表觀遺傳的概念延伸及拓展練習

宋培培 余中賓

(安徽省淮南第一中學)

聚焦大概念是《普通高中生物學課程標準(2017版)》基本理念之一,旨在讓學生能夠深刻理解和應用重要的生物學概念。“遺傳信息控制生物性狀,并代代相傳”是模塊2 《遺傳與進化》的大概念之一。遺傳信息的載體主要是DNA,DNA獨特的雙螺旋結構保證了復制的準確進行并遺傳給下一代;遺傳信息通過表達的蛋白質控制生物性狀。近年來,越來越多的證據表明,除去基因(堿基排序)之外,還存在一系列復雜和精細的調控機制影響著性狀的形成,即表觀遺傳學。深刻分析并延伸表觀遺傳概念,使學生認識到遺傳信息的調控機制和遺傳信息本身一樣能夠控制生物性狀并代代相傳,促使學生在“經典遺傳學”基礎上深刻理解基因遺傳、表達與性狀的關系,有利于拓展學生對大概念的認識深度。

1.經典遺傳學與表觀遺傳學的關聯

孟德爾的遺傳規律和摩爾根的連鎖定律是經典遺傳學的重要組成部分,主要強調基因型決定表型,其實質是通過親、子代表型及比例反映出控制性狀的基因在有性配子傳遞過程的規律和特點。因此,經典遺傳學認為一旦基因中堿基序列改變(如基因突變等)引起基因功能的變化,就會導致表型發生可遺傳的變化。相反的,表觀遺傳學是指在基因的DNA序列沒有發生改變的情況下,基因功能發生了可遺傳的變化,最終表型發生變化。從表型變異角度看,經典遺傳學強調生物的可遺傳變異是生物的遺傳物質發生改變導致的,而表觀遺傳學強調某些變異發生后,生物的DNA序列沒有改變,并且這些變異是可以遺傳給后代的,這些遺傳現象叫表觀遺傳現象。若從基因型種類及比例來考慮,經典遺傳學和表觀遺傳學都是通過DNA分子復制和減數分裂將遺傳物質“代代相傳”,表觀遺傳學符合經典遺傳學的遺傳規律。與經典遺傳學中強調遺傳物質本身重要性的不同,表觀遺傳學凸顯了基因和性狀的關系,強調了基因表達過程的調節機制對性狀改變的作用,是經典遺傳學的繼承和發展。

拓展練習1.下列關于基因和性狀的關系說法錯誤的是

( )

A.基因可以通過控制蛋白質的結構直接控制生物體的性狀

B.基因、基因產物和環境之間相互作用共同調控生物的性狀

C.表觀遺傳中,核內遺傳物質在親子代之間傳遞不再遵循孟德爾遺傳規律

D.表觀遺傳認為,基因在轉錄和翻譯過程中發生了一些穩定性的改變

答案：C

2.表觀遺傳影響性狀的機制

2.1 DNA甲基化

DNA甲基化是指在DNA甲基轉移酶(DNMT)的作用下,DNA分子中CG兩個核苷酸的胞嘧啶被選擇性地添加甲基,形成5-甲基胞嘧啶。在基因的5′調控區常常存在CG的重復排列,即CG島。這些CG島往往位于DNA大溝里,一旦甲基化后就會改變DNA的構象,會阻礙一些轉錄因子及RNA聚合酶對基因啟動子的識別與結合,從而降低基因的轉錄活性;甚至,甲基化DNA會吸引一些相關蛋白質結合到啟動子區域,壓縮染色質的結構,最終表現出基因沉默。甲基化的DNA在復制過程中,DNMT可以識別新產生的雙鏈DNA的親代鏈上甲基化位點,并將子鏈的對應位置的胞嘧啶進行甲基化,實現了細胞的“甲基化記憶”,確保在細胞間傳遞下去。

拓展練習2.一個蜂群中,蜂王和工蜂都是由受精卵發育來的。如果幼蟲一直取食蜂王漿則發育成蜂王,而大多數幼蟲以花粉和花蜜為食將發育成工蜂。DNMT3蛋白是DNMT3基因表達的一種DNA甲基化轉移酶,能使DNA某些區域添加甲基基團。敲除DNMT3基因后,蜜蜂幼蟲將發育成蜂王,這與取食蜂王漿有相同的效果。下列有關敘述錯誤的是

