表观遗传的概念延伸及拓展练习

宋培培 余中宾

(安徽省淮南第一中学)

聚焦大概念是《普通高中生物学课程标准(2017版)》基本理念之一,旨在让学生能够深刻理解和应用重要的生物学概念。“遗传信息控制生物性状,并代代相传”是模块2 《遗传与进化》的大概念之一。遗传信息的载体主要是DNA,DNA独特的双螺旋结构保证了复制的准确进行并遗传给下一代;遗传信息通过表达的蛋白质控制生物性状。近年来,越来越多的证据表明,除去基因(碱基排序)之外,还存在一系列复杂和精细的调控机制影响着性状的形成,即表观遗传学。深刻分析并延伸表观遗传概念,使学生认识到遗传信息的调控机制和遗传信息本身一样能够控制生物性状并代代相传,促使学生在“经典遗传学”基础上深刻理解基因遗传、表达与性状的关系,有利于拓展学生对大概念的认识深度。

1.经典遗传学与表观遗传学的关联

孟德尔的遗传规律和摩尔根的连锁定律是经典遗传学的重要组成部分,主要强调基因型决定表型,其实质是通过亲、子代表型及比例反映出控制性状的基因在有性配子传递过程的规律和特点。因此,经典遗传学认为一旦基因中碱基序列改变(如基因突变等)引起基因功能的变化,就会导致表型发生可遗传的变化。相反的,表观遗传学是指在基因的DNA序列没有发生改变的情况下,基因功能发生了可遗传的变化,最终表型发生变化。从表型变异角度看,经典遗传学强调生物的可遗传变异是生物的遗传物质发生改变导致的,而表观遗传学强调某些变异发生后,生物的DNA序列没有改变,并且这些变异是可以遗传给后代的,这些遗传现象叫表观遗传现象。若从基因型种类及比例来考虑,经典遗传学和表观遗传学都是通过DNA分子复制和减数分裂将遗传物质“代代相传”,表观遗传学符合经典遗传学的遗传规律。与经典遗传学中强调遗传物质本身重要性的不同,表观遗传学凸显了基因和性状的关系,强调了基因表达过程的调节机制对性状改变的作用,是经典遗传学的继承和发展。

拓展练习1.下列关于基因和性状的关系说法错误的是

( )

A.基因可以通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状

B.基因、基因产物和环境之间相互作用共同调控生物的性状

C.表观遗传中,核内遗传物质在亲子代之间传递不再遵循孟德尔遗传规律

D.表观遗传认为,基因在转录和翻译过程中发生了一些稳定性的改变

答案：C

2.表观遗传影响性状的机制

2.1 DNA甲基化

DNA甲基化是指在DNA甲基转移酶(DNMT)的作用下,DNA分子中CG两个核苷酸的胞嘧啶被选择性地添加甲基,形成5-甲基胞嘧啶。在基因的5′调控区常常存在CG的重复排列,即CG岛。这些CG岛往往位于DNA大沟里,一旦甲基化后就会改变DNA的构象,会阻碍一些转录因子及RNA聚合酶对基因启动子的识别与结合,从而降低基因的转录活性;甚至,甲基化DNA会吸引一些相关蛋白质结合到启动子区域,压缩染色质的结构,最终表现出基因沉默。甲基化的DNA在复制过程中,DNMT可以识别新产生的双链DNA的亲代链上甲基化位点,并将子链的对应位置的胞嘧啶进行甲基化,实现了细胞的“甲基化记忆”,确保在细胞间传递下去。

拓展练习2.一个蜂群中,蜂王和工蜂都是由受精卵发育来的。如果幼虫一直取食蜂王浆则发育成蜂王,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。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

( )

