例析高中遺傳試題中的表觀遺傳學(xué)概念

馮艷萍

(廣東省茂名市信宜中學(xué) 525300)

經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為： 遺傳信息儲(chǔ)存于核酸序列中，并通過(guò)生殖將遺傳信息傳遞給下一代。它所揭示的“基因型決定表型”的遺傳模式被廣泛認(rèn)知。表觀遺傳學(xué)研究基因組DNA序列未發(fā)生變化，而基因表達(dá)及基因功能的誘導(dǎo)和維持卻發(fā)生可遺傳變化。

下面一道全國(guó)卷模擬題中以表觀遺傳學(xué)為背景材料，讓學(xué)生覺得困惑，他們認(rèn)為與現(xiàn)代遺傳學(xué)矛盾。筆者嘗試為學(xué)生弄清題目背景，探究表觀遺傳學(xué)與現(xiàn)代遺傳學(xué)的聯(lián)系。

1 試題及分析

1.1 原題(全國(guó)卷模擬題)小鼠體色的黃色和灰色是一對(duì)相對(duì)性狀，受一對(duì)等位基因A、a控制。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)用甲基化飼料飼喂的動(dòng)物，其后代甲基化水平升高，引起后代性狀改變，甲基化點(diǎn)可隨DNA的復(fù)制而遺傳。科學(xué)家要驗(yàn)證小鼠的體色是否受所喂的飼料影響，是否會(huì)遺傳給下一代?其中實(shí)驗(yàn)組除喂標(biāo)準(zhǔn)飼料外，從受孕前兩周起還添加了富含甲基的葉酸、乙酰膽堿等補(bǔ)充飼料，而對(duì)照組孕鼠只喂標(biāo)準(zhǔn)飼料。請(qǐng)根據(jù)下列雜交組合及雜交結(jié)果回答問(wèn)題。

實(shí)驗(yàn)小組做了如下實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)1： 黃色×灰色→F1灰色 (只喂標(biāo)準(zhǔn)飼料)

實(shí)驗(yàn)2： 黃色×黃色→F1黃色 (只喂標(biāo)準(zhǔn)飼料)

實(shí)驗(yàn)3： 黃色×黃色→F1棕褐色 (除標(biāo)準(zhǔn)飼料，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組親本的基因型是 。

(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： 。

參考答案： (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)DNA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，后代全為棕褐色，說(shuō)明新增性狀是因?yàn)閭€(gè)體DNA甲基化水平升高，引起后代性狀改變，甲基化點(diǎn)可隨DNA的復(fù)制而遺傳。

1.2 試題剖析 本題重點(diǎn)考的是以表觀遺傳學(xué)為背景的內(nèi)容，因?yàn)楸碛^遺傳學(xué)學(xué)生并沒有接觸過(guò)，本題沒有要求學(xué)生解釋表觀遺傳學(xué)的內(nèi)涵而重在考查學(xué)生從題目獲取信息的能力。考生只要認(rèn)真讀題、審題，抓住題眼，正確作答應(yīng)該不難。題干中“甲基化飼料飼喂動(dòng)物，會(huì)發(fā)現(xiàn)其后代甲基化水平升高，引起后代性狀改變，甲基化點(diǎn)可隨DNA的復(fù)制而遺傳”表明棕褐色性狀的出現(xiàn)是因?yàn)楦缓谆娘暳弦餌NA甲基化，甲基化引起的性狀改變是可以遺傳的，但小鼠的遺傳物質(zhì)并沒有改變。

1.3 學(xué)生之惑 甲同學(xué)的答案： (1) 灰色 AA aa (2) 喂養(yǎng)的飼料引起小鼠出現(xiàn)新的性狀，但這新的性狀不會(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)飼料后代全為黃色，說(shuō)明新增性狀只是環(huán)境引起不會(huì)遺傳給下一代。乙同學(xué)的答案： (1) 灰色 AA aa (2) 喂養(yǎng)的飼料引起小鼠發(fā)生基因突變，這新的性狀會(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)飼料后代黃色和棕褐色，說(shuō)明新增性狀是基因突變引起會(huì)遺傳給下一代。

