高中生物新教材中表觀遺傳分子機制的教學建議

莊定國

摘? ?要：表觀遺傳加入新教材有其必要性，但表觀遺傳分子機制的陌生與繁難是一線教師需要面對的問題。通過建立基因啟動子、染色質結構、反義基因等原教材已有知識與表觀遺傳分子機制的聯系，通過簡易物理模型制作與創建真實情境，可以使學生初步但全面的認識表觀遺傳的分子機制。

關鍵詞：高中生物;表觀遺傳;分子機制;教學建議

對表觀遺傳分子機制的研究及成果是推動20世紀80年代后表觀遺傳學發展的真正動力。在此之前很多經典遺傳學無法完美解釋的問題都被簡單的歸為特例。DNA甲基化，染色體組蛋白修飾，非編碼RNA作用等機制的發現和深入研究，使得這些現象得到合理的解釋。隨著表觀遺傳學的快速發展，研究者發現表觀遺傳現象廣泛的存在于各種生命活動中，包括細胞的分化、癌變，個體的生長發育，生物的遺傳和進化等等。表觀遺傳已經不再是特例，與生活健康領域，如包括癌癥在內的很多疾病也關系密切。因而新教材引入表觀遺傳不僅是對生物學發展的順應，也是學生個人素養發展的需求。

對表觀遺傳機制的學習不僅能使學生科學、客觀地看待表觀遺傳現象，也能夠與經典遺傳學在基因表達的層次上獲得統一。但表觀遺傳機制的內容陌生而繁難，要如何讓學生初步但全面的認識表觀遺傳的分子機制？筆者將簡述如何聯系高中生物學所學內容，幫助學生解決知識的陌生帶來的問題，并通過模型建構與真實情境化繁為簡。

1? DNA甲基化與基因啟動子

DNA甲基化是一種在真核與原核細胞中普遍存在的表觀修飾，研究最早，成果也最多。在不同生物中，DNA甲基化的方式和作用都存在差異。哺乳動物與植物的DNA甲基化發生在胞嘧啶的5號C原子上，在DNA雙螺旋的內側，其中哺乳動物的DNA甲基化發生在CpG雙核苷酸上[ 1 ]。

DNA甲基化通常被認為與基因表達的抑制有關，但是不能簡單認為只要基因中含有甲基化的序列就不能表達。隨著對DNA甲基化的研究越來越深入，發現甲基化普遍存在于DNA 中，例如人體基因組的CpG有70%以上處于甲基化狀態[ 1 ]。甚至不能簡單地說DNA甲基化程度越高，基因表達程度就越低。DNA甲基化對基因表達的作用與甲基化所在的基因結構區域有關，與甲基化程度有關，在不同物種間也存在差異。目前較為確定且易于高中學生學習的是脊椎動物CpG島的甲基化。CpG島指基因中CpG比例較高的序列，在許多脊椎動物基因的啟動子區域含有CpG島。在人體基因組中CpG島一般處于非甲基化狀態，但若該區域發生甲基化，則對基因表達有明確的抑制作用，例如X染色體失活現象、癌細胞中抑癌基因的失活都與高甲基化的CpG島有關[ 2 ]。

啟動子是位于基因上游的一段序列，是RNA聚合酶的結合位點。啟動子在基因表達調控中有重要作用，與基因工程有聯系，也與多種表觀遺傳機制有關。將脊椎動物啟動子CpG島的甲基化與基因表達抑制相聯系，有利于學生對甲基化作用機制的初步了解。但是要注意，脊椎動物還有很多基因的啟動子不含CpG島，這些啟動子高甲基化并不會抑制基因表達[ 3 ]。

2? 組蛋白修飾與染色質結構

學生在《分子與細胞》中已經學習到染色質（或染色體）主要是由蛋白質與DNA構成，但是對兩者的結合方式并不了解。構成真核細胞染色質的五類蛋白質均為堿性較強的蛋白質，稱為組蛋白。這五類組蛋白分別為：H1、H2A、H2B、H3、H4。組蛋白修飾是另一種重要的表觀修飾機制，但組蛋白修飾的種類多樣，機制復雜，對高中學生來說難度較大。對組蛋白修飾的學習可以結合核小體結構和染色質重建，并通過簡易物理模型制作活動來達成。

2.1? 核小體結構

研究者去除染色質中的組蛋白H1后，在電子顯微鏡下觀察到的串珠狀染色質結構，被命名為核小體。核小體是DNA纏繞在由四種核心組蛋白（除H1外）構成的八聚體（核心顆粒）上構成，DNA在核心顆粒上纏繞約1.65次[ 4 ]。而組蛋白H1結合在核小體之間的連接子DNA上，被稱為連接子組蛋白[ 4 ]?；虻膯幼优c組蛋白的結合方式影響基因表達：（1）啟動子與核心顆粒結合導致無法轉錄;（2）啟動子游離在核心顆粒之外，但啟動子兩側與H1組蛋白交聯導致無法轉錄;（3）啟動子游離在核心顆粒之外且無H1交聯則基因能夠轉錄[ 4 ]。

2.2? 染色質重建與組蛋白修飾

染色質重建仍無準確定義，可理解為通過多種方式移動核小體的過程，從而為轉錄因子打開或關閉啟動子。核小體的移動涉及多種機制，這里討論其中一種組蛋白修飾——乙酰化的作用。組蛋白乙?；軌蛩沙诤诵◇w與基因調控區的結合，為染色質重建提高條件，通常有利于基因表達;而組蛋白去乙酰化使核心組蛋白與DNA結合緊密，不利于染色體重建，通常導致轉錄抑制[ 4 ]。

