中賓

(安徽省淮南第一中學(xué))

聚焦大概念是《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》基本理念之一,旨在讓學(xué)生能夠深刻理解和應(yīng)用重要的生物學(xué)概念?！斑z傳信息控制生物性狀,并代代相傳”是模塊2 《遺傳與進(jìn)化》的大概念之一。遺傳信息的載體主要是DNA,DNA獨(dú)特的雙螺旋結(jié)構(gòu)保證了復(fù)制的準(zhǔn)確進(jìn)行并遺傳給下一代;遺傳信息通過(guò)表達(dá)的蛋白質(zhì)控制生物性狀。近年來(lái),越來(lái)越多的證據(jù)表明,除去基因(堿基排序)之外,還存在一系列復(fù)雜和精細(xì)的調(diào)控機(jī)制影響著性狀的形成,即表觀遺傳學(xué)。深刻分析并延伸表觀遺傳概念,使學(xué)生認(rèn)識(shí)到遺傳信息的調(diào)控機(jī)制和遺傳信息本身一樣能夠控制生物性狀并代代相傳,促使學(xué)生在“經(jīng)典遺傳學(xué)”基礎(chǔ)上深刻理解基因遺傳、表達(dá)與性狀的關(guān)系,有利于拓展學(xué)生對(duì)大概念的認(rèn)識(shí)深度。

1.經(jīng)典遺傳學(xué)與表觀遺傳學(xué)的關(guān)聯(lián)

孟德?tīng)柕倪z傳規(guī)律和摩爾根的連鎖定律是經(jīng)典遺傳學(xué)的重要組成部分,主要強(qiáng)調(diào)基因型決定表型,其實(shí)質(zhì)是通過(guò)親、子代表型及比例反映出控制性狀的基因在有性配子傳遞過(guò)程的規(guī)律和特點(diǎn)。因此,經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為一旦基因中堿基序列改變(如基因突變等)引起基因功能的變化,就會(huì)導(dǎo)致表型發(fā)生可遺傳的變化。相反的,表觀遺傳學(xué)是指在基因的DNA序列沒(méi)有發(fā)生改變的情況下,基因功能發(fā)生了可遺傳的變化,最終表型發(fā)生變化。從表型變異角度看,經(jīng)典遺傳學(xué)強(qiáng)調(diào)生物的可遺傳變異是生物的遺傳物質(zhì)發(fā)生改變導(dǎo)致的,而表觀遺傳學(xué)強(qiáng)調(diào)某些變異發(fā)生后,生物的DNA序列沒(méi)有改變,并且這些變異是可以遺傳給后代的,這些遺傳現(xiàn)象叫表觀遺傳現(xiàn)象。若從基因型種類(lèi)及比例來(lái)考慮,經(jīng)典遺傳學(xué)和表觀遺傳學(xué)都是通過(guò)DNA分子復(fù)制和減數(shù)分裂將遺傳物質(zhì)“代代相傳”,表觀遺傳學(xué)符合經(jīng)典遺傳學(xué)的遺傳規(guī)律。與經(jīng)典遺傳學(xué)中強(qiáng)調(diào)遺傳物質(zhì)本身重要性的不同,表觀遺傳學(xué)凸顯了基因和性狀的關(guān)系,強(qiáng)調(diào)了基因表達(dá)過(guò)程的調(diào)節(jié)機(jī)制對(duì)性狀改變的作用,是經(jīng)典遺傳學(xué)的繼承和發(fā)展。

拓展練習(xí)1.下列關(guān)于基因和性狀的關(guān)系說(shuō)法錯(cuò)誤的是

( )

