蜜蜂的DNA 甲基化与表观遗传

江苏 张卓鹏

表观遗传是指基因的碱基序列不发生变化，但基因表达却发生了稳定的改变，最终导致表型的稳定差异。表观遗传不仅是当下科学研究的热点，而且目前已经走进了高中生物学新教材。蜜蜂蜂王与工蜂分化发育过程中，雌幼虫蜂王浆的喂食与否，决定了其发育命运的不同，两者之间存在着巨大的表型差异。现代遗传学研究表明，蜜蜂的表观遗传与DNA 甲基化密切相关，涉及基因的选择性表达。

1.DNA 甲基化与表观遗传

蜜蜂蜂王与工蜂都是由受精卵发育而来。它们的命运差异发生在出生3 天后，这时，护理蜂会在雌蜂幼虫中挑选出一小部分个体继续喂食蜂王浆，这些幼虫将发育为蜂王；剩下的大部分幼虫则停喂蜂王浆，改为喂食花粉和花蜜，这些幼虫将发育为工蜂（图1）。蜂王的体积是工蜂的两倍，寿命更长，能够繁育下一代；工蜂体积较小，成日劳作，采集花粉，建筑蜂巢和饲养幼蜂，寿命很短，不具有繁殖能力。

图1

现代遗传学研究表明，表观遗传机制涉及DNA 甲基化、组蛋白修饰、染色质重构和非编码RNA 的调控等，其中DNA 甲基化是目前研究得最清楚，也是最重要的表观遗传修饰形式。甲基化是将活性甲基化合物（如S 腺苷基甲硫氨酸）的甲基催化转移到其他化合物（如DNA）中的过程。DNA 甲基化是指DNA 序列上特定的碱基在DNA 甲基转移酶（DNMT）的催化作用下添加甲基的过程。DNA 甲基化虽然不改变DNA 序列，但会导致基因选择性表达，甚至相关基因转录沉默。1989 年，英国生物学家霍利迪发表了题为“DNA 甲基化与表观遗传机制”的论文，第一次明确提出了DNA 的甲基化修饰可以稳定地控制基因的表达与否，是基因选择性表达的重要机制。DNA 甲基化在细胞中普遍存在，在维持细胞的生长及代谢等方面有重要作用。研究表明，工蜂大脑细胞中约有600 个基因被甲基化，而蜂王大脑细胞中的基因没有被甲基化。如果某DNA 片段被甲基化，那么该片段对应的基因功能就会被抑制。蜜蜂DNA的甲基化是由DNA甲基转移酶（DNMT）来控制的，如果敲除DNMT 基因或破坏幼虫体内表观遗传酶（DNMT3），蜜蜂幼虫细胞中就会失去这种酶的作用，幼虫便会发育成蜂王，也就说明，这种作用方式达到的效果和喂食蜜蜂幼虫蜂王浆达到的效果是一样的（图2）。

图2

2.DNA 甲基化相关试题分析

表观遗传学是近几年来生命科学领域迅速发展的前沿学科之一，极大地丰富了遗传信息的内容，使遗传学向更深层次发展。高中阶段表观遗传学内容的教学不仅仅要立足于让学生掌握更多的遗传学知识、完善遗传知识体系，更重要的是要发挥这一内容在提升学生学科核心素养方面的价值，即理解科学本质，建立生命观念。蜜蜂的DNA 甲基化与表观遗传便可选作新的试题情境素材，以引导学生基于情境、问题导向，进行深度思维，有助于学生对表观遗传机制有更深的了解。

【例1】蜜蜂蜂王与工蜂都是由受精卵发育而来，但它们在形态、结构、生理和行为等方面截然不同，表观遗传在此方面发挥了重要作用。少数幼虫一直取食蜂王浆而发育成蜂王，而大多数幼虫以花粉和花蜜为食将发育成工蜂。DNMT3 蛋白是DNMT3 基因表达的一种DNA 甲基化转移酶，能使DNA 某些区域添加甲基基团（图3）。敲除DNMT3 基因后，蜜蜂幼虫将发育成蜂王，这与取食蜂王浆有相同的效果。下列有关叙述正确的是 （ ）