2.3? 核小體簡易物理模型制作

該簡易模型不包含H1組蛋白在內，用以演示基因啟動子與核小體的不同結合方式;核小體移動;模擬乙?；c去乙?；瘜θ旧|重塑的影響。

（1）主要材料：廢棄的卷紙芯;帶膠皮的鋁線（圖1a）。

（2）制作核心組蛋白和DNA雙螺旋（示啟動子）。

將卷紙芯切成兩半，模擬核心組蛋白構成的八聚體（圖1 b）。

將鋁線膠皮環割一圈，向外拉扯一端，使銀色鋁線露出（圖1 c）。

將兩條鋁線擰成雙螺旋結構，模擬DNA雙螺旋，露出的鋁線表示啟動子（圖1 d）。

（3）模擬基因與核小體的不同結合方式

將雙螺旋鋁線纏繞在卷紙芯上，示啟動子與核心顆粒結合（圖2a）。

將雙螺旋鋁線纏繞在卷紙芯上，示啟動子游離在核心顆粒外（圖2b）。

滑動卷紙芯可在兩個狀態間切換。纏繞程度在1.65圈左右。

（4）模擬乙?；瘜θ旧|重建的影響

在卷紙芯上貼上數條雙面膠，將厚紙板剪成條狀貼于雙面膠兩側（圖3 a，b）。其中厚紙板條模擬組蛋白乙?；?。將雙螺旋鋁線纏繞在乙?；暮诵念w粒上，此時核小體仍然能夠自由滑動，表示乙?；笵NA于核心組蛋白結合松弛（圖3 c）。

去除卷紙芯上的厚紙板條，保留雙面膠，模擬組蛋白去乙?；?。將雙螺旋鋁線纏繞再去乙?；暮诵念w粒上，核小體滑動困難，表示去乙酰化使DNA與核心組蛋白結合緊密（圖3 d）。

（5）反思與改進

初次制作模型時所用鋁線較粗，可塑性較強，但擰成雙螺旋后硬度較大，十分不利于模擬核小體滑動，只能滾動。而雙面膠對滾動幾乎沒有影響，難以體現去乙酰化對染色質重塑的阻礙。選擇較細的鋁線，或者用硬度較大的圓筒替代卷紙芯能夠克服這個弊端。

3? 非編碼RNA與反義基因

非編碼RNA指不能翻譯蛋白質的RNA，分為看家非編碼RNA和調控非編碼RNA[ 5 ]。高中生物學教材所學的tRNA與rRNA就是看家非編碼RNA。本文討論的具有調控作用的非編碼RNA包括siRNA、miRNA等，其中miRNA的作用較適合高中學生學習。

miRNA的作用原理與基因治療中的反義基因存在聯系?；蛑委熓寝D基因技術的一種應用方式，是選擇性必修的學習內容。反義基因能夠合成一條與病變基因的mRNA互補的RNA，并形成RNA雙鏈，最終導致mRNA被降解從而抑制病變基因的表達。miRNA是一種較短的單鏈RNA，也是通過與靶基因的mRNA互補來調控基因的翻譯水平[ 6 ]。與反義基因不同的是，miRNA的對翻譯的調控具有更大的靈活性：miRNA與靶mRNA結合度不同引起抑制翻譯的能力也不同;結合程度越高，抑制作用越強;高度結合時引起mRNA降解，結合度低時只起抑制翻譯的作用[ 6 ]。

對miRNA作用的學習可以通過創建基因治療的真實情境，結合基因表達過程來完成。教師可以這樣啟發學生：為何轉錄只能以基因的一條鏈為模板？若某個基因的兩條鏈都作為轉錄模板會發生什么？從而引導學生思考當細胞中存在兩條互補或局部互補的RNA對基因表達的不利影響。同樣要注意，不是所有調控非編碼RNA都是通過結合mRNA來起作用，這種方式只能解釋短期的表觀遺傳變化。siRNA等可以通過影響DNA甲基化或者組蛋白修飾來影響基因轉錄來起作用，并且能夠形成長期的表觀遺傳變化，包括miRNA也存在類似的機制[ 5 ]。

4? 小結·

新教材引入表觀遺傳有其必要性，而對表觀遺傳的學習離不開對其分子機制的學習。主要的表觀修飾有DNA甲基化，組蛋白修飾，非編碼RNA調控三類，對高中學生來講大都陌生且繁難。在高中生物教學中可以通過建立基因表達過程與其他相關知識的聯系，如啟動子、染色質結構、反義基因等來幫助學生解決知識的陌生帶來的困難。而通過簡易物理模型制作，聯系真實情境則可以化繁為簡。教學時還要注意不能把學習簡單化，在幫助學生初步了解表觀遺傳的分子機制同時也要給學生一個較為全面的認識，讓學生意識到表觀遺傳的規律性和復雜性并存。

參考文獻：

[1]凡時財，張學工.DNA甲基化的生物信息學研究進展[J].生物化學與生物物理進展，2009，36（02）：143-150.

[2]張文婷，姚玉峰.細菌DNA甲基化研究進展[J].生物化學與生物物理進展，2018，45（10）：1026-1038.

[3]王瑞嫻，徐建紅.基因組DNA甲基化及組蛋白甲基化[J].遺傳，2014，36（03）：191-199.

[4]Weaver，R.F.分子生物學[M].鄭用璉，馬紀，李玉花，等譯.北京：科學出版社，2013：362，361，371，377.

[5] 于紅.表觀遺傳學：生物細胞非編碼RNA調控的研究進展[J].遺傳，2009，31（11）：1077-1086.

[6] 陳芳，殷勤偉.調控基因表達的miRNA[J].科學通報，2005（13）：1289-1299.