尤佳

摘要：2019年版的人教版高中生物必修2《遺傳與進(jìn)化》新增了“表觀遺傳”內(nèi)容，旨在幫助學(xué)生更深入地理解基因和表型之間的關(guān)系，更有理有據(jù)地解釋生命現(xiàn)象。這部分內(nèi)容的重點(diǎn)在于表觀遺傳調(diào)控方式的理解和掌握。教學(xué)前，嘗試搜集資料和試題，就DNA甲基化修飾、組蛋白修飾、基因編輯技術(shù)幾個(gè)典型的表觀遺傳調(diào)控方式做詳細(xì)分析。

關(guān)鍵詞：表觀遺傳;調(diào)控方式;DNA甲基化;組蛋白修飾;基因編輯技術(shù)

隨著生命科學(xué)研究的不斷發(fā)展，很多生命現(xiàn)象已經(jīng)無(wú)法用經(jīng)典遺傳學(xué)來(lái)解釋。對(duì)此，2019年版的人教版高中生物必修2《遺傳與進(jìn)化》（以下簡(jiǎn)稱“新教材”）新增了“表觀遺傳”內(nèi)容，旨在幫助學(xué)生更深入地理解基因和表型之間的關(guān)系，更有理有據(jù)地解釋了生命現(xiàn)象。這部分內(nèi)容的重點(diǎn)在于對(duì)表觀遺傳調(diào)控方式的理解和掌握。教學(xué)前，筆者嘗試搜集資料和試題，就幾個(gè)典型的表觀遺傳調(diào)控方式做了詳細(xì)分析。

一、對(duì)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的調(diào)控

根據(jù)方式不同，可以把表觀遺傳調(diào)控分為兩類：一類是對(duì)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的調(diào)控，主要包含DNA甲基化修飾、組蛋白翻譯后修飾、染色質(zhì)重塑等，涉及的修飾種類具有多樣性，修飾方式也很復(fù)雜;另一類是基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控，主要依靠一些非編碼RNA，如siRNA、miRNA、反義RNA等。

（一） DNA甲基化

DNA甲基化是最早發(fā)現(xiàn)的表觀遺傳修飾之一，隨著研究的深入，其在基因表達(dá)調(diào)控、維持基因組穩(wěn)定性、X染色體失活、胚胎發(fā)育、腫瘤發(fā)生等方面都發(fā)揮了舉足輕重的作用。它是在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的催化下，將S腺苷甲硫氨酸（SAM）的甲基作為供體，添加到特定堿基上。根據(jù)發(fā)生位點(diǎn)的不同，DNA甲基化主要以C5甲基胞嘧啶和N6甲基腺嘌呤兩種形式存在，前者更為常見(jiàn)。在哺乳動(dòng)物中，幾乎所有的DNA甲基化都發(fā)生在CpG二核苷酸的胞嘧啶上。而基因組中富含CpG重復(fù)序列的區(qū)域稱為CpG島，CpG島通常位于啟動(dòng)子區(qū)，一般不發(fā)生甲基化，基因正常轉(zhuǎn)錄;而當(dāng)CpG島發(fā)生甲基化時(shí)，某些基因的轉(zhuǎn)錄受到抑制，如抑癌基因的沉默。多數(shù)轉(zhuǎn)錄因子都含有CpG結(jié)合區(qū)，發(fā)生甲基化的CpG島無(wú)法與這些轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，且CpG島甲基化能夠影響核小體穩(wěn)定性，使組蛋白傾向于結(jié)合甲基化DNA，穩(wěn)定染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而抑制轉(zhuǎn)錄的發(fā)生。

DNA甲基化作為新教材中著重介紹的內(nèi)容，其實(shí)在近幾年的高考模擬題中早就有所涉及。

例1（江蘇省南通市2020屆高三第三次調(diào)研測(cè)試第33題改編）閱讀下列關(guān)于“遺傳信息表達(dá)”的相關(guān)資料，請(qǐng)回答：

隨著分子遺傳學(xué)的發(fā)展，“DNA甲基化影響基因表達(dá)”的研究越來(lái)越受到關(guān)注。某種小鼠體內(nèi)的A基因能控制蛋白X的合成，a基因不能控制蛋白X的合成。蛋白X是小鼠正常發(fā)育必需的一種蛋白質(zhì)，缺乏時(shí)小鼠表現(xiàn)為個(gè)體較?。ㄙ迨螅基因的表達(dá)受到A基因上游一段DNA序列（P序列）調(diào)控。P序列甲基化（胞嘧啶上添加-CH3）后，A基因不能表達(dá);P序列非甲基化時(shí)，A基因正常表達(dá)，如圖1。A基因的P序列在精子中是非甲基化的，傳給子代后能正常表達(dá)，在卵細(xì)胞中是甲基化的，傳給子代后不能表達(dá)。