從以上典型的答案可以看出，很多學(xué)生會(huì)被自己的慣性思維捆綁： 在傳統(tǒng)的遺傳學(xué)理論中，生物性狀由基因+環(huán)境共同決定的，新性狀的出現(xiàn)是因?yàn)榛蛲蛔兊慕Y(jié)果，而環(huán)境引起的性狀改變并不會(huì)遺傳給下一代。如甲同學(xué)會(huì)認(rèn)為新的性狀是由于環(huán)境影響的并不會(huì)遺傳給下一代，而乙同學(xué)則認(rèn)為新的性狀的出現(xiàn)是因?yàn)槌霈F(xiàn)了基因突變，a→A1，而A1棕褐色對(duì)a黃色為顯性。由于學(xué)生缺乏表觀遺傳學(xué)的知識(shí)，又不能準(zhǔn)確捕捉題干的信息，認(rèn)為題干與傳統(tǒng)遺傳學(xué)相矛盾，所以仍然以自己所學(xué)的知識(shí)答題。

2 命題背景的實(shí)質(zhì)——表觀遺傳學(xué)理論中的DNA甲基化現(xiàn)象

表觀遺傳學(xué)的研究主要集中在三大方面： DNA甲基化修飾、組蛋白修飾以及非編碼RNA的調(diào)控作用。

2.1 實(shí)驗(yàn)背景 以基因型為aa的母鼠及其孕育的基因型為Aa的仔鼠作實(shí)驗(yàn)對(duì)象。孕鼠分為兩組，實(shí)驗(yàn)組孕鼠除喂以標(biāo)準(zhǔn)飼料外，從受孕前兩周起還增加富含甲基的葉酸、乙酰膽堿等補(bǔ)充飼料，而對(duì)照組孕鼠只喂飼標(biāo)準(zhǔn)飼料。

結(jié)果實(shí)驗(yàn)組孕鼠產(chǎn)下的仔鼠大多數(shù)在身體的不同部位出現(xiàn)了大小不等的棕色斑塊，甚至出現(xiàn)了以棕褐色為主要毛色的小鼠。而對(duì)照組孕鼠的仔鼠大多數(shù)為黃色。分析表明： 喂以富甲基飼料的孕鼠所產(chǎn)仔鼠的IAP所含CpG島的甲基化平均水平遠(yuǎn)高于對(duì)照組，轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)的高甲基化使原該呈異位表達(dá)的基因趨于沉默，毛色也趨于棕褐色。

2.2 DNA甲基化的遺傳機(jī)制 DNA甲基化是研究得最清楚、也是最重要的表觀遺傳修飾形式，主要是基因組DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基間的共價(jià)結(jié)合，胞嘧啶由此被修飾為5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine， 5mC)。

大多數(shù)脊椎動(dòng)物基因組DNA都有少量的甲基化胞嘧啶，主要集中在基因5′端的非編碼區(qū)，并成簇存在。甲基化位點(diǎn)可隨DNA的復(fù)制而遺傳，因?yàn)镈NA復(fù)制后，甲基化酶可將新合成的未甲基化的位點(diǎn)進(jìn)行甲基化。

DNA的甲基化可引起基因的失活，DNA甲基化導(dǎo)致某些區(qū)域DNA構(gòu)象變化，從而影響了蛋白質(zhì)與DNA的相互作用，甲基化達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)發(fā)生從常規(guī)的B-DNA向Z-DNA的過(guò)渡，由于Z-DNA結(jié)構(gòu)收縮，螺旋加深，使許多蛋白質(zhì)因子賴以結(jié)合的原件縮入大溝而不利于轉(zhuǎn)錄的起始，導(dǎo)致基因失活。

