融表观遗传学于生物学试题编制探析

廖乐祥

(安徽省望江中学 安庆 246200)

表观遗传学为人们理解遗传现象提供了全新视角，成为“后基因组”时代的重要研究内容之一。同时，表观遗传学作为一个前沿领域，将是高中生物学课程内容的一部分[1]。笔者选取合适的素材，在相关试题中渗透表观遗传学的考查，力求编制出题材新颖、紧扣考点、巧妙设问、开拓思维的原创试题[2]，以期为中学生物学教学工作提供参考。

1 染色质结构与组蛋白修饰

真核生物基因被大量的蛋白质所包裹，压缩成独特的染色质结构。染色质不同位置上DNA包装程度不同： 末端端粒和中部的着丝粒区域的包装程度很高，属于异染色质区，这一区域由于包装程度过高，基因表达所需的蛋白质无法结合DNA链，因此几乎没有基因表达活性；而染色质的其他区域则属于常染色质区，染色质结构疏松，基因表达的蛋白质能够自由进出，并控制基因表达[3]。组蛋白修饰在表观遗传学研究中占有重要地位。常见的组蛋白修饰包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化等[4]。特定的修饰状态可以决定组蛋白的活性是招募另一些蛋白质与之结合或是解除已结合的蛋白质，从而决定DNA链的命运，打开或者关闭基因表达。

例1 组蛋白是构成真核生物染色体的基本结构蛋白。用聚丙烯酰胺凝胶电泳可以区分5种不同的组蛋白： H1、 H2A、 H2B、 H3和H4。研究发现，核心组蛋白的肽链末端受到多种化学修饰的调控，比如H4末端Lys8(Lys代表赖氨酸)和Lys16的双乙酰化能够招募转录相关蛋白，促进基因表达；而H3的N末端Lys9的甲基化会促进DNA包装蛋白的结合，压缩染色质结构，抑制基因表达。下列相关叙述中，正确的是( )

A.大肠杆菌中没有染色体结构，其拟核中的DNA从不与蛋白质结合

B.RNA聚合酶能识别DNA上的起始密码子并与之结合，启动基因的转录

C.猪成熟的红细胞在衰老时，控制其凋亡的基因开始招募转录相关蛋白

D.特定的修饰状态可以决定组蛋白的活性，从而决定基因的表达与沉默

解析： 本题主要考查DNA的复制、转录、密码子、细胞的结构以及组蛋白的修饰等知识点。大肠杆菌中虽没有染色体结构，但从DNA的复制、基因的转录等过程推理出拟核中的DNA有时会与蛋白质结合，如DNA复制时DNA聚合酶要与之结合等。起始密码子在mRNA上。猪成熟红细胞在教材中没有出现过，但是，从哺乳动物成熟红细胞的结构可以推断出其不存在凋亡基因。结合题干信息，特定的修饰状态可以决定组蛋白的活性，从而决定基因的表达与沉默。参考答案为D。

2 DNA甲基化与基因组印记

脊椎动物DNA对5′CpG3′二核苷酸序列胞嘧啶碱基发生甲基化共价修饰。CpG是DNA中被磷酸相连的胞嘧啶和鸟嘌呤的缩写。甲基位于DNA双螺旋的大沟内，许多DNA结合蛋白在这里与DNA结合，甲基就是通过吸引或排斥各种DNA结合蛋白而发挥作用。分子和遗传学研究都表明DNA胞嘧啶甲基化与基因沉默有关，并且在诸如X染色体失活、基因组印记等事件中起重要作用[5]。基因组印记是一种区别父母等位基因的表观遗传过程，可导致父源和母源基因特异性表达，而DNA甲基化是基因组印记最重要的方式之一。印记是在配子发生过程中全基因组表观重编程时获得的，且在早期胚胎发育过程中得以维持[6]。

例2 基因组印记是因亲本来源不同而导致等位基因表达差异的一种遗传现象，而DNA甲基化是基因组印记最重要的方式之一。每个印记基因的印记均是在亲代生殖细胞形成的过程中建立的，并能在个体发育过程中维持不变，直至下一代形成时才被抹去，并根据亲本来源的不同重新建立新印记。小鼠的某一基因座受到甲基化印记的影响，将该基因座上杂合(Aa， A对a完全显性，A决定野生型，a决定突变型)的一对小鼠进行杂交，在两只亲本小鼠的体细胞中，被甲基化修饰的基因不能表达，如图为基因组印记对等位基因表达和传递的影响示意图。根据材料判断下列相关说法中，正确的是( )

