從表觀遺傳學視角審視高中生物學中的一些事實與概念

陸 奇 胡官霞 蔣選榮

（江蘇省揚州市新華中學 江蘇揚州 225009）

表觀遺傳是指生物體基因的堿基序列保持不變，但基因表達和表型發生可遺傳變化的現象。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》新增“概述某些基因中堿基序列不變但表型改變的表觀遺傳現象”這一概念。這一課程內容的調整，是生物科學的發展對遺傳學某些概念的內涵進行完善的體現，也提醒人們應重新審視高中生物學中的關于分化、遺傳、進化和生物技術的一些事實與概念。

1 細胞分化的實質性原因

舊版高中生物學教材提及細胞分化的原因是基因的選擇性表達。但為什么基因會選擇性表達？已分化的細胞如何長久地保持其特定基因的選擇性表達模式而不轉變為其他種類的細胞？要回答這些實質性問題，可能要從表觀遺傳學的視角解釋。表觀遺傳學認為，在發育過程中，分化程度和方向不同的細胞會程序化地加入不同的表觀遺傳修飾，通過表觀遺傳修飾而開啟或關閉不同的基因群，表觀遺傳修飾包括DNA 的甲基化及組蛋白的化學修飾等多種方式，這些分子修飾雖然對堿基的排列順序沒有任何影響，但它們能決定基因是否進行表達及其表達量，并且這些表觀遺傳修飾能從親代細胞傳遞至子代細胞。這是基因選擇性表達的分子機理，也是細胞分化的實質性原因[1-3]。

2 細胞的全能性受抑制及再激發的機理

舊版高中生物學教材提及高等動物的已分化細胞的全能性受到抑制，卵細胞細胞質中的物質可激發動物細胞核全能性的表達，其生物學機理是什么？從表觀遺傳學視角審視能揭開這些問題的部分“面紗”。

哺乳動物受精卵在發育進程中，起初受精卵中的表觀遺傳修飾極少（少量的印記區域會保留表觀遺傳修飾），分化開始后（如同程序開始運行），不同的細胞就會帶上表觀遺傳修飾從而向不同方向分化，“程序”運行至某一時期，DNA 中的某些特定基因就會被表觀遺傳修飾，不可逆轉。表觀遺傳系統控制著數百種不同細胞分化的方向，這種修飾可被細胞一代代遺傳，長久地控制細胞的歸屬。

哺乳動物高度分化的細胞雖然含有發育成完整個體的全套信息，但由于表觀遺傳修飾影響了特定發育相關基因的表達，無法發育成完整的個體，除非將該分化細胞內的表觀遺傳修飾移除（類似于程序重新啟動），這樣該細胞才具有了全能性。克隆動物時將供體細胞中的細胞核移植至去核的卵細胞中，即利用卵細胞細胞質中的特定的物質，將供體細胞核中的表觀遺傳修飾移除，讓發育的全能性“程序”重新啟動。山中伸彌利用了Oct4、Sox2、Klf4 和c-Myc 4 個基因將小鼠成纖維細胞誘導為多能干細胞（iPS 細胞），上述4個基因發揮的作用與去核的卵細胞相同，均涉及移除分化細胞中特異性的表觀遺傳標記，從而實現細胞的重編程[1]。

3 環境因素引起的非突變性變異能產生可遺傳變異

經典遺傳學認為個體表型主要由基因型決定，并受環境因素的影響，即“表型=基因型+環境”。絕大部分環境因素均不會引發遺傳物質改變，這種情況下引起的變異屬于不可遺傳變異。但很多表觀遺傳學相關事實并非如此，許多環境因素可通過改變人類基因組的表觀遺傳修飾進而改變基因的表達模式，甚至引起健康問題[1]。例如，①科學家對歷史上大饑荒時期的胎兒群體跟蹤研究幾十年后發現，營養不良在沒有引起突變的情況下影響了嬰兒及其后代的體重，這種作用能連續傳遞至后代或跨越世代遺傳。②小鼠動物實驗發現父方的飲食情況可直接影響子代代謝相關基因的表觀遺傳修飾，進而影響這些基因的表達從而表現出不健康的表型，且這種影響可傳遞至子一代，甚至幾代。例如，Keisuke Yoshida 等[4]發現父源性低蛋白飲食可導致后代出現代謝性疾病。其機理如圖1，轉錄因子ATF7 與許多代謝相關基因的轉錄有關，父源性低蛋白飲食可使精原細胞中的ATF7 出現磷酸化從而使結構松散，ATF7 結構改變又導致組蛋白表觀遺傳修飾改變進而影響精原細胞中相關基因的轉錄，這種表觀遺傳修飾的改變在精子中能維持并遺傳給子代，使后代出現代謝性疾病。③酒精可在小鼠中改變表觀遺傳修飾，過度飲酒的孕婦由于表觀遺傳編程的干擾可導致子女出現較大的遺傳缺陷。根據以上事實可知，環境因素可通過改變生物的表觀遺傳修飾而非堿基序列產生可遺傳的變異[5]。