（1）由資料可知，DNA甲基化會(huì)改變基因的表達(dá)，導(dǎo)致基因控制的性狀發(fā)生改變。這種現(xiàn)象_________________（填“屬于”或“不屬于”）基因突變，理由是__________________。

（2）某基因型為Aa的小鼠是侏儒鼠，產(chǎn)生該侏儒鼠的原因是_______________________________。

若純合侏儒雌鼠與純合正常雄鼠雜交得F1，F(xiàn)1雌雄個(gè)體間隨機(jī)交配，則F2的表型及比例為_(kāi)___________________________________。

本題考查遺傳信息表達(dá)的相關(guān)知識(shí)，旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，形成生命觀念。由資料可知，DNA甲基化是胞嘧啶上添加甲基（—CH3），DNA中堿基序列未發(fā)生改變，故不屬于基因突變。由于A基因來(lái)自卵細(xì)胞，P序列甲基化，A基因不能表達(dá)，故基因型為Aa的小鼠表現(xiàn)為侏儒;純合侏儒鼠基因型為aa，純合正常雄鼠基因型為AA，二者雜交得到的F1基因型為Aa，隨機(jī)交配后，來(lái)自母方的A基因甲基化，來(lái)自父方的A基因未甲基化，故后代正常鼠∶侏儒鼠為1∶1。

（二）組蛋白修飾

染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)是核小體，每個(gè)核小體由147bp的DNA纏繞組蛋白八聚體兩圈組成，八聚體包含組蛋白H2A、H2B、H3和H4各兩分子。組蛋白的C端位于八聚體的核心部位，而N端則游離在外。因N端富含一些化學(xué)性質(zhì)活潑的氨基酸，所以容易發(fā)生多種修飾，常見(jiàn)的包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、SUMO化等。最新的研究還發(fā)現(xiàn)，組蛋白上也能發(fā)生巴豆?；?。組蛋白修飾可以調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，影響基因的表達(dá)。不同的修飾類型和不同位點(diǎn)的修飾具有各自不同的生理功能。這樣多樣化的修飾以及它們?cè)跁r(shí)空上的多種組合能精確調(diào)控生物學(xué)過(guò)程，被稱為“組蛋白密碼”。

有關(guān)組蛋白修飾的高考模擬題并不多，考點(diǎn)無(wú)非就是基因轉(zhuǎn)錄。這類試題難度并不大，但對(duì)學(xué)生剖析題干、提取關(guān)鍵信息的能力要求較高。教師在講解試題過(guò)程中尤其要強(qiáng)化相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系與遷移，注意學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

例2（湖北省九師聯(lián)盟2021屆高三12月聯(lián)考第13題改編）已知組蛋白乙?；c去乙酰化，分別是由組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（HAT）和去乙?；D(zhuǎn)移酶（HDAC）催化的，HAT和HDAC催化的乙?；磻?yīng)在真核生物基因的表達(dá)調(diào)控中起著重要作用。這兩種酶通過(guò)對(duì)核心組蛋白進(jìn)行可逆修飾來(lái)調(diào)節(jié)核心組蛋白的乙?；?，從而調(diào)控轉(zhuǎn)錄的起始與延伸。一般來(lái)說(shuō)，組蛋白的乙酰化促進(jìn)轉(zhuǎn)錄，而去乙酰化則抑制轉(zhuǎn)錄。染色質(zhì)包括具有轉(zhuǎn)錄活性的活性染色質(zhì)和無(wú)轉(zhuǎn)錄活性的非活性染色質(zhì)，染色質(zhì)上的組蛋白可以被乙?；?，圖2和圖3表示部分乙酰化過(guò)程。下列相關(guān)推測(cè)不合理的是（）

A.活性染色質(zhì)由DNA和蛋白質(zhì)組成，而非活性染色質(zhì)無(wú)蛋白質(zhì)

B.HDAC復(fù)合物使組蛋白去乙?；殡S著對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的抑制