A.基因可以通過(guò)控制蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)直接控制生物體的性狀

B.基因、基因產(chǎn)物和環(huán)境之間相互作用共同調(diào)控生物的性狀

C.表觀遺傳中,核內(nèi)遺傳物質(zhì)在親子代之間傳遞不再遵循孟德?tīng)栠z傳規(guī)律

D.表觀遺傳認(rèn)為,基因在轉(zhuǎn)錄和翻譯過(guò)程中發(fā)生了一些穩(wěn)定性的改變

答案：C

2.表觀遺傳影響性狀的機(jī)制

2.1 DNA甲基化

DNA甲基化是指在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMT)的作用下,DNA分子中CG兩個(gè)核苷酸的胞嘧啶被選擇性地添加甲基,形成5-甲基胞嘧啶。在基因的5′調(diào)控區(qū)常常存在CG的重復(fù)排列,即CG島。這些CG島往往位于DNA大溝里,一旦甲基化后就會(huì)改變DNA的構(gòu)象,會(huì)阻礙一些轉(zhuǎn)錄因子及RNA聚合酶對(duì)基因啟動(dòng)子的識(shí)別與結(jié)合,從而降低基因的轉(zhuǎn)錄活性;甚至,甲基化DNA會(huì)吸引一些相關(guān)蛋白質(zhì)結(jié)合到啟動(dòng)子區(qū)域,壓縮染色質(zhì)的結(jié)構(gòu),最終表現(xiàn)出基因沉默。甲基化的DNA在復(fù)制過(guò)程中,DNMT可以識(shí)別新產(chǎn)生的雙鏈DNA的親代鏈上甲基化位點(diǎn),并將子鏈的對(duì)應(yīng)位置的胞嘧啶進(jìn)行甲基化,實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的“甲基化記憶”,確保在細(xì)胞間傳遞下去。

拓展練習(xí)2.一個(gè)蜂群中,蜂王和工蜂都是由受精卵發(fā)育來(lái)的。如果幼蟲(chóng)一直取食蜂王漿則發(fā)育成蜂王,而大多數(shù)幼蟲(chóng)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)。敲除DNMT3基因后,蜜蜂幼蟲(chóng)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

( )

A.被甲基化的DNA片段中遺傳信息發(fā)生改變,從而使生物的性狀發(fā)生改變

B.蜂群中蜜蜂幼蟲(chóng)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(niǎo)嘌呤配對(duì)

答案：A

2.2 組蛋白的修飾和染色質(zhì)重塑

真核細(xì)胞的核DNA會(huì)與組蛋白結(jié)合形成核小體,核小體是染色體的基本單位。組蛋白上的一些氨基酸殘基,尤其是賴氨酸、精氨酸,都可以被修飾,包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等。組蛋白修飾會(huì)影響組蛋白與DNA雙鏈的結(jié)合,進(jìn)而影響基因的表達(dá)。與DNA甲基化結(jié)果有所不同的是,組蛋白修飾可能與基因轉(zhuǎn)錄激活有關(guān),也可能抑制基因表達(dá)。例如,組蛋白中H3的賴氨酸甲基化會(huì)吸引影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)蛋白,從而打開(kāi)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)并激活轉(zhuǎn)錄和阻止某些抑制復(fù)合物的結(jié)合,促進(jìn)基因表達(dá);也可能會(huì)吸引異染色質(zhì)蛋白與之結(jié)合,導(dǎo)致染色質(zhì)高度螺旋化而抑制基因表達(dá);組蛋白乙?；饕侵冈诮M蛋白N端的賴氨酸添加乙?；鶊F(tuán),通過(guò)屏蔽組蛋白中堿性氨基酸殘基的正電荷,使帶負(fù)電的DNA分子與組蛋白的纏繞松開(kāi),方便了轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶識(shí)別和結(jié)合DNA,提高轉(zhuǎn)錄的效率。

拓展練習(xí)3.新型化合物XP-524能阻斷兩種表觀遺傳調(diào)節(jié)子BET蛋白和組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(EP300)的功能,可以解除對(duì)染色質(zhì)的凝聚作用并促進(jìn)相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄。該機(jī)理應(yīng)用到臨床上可以幫助治療胰腺導(dǎo)管腺癌。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是

( )

A.BET蛋白和EP300發(fā)揮作用時(shí)基因的堿基序列發(fā)生改變

B.BET蛋白和EP300會(huì)導(dǎo)致基因表達(dá)和表型發(fā)生可遺傳的變化

C.染色質(zhì)凝聚后高度螺旋化的DNA不能解旋從而抑制了相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄

D.XP-524可能通過(guò)促進(jìn)抑癌基因表達(dá)幫助治療胰腺導(dǎo)管腺癌

答案：A

染色質(zhì)重塑是一種染色體結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程,在染色質(zhì)重塑復(fù)合體的作用下,組蛋白核心八聚體(由組蛋白H2A、H2B、H3和H4構(gòu)成)可以與DNA暫時(shí)脫離,或者使核小體核心沿DNA滑動(dòng)而改變位置,或者促進(jìn)異染色質(zhì)的形成。染色質(zhì)重塑過(guò)程中,核小體滑動(dòng)可能是一種重要機(jī)制,它不改變核小體結(jié)構(gòu),但改變核小體與DNA的結(jié)合位置,影響了有關(guān)基因的表達(dá)。

