例析高中遺傳試題中的表觀遺傳學概念

馮艷萍

(廣東省茂名市信宜中學 525300)

經典遺傳學認為： 遺傳信息儲存于核酸序列中，并通過生殖將遺傳信息傳遞給下一代。它所揭示的“基因型決定表型”的遺傳模式被廣泛認知。表觀遺傳學研究基因組DNA序列未發生變化，而基因表達及基因功能的誘導和維持卻發生可遺傳變化。

下面一道全國卷模擬題中以表觀遺傳學為背景材料，讓學生覺得困惑，他們認為與現代遺傳學矛盾。筆者嘗試為學生弄清題目背景，探究表觀遺傳學與現代遺傳學的聯系。

1 試題及分析

1.1 原題(全國卷模擬題)小鼠體色的黃色和灰色是一對相對性狀，受一對等位基因A、a控制。科學家發現用甲基化飼料飼喂的動物，其后代甲基化水平升高，引起后代性狀改變，甲基化點可隨DNA的復制而遺傳。科學家要驗證小鼠的體色是否受所喂的飼料影響，是否會遺傳給下一代?其中實驗組除喂標準飼料外，從受孕前兩周起還添加了富含甲基的葉酸、乙酰膽堿等補充飼料，而對照組孕鼠只喂標準飼料。請根據下列雜交組合及雜交結果回答問題。

實驗小組做了如下實驗：

實驗1： 黃色×灰色→F1灰色 (只喂標準飼料)

實驗2： 黃色×黃色→F1黃色 (只喂標準飼料)

實驗3： 黃色×黃色→F1棕褐色 (除標準飼料，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組親本的基因型是 。

(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： 。

參考答案： (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DNA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，后代全為棕褐色，說明新增性狀是因為個體DNA甲基化水平升高，引起后代性狀改變，甲基化點可隨DNA的復制而遺傳。

1.2 試題剖析 本題重點考的是以表觀遺傳學為背景的內容，因為表觀遺傳學學生并沒有接觸過，本題沒有要求學生解釋表觀遺傳學的內涵而重在考查學生從題目獲取信息的能力。考生只要認真讀題、審題，抓住題眼，正確作答應該不難。題干中“甲基化飼料飼喂動物，會發現其后代甲基化水平升高，引起后代性狀改變，甲基化點可隨DNA的復制而遺傳”表明棕褐色性狀的出現是因為富含甲基化的飼料引起DNA甲基化，甲基化引起的性狀改變是可以遺傳的，但小鼠的遺傳物質并沒有改變。

1.3 學生之惑 甲同學的答案： (1) 灰色 AA aa (2) 喂養的飼料引起小鼠出現新的性狀，但這新的性狀不會遺傳給下一代 (3) F1棕褐色小鼠雌雄相互交配，孕期只喂標準飼料后代全為黃色，說明新增性狀只是環境引起不會遺傳給下一代。乙同學的答案： (1) 灰色 AA aa (2) 喂養的飼料引起小鼠發生基因突變，這新的性狀會遺傳給下一代 (3) F1棕褐色小鼠雌雄相互交配，孕期只喂標準飼料后代黃色和棕褐色，說明新增性狀是基因突變引起會遺傳給下一代。

從以上典型的答案可以看出，很多學生會被自己的慣性思維捆綁： 在傳統的遺傳學理論中，生物性狀由基因+環境共同決定的，新性狀的出現是因為基因突變的結果，而環境引起的性狀改變并不會遺傳給下一代。如甲同學會認為新的性狀是由于環境影響的并不會遺傳給下一代，而乙同學則認為新的性狀的出現是因為出現了基因突變，a→A1，而A1棕褐色對a黃色為顯性。由于學生缺乏表觀遺傳學的知識，又不能準確捕捉題干的信息，認為題干與傳統遺傳學相矛盾，所以仍然以自己所學的知識答題。

2 命題背景的實質——表觀遺傳學理論中的DNA甲基化現象

表觀遺傳學的研究主要集中在三大方面： DNA甲基化修飾、組蛋白修飾以及非編碼RNA的調控作用。

2.1 實驗背景 以基因型為aa的母鼠及其孕育的基因型為Aa的仔鼠作實驗對象。孕鼠分為兩組，實驗組孕鼠除喂以標準飼料外，從受孕前兩周起還增加富含甲基的葉酸、乙酰膽堿等補充飼料，而對照組孕鼠只喂飼標準飼料。

