表觀遺傳調控方式厘析

尤佳

摘要：2019年版的人教版高中生物必修2《遺傳與進化》新增了“表觀遺傳”內容，旨在幫助學生更深入地理解基因和表型之間的關系，更有理有據地解釋生命現象。這部分內容的重點在于表觀遺傳調控方式的理解和掌握。教學前，嘗試搜集資料和試題，就DNA甲基化修飾、組蛋白修飾、基因編輯技術幾個典型的表觀遺傳調控方式做詳細分析。

關鍵詞：表觀遺傳;調控方式;DNA甲基化;組蛋白修飾;基因編輯技術

隨著生命科學研究的不斷發展，很多生命現象已經無法用經典遺傳學來解釋。對此，2019年版的人教版高中生物必修2《遺傳與進化》（以下簡稱“新教材”）新增了“表觀遺傳”內容，旨在幫助學生更深入地理解基因和表型之間的關系，更有理有據地解釋了生命現象。這部分內容的重點在于對表觀遺傳調控方式的理解和掌握。教學前，筆者嘗試搜集資料和試題，就幾個典型的表觀遺傳調控方式做了詳細分析。

一、對基因轉錄表達的調控

根據方式不同，可以把表觀遺傳調控分為兩類：一類是對基因轉錄表達的調控，主要包含DNA甲基化修飾、組蛋白翻譯后修飾、染色質重塑等，涉及的修飾種類具有多樣性，修飾方式也很復雜;另一類是基因轉錄后的調控，主要依靠一些非編碼RNA，如siRNA、miRNA、反義RNA等。

（一） DNA甲基化

DNA甲基化是最早發現的表觀遺傳修飾之一，隨著研究的深入，其在基因表達調控、維持基因組穩定性、X染色體失活、胚胎發育、腫瘤發生等方面都發揮了舉足輕重的作用。它是在DNA甲基轉移酶的催化下，將S腺苷甲硫氨酸（SAM）的甲基作為供體，添加到特定堿基上。根據發生位點的不同，DNA甲基化主要以C5甲基胞嘧啶和N6甲基腺嘌呤兩種形式存在，前者更為常見。在哺乳動物中，幾乎所有的DNA甲基化都發生在CpG二核苷酸的胞嘧啶上。而基因組中富含CpG重復序列的區域稱為CpG島，CpG島通常位于啟動子區，一般不發生甲基化，基因正常轉錄;而當CpG島發生甲基化時，某些基因的轉錄受到抑制，如抑癌基因的沉默。多數轉錄因子都含有CpG結合區，發生甲基化的CpG島無法與這些轉錄因子結合，且CpG島甲基化能夠影響核小體穩定性，使組蛋白傾向于結合甲基化DNA，穩定染色質結構，從而抑制轉錄的發生。

DNA甲基化作為新教材中著重介紹的內容，其實在近幾年的高考模擬題中早就有所涉及。

例1（江蘇省南通市2020屆高三第三次調研測試第33題改編）閱讀下列關于“遺傳信息表達”的相關資料，請回答：

隨著分子遺傳學的發展，“DNA甲基化影響基因表達”的研究越來越受到關注。某種小鼠體內的A基因能控制蛋白X的合成，a基因不能控制蛋白X的合成。蛋白X是小鼠正常發育必需的一種蛋白質，缺乏時小鼠表現為個體較小（侏儒鼠）。A基因的表達受到A基因上游一段DNA序列（P序列）調控。P序列甲基化（胞嘧啶上添加-CH3）后，A基因不能表達;P序列非甲基化時，A基因正常表達，如圖1。A基因的P序列在精子中是非甲基化的，傳給子代后能正常表達，在卵細胞中是甲基化的，傳給子代后不能表達。

（1）由資料可知，DNA甲基化會改變基因的表達，導致基因控制的性狀發生改變。這種現象_________________（填“屬于”或“不屬于”）基因突變，理由是__________________。

（2）某基因型為Aa的小鼠是侏儒鼠，產生該侏儒鼠的原因是_______________________________。

若純合侏儒雌鼠與純合正常雄鼠雜交得F1，F1雌雄個體間隨機交配，則F2的表型及比例為____________________________________。

本題考查遺傳信息表達的相關知識，旨在培養學生的科學思維，形成生命觀念。由資料可知，DNA甲基化是胞嘧啶上添加甲基（—CH3），DNA中堿基序列未發生改變，故不屬于基因突變。由于A基因來自卵細胞，P序列甲基化，A基因不能表達，故基因型為Aa的小鼠表現為侏儒;純合侏儒鼠基因型為aa，純合正常雄鼠基因型為AA，二者雜交得到的F1基因型為Aa，隨機交配后，來自母方的A基因甲基化，來自父方的A基因未甲基化，故后代正常鼠∶侏儒鼠為1∶1。