( )

A.被甲基化的DNA片段中遺傳信息發生改變,從而使生物的性狀發生改變

B.蜂群中蜜蜂幼蟲發育成蜂王可能與體內重要基因是否甲基化有關

C.DNA甲基化后可能干擾了RNA聚合酶等對DNA部分區域的識別和結合

D.胞嘧啶和5′甲基胞嘧啶在DNA分子中都可以與鳥嘌呤配對

答案：A

2.2 組蛋白的修飾和染色質重塑

真核細胞的核DNA會與組蛋白結合形成核小體,核小體是染色體的基本單位。組蛋白上的一些氨基酸殘基,尤其是賴氨酸、精氨酸,都可以被修飾,包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等。組蛋白修飾會影響組蛋白與DNA雙鏈的結合,進而影響基因的表達。與DNA甲基化結果有所不同的是,組蛋白修飾可能與基因轉錄激活有關,也可能抑制基因表達。例如,組蛋白中H3的賴氨酸甲基化會吸引影響染色質結構的調節蛋白,從而打開染色質結構并激活轉錄和阻止某些抑制復合物的結合,促進基因表達;也可能會吸引異染色質蛋白與之結合,導致染色質高度螺旋化而抑制基因表達;組蛋白乙酰化主要是指在組蛋白N端的賴氨酸添加乙酰基團,通過屏蔽組蛋白中堿性氨基酸殘基的正電荷,使帶負電的DNA分子與組蛋白的纏繞松開,方便了轉錄因子和RNA聚合酶識別和結合DNA,提高轉錄的效率。

拓展練習3.新型化合物XP-524能阻斷兩種表觀遺傳調節子BET蛋白和組蛋白乙酰轉移酶(EP300)的功能,可以解除對染色質的凝聚作用并促進相關基因轉錄。該機理應用到臨床上可以幫助治療胰腺導管腺癌。下列說法錯誤的是

( )

A.BET蛋白和EP300發揮作用時基因的堿基序列發生改變

B.BET蛋白和EP300會導致基因表達和表型發生可遺傳的變化

C.染色質凝聚后高度螺旋化的DNA不能解旋從而抑制了相關基因的轉錄

D.XP-524可能通過促進抑癌基因表達幫助治療胰腺導管腺癌

答案：A

染色質重塑是一種染色體結構動態變化的過程,在染色質重塑復合體的作用下,組蛋白核心八聚體(由組蛋白H2A、H2B、H3和H4構成)可以與DNA暫時脫離,或者使核小體核心沿DNA滑動而改變位置,或者促進異染色質的形成。染色質重塑過程中,核小體滑動可能是一種重要機制,它不改變核小體結構,但改變核小體與DNA的結合位置,影響了有關基因的表達。

2.3 RNA甲基化和RNA介導的基因沉默

RNA甲基化主要是指第6號位腺嘌呤的甲基化,可以吸引RNA結合蛋白與RNA結合并抑制其被降解,有利于相關蛋白的翻譯,提高蛋白質的翻譯效率。

RNA介導的基因沉默首先是在植物中觀察到的,后來科學家法爾和梅洛等將與某個基因同源的正義鏈RNA和反義鏈RNA混合注入秀麗隱桿線蟲中,發現只需要幾分子的雙鏈RNA就能完全阻斷線蟲一個細胞內該基因的表達,即RNA干擾。RNA干擾就是指與靶基因序列同源的雙鏈非編碼RNA所誘導的一種序列特異性轉錄后基因沉默現象。非編碼RNA指不能翻譯為蛋白質的,具有調控基因表達或者異染色體形成的作用,包括miRNA、siRNA和piRNA。

拓展練習4.RNA干擾機制如下:雙鏈RNA一旦進入細胞內就會被一個稱為Dicer的特定酶切割成21～23個核苷酸長的小分子干涉RNA(SiRNA)。Dicer酶能特異識別雙鏈RNA,以ATP依賴方式切割由外源導入或者由轉基因、病毒感染等各種方式引入的雙鏈RNA,切割產生的SiRNA片段與一系列酶結合組成誘導沉默復合體(RISC)。激活的RISC通過堿基配對結合到與SiRNA同源的mRNA上,并切割該mRNA,造成蛋白質無法合成(如圖所示)。據圖回答下列問題:

(1)組成雙鏈RNA的基本單位是。

(2)根據RNA干擾機理,RISC能使相關基因“沉默”,其實質是遺傳信息傳遞中________過程受阻。

(3)通過Dicer切割形成的SiRNA,能使基因“沉默”,原因是。

(4)有科學家將能引起RNA干擾的雙鏈RNA的兩條單鏈分別注入細胞,結果卻沒有引起RNA干擾現象,請據圖分析最可能的原因____________________。

(5)RNA干擾技術具有廣泛的應用前景,根據RNA干擾技術原理,嘗試寫出治療乙型肝炎的大致方案____________________________________________________________。

答案：(1)核糖核苷酸 (2)翻譯 (3)SiRNA上有與mRNA互補配對的堿基序列 (4)Dicer酶只能識別雙鏈RNA,不能識別單鏈RNA (5)可以先分析乙肝病毒基因中的脫氧核苷酸序列,據此通過人工合成與之相應的雙鏈RNA,注入被乙肝病毒感染的細胞,抑制乙肝病毒的繁殖

3.表觀遺傳的遺傳特點

3.1 基因組印記

騾和驢騾都是驢和馬的雜交后代,前者是雄驢和雌馬的雜交,后者相反。它們的差異是一種源自不同性別親本的基因表達不同導致的表觀遺傳現象,叫作基因組印記。基因組印記在生物界普遍存在,往往是在原始生殖細胞發育過程中,原有的所有印記被去除,然后在配子形成過程中根據親本來源決定基因是否重新印記。例如,所有雌配子的某基因不會被甲基化,所有雄配子中該基因就會被甲基化修飾。即使雄配子含顯性基因,但由于該基因來自父本而被甲基化(印記基因),會導致其不表達而使后代可表現出隱性性狀;如果親本都是雜合子,那么后代中有一半雜合子會表現為隱性性狀,則后代中性狀分離比不是3∶1,而是1∶1。一般情況下,每個印記基因的印記在親代減數分裂過程中形成,保留在個體整個生長發育中,故出現了含有顯性基因但不能表現顯性性狀的遺傳特點,直到下一代根據親本來源重新標記。

拓展練習5.小鼠的體色黃色對灰色是顯性,分別受常染色體上一對等位基因A、a控制。在小鼠體色的遺傳過程中,由于“基因印記”會導致來自某親本的基因A被甲基化而不能表達。下列相關敘述正確的是

( )

A.體色黃色的小鼠不一定是純合子,灰色的小鼠一定是純合子

B.基因型為Aa的雌雄小鼠雜交,子代性狀分離比是3∶1

C.可通過測交實驗判斷被“印記”的基因A來自哪個親本

D.若“印記”基因A來自母本,母本體色一定是黃色

答案：C

3.2 環境因素對表觀遺傳的影響

研究發現,環境因素不僅會通過改變遺傳物質,使性狀改變,還會引起DNA的甲基化和組蛋白的修飾。例如,親本的生活經歷(如環境因素作用)會在遺傳物質上留下相應印記,并可傳遞給子代,使幼體并沒有經歷過也會出現與親本一樣的應激反應。例如,小鼠在聞到以前給予其親本電擊而產生恐懼感的氣味時,會表現出恐懼;用甲基化飼料飼喂動物,會引起后代甲基化水平升高,引起后代性狀改變。

拓展練習6.科學家發現用富含甲基的補充飼料飼喂動物,后代會由于甲基化水平升高而引起性狀改變,并且甲基化會隨著DNA的復制而遺傳。已知小鼠的體色黃色對灰色是受等位基因A和a控制的一對相對性狀,為了驗證小鼠的體色是否受所喂的飼料影響并遺傳,科學家將即將受孕的小鼠分為兩組,對照組孕鼠只喂普通的標準飼料,實驗組的小鼠在受孕前兩周飼喂添加了富含甲基的葉酸、乙酰膽堿等標準飼料。請根據下列雜交組合結果回答問題:

實驗1:黃色×灰色→灰色(只喂標準飼料);

實驗2:黃色×黃色→黃色(只喂標準飼料);