图3

A.被甲基化的DNA 片段中遗传信息发生了改变

B.蜂群中蜜蜂幼虫发育成蜂王可能与体内重要基因是否甲基化有关

C.DNA 甲基化后可能干扰了RNA 聚合酶等对DNA 部分区域的识别和结合

D.胞嘧啶和5′甲基胞嘧啶在DNA 分子中都可以与鸟嘌呤配对

【答案】BCD

【解析】由题干可以理出一条逻辑线索：DNMT3 基因转录出某种mRNA 再翻译成DNMT3 蛋白，DNMT3 蛋白作用于DNA 某些区域使其甲基化，结果是蜜蜂幼虫发育成工蜂。DNA 甲基化并没有改变DNA 内部的碱基排列顺序，故未改变DNA 片段中的遗传信息，A 选项错误；由“逻辑线索”可推知，敲除DNMT3 基因后，就不能翻译出DNMT3 蛋白，则DNA 某些区域没有被甲基化，蜜蜂幼虫就不能发育成工蜂（将发育成蜂王），B 选项正确；DNA 甲基化后可能干扰了RNA 聚合酶等对DNA 部分区域的识别和结合，导致转录和翻译过程发生变化，从而使生物表现出不同的性状，C 选项正确；从图中“部分被甲基化的DNA 片段”可看出，胞嘧啶和5甲基胞嘧啶在DNA 分子中都可以与鸟嘌呤配对，D 选项正确。

【例2】在一个蜂群中，少数幼虫一直取食蜂王浆而发育成蜂王，而大多数幼虫以花粉和花蜜为食则发育成工蜂，这是自然界中一种常见的表观遗传现象。DNMT3 蛋白是DNMT3 基因表达的一种DNA 甲基化转移酶，能使DNA 某些区域添加甲基基团（如图4 所示）。敲除DNMT3 基因后，蜜蜂幼虫将发育成蜂王，这与取食蜂王浆有相同的效果。下列有关叙述错误的是 （ ）

图4

A.DNA 甲基化本质上是一种基因突变，从而导致性状改变

B.蜜蜂幼虫以花粉和花蜜为食，导致DNMT3 基因被甲基化

C.蜂王浆可能会使蜂王细胞中DNMT3 基因的表达水平下降

D.DNA 甲基化可能干扰了RNA 聚合酶对DNA 相关区域的作用

【答案】AB

【解析】DNA 甲基化为DNA 化学修饰的一种形式，能够在不改变DNA 序列的前提下，改变遗传表现。大量研究表明，DNA 甲基化能引起染色质结构、DNA 构象、DNA 稳定性及DNA 与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因的表达。DNA甲基化并没有改变基因的碱基序列，故没有发生基因突变，A 选项错误；根据题意分析可知，DNMT3 基因表达产生的DNMT3 蛋白能够使得DNA 某些区域添加甲基基团，而DNMT3 基因本身并没有被甲基化，B 选项错误；敲除DNMT3 基因后，蜜蜂幼虫将发育成蜂王，这与取食蜂王浆有相同的效果，说明蜂王浆可能会使蜂王细胞中DNMT3 基因的表达水平下降，细胞未出现DNA 甲基化，或DNA 甲基化程度较低，C 选项正确；DNA 甲基化后可能干扰了RNA 聚合酶等对DNA 部分区域的识别和结合，使得基因的表达存在差异，D 选项正确。

【例3】蜜蜂受精卵（2n=32）发育成的幼虫若持续食用蜂王浆则发育为蜂王，否则发育为工蜂，未受精的卵细胞发育成雄蜂。图5 为雄蜂产生精细胞过程的示意图，下列叙述错误的是 （ ）

