經典表觀遺傳學現象分析

黃發享 渠 源

（華中師范大學第一附屬中學 湖北武漢 430060）

生物體中形態結構和功能特性各異的細胞的出現本質上是因為基因的選擇性表達。基因在何時表達、在哪些組織器官中表達以及表達量的高低均受到嚴格的調控，表觀遺傳調控在其中發揮著重要的作用。與經典遺傳相比，表觀遺傳也能夠使基因的表達和生物的表型發生可遺傳的改變，但不同的是表觀遺傳學視域下基因的堿基序列并不發生改變，并且所帶來的改變具有不穩定性和可逆性。表觀遺傳學在解釋基因的選擇性表達、細胞分化、拓展經典遺傳學邊界等方面具有重要意義，因此這一領域的研究成為了近年來生命科學研究的熱點。

為緊跟生物學發展的步伐、更好地培養學生的生物學學科核心素養，2019年版人教版高中生物學《必修2·遺傳與進化》中也加入了表觀遺傳的概念及相關實例。但是因為表觀遺傳的概念與經典遺傳有很大不同，表觀遺傳學這個學科也處于蓬勃發展之中，很多現象和問題還亟待解決，因此對表觀遺傳概念和作用的理解成為了教學中的難點。如何在教學中使學生們明晰表觀遺傳學中的概念是需要不斷探索的問題。下面介紹位置效應花斑、副突變、X染色體失活、基因組印記這四種經典表觀遺傳學現象的含義和其內在原理。

1 位置效應花斑

1.1 現象的發現及含義

細胞中間期染色質按其形態特征、活性狀態和染色性能可分為常染色質和異染色質。與常染色質相比，由于異染色質處于聚縮狀態，無法完成正常的基因轉錄，因此異染色質區表現出了顯著的遺傳惰性，而位置效應花斑現象的出現正與異染色質的這一特性有關。

位置效應花斑現象最早是由科學家繆勒在用X射線誘導果蠅突變體時發現的。果蠅中最早發現的突變基因是white基因，該基因使果蠅呈現白眼性狀，而不是野生型的紅眼性狀。但是在誘變過程中，繆勒發現有些果蠅的眼色一部分呈現白色，一部分呈現紅色，表現為花斑狀。后來科學家通過對這種果蠅的多線染色體進行觀察發現，這種現象的出現不是因為white基因的堿基序列發生了改變，而是因為果蠅染色體中出現了染色體倒位，染色體斷裂的位點一個在染色體臂間的異染色質區，一個鄰近white基因（圖1）。由于果蠅花斑眼性狀的出現是因為white基因位置改變，進而影響了基因的表達，所以這種現象被稱為位置效應花斑。

圖1 位置效應花斑原理示意圖（引自Elgin and Reuter 2013）

1.2 基本原理

位置效應花斑的出現是由于染色體倒位導致white基因的位置發生改變，由原來位于常染色質區域變為靠近異染色質區域，異染色質區域能夠將其染色質聚縮的狀態擴展至周圍染色質區段，進而導致white基因的轉錄受到抑制，無法正常表達。

多位科學家對異染色質狀態的維持以及常染色質轉變為異染色質的機制進行了深入研究，目前形成的調控模型如圖2所示。正常情況下，常染色質區域具有H3K4me2/3（組蛋白H3第4位賴氨酸二甲基化或三甲基化）、H3K9Ac（組蛋白H3第9位賴氨酸乙酰化）、H3S10（組蛋白H3第10位絲氨酸）磷酸化等修飾，這些修飾能夠促進染色質的開放和基因的表達。而當常染色質轉變為異染色質時，這些修飾首先會分別被LSD1（一種組蛋白去甲基化酶）、HDAC1（一種組蛋白去乙酰化酶）和磷酸酶除去（圖2A）。隨后，SU（VAR）3-9和SUV4-20（組蛋白甲基轉移酶）會分別使H3K9（組蛋白H3第9位賴氨酸）和H4K20（組蛋白H4第20位賴氨酸）發生甲基化修飾（圖2B），這兩個位點的修飾會促進染色質聚縮，進而抑制基因表達。正是在這些表觀遺傳調控蛋白和修飾方式的調控下，常染色質區域轉變為異染色質區域，white基因的表達受到抑制，果蠅出現了位置效應花斑現象。