C.由圖可知，激活因子使組蛋白發(fā)生乙?；筛淖?nèi)旧|(zhì)的活性

D.細(xì)胞中HAT復(fù)合物的形成有利于RNA聚合酶與DNA的結(jié)合

本題的考查背景是組蛋白修飾與基因表達(dá)的關(guān)系，解題時(shí)需要指導(dǎo)學(xué)生分析文字和辨識(shí)圖片，關(guān)注信息提取能力的訓(xùn)練。由于染色質(zhì)的組成包括組蛋白和DNA，所以選項(xiàng)A的推測(cè)顯然不合理。根據(jù)題干內(nèi)容可知，HDAC是組蛋白去乙?；?，可以抑制基因轉(zhuǎn)錄;反之，HAT參與組蛋白乙酰化，能促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄。再結(jié)合圖2、圖3可以推測(cè)，HAT復(fù)合物中的激活因子能使染色質(zhì)獲得活性，故選項(xiàng)B、C的推測(cè)合理;轉(zhuǎn)錄過(guò)程以DNA為模板，需要RNA聚合酶催化，選項(xiàng)D的推測(cè)也合理。

二、基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控

動(dòng)植物絕大部分的基因組序列都具有轉(zhuǎn)錄的潛能，但能編碼蛋白質(zhì)的基因數(shù)量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于人們的預(yù)期。以人類基因組為例，其中只有約3%的序列編碼蛋白質(zhì)，除去非轉(zhuǎn)錄區(qū)，其余約70%的序列轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生非編碼RNA。在非編碼RNA中，研究最早的是轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA）、核糖體RNA（rRNA）、snRNA等，它們是保證細(xì)胞內(nèi)中心法則正常執(zhí)行的生命分子。以長(zhǎng)度200nt為界限，可以將這些非編碼RNA按大小分成長(zhǎng)鏈非編碼RNA（lncRNA）和小非編碼RNA（有時(shí)也簡(jiǎn)稱為“小RNA”）。

在真核細(xì)胞中，如果轉(zhuǎn)錄后的RNA不被運(yùn)出細(xì)胞核，基本上就是起非編碼的功能。細(xì)胞核內(nèi)非編碼RNA可以通過(guò)與DNA、蛋白質(zhì)以及RNA-RNA之間的相互作用來(lái)行使調(diào)控作用，參與如染色質(zhì)的遠(yuǎn)程相互作用、組蛋白修飾調(diào)控、mRNA剪切調(diào)控、DNA的損傷修復(fù)以及異染色質(zhì)形成和mRNA降解等調(diào)控過(guò)程。而在細(xì)胞質(zhì)中，非編碼RNA也可以對(duì)mRNA穩(wěn)定性及其定位、翻譯等過(guò)程進(jìn)行調(diào)控。雌性動(dòng)物X染色體失活與非編碼RNA參與染色體組蛋白的表觀遺傳修飾有關(guān)，如常見(jiàn)的“三花貓”毛色相間現(xiàn)象就是典型實(shí)例。一系列的證據(jù)顯示， 非編碼RNA還可以參與特定類型的獲得性遺傳。

基因編輯技術(shù)是當(dāng)下很熱門的一項(xiàng)生物技術(shù)，也是基于非編碼RNA而獲得廣泛應(yīng)用的。2005年，CRISPR/Cas9技術(shù)已經(jīng)被普遍用來(lái)研究具體的某個(gè)基因，在此之前，獲得基因敲除的靈長(zhǎng)類動(dòng)物是難以想象的事情。CRISPR是存在于細(xì)菌中的一種基因組。許多細(xì)菌將外源DNA以重復(fù)序列形式整合進(jìn)自身基因組，隨后將此段序列轉(zhuǎn)錄出非編碼RNA（sgRNA），利用其指導(dǎo)Cas9蛋白切割再次入侵的外源DNA。這實(shí)際上是細(xì)菌對(duì)抗外來(lái)DNA的一種天然免疫方式，利用這項(xiàng)技術(shù)可以敲除或敲入基因，改變基因表達(dá)水平。最新研究還發(fā)現(xiàn)，利用堿基編輯技術(shù)改變sgRNA可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某種甲基化酶和組蛋白的定點(diǎn)突變，從而可以研究蛋白質(zhì)翻譯后的修飾功能，也能實(shí)現(xiàn)對(duì)組蛋白修飾的“重編程”。