2.3 RNA甲基化和RNA介導(dǎo)的基因沉默

RNA甲基化主要是指第6號(hào)位腺嘌呤的甲基化,可以吸引RNA結(jié)合蛋白與RNA結(jié)合并抑制其被降解,有利于相關(guān)蛋白的翻譯,提高蛋白質(zhì)的翻譯效率。

RNA介導(dǎo)的基因沉默首先是在植物中觀察到的,后來(lái)科學(xué)家法爾和梅洛等將與某個(gè)基因同源的正義鏈RNA和反義鏈RNA混合注入秀麗隱桿線蟲(chóng)中,發(fā)現(xiàn)只需要幾分子的雙鏈RNA就能完全阻斷線蟲(chóng)一個(gè)細(xì)胞內(nèi)該基因的表達(dá),即RNA干擾。RNA干擾就是指與靶基因序列同源的雙鏈非編碼RNA所誘導(dǎo)的一種序列特異性轉(zhuǎn)錄后基因沉默現(xiàn)象。非編碼RNA指不能翻譯為蛋白質(zhì)的,具有調(diào)控基因表達(dá)或者異染色體形成的作用,包括miRNA、siRNA和piRNA。

拓展練習(xí)4.RNA干擾機(jī)制如下:雙鏈RNA一旦進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)就會(huì)被一個(gè)稱(chēng)為Dicer的特定酶切割成21～23個(gè)核苷酸長(zhǎng)的小分子干涉RNA(SiRNA)。Dicer酶能特異識(shí)別雙鏈RNA,以ATP依賴方式切割由外源導(dǎo)入或者由轉(zhuǎn)基因、病毒感染等各種方式引入的雙鏈RNA,切割產(chǎn)生的SiRNA片段與一系列酶結(jié)合組成誘導(dǎo)沉默復(fù)合體(RISC)。激活的RISC通過(guò)堿基配對(duì)結(jié)合到與SiRNA同源的mRNA上,并切割該mRNA,造成蛋白質(zhì)無(wú)法合成(如圖所示)。據(jù)圖回答下列問(wèn)題:

(1)組成雙鏈RNA的基本單位是。

(2)根據(jù)RNA干擾機(jī)理,RISC能使相關(guān)基因“沉默”,其實(shí)質(zhì)是遺傳信息傳遞中________過(guò)程受阻。

(3)通過(guò)Dicer切割形成的SiRNA,能使基因“沉默”,原因是。

(4)有科學(xué)家將能引起RNA干擾的雙鏈RNA的兩條單鏈分別注入細(xì)胞,結(jié)果卻沒(méi)有引起RNA干擾現(xiàn)象,請(qǐng)據(jù)圖分析最可能的原因____________________。

(5)RNA干擾技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景,根據(jù)RNA干擾技術(shù)原理,嘗試寫(xiě)出治療乙型肝炎的大致方案____________________________________________________________。

答案：(1)核糖核苷酸 (2)翻譯 (3)SiRNA上有與mRNA互補(bǔ)配對(duì)的堿基序列 (4)Dicer酶只能識(shí)別雙鏈RNA,不能識(shí)別單鏈RNA (5)可以先分析乙肝病毒基因中的脫氧核苷酸序列,據(jù)此通過(guò)人工合成與之相應(yīng)的雙鏈RNA,注入被乙肝病毒感染的細(xì)胞,抑制乙肝病毒的繁殖

3.表觀遺傳的遺傳特點(diǎn)

3.1 基因組印記

騾和驢騾都是驢和馬的雜交后代,前者是雄驢和雌馬的雜交,后者相反。它們的差異是一種源自不同性別親本的基因表達(dá)不同導(dǎo)致的表觀遺傳現(xiàn)象,叫作基因組印記?；蚪M印記在生物界普遍存在,往往是在原始生殖細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中,原有的所有印記被去除,然后在配子形成過(guò)程中根據(jù)親本來(lái)源決定基因是否重新印記。例如,所有雌配子的某基因不會(huì)被甲基化,所有雄配子中該基因就會(huì)被甲基化修飾。即使雄配子含顯性基因,但由于該基因來(lái)自父本而被甲基化(印記基因),會(huì)導(dǎo)致其不表達(dá)而使后代可表現(xiàn)出隱性性狀;如果親本都是雜合子,那么后代中有一半雜合子會(huì)表現(xiàn)為隱性性狀,則后代中性狀分離比不是3∶1,而是1∶1。一般情況下,每個(gè)印記基因的印記在親代減數(shù)分裂過(guò)程中形成,保留在個(gè)體整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育中,故出現(xiàn)了含有顯性基因但不能表現(xiàn)顯性性狀的遺傳特點(diǎn),直到下一代根據(jù)親本來(lái)源重新標(biāo)記。