A.被甲基化的DNA片段中遗传信息发生改变,从而使生物的性状发生改变

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：A

2.2 组蛋白的修饰和染色质重塑

真核细胞的核DNA会与组蛋白结合形成核小体,核小体是染色体的基本单位。组蛋白上的一些氨基酸残基,尤其是赖氨酸、精氨酸,都可以被修饰,包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等。组蛋白修饰会影响组蛋白与DNA双链的结合,进而影响基因的表达。与DNA甲基化结果有所不同的是,组蛋白修饰可能与基因转录激活有关,也可能抑制基因表达。例如,组蛋白中H3的赖氨酸甲基化会吸引影响染色质结构的调节蛋白,从而打开染色质结构并激活转录和阻止某些抑制复合物的结合,促进基因表达;也可能会吸引异染色质蛋白与之结合,导致染色质高度螺旋化而抑制基因表达;组蛋白乙酰化主要是指在组蛋白N端的赖氨酸添加乙酰基团,通过屏蔽组蛋白中碱性氨基酸残基的正电荷,使带负电的DNA分子与组蛋白的缠绕松开,方便了转录因子和RNA聚合酶识别和结合DNA,提高转录的效率。

拓展练习3.新型化合物XP-524能阻断两种表观遗传调节子BET蛋白和组蛋白乙酰转移酶(EP300)的功能,可以解除对染色质的凝聚作用并促进相关基因转录。该机理应用到临床上可以帮助治疗胰腺导管腺癌。下列说法错误的是

( )

A.BET蛋白和EP300发挥作用时基因的碱基序列发生改变

B.BET蛋白和EP300会导致基因表达和表型发生可遗传的变化

C.染色质凝聚后高度螺旋化的DNA不能解旋从而抑制了相关基因的转录

D.XP-524可能通过促进抑癌基因表达帮助治疗胰腺导管腺癌

答案：A

染色质重塑是一种染色体结构动态变化的过程,在染色质重塑复合体的作用下,组蛋白核心八聚体(由组蛋白H2A、H2B、H3和H4构成)可以与DNA暂时脱离,或者使核小体核心沿DNA滑动而改变位置,或者促进异染色质的形成。染色质重塑过程中,核小体滑动可能是一种重要机制,它不改变核小体结构,但改变核小体与DNA的结合位置,影响了有关基因的表达。

2.3 RNA甲基化和RNA介导的基因沉默

RNA甲基化主要是指第6号位腺嘌呤的甲基化,可以吸引RNA结合蛋白与RNA结合并抑制其被降解,有利于相关蛋白的翻译,提高蛋白质的翻译效率。

RNA介导的基因沉默首先是在植物中观察到的,后来科学家法尔和梅洛等将与某个基因同源的正义链RNA和反义链RNA混合注入秀丽隐杆线虫中,发现只需要几分子的双链RNA就能完全阻断线虫一个细胞内该基因的表达,即RNA干扰。RNA干扰就是指与靶基因序列同源的双链非编码RNA所诱导的一种序列特异性转录后基因沉默现象。非编码RNA指不能翻译为蛋白质的,具有调控基因表达或者异染色体形成的作用,包括miRNA、siRNA和piRNA。

拓展练习4.RNA干扰机制如下:双链RNA一旦进入细胞内就会被一个称为Dicer的特定酶切割成21～23个核苷酸长的小分子干涉RNA(SiRNA)。Dicer酶能特异识别双链RNA,以ATP依赖方式切割由外源导入或者由转基因、病毒感染等各种方式引入的双链RNA,切割产生的SiRNA片段与一系列酶结合组成诱导沉默复合体(RISC)。激活的RISC通过碱基配对结合到与SiRNA同源的mRNA上,并切割该mRNA,造成蛋白质无法合成(如图所示)。据图回答下列问题:

(1)组成双链RNA的基本单位是。

(2)根据RNA干扰机理,RISC能使相关基因“沉默”,其实质是遗传信息传递中________过程受阻。

(3)通过Dicer切割形成的SiRNA,能使基因“沉默”,原因是。

(4)有科学家将能引起RNA干扰的双链RNA的两条单链分别注入细胞,结果却没有引起RNA干扰现象,请据图分析最可能的原因____________________。