圖2 常染色質轉變為異染色質的機制（引自Elgin and Reuter 2013）

2 副突變

2.1 現象的發現及含義

副突變最先是由美國威斯康星大學的Brink教授在玉米中發現的。Brink教授發現在玉米R基因的基因座位上存在兩個等位基因Rst和Rr，這兩個等位基因的純合個體表現出不同的性狀，但是Rst和Rr雜合子自交后代中的Rr純合子并不表現為Rr所控制的性狀，反而表現Rst所控制的性狀，但是這一表型不穩定，幾代之后又會回復為Rr所控制的性狀。由于這種現象不同于突變，但是與突變相似，因此Brink教授將此現象命名為副突變。

后來，科學家在玉米中發現了另一個副突變位點b1。b1基因的表達產物為轉錄因子，能夠激活花青素的生物合成通路，進而使玉米植株呈現出紫色，因此當b1基因的表達發生變化時會造成玉米顏色的改變。在b1基因座位上存在兩個特殊的等位基因B-I和B’。研究發現B-I和B’純合植株分別表現為紫色和綠色，二者雜交產生的子一代表現為綠色，說明B’相對于B-I基因來說為顯性。子一代與隱性純合子進行測交，若符合孟德爾遺傳定律，子二代中綠色植株與紫色植株的比例應為1∶1，但實際上子二代植株全部呈現綠色。深入分析發現，B-I和B’基因在堿基序列上并沒有區別，啟動子區域和編碼區的甲基化程度也沒有差別。因此，推測可能存在表觀遺傳調控方式使得B’/B-I雜合子中B-I變為了B’*，進而使子二代中全部表現為B’所控制的性狀。

2.2 基本原理

為了進一步分析B-I基因轉變為了B’*的內在機制，科學家對B-I和B’基因及其上下游序列進行了分析。結果發現，與正常的b1基因相比，在B-I和B’基因轉錄起始位點（b1基因座位）上游100 kb處有一個長約6 kb的區域，該區域存在7個853 bp長的串聯重復序列（圖3）。研究者發現B-I和B’基因中的串聯重復序列正義鏈和反義鏈都能夠轉錄，并能夠形成雙鏈RNA。在B-I和B’基因純合時，B’基因上游的串聯重復序列轉錄出的雙鏈RNA能夠與多種蛋白結合，抑制其自身的表達，因此與B-I基因相比，B’基因的b1基因座位表達量較低，植株呈現綠色。在B’/B-I雜合子中，B’上游串聯重復序列轉錄出的雙鏈RNA能夠使B-I轉變為B’*，b1基因座位的表達量下降，因此雜合子的測交后代中植株全部表現為綠色。在未來的研究中還需要進一步探討副突變中RNA介導的轉錄沉默的機制，明確參與這一過程的關鍵蛋白。

圖3 B-I和B’基因的結構（引自Arteaga-Vazquez and Chandler 2010）

3 X染色體失活

3.1 現象的發現及含義

在XY型性別決定的生物中，雌性個體細胞中含有兩條X染色體，雄性個體細胞中含有一條X染色體，若沒有相應的調控機制，雌性個體中X連鎖基因的表達量將是雄性個體的兩倍。但是，實際上雌雄個體中X連鎖基因的表達量基本一致。這種現象是通過劑量補償實現的。劑量補償有3種方式：①雌性個體每條X染色體上基因的表達量減半，這種機制存在于線蟲中；②雄性個體X染色體上基因的表達量是雌性個體每條X染色體上基因表達量的兩倍，這種機制存在于果蠅中；③在哺乳動物中，雌性個體的兩條染色體中只有其中一條染色體的基因正常表達，這種現象又被稱為X染色體失活。

早在1949年，科學家巴爾就在間期細胞核中發現了染色較深、處于聚縮狀態的染色質小體，并將其命名為巴氏小體。隨后為了解釋這一現象，科學家Lyon提出假說：在胚胎發育早期雌性哺乳動物細胞中有一條染色體會失去活性，形成巴氏小體的結構，而且X染色體的失活是隨機的。