拓展練習(xí)5.小鼠的體色黃色對(duì)灰色是顯性,分別受常染色體上一對(duì)等位基因A、a控制。在小鼠體色的遺傳過(guò)程中,由于“基因印記”會(huì)導(dǎo)致來(lái)自某親本的基因A被甲基化而不能表達(dá)。下列相關(guān)敘述正確的是

( )

A.體色黃色的小鼠不一定是純合子,灰色的小鼠一定是純合子

B.基因型為Aa的雌雄小鼠雜交,子代性狀分離比是3∶1

C.可通過(guò)測(cè)交實(shí)驗(yàn)判斷被“印記”的基因A來(lái)自哪個(gè)親本

D.若“印記”基因A來(lái)自母本,母本體色一定是黃色

答案：C

3.2 環(huán)境因素對(duì)表觀遺傳的影響

研究發(fā)現(xiàn),環(huán)境因素不僅會(huì)通過(guò)改變遺傳物質(zhì),使性狀改變,還會(huì)引起DNA的甲基化和組蛋白的修飾。例如,親本的生活經(jīng)歷(如環(huán)境因素作用)會(huì)在遺傳物質(zhì)上留下相應(yīng)印記,并可傳遞給子代,使幼體并沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)也會(huì)出現(xiàn)與親本一樣的應(yīng)激反應(yīng)。例如,小鼠在聞到以前給予其親本電擊而產(chǎn)生恐懼感的氣味時(shí),會(huì)表現(xiàn)出恐懼;用甲基化飼料飼喂動(dòng)物,會(huì)引起后代甲基化水平升高,引起后代性狀改變。

拓展練習(xí)6.科學(xué)家發(fā)現(xiàn)用富含甲基的補(bǔ)充飼料飼喂動(dòng)物,后代會(huì)由于甲基化水平升高而引起性狀改變,并且甲基化會(huì)隨著DNA的復(fù)制而遺傳。已知小鼠的體色黃色對(duì)灰色是受等位基因A和a控制的一對(duì)相對(duì)性狀,為了驗(yàn)證小鼠的體色是否受所喂的飼料影響并遺傳,科學(xué)家將即將受孕的小鼠分為兩組,對(duì)照組孕鼠只喂普通的標(biāo)準(zhǔn)飼料,實(shí)驗(yàn)組的小鼠在受孕前兩周飼喂添加了富含甲基的葉酸、乙酰膽堿等標(biāo)準(zhǔn)飼料。請(qǐng)根據(jù)下列雜交組合結(jié)果回答問(wèn)題:

實(shí)驗(yàn)1:黃色×灰色→灰色(只喂標(biāo)準(zhǔn)飼料);

實(shí)驗(yàn)2:黃色×黃色→黃色(只喂標(biāo)準(zhǔn)飼料);

實(shí)驗(yàn)3:黃色×黃色→棕褐色(除標(biāo)準(zhǔn)飼料外,加了甲基葉酸、乙酰膽堿等)。

(1)體色的黃色和灰色這對(duì)相對(duì)性狀中,________為顯性性狀,實(shí)驗(yàn)1親本的基因型是________。

(2)實(shí)驗(yàn)3子代中出現(xiàn)了棕褐色可能的原因是____________________________________________________________。

(3)請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)方案驗(yàn)證你的解釋:________________________________________。

答案：(1)灰色 aa、AA (2)喂養(yǎng)的飼料引起小鼠出現(xiàn)新的性狀是由于小鼠體內(nèi)甲基化引起的,會(huì)遺傳給下一代 (3)F1棕褐色小鼠雌雄相互交配,孕期只喂標(biāo)準(zhǔn)飼料,若后代全為棕褐色,則說(shuō)明棕色性狀是因?yàn)閭€(gè)體DNA甲基化水平升高,引起后代性狀改變,甲基化可隨DNA的復(fù)制而遺傳

3.3 劑量補(bǔ)償效應(yīng)