(5)RNA干扰技术具有广泛的应用前景,根据RNA干扰技术原理,尝试写出治疗乙型肝炎的大致方案____________________________________________________________。

答案：(1)核糖核苷酸 (2)翻译 (3)SiRNA上有与mRNA互补配对的碱基序列 (4)Dicer酶只能识别双链RNA,不能识别单链RNA (5)可以先分析乙肝病毒基因中的脱氧核苷酸序列,据此通过人工合成与之相应的双链RNA,注入被乙肝病毒感染的细胞,抑制乙肝病毒的繁殖

3.表观遗传的遗传特点

3.1 基因组印记

骡和驴骡都是驴和马的杂交后代,前者是雄驴和雌马的杂交,后者相反。它们的差异是一种源自不同性别亲本的基因表达不同导致的表观遗传现象,叫作基因组印记。基因组印记在生物界普遍存在,往往是在原始生殖细胞发育过程中,原有的所有印记被去除,然后在配子形成过程中根据亲本来源决定基因是否重新印记。例如,所有雌配子的某基因不会被甲基化,所有雄配子中该基因就会被甲基化修饰。即使雄配子含显性基因,但由于该基因来自父本而被甲基化(印记基因),会导致其不表达而使后代可表现出隐性性状;如果亲本都是杂合子,那么后代中有一半杂合子会表现为隐性性状,则后代中性状分离比不是3∶1,而是1∶1。一般情况下,每个印记基因的印记在亲代减数分裂过程中形成,保留在个体整个生长发育中,故出现了含有显性基因但不能表现显性性状的遗传特点,直到下一代根据亲本来源重新标记。

拓展练习5.小鼠的体色黄色对灰色是显性,分别受常染色体上一对等位基因A、a控制。在小鼠体色的遗传过程中,由于“基因印记”会导致来自某亲本的基因A被甲基化而不能表达。下列相关叙述正确的是

( )

A.体色黄色的小鼠不一定是纯合子,灰色的小鼠一定是纯合子

B.基因型为Aa的雌雄小鼠杂交,子代性状分离比是3∶1

C.可通过测交实验判断被“印记”的基因A来自哪个亲本

D.若“印记”基因A来自母本,母本体色一定是黄色

答案：C

3.2 环境因素对表观遗传的影响

研究发现,环境因素不仅会通过改变遗传物质,使性状改变,还会引起DNA的甲基化和组蛋白的修饰。例如,亲本的生活经历(如环境因素作用)会在遗传物质上留下相应印记,并可传递给子代,使幼体并没有经历过也会出现与亲本一样的应激反应。例如,小鼠在闻到以前给予其亲本电击而产生恐惧感的气味时,会表现出恐惧;用甲基化饲料饲喂动物,会引起后代甲基化水平升高,引起后代性状改变。

拓展练习6.科学家发现用富含甲基的补充饲料饲喂动物,后代会由于甲基化水平升高而引起性状改变,并且甲基化会随着DNA的复制而遗传。已知小鼠的体色黄色对灰色是受等位基因A和a控制的一对相对性状,为了验证小鼠的体色是否受所喂的饲料影响并遗传,科学家将即将受孕的小鼠分为两组,对照组孕鼠只喂普通的标准饲料,实验组的小鼠在受孕前两周饲喂添加了富含甲基的叶酸、乙酰胆碱等标准饲料。请根据下列杂交组合结果回答问题:

实验1:黄色×灰色→灰色(只喂标准饲料);

实验2:黄色×黄色→黄色(只喂标准饲料);

实验3:黄色×黄色→棕褐色(除标准饲料外,加了甲基叶酸、乙酰胆碱等)。

(1)体色的黄色和灰色这对相对性状中,________为显性性状,实验1亲本的基因型是________。

(2)实验3子代中出现了棕褐色可能的原因是____________________________________________________________。