實驗3:黃色×黃色→棕褐色(除標準飼料外,加了甲基葉酸、乙酰膽堿等)。

(1)體色的黃色和灰色這對相對性狀中,________為顯性性狀,實驗1親本的基因型是________。

(2)實驗3子代中出現了棕褐色可能的原因是____________________________________________________________。

(3)請設計方案驗證你的解釋:________________________________________。

答案：(1)灰色 aa、AA (2)喂養的飼料引起小鼠出現新的性狀是由于小鼠體內甲基化引起的,會遺傳給下一代 (3)F1棕褐色小鼠雌雄相互交配,孕期只喂標準飼料,若后代全為棕褐色,則說明棕色性狀是因為個體DNA甲基化水平升高,引起后代性狀改變,甲基化可隨DNA的復制而遺傳

3.3 劑量補償效應

劑量補償效應指的是在XY性別決定機制的生物中,使性染色體上的基因在兩種性別中有相等或近乎相等有效劑量的遺傳效應。比如在哺乳動物中,細胞質某些調節物質能使雌性動物兩條X染色體中的一條高度壓縮成致密結構的巴氏小體而失活,也就只有一條X染色體具有活性,就使得雌、雄動物之間雖然X染色體的數量不同,但是X染色體上基因產物的劑量是平衡的。而在果蠅中,雄性單條X染色體轉錄率加倍,這樣雄果蠅雖然只有一條X染色體,但表達的量與雌果蠅兩條X染色體表達的量相近,達到劑量平衡。例如,兩條X染色體各自含有控制不同毛色基因的雌貓在早期胚胎發育過程中,胚胎細胞發生的X染色體失活成巴氏小體是隨機的,在不同皮毛細胞中都只有沒有失活的那條X染色體上控制毛色的基因表達,從而出現了黑黃相間的性狀,這也進一步說明了這種抑制性的表觀修飾具有持續性。

拓展練習7.在哺乳動物的體細胞中,雌性兩條X染色體中一條會失活導致其上的基因被關閉,而雄性的單條X染色體保持活性。另外,雌性哺乳動物體細胞中X染色體的失活遵循n-1規律:不管有多少條X染色體,除了一條以外其余的都失活,失活的X染色體形成高度壓縮致密的結構,稱作巴氏小體。已知控制貓毛皮顏色的基因A(黃色)、a(黑色)位于X染色體上,雄性家貓的皮毛顏色只有黑色和黃色,雌性有黑色、黃色和黑黃花斑三種。根據以上信息,回答下列問題:

(1)貓毛色為黑黃花斑的個體的基因型為,

其表現為黑黃花斑的原因是____________________。

(2)巴氏小體能用來區分正常貓的性別,理由是________________________________________。

(3)性染色體組成為XXX的雌貓,其體細胞細胞核中應有________個巴氏小體高度螺旋化的染色體上的基因由于________過程受阻而不能表達。

(4)讓黑色雌貓與黃色雄貓雜交,得到子一代,若子一代雌雄個體雜交,偶然出現了一只黃色和黑色相間的雄貓,則該雄貓的基因型為________;產生該貓是由于其________(填“父方”或“母方”)形成了異常的生殖細胞,導致這種異常生殖細胞的原因是。

若此貓具有正常的繁殖能力,且在形成生殖細胞時,失活的X染色體可得到恢復,它與一只黑色雌貓雜交得到的子代全部成活,則子代中黑黃花斑的雌性個體的比例為________。

答案：(1)XAXa基因是雜合子,同時表現為A基因控制的黃色和a基因控制的黑色 (2)正常雌貓體細胞會有一個巴氏小體,而雄性個體體內只有一條X染色體,不會有巴氏小體 (3)2 轉錄 (4)XAXaY 父方 減數第一次分裂同源染色體未分離 1/3

總之,在經典遺傳學和DNA甲基化、組蛋白修飾等調控機制基礎上,對表觀遺傳的概念和遺傳特點進行拓展和總結,并利用習題進行深刻剖析,有助于學生理解基因的選擇性表達;對表觀遺傳這一重要概念的理解和重建,有利于學生全面認識基因、環境與性狀之間關系的復雜性和生物遺傳的復雜多樣,發展學生遺傳與進化的生命觀念。