結果實驗組孕鼠產下的仔鼠大多數在身體的不同部位出現了大小不等的棕色斑塊，甚至出現了以棕褐色為主要毛色的小鼠。而對照組孕鼠的仔鼠大多數為黃色。分析表明： 喂以富甲基飼料的孕鼠所產仔鼠的IAP所含CpG島的甲基化平均水平遠高于對照組，轉錄調控區的高甲基化使原該呈異位表達的基因趨于沉默，毛色也趨于棕褐色。

2.2 DNA甲基化的遺傳機制 DNA甲基化是研究得最清楚、也是最重要的表觀遺傳修飾形式，主要是基因組DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基間的共價結合，胞嘧啶由此被修飾為5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine， 5mC)。

大多數脊椎動物基因組DNA都有少量的甲基化胞嘧啶，主要集中在基因5′端的非編碼區，并成簇存在。甲基化位點可隨DNA的復制而遺傳，因為DNA復制后，甲基化酶可將新合成的未甲基化的位點進行甲基化。

DNA的甲基化可引起基因的失活，DNA甲基化導致某些區域DNA構象變化，從而影響了蛋白質與DNA的相互作用，甲基化達到一定程度時會發生從常規的B-DNA向Z-DNA的過渡，由于Z-DNA結構收縮，螺旋加深，使許多蛋白質因子賴以結合的原件縮入大溝而不利于轉錄的起始，導致基因失活。

序列特異性甲基化結合蛋白(MBD/MeCP)可與啟動子區的甲基化CpG島結合，阻止轉錄因子與啟動子作用，從而阻抑基因轉錄過程。

3 解惑——表觀遺傳學與現代遺傳學的聯系

經典遺傳學認為，遺傳信息儲存于核酸序列中，并通過生殖將遺傳信息傳遞給下一代。它所揭示的“基因型決定表型”的遺傳模式被廣泛認知。然而，不符合此模式的遺傳現象卻一直困擾著遺傳學研究者。科學家發現了存在于DNA之外的且能夠遺傳給后代的生物學信息，這些可遺傳的信息和DNA相互作用，共同決定生物的表型，這其中的秘密就是表觀遺傳學要研究的內容。

3.1 遺傳學和表觀遺傳學有共同的理論基礎 在整個生命過程中，遺傳學信息提供了合成包括表觀遺傳學修飾在內的各種蛋白質的藍圖，而表觀遺傳學信息調控著適當的一組表達基因及其表達的程度，即表觀遺傳學信息提供何時、何地和怎樣地應用遺傳學信息的指令。在整個生命過程中，表觀遺傳學機制能對激素、生長因子等調節分子傳遞的環境信息在不改變DNA序列的情況下作出反應。

因此，只有兩者彼此協同，生命過程才能按序正常進行，否則就會出現異常。由此可見，遺傳學和表觀遺傳學系統既相區別、彼此影響，又相輔相成，共同確保細胞的正常功能。

3.2 表觀遺傳學是現代遺傳學與環境作用的結果 表觀遺傳學是研究基因組DNA序列未發生變化，而基因表達及基因功能的誘導和維持卻發生可遺傳變化的科學。從現在的研究情況來看，這些變化主要集中在三大方面： DNA甲基化修飾、組蛋白修飾以及非編碼RNA的調控作用。這三個方面各自影響特有的表觀遺傳學現象，而且它們還相互作用，共同決定復雜的生物學過程。因此，表觀遺傳學也可理解為環境和遺傳相互作用的一門學科。

3.3 表觀遺傳學的研究對現代遺傳學的意義 表觀遺傳學補充了“中心法則”忽略的兩個問題： 即哪些因素決定了基因的正常轉錄和翻譯，以及核酸并不是存儲遺傳信息的唯一載體；在分子水平上，表觀遺傳學解釋了DNA序列所不能解釋的諸多奇怪的現象。如同一對等位基因可因親源性別不同而產生不同的基因印記疾病，疾病嚴重程度也可因親源性別而異。可見，表觀遺傳學與現代遺傳學一樣，是生物生長、發育、遺傳和進化等基本生物學過程不可缺少的組成部分。