(3)请设计方案验证你的解释:________________________________________。

答案：(1)灰色 aa、AA (2)喂养的饲料引起小鼠出现新的性状是由于小鼠体内甲基化引起的,会遗传给下一代 (3)F1棕褐色小鼠雌雄相互交配,孕期只喂标准饲料,若后代全为棕褐色,则说明棕色性状是因为个体DNA甲基化水平升高,引起后代性状改变,甲基化可随DNA的复制而遗传

3.3 剂量补偿效应

剂量补偿效应指的是在XY性别决定机制的生物中,使性染色体上的基因在两种性别中有相等或近乎相等有效剂量的遗传效应。比如在哺乳动物中,细胞质某些调节物质能使雌性动物两条X染色体中的一条高度压缩成致密结构的巴氏小体而失活,也就只有一条X染色体具有活性,就使得雌、雄动物之间虽然X染色体的数量不同,但是X染色体上基因产物的剂量是平衡的。而在果蝇中,雄性单条X染色体转录率加倍,这样雄果蝇虽然只有一条X染色体,但表达的量与雌果蝇两条X染色体表达的量相近,达到剂量平衡。例如,两条X染色体各自含有控制不同毛色基因的雌猫在早期胚胎发育过程中,胚胎细胞发生的X染色体失活成巴氏小体是随机的,在不同皮毛细胞中都只有没有失活的那条X染色体上控制毛色的基因表达,从而出现了黑黄相间的性状,这也进一步说明了这种抑制性的表观修饰具有持续性。

拓展练习7.在哺乳动物的体细胞中,雌性两条X染色体中一条会失活导致其上的基因被关闭,而雄性的单条X染色体保持活性。另外,雌性哺乳动物体细胞中X染色体的失活遵循n-1规律:不管有多少条X染色体,除了一条以外其余的都失活,失活的X染色体形成高度压缩致密的结构,称作巴氏小体。已知控制猫毛皮颜色的基因A(黄色)、a(黑色)位于X染色体上,雄性家猫的皮毛颜色只有黑色和黄色,雌性有黑色、黄色和黑黄花斑三种。根据以上信息,回答下列问题:

(1)猫毛色为黑黄花斑的个体的基因型为,

其表现为黑黄花斑的原因是____________________。

(2)巴氏小体能用来区分正常猫的性别,理由是________________________________________。

(3)性染色体组成为XXX的雌猫,其体细胞细胞核中应有________个巴氏小体高度螺旋化的染色体上的基因由于________过程受阻而不能表达。

(4)让黑色雌猫与黄色雄猫杂交,得到子一代,若子一代雌雄个体杂交,偶然出现了一只黄色和黑色相间的雄猫,则该雄猫的基因型为________;产生该猫是由于其________(填“父方”或“母方”)形成了异常的生殖细胞,导致这种异常生殖细胞的原因是。

若此猫具有正常的繁殖能力,且在形成生殖细胞时,失活的X染色体可得到恢复,它与一只黑色雌猫杂交得到的子代全部成活,则子代中黑黄花斑的雌性个体的比例为________。

答案：(1)XAXa基因是杂合子,同时表现为A基因控制的黄色和a基因控制的黑色 (2)正常雌猫体细胞会有一个巴氏小体,而雄性个体体内只有一条X染色体,不会有巴氏小体 (3)2 转录 (4)XAXaY 父方 减数第一次分裂同源染色体未分离 1/3

总之,在经典遗传学和DNA甲基化、组蛋白修饰等调控机制基础上,对表观遗传的概念和遗传特点进行拓展和总结,并利用习题进行深刻剖析,有助于学生理解基因的选择性表达;对表观遗传这一重要概念的理解和重建,有利于学生全面认识基因、环境与性状之间关系的复杂性和生物遗传的复杂多样,发展学生遗传与进化的生命观念。