（二）組蛋白修飾

染色質的基本結構是核小體，每個核小體由147bp的DNA纏繞組蛋白八聚體兩圈組成，八聚體包含組蛋白H2A、H2B、H3和H4各兩分子。組蛋白的C端位于八聚體的核心部位，而N端則游離在外。因N端富含一些化學性質活潑的氨基酸，所以容易發生多種修飾，常見的包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、SUMO化等。最新的研究還發現，組蛋白上也能發生巴豆酰化。組蛋白修飾可以調控染色質結構，影響基因的表達。不同的修飾類型和不同位點的修飾具有各自不同的生理功能。這樣多樣化的修飾以及它們在時空上的多種組合能精確調控生物學過程，被稱為“組蛋白密碼”。

有關組蛋白修飾的高考模擬題并不多，考點無非就是基因轉錄。這類試題難度并不大，但對學生剖析題干、提取關鍵信息的能力要求較高。教師在講解試題過程中尤其要強化相關知識點的聯系與遷移，注意學科核心素養的培養。

例2（湖北省九師聯盟2021屆高三12月聯考第13題改編）已知組蛋白乙酰化與去乙酰化，分別是由組蛋白乙酰轉移酶（HAT）和去乙酰化轉移酶（HDAC）催化的，HAT和HDAC催化的乙酰化反應在真核生物基因的表達調控中起著重要作用。這兩種酶通過對核心組蛋白進行可逆修飾來調節核心組蛋白的乙酰化水平，從而調控轉錄的起始與延伸。一般來說，組蛋白的乙酰化促進轉錄，而去乙酰化則抑制轉錄。染色質包括具有轉錄活性的活性染色質和無轉錄活性的非活性染色質，染色質上的組蛋白可以被乙酰化，圖2和圖3表示部分乙酰化過程。下列相關推測不合理的是（）

A.活性染色質由DNA和蛋白質組成，而非活性染色質無蛋白質

B.HDAC復合物使組蛋白去乙酰化伴隨著對基因轉錄的抑制

C.由圖可知，激活因子使組蛋白發生乙酰化，可改變染色質的活性

D.細胞中HAT復合物的形成有利于RNA聚合酶與DNA的結合

本題的考查背景是組蛋白修飾與基因表達的關系，解題時需要指導學生分析文字和辨識圖片，關注信息提取能力的訓練。由于染色質的組成包括組蛋白和DNA，所以選項A的推測顯然不合理。根據題干內容可知，HDAC是組蛋白去乙酰化酶，可以抑制基因轉錄;反之，HAT參與組蛋白乙酰化，能促進基因轉錄。再結合圖2、圖3可以推測，HAT復合物中的激活因子能使染色質獲得活性，故選項B、C的推測合理;轉錄過程以DNA為模板，需要RNA聚合酶催化，選項D的推測也合理。

二、基因轉錄后的調控

動植物絕大部分的基因組序列都具有轉錄的潛能，但能編碼蛋白質的基因數量卻遠遠少于人們的預期。以人類基因組為例，其中只有約3%的序列編碼蛋白質，除去非轉錄區，其余約70%的序列轉錄產生非編碼RNA。在非編碼RNA中，研究最早的是轉運RNA（tRNA）、核糖體RNA（rRNA）、snRNA等，它們是保證細胞內中心法則正常執行的生命分子。以長度200nt為界限，可以將這些非編碼RNA按大小分成長鏈非編碼RNA（lncRNA）和小非編碼RNA（有時也簡稱為“小RNA”）。

在真核細胞中，如果轉錄后的RNA不被運出細胞核，基本上就是起非編碼的功能。細胞核內非編碼RNA可以通過與DNA、蛋白質以及RNA-RNA之間的相互作用來行使調控作用，參與如染色質的遠程相互作用、組蛋白修飾調控、mRNA剪切調控、DNA的損傷修復以及異染色質形成和mRNA降解等調控過程。而在細胞質中，非編碼RNA也可以對mRNA穩定性及其定位、翻譯等過程進行調控。雌性動物X染色體失活與非編碼RNA參與染色體組蛋白的表觀遺傳修飾有關，如常見的“三花貓”毛色相間現象就是典型實例。一系列的證據顯示， 非編碼RNA還可以參與特定類型的獲得性遺傳。