图5

A.减数第一次分裂前期初级精母细胞中的同源染色体联会形成8 个四分体

B.减数第一次分裂染色体数目未减半的原因可能与细胞未产生正常的纺锤体有关

C.产生基因型为Aabb 的次级精母细胞的原因是该过程中发生了基因突变

D.蜂王与工蜂发育过程差异的原因可能是基因在细胞中的表达水平受到了环境影响

【答案】A

【解析】雄蜂是由未受精的卵细胞直接发育而来的，因此它的体细胞（包括其体内的精原细胞）只含有一个染色体组。但雄蜂精原细胞在减数第一次分裂时出现了单极纺锤体，即只在细胞的一极发出星射线构成纺锤体，另一极没有相关结构。这样在第一次分裂后期染色体均移向了同一极，且这一极保留有完整的细胞核，另一极无染色体，最后形成了一个无核的细胞质芽体和一个含有完整细胞核（内含16 条染色体）的子细胞，且含有完整细胞核的子细胞内并不发生染色体数目的减半。减数第二次分裂时，则是按正常的方式进行，这次分裂实质上相当于一般的有丝分裂，但其细胞质进行不均等的分裂——含细胞质多的部分（内含16条染色体）将进一步发育成精细胞，含细胞质少的部分（内含16 条染色体）则逐渐退化。雄蜂的一个初级精母细胞，通过这种减数分裂，结果只产生一个精细胞。这种特殊的减数分裂叫作“假减数分裂”。

雄蜂的精原细胞中只含有一个染色体组，无同源染色体，因此在减数第一次分裂的前期不会发生同源染色体的联会，也就不存在四分体了，A 选项错误；正常减数第一次分裂的后期，同源染色体的两侧各有纺锤丝相连，在两极纺锤丝的作用下分别移向细胞两极，最终导致同源染色体分开，形成的次级精母细胞中染色体数目减半。由图5 分析可知：雄蜂的精原细胞无同源染色体，形成的次级精母细胞中染色体数目也未减半。故推测，减数第一次分裂染色体数目未减半的原因可能与细胞未产生正常的纺锤体有关，B 选项正确；假设该精原细胞的基因型是Ab（雄蜂是单倍体），则间期发生染色体复制后，基因型为AAbb，由于精原细胞减数第一次分裂结束后形成的次级精母细胞染色体数目不变，则次级精母细胞的基因型还是AAbb（减数第二次分裂后期），若基因型变为Aabb，则一定是由于发生了基因突变，而不可能是交叉互换，因为该精原细胞中无同源染色体，不存在发生同源染色体上非姐妹染色单体交叉互换的可能，C 选项正确；同样是受精卵发育成的幼虫，如果持续食用蜂王浆则幼虫发育为蜂王，否则发育为工蜂。据此可以推测，蜂王和工蜂在发育过程中的基因表达可能受到了食物等环境因素的影响，使得它们的性状和功能都发生了较大的差异，这属于表观遗传现象，D 选项正确。

3.DNA 甲基化与社会的联系

有研究表明，吸烟会使人的体细胞内DNA 甲基化水平升高，对染色体上的组蛋白也会产生影响。不仅如此，还有研究发现，男性吸烟者的精子活力下降，精子中DNA 甲基化水平明显升高。教师可以建议学生查阅相关资料，结合表观遗传、烟草烟雾中含有的化学物质及其危害等知识，向亲友和周围人群宣传戒烟的道理。

【例4】DNA 甲基化是指DNA 序列上特定的碱基在DNA 甲基转移酶（DNMT）的催化作用下添加甲基，导致相关基因转录沉默。DNA 甲基化在细胞中普遍存在，对维持细胞的生长及代谢等是必需的。图6 中甲、乙分别表示DNMT 基因表达的两个过程，a、b、c、d 代表相关物质，据图回答：

图6

细胞中DNA 甲基转移酶增多，抑癌基因异常甲基化是引起细胞癌变的原因之一。一种肺细胞的癌变是由ASPP 基因（一种抑癌基因）甲基化引起的，则与正常细胞相比，该癌细胞中DNMT 基因和ASPP 基因转录的mRNA 含量分别会___________、____________。

【答案】增加 减少

【解析】DNA 甲基转移酶由DNMT 基因表达产生，癌细胞中DNA 甲基转移酶增多，故DNMT 基因转录的mRNA 含量增加；抑癌基因主要作用是阻止细胞不正常的增殖，抑癌基因异常甲基化是引起细胞癌变的原因之一，故癌细胞中ASPP 基因转录的mRNA 含量会减少。

综上分析，可得出：蜜蜂的表观遗传与DNA 甲基化密切相关，DNA 甲基化并没有改变基因的碱基排列顺序，不属于基因突变。DNA 甲基化往往会导致相关基因转录沉默，这涉及基因的选择性表达。表观遗传现象普遍存在于生物体的整个生命活动过程中，表观遗传机制除涉及DNA 甲基化外，还涉及组蛋白修饰、染色质重构和非编码RNA 的调控等，其中更多的生物遗传奥秘有待人们进一步探索发现。