3.2 基本原理

X染色體失活的直接原因是由于X染色體處于聚縮狀態，基因無法正常表達，但是根本原因是非編碼RNA Xist的轉錄以及其帶來的X染色體上DNA和組蛋白修飾的變化。在X染色體上有一段序列被稱為X染色體失活中心，從X染色體失活中心中會轉錄出非編碼RNA Xist（圖4中虛線），Xist能夠結合在X染色體上，招募一系列蛋白，使DNA和組蛋白的修飾發生改變（圖4中實心圈線），導致染色體聚縮，隨后進一步招募其他類型的染色質修飾分子，增加染色質的修飾（圖4中空心圓圈），進一步鞏固異染色質的結構，使X染色體失活，抑制基因的表達。

圖4 Xist RNA誘導X染色體失活的大致過程（引自Brockdorff and Turner 2015）

4 基因組印記

4.1 現象的發現及含義

對于二倍體哺乳動物來說，體細胞中均含有一半來自父源的染色體和一半來自母源的染色體，因此對于每個基因來說都含有兩個拷貝，若父源和母源的基因表達情況相同，那么一個受精卵中僅含有母源的染色體或僅含有父源的染色體仍然可以發育為正常個體。但實際情況并非如此。

有科學家做了這樣一個實驗：將受精卵中的雌原核或雄原核取出，利用顯微注射核移植技術移入一個雄原核或雌原核。結果發現，具有兩個雌原核或兩個雄原核的胚胎會出現致死現象，只有雄原核和雌原核同時存在的胚胎才能存活。這說明父源和母源染色體上基因的表達并不一致，父源和母源基因的表達對于胚胎的正常發育均至關重要。因此，細胞中可能存在基因組印記，只有父源或母源一方的基因會正常表達，另一方的基因會處于沉默狀態。

印記基因的發現證實了基因組印記的存在，研究發現印記基因通常在染色體上成簇存在，例如Igf2r、Igf2、Kcnq1、Gnas、Dlk1基因簇，印記基因簇的基本結構如圖5所示，其中ICE為印記控制元件，在父源（Pat）和母源（Mat）染色體中此區域的甲基化程度有顯著差別，IG表示印記基因，IG-NC表示印記非編碼RNA，NI表示非印記基因。圖5中該基因簇為母源表達的印記基因。

圖5 印記基因基本結構（引自Barlow and Bartolomei 2014）

基因組印記與某些人類疾病的發生直接相關。例如，帕德維利綜合征和天使綜合征的發生均與15號染色體同一片段的缺失有關，父源染色體中這一片段的缺失會導致帕德維利綜合征，而母源染色體中這一片段的缺失會造成天使綜合征。父源和母源印記基因的缺陷會導致不同類型疾病的發生，在個體中產生不同的表型。

4.2 基本原理

目前基因組印記存在絕緣子模型和長鏈非編碼RNA模型（圖6）兩種調控機制。

Igf2基因簇為父源表達的印記基因，該印記基因的建立符合絕緣子模型（圖6A）。在這一基因簇中，母源染色體的ICE區域不發生甲基化，CTCF蛋白能夠結合在ICE區域并組成絕緣子結構，由于絕緣子的存在，增強子（圖6中標有E的橢圓）只能激活非編碼RNA H19-NC的轉錄，Igf2和Ins2基因的轉錄受到抑制。而在父源染色體中ICE區域會發生甲基化，因而無法與CTCF蛋白結合形成絕緣子結構，H19-NC也無法轉錄，因此增強子能夠作用于Igf2和Ins2基因，激活基因表達。

Igf2r基因簇為母源表達的印記基因，該印記基因的建立符合長鏈非編碼RNA（lncRNA）模型（圖6B）。在這一基因簇中，母源染色體的ICE區段會發生甲基化，該區段含有非編碼RNA Airn的啟動子序列，因此ICE的甲基化會抑制Airn的轉錄，Airn不能發揮轉錄抑制作用，因而Igf2r等基因得以正常表達。而在父源染色體中，ICE區域不會發生甲基化，因而非編碼RNA Airn正常轉錄，進而抑制了Igf2r等基因的表達。

圖6 基因組印記的基本原理（引自Barlow and Bartolomei 2014）