基因編輯技術是當下很熱門的一項生物技術，也是基于非編碼RNA而獲得廣泛應用的。2005年，CRISPR/Cas9技術已經被普遍用來研究具體的某個基因，在此之前，獲得基因敲除的靈長類動物是難以想象的事情。CRISPR是存在于細菌中的一種基因組。許多細菌將外源DNA以重復序列形式整合進自身基因組，隨后將此段序列轉錄出非編碼RNA（sgRNA），利用其指導Cas9蛋白切割再次入侵的外源DNA。這實際上是細菌對抗外來DNA的一種天然免疫方式，利用這項技術可以敲除或敲入基因，改變基因表達水平。最新研究還發現，利用堿基編輯技術改變sgRNA可以實現對某種甲基化酶和組蛋白的定點突變，從而可以研究蛋白質翻譯后的修飾功能，也能實現對組蛋白修飾的“重編程”。

江蘇高考其實早在2016年的選擇題中就涉及CRISPR/Cas9技術。2021年1月的新高考適應性考試中，江蘇再次緊跟潮流，通過圖例解釋熱門技術的原理，同時將題中所涉轉錄、翻譯等有關知識點串聯起來，題型也改成了難度相對較大的填空題，暗示了高考命題的趨勢。

例3（江蘇省2021年新高考適應性考試生物第22題改編）啤酒生產需經過制麥、糖化、發酵等主要環節。糖化主要是將麥芽中的淀粉等有機物水解為小分子的過程。敲除釀酒酵母中的蛋白酶基因，減少發酵液中蛋白的水解，有助于增強啤酒泡沫的穩定性，從而改善啤酒的品質。以下是某科研小組的實驗：

（1）已知編碼酵母蛋白酶A（PEP4）的基因序列（為非模板鏈）為：5′-ATGTTCAGCT TGAAAGCATTATTGCCATTGGCCTTGTTGT GGTCAGCGCC……CAATTTGA-3′。

編碼該酶的mRNA，起始端的三個密碼子依次為_________________，終止密碼子為__________________。

（2）Cas9蛋白可在人為設定的RNA序列（sgRNA）引導下，在選定位點切斷相應的DNA鏈（如圖4），在DNA自我連接的修復過程中產生突變。DNA序列中含NGG的位點具有較高的編輯效率（N為任意堿基）。

上述PEP4序列虛線框中有_________處可作為Cas9的優選剪切位點。Cas9的剪切位點在其NGG識別位點的________________（填“5′”或“3′”）側。

本題以當下熱門的基因編輯技術為背景，展示了實際操作涉及的具體原理，要求學生牢記雙鏈結構是反向平行的。已知非模板鏈與模板鏈互補配對，轉錄時RNA聚合酶結合在模板鏈的5′端催化mRNA的合成，因此編碼該酶的mRNA的序列與非模板鏈一致，只是以尿嘧啶取代胸腺嘧啶。5′端起始的三個密碼子依次是AUG、UUC、ACC，3′端的終止密碼為UGA。根據題干可知，Cas9蛋白屬于一種核酸內切酶，能夠斷開DNA內部的磷酸二酯鍵，它的切割也不是隨機的，需要sgRNA與單鏈DNA互補配對才能定位剪切點。結合圖4可知，Cas9傾向于切割NGG位點的3′側，若只考慮非模板鏈中的剪切點，包含NGG的只有2處;若考慮DNA雙鏈結構的話，含有NGG的就有4處，虛線框中端點的CC正好排除在外;但我們更深入思考的話，已知剪切點在NGG的3′側，題目所問的是剪切位點，并非識別位點，填寫5處也不無道理。這一空答案頗有爭議，仁者見仁，智者見智。

表觀遺傳學仍然以經典遺傳學為基石，是對遺傳機制的完善和補充。教學資料應當確保嚴謹科學，避免出現爭議點，語言表述要言簡意賅。同時，應盡量將高中涉及的相關知識和方法串聯起來，這對于學生了解基因表達的復雜性，形成多角度分析生物現象的意識，構建正確的生命觀念大有裨益。