A.所处的环境相同，基因型相同的小鼠可以有不同的表现型

B.基因的碱基序列不变，基因的表达过程就不会发生变化

C.从图中可以看出，雄鼠的精原细胞经过减数的两次分裂，就形成两种印记的精子

D.基因组印记不能改变孟德尔的性状分离比

解析： 本题主要考查表现型与基因型之间的关系、表观遗传、精子的形成以及孟德尔的性状分离比。Aa的小鼠可以表现为野生型，也可表现为突变型(A基因被甲基化修饰)。题干中有“被甲基化修饰的基因不能表达”这个信息，从而得出“基因的碱基序列不变，基因的表达过程也可能会发生变化”。经过两次连续的细胞分裂，再经过精细胞的变形，就形成了成熟的雄性生殖细胞——精子。需要学生以批判性思维重新审视孟德尔的性状分离比，知道基因组印记能改变孟德尔的性状分离比，如Aa杂合子的自交子一代性状分离比为野生型∶突变型=1∶1。参考答案为A。

3 RNA介导的基因沉默

RNA干扰是指由双链RNA诱发的、同源mRNA高效特异性降解的技术。已知干扰小RNA(siRNA)介导的基因沉默主要发生在两个水平上，即转录后水平的mRNA的降解以及染色体水平上形成异染色质。微小RNA(miRNA)是能够引起基因转录后沉默的另一种重要RNA分子。微小RNA的功能主要有两个方面： 一是和siRNA一样装载成RISC(RNA诱导的沉默复合体)后，使互补的mRNA降解。其次，miRNA可抑制mRNA翻译，降低靶基因的蛋白水平但不影响其mRNA水平[7]。

例3 2018年8月，全球首款siRNA(小分子的双链RNA)药物由FDA批准上市，用于由hATTR引起的多发性神经病患者的治疗。治疗原理大体如下： 在RISC复合物中，siRNA的双链发生解旋，正义链被核酸酶降解，反义链被保留。接下来，RISC中的反义链与靶基因的mRNA互补配对结合，并诱导互补结合的mRNA被RNA酶降解，从而抑制基因的表达。下列相关叙述中，错误的是( )

A.siRNA完全水解可以得到6种物质

B.siRNA以及tRNA中都存在氢键

C.在神经细胞中，RNA聚合酶催化的产物都是mRNA

D.上述治疗原理是通过抑制翻译过程从而抑制基因的表达

解析： 本题主要考查RNA的组成成分、氢键、转录以及翻译等知识点。siRNA完全水解可以得到6种物质，即4种碱基、核糖以及磷酸。siRNA以及tRNA中都存在氢键。在神经细胞中，mRNA、 tRNA以及rRNA都是转录的产物。上述治疗原理是通过抑制翻译过程从而抑制基因的表达。参考答案为C。

例4 miRNA在真核生物中普遍存在，是21～24个核苷酸的非编码小RNA分子，通过负调控mRNA靶基因的转录后表达水平影响动植物的生长发育和疾病发生等多种生物学过程。科学家有望利用miRNA分子来治疗阿尔兹海默病！如图为miRNA生成过程图解，生成的miRNA可以与靶mRNA结合，引起其降解或抑制翻译过程。下列相关叙述中，正确的是( )

A.Ⅰ过程发生时，RNA酶要与DNA上的启动子结合

B.形成pri-miRNA时，需要4种游离的核糖核酸

C.生成的miRNA与靶mRNA结合时遵循碱基互补配对原则，即A与T配对，C与G配对

D.图中所示物质共含有5种碱基，8种核苷酸

解析： 本题主要考查RNA聚合酶、核酸的组成成分、碱基互补配对原则等知识点。学生应该具备结构与功能相适应的观念，从题干中获悉pri-miRNA、 pre-miRNA以及miRNA的组成与结构，Ⅰ过程发生时，RNA聚合酶要与DNA上的启动子结合。形成pri-miRNA时，需要4种游离的核糖核苷酸。生成的miRNA与靶mRNA结合时遵循碱基互补配对原则，即A与U配对，C与G配对。图中所示物质共含有5种碱基，8种核苷酸。参考答案为D。

上述试题的编制都是以核心素养评价为导向，确定命题素材，合理设问。将生物学学科核心素养、素养的水平表现、所涉及的知识和方法对应起来，确定测试蓝图，指导命题。试题初稿完成后，要反复推敲、琢磨以确保试题的严谨性、科学性，避免出现争议的问题。注意试题要有一定的难度与良好的区分度。试题的语言要专业、精炼，没有歧义。