圖1 小鼠低蛋白飲食引起的表觀遺傳[4]

常見的表觀遺傳修飾包括DNA 的甲基化及組蛋白的各種化學修飾。最近，科學家發現大部分的組蛋白修飾具有較好的可塑性，很容易受環境的影響，而組蛋白化學修飾可對基因的表達進行微調。其意義是實現生物體內部基因的表達與外界環境相協調，增強生物對環境的適應能力[1，6]。

4 來自父方或母方的相同基因遺傳效應可能不同

在經典遺傳學中，個體中決定性狀的基因往往成對存在（除性染色體上非同源區段的基因外），分別來自父方和母方，若2 個基因相同，則無論來自父方或母方，其遺傳效應相同。但從表觀遺傳學視角分析事實并非如此。研究人員發現，少量編碼蛋白質的基因是否表達取決于其來源，例如，小鼠7 號染色體某區域有1 個胰島素樣生長因子2（Igf2）基因，它通常只在父本的7 號染色體表達，而在母本染色體中有堿基序列完全相同的基因，但該基因不表達。深入分析其原因，哺乳動物細胞中的每對同源染色體上都有來源標記，標明該染色體源自父母中的哪一方，表觀遺傳修飾中的DNA 甲基化是標記的主要方式，這些標記區域稱為印記區域。在Igf2 基因和H19 基因之間有一印記控制區（ICR），該印記控制區對Igf2基因和H19 基因的調控如圖2，該ICR 區域是否甲基化決定該區域是否能結合增強子阻遏蛋白CTCF。母源染色體的Igf2 基因啟動子區域雖然沒有甲基化，但沒有甲基化的該ICR 區域可與CTCF 結合，從而阻止了增強子和IGF2 啟動子的作用，但不阻止其與H19 啟動子的作用，從而使得H19 能順利表達。而父源染色體中該ICR 區域發生甲基化，不能與CTCF 結合，因而CTCF 不能阻斷增強子對IGF2 啟動子的作用，IGF2 能有效地表達，而H19 由于啟動子區域發生甲基化轉錄受到抑制[7-10]。

圖2 印記控制區的不同甲基化狀態控制H19/Igf2 的表達[7-10]

例如，Igf2 基因、H19 基因這樣只在父母一方表達的基因稱為印記基因，約占編碼蛋白基因總數的1%，由此可見，對于印記基因而言，來自父方或母方的相同基因遺傳效應完全不同[1，8]。

5 ES 細胞（embryonic stem cell）具有發育全能性的原因

哺乳動物的胚胎干細胞（ES 細胞或EK 細胞）是人教版高中生物學選修3《現代生物科技專題》專題3“胚胎工程”中涉及的一個名詞，教材上闡述為：“是由早期胚胎或原始性腺中分離出的一類細胞”“功能上具有發育的全能性”。為何ES 細胞可由早期胚胎或原始性腺中分離？

從表觀遺傳學角度分析將產生更有說服力的解釋。受精作用過程中，雄原核和雌原核中的染色體來自精子和卵細胞，均攜帶了大量的表觀遺傳學修飾信息，而卵細胞細胞質中的某些物質能去除這些表觀遺傳修飾，并創造受精卵的新表觀遺傳組，卵細胞和精子的基因表達特征隨后被受精卵的基因表達模式替代，進入發育功能，這種重新編程不僅使細胞具有全能性，還可防止過多父母積累的表觀遺傳修飾傳遞至子代。由于內細胞團細胞處于原有表觀遺傳已被移除，而新的表觀遺傳修飾尚未植入的階段，所以其具有發育的全能性。