劑量補(bǔ)償效應(yīng)指的是在XY性別決定機(jī)制的生物中,使性染色體上的基因在兩種性別中有相等或近乎相等有效劑量的遺傳效應(yīng)。比如在哺乳動(dòng)物中,細(xì)胞質(zhì)某些調(diào)節(jié)物質(zhì)能使雌性動(dòng)物兩條X染色體中的一條高度壓縮成致密結(jié)構(gòu)的巴氏小體而失活,也就只有一條X染色體具有活性,就使得雌、雄動(dòng)物之間雖然X染色體的數(shù)量不同,但是X染色體上基因產(chǎn)物的劑量是平衡的。而在果蠅中,雄性單條X染色體轉(zhuǎn)錄率加倍,這樣雄果蠅雖然只有一條X染色體,但表達(dá)的量與雌果蠅兩條X染色體表達(dá)的量相近,達(dá)到劑量平衡。例如,兩條X染色體各自含有控制不同毛色基因的雌貓?jiān)谠缙谂咛グl(fā)育過(guò)程中,胚胎細(xì)胞發(fā)生的X染色體失活成巴氏小體是隨機(jī)的,在不同皮毛細(xì)胞中都只有沒(méi)有失活的那條X染色體上控制毛色的基因表達(dá),從而出現(xiàn)了黑黃相間的性狀,這也進(jìn)一步說(shuō)明了這種抑制性的表觀修飾具有持續(xù)性。

拓展練習(xí)7.在哺乳動(dòng)物的體細(xì)胞中,雌性兩條X染色體中一條會(huì)失活導(dǎo)致其上的基因被關(guān)閉,而雄性的單條X染色體保持活性。另外,雌性哺乳動(dòng)物體細(xì)胞中X染色體的失活遵循n-1規(guī)律:不管有多少條X染色體,除了一條以外其余的都失活,失活的X染色體形成高度壓縮致密的結(jié)構(gòu),稱(chēng)作巴氏小體。已知控制貓毛皮顏色的基因A(黃色)、a(黑色)位于X染色體上,雄性家貓的皮毛顏色只有黑色和黃色,雌性有黑色、黃色和黑黃花斑三種。根據(jù)以上信息,回答下列問(wèn)題:

(1)貓毛色為黑黃花斑的個(gè)體的基因型為,

其表現(xiàn)為黑黃花斑的原因是____________________。

(2)巴氏小體能用來(lái)區(qū)分正常貓的性別,理由是________________________________________。

(3)性染色體組成為XXX的雌貓,其體細(xì)胞細(xì)胞核中應(yīng)有________個(gè)巴氏小體高度螺旋化的染色體上的基因由于________過(guò)程受阻而不能表達(dá)。

(4)讓黑色雌貓與黃色雄貓雜交,得到子一代,若子一代雌雄個(gè)體雜交,偶然出現(xiàn)了一只黃色和黑色相間的雄貓,則該雄貓的基因型為_(kāi)_______;產(chǎn)生該貓是由于其________(填“父方”或“母方”)形成了異常的生殖細(xì)胞,導(dǎo)致這種異常生殖細(xì)胞的原因是。

若此貓具有正常的繁殖能力,且在形成生殖細(xì)胞時(shí),失活的X染色體可得到恢復(fù),它與一只黑色雌貓雜交得到的子代全部成活,則子代中黑黃花斑的雌性個(gè)體的比例為_(kāi)_______。

答案：(1)XAXa基因是雜合子,同時(shí)表現(xiàn)為A基因控制的黃色和a基因控制的黑色 (2)正常雌貓?bào)w細(xì)胞會(huì)有一個(gè)巴氏小體,而雄性個(gè)體體內(nèi)只有一條X染色體,不會(huì)有巴氏小體 (3)2 轉(zhuǎn)錄 (4)XAXaY 父方 減數(shù)第一次分裂同源染色體未分離 1/3

總之,在經(jīng)典遺傳學(xué)和DNA甲基化、組蛋白修飾等調(diào)控機(jī)制基礎(chǔ)上,對(duì)表觀遺傳的概念和遺傳特點(diǎn)進(jìn)行拓展和總結(jié),并利用習(xí)題進(jìn)行深刻剖析,有助于學(xué)生理解基因的選擇性表達(dá);對(duì)表觀遺傳這一重要概念的理解和重建,有利于學(xué)生全面認(rèn)識(shí)基因、環(huán)境與性狀之間關(guān)系的復(fù)雜性和生物遺傳的復(fù)雜多樣,發(fā)展學(xué)生遺傳與進(jìn)化的生命觀念。