江蘇高考其實(shí)早在2016年的選擇題中就涉及CRISPR/Cas9技術(shù)。2021年1月的新高考適應(yīng)性考試中，江蘇再次緊跟潮流，通過(guò)圖例解釋熱門技術(shù)的原理，同時(shí)將題中所涉轉(zhuǎn)錄、翻譯等有關(guān)知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)，題型也改成了難度相對(duì)較大的填空題，暗示了高考命題的趨勢(shì)。

例3（江蘇省2021年新高考適應(yīng)性考試生物第22題改編）啤酒生產(chǎn)需經(jīng)過(guò)制麥、糖化、發(fā)酵等主要環(huán)節(jié)。糖化主要是將麥芽中的淀粉等有機(jī)物水解為小分子的過(guò)程。敲除釀酒酵母中的蛋白酶基因，減少發(fā)酵液中蛋白的水解，有助于增強(qiáng)啤酒泡沫的穩(wěn)定性，從而改善啤酒的品質(zhì)。以下是某科研小組的實(shí)驗(yàn)：

（1）已知編碼酵母蛋白酶A（PEP4）的基因序列（為非模板鏈）為：5′-ATGTTCAGCT TGAAAGCATTATTGCCATTGGCCTTGTTGT GGTCAGCGCC……CAATTTGA-3′。

編碼該酶的mRNA，起始端的三個(gè)密碼子依次為_(kāi)________________，終止密碼子為_(kāi)_________________。

（2）Cas9蛋白可在人為設(shè)定的RNA序列（sgRNA）引導(dǎo)下，在選定位點(diǎn)切斷相應(yīng)的DNA鏈（如圖4），在DNA自我連接的修復(fù)過(guò)程中產(chǎn)生突變。DNA序列中含NGG的位點(diǎn)具有較高的編輯效率（N為任意堿基）。

上述PEP4序列虛線框中有_________處可作為Cas9的優(yōu)選剪切位點(diǎn)。Cas9的剪切位點(diǎn)在其NGG識(shí)別位點(diǎn)的________________（填“5′”或“3′”）側(cè)。

本題以當(dāng)下熱門的基因編輯技術(shù)為背景，展示了實(shí)際操作涉及的具體原理，要求學(xué)生牢記雙鏈結(jié)構(gòu)是反向平行的。已知非模板鏈與模板鏈互補(bǔ)配對(duì)，轉(zhuǎn)錄時(shí)RNA聚合酶結(jié)合在模板鏈的5′端催化mRNA的合成，因此編碼該酶的mRNA的序列與非模板鏈一致，只是以尿嘧啶取代胸腺嘧啶。5′端起始的三個(gè)密碼子依次是AUG、UUC、ACC，3′端的終止密碼為UGA。根據(jù)題干可知，Cas9蛋白屬于一種核酸內(nèi)切酶，能夠斷開(kāi)DNA內(nèi)部的磷酸二酯鍵，它的切割也不是隨機(jī)的，需要sgRNA與單鏈DNA互補(bǔ)配對(duì)才能定位剪切點(diǎn)。結(jié)合圖4可知，Cas9傾向于切割NGG位點(diǎn)的3′側(cè)，若只考慮非模板鏈中的剪切點(diǎn)，包含NGG的只有2處;若考慮DNA雙鏈結(jié)構(gòu)的話，含有NGG的就有4處，虛線框中端點(diǎn)的CC正好排除在外;但我們更深入思考的話，已知剪切點(diǎn)在NGG的3′側(cè)，題目所問(wèn)的是剪切位點(diǎn)，并非識(shí)別位點(diǎn)，填寫(xiě)5處也不無(wú)道理。這一空答案頗有爭(zhēng)議，仁者見(jiàn)仁，智者見(jiàn)智。

表觀遺傳學(xué)仍然以經(jīng)典遺傳學(xué)為基石，是對(duì)遺傳機(jī)制的完善和補(bǔ)充。教學(xué)資料應(yīng)當(dāng)確保嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)，避免出現(xiàn)爭(zhēng)議點(diǎn)，語(yǔ)言表述要言簡(jiǎn)意賅。同時(shí)，應(yīng)盡量將高中涉及的相關(guān)知識(shí)和方法串聯(lián)起來(lái)，這對(duì)于學(xué)生了解基因表達(dá)的復(fù)雜性，形成多角度分析生物現(xiàn)象的意識(shí)，構(gòu)建正確的生命觀念大有裨益。