在原有表觀遺傳被移除的過程中，小部分基因組能對重新編程免疫，其中就包括標志染色體來源的印記區域。個體為了產生其配子，早期胚胎細胞一部分會分化為原始性腺細胞，此時，這些細胞中上一代父母的印記標志必須去除，重新建立父源（若該胚胎發育為雄性個體）或母源（若該胚胎發育為雌性個體）新的印記標志，因此，當這些極少的體細胞轉化為原始生殖細胞時，表觀遺傳修飾（包括印記區域）被再次（第2次）移除。在發育為生殖細胞的過程中，新的印記標志等表觀遺傳修飾被再次植入。但在此之前，原始生殖細胞在一段時間內重獲多能性。由此可見，內細胞團和原始性腺細胞均因處于舊的表觀遺傳修飾被去除的階段，所以具有發育的全能性，可被分離為胚胎干細胞[1，8]。

6 表觀遺傳學不能為拉馬克的進化理論正名

拉馬克認為，生物對環境有巨大的適應能力，經常使用的器官會逐漸發達，而不使用的器官會逐漸退化，且這種在環境影響下后天獲得的性狀是可遺傳的。該理論已被經典遺傳學理論否定，其理由是一種獲得性的表型變化必須要反映在DNA 分子的序列變化上，才能將這種特征從親代傳遞至子代，而環境中除少量的致癌因子外，一般的環境因素不會使DNA 分子的堿基對序列發生變化。

表觀遺傳學則認為，環境因素沒有改變基因組的堿基對序列，但細胞的確能通過對環境的反應而在特定的基因上加入特定的表觀遺傳修飾，從而調控基因的表達水平，且親代細胞中的表觀遺傳修飾會忠實地遺傳至子代細胞，并持續幾十年。而在個體水平上，由于哺乳動物發育過程中的2 次針對表觀遺傳修飾的重編程，親本大部分獲得性特征一般不會遺傳給子代，但人類基因組中有一些特定區域，例如，印記區域對重編程具有一定的抵抗能力，所以導致某些環境因素，例如，烯菌酮、親代營養狀況對生物的影響能通過父母遺傳給子代[1，11]。由此可見，由環境引起的變異也可能是可遺傳的。可遺傳的變異可能源于基因堿基序列的改變，也可能源于表觀修飾的改變。表觀修飾的遺傳包含通過有絲分裂的當代遺傳，以及通過減數分裂的代間遺傳[5]。

由此可見，表觀遺傳學認為生物可應對環境產生非隨機的變異，環境引起的變異是可遺傳的。這是表觀遺傳學與拉馬克進化觀點的共同點，同時也是與經典遺傳學的差異所在。但表觀遺傳學與拉馬克的進化理論存在明顯沖突。首先，表觀遺傳變異的獲得雖受環境影響，但不受個體主觀意志的影響，而是有其內在的客觀機制。其次，表觀遺傳變異并非都可在代間穩定遺傳。目前研究結果表明，表觀遺傳標記無法一直維持，在遺傳幾代之后就將消失或改變，表現出極其明顯的不穩定性。最后，與拉馬克進化理論觀點不同，表觀遺傳學并不否認自然選擇的作用。表觀遺傳學認為自然選擇不僅對生物的基因發揮作用，對表觀遺傳標記也發揮作用，許多生物能通過表觀遺傳的變異提高其適應環境的能力也應該是自然選擇的結果。

綜上所述，表觀遺傳學并不能為拉馬克的進化理論正名[5，12]。拉馬克的獲得性狀遺傳觀點意指環境變化造成的變異可普遍遺傳；表觀遺傳現象是特殊條件下受環境或體內分子修飾的影響所表現的局部遺傳物質在核苷酸序列不變情況下的可傳代變異，不是普遍的遺傳規律。

研究表觀遺傳學不僅可幫助人們重新審視上述的幾個事實或概念，還可幫助人們解答為何人類基因組中98%的不編碼蛋白質序列有何功能、細胞癌變的機理及藥物研發等重要的生物學問題。托馬斯·庫恩說過，“在某個領域一定會有一個當時非常流行的理論存在，當新的數據與之有沖突時，這個理論不會馬上倒臺。它會作出一些調整，而科學家仍然會在很長的一段時間內堅信該理論，直至有不可動搖的證據推翻它”。由于表觀遺傳學的出現，經典遺傳學、達爾文的進化論等理論模型可能均將處于這一“模式轉換”時期[1，13]。