序列特異性甲基化結(jié)合蛋白(MBD/MeCP)可與啟動(dòng)子區(qū)的甲基化CpG島結(jié)合，阻止轉(zhuǎn)錄因子與啟動(dòng)子作用，從而阻抑基因轉(zhuǎn)錄過(guò)程。

3 解惑——表觀遺傳學(xué)與現(xiàn)代遺傳學(xué)的聯(lián)系

經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為，遺傳信息儲(chǔ)存于核酸序列中，并通過(guò)生殖將遺傳信息傳遞給下一代。它所揭示的“基因型決定表型”的遺傳模式被廣泛認(rèn)知。然而，不符合此模式的遺傳現(xiàn)象卻一直困擾著遺傳學(xué)研究者。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了存在于DNA之外的且能夠遺傳給后代的生物學(xué)信息，這些可遺傳的信息和DNA相互作用，共同決定生物的表型，這其中的秘密就是表觀遺傳學(xué)要研究的內(nèi)容。

3.1 遺傳學(xué)和表觀遺傳學(xué)有共同的理論基礎(chǔ) 在整個(gè)生命過(guò)程中，遺傳學(xué)信息提供了合成包括表觀遺傳學(xué)修飾在內(nèi)的各種蛋白質(zhì)的藍(lán)圖，而表觀遺傳學(xué)信息調(diào)控著適當(dāng)?shù)囊唤M表達(dá)基因及其表達(dá)的程度，即表觀遺傳學(xué)信息提供何時(shí)、何地和怎樣地應(yīng)用遺傳學(xué)信息的指令。在整個(gè)生命過(guò)程中，表觀遺傳學(xué)機(jī)制能對(duì)激素、生長(zhǎng)因子等調(diào)節(jié)分子傳遞的環(huán)境信息在不改變DNA序列的情況下作出反應(yīng)。

因此，只有兩者彼此協(xié)同，生命過(guò)程才能按序正常進(jìn)行，否則就會(huì)出現(xiàn)異常。由此可見，遺傳學(xué)和表觀遺傳學(xué)系統(tǒng)既相區(qū)別、彼此影響，又相輔相成，共同確保細(xì)胞的正常功能。

3.2 表觀遺傳學(xué)是現(xiàn)代遺傳學(xué)與環(huán)境作用的結(jié)果 表觀遺傳學(xué)是研究基因組DNA序列未發(fā)生變化，而基因表達(dá)及基因功能的誘導(dǎo)和維持卻發(fā)生可遺傳變化的科學(xué)。從現(xiàn)在的研究情況來(lái)看，這些變化主要集中在三大方面： DNA甲基化修飾、組蛋白修飾以及非編碼RNA的調(diào)控作用。這三個(gè)方面各自影響特有的表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象，而且它們還相互作用，共同決定復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程。因此，表觀遺傳學(xué)也可理解為環(huán)境和遺傳相互作用的一門學(xué)科。

3.3 表觀遺傳學(xué)的研究對(duì)現(xiàn)代遺傳學(xué)的意義 表觀遺傳學(xué)補(bǔ)充了“中心法則”忽略的兩個(gè)問(wèn)題： 即哪些因素決定了基因的正常轉(zhuǎn)錄和翻譯，以及核酸并不是存儲(chǔ)遺傳信息的唯一載體；在分子水平上，表觀遺傳學(xué)解釋了DNA序列所不能解釋的諸多奇怪的現(xiàn)象。如同一對(duì)等位基因可因親源性別不同而產(chǎn)生不同的基因印記疾病，疾病嚴(yán)重程度也可因親源性別而異。可見，表觀遺傳學(xué)與現(xiàn)代遺傳學(xué)一樣，是生物生長(zhǎng)、發(fā)育、遺傳和進(jìn)化等基本生物學(xué)過(guò)程不可缺少的組成部分。