表觀遺傳學的試題例析

肖安慶 顏培輝

(1 廣東省深圳市鹽田高級中學 深圳 518083； 2 廣東省深圳市教育科學研究院 深圳 51800)

表觀遺傳學是指生物體基因序列保持不變、但基因表達和表現型發生可遺傳的現象。該知識點是2017年版高中生物學課程標準新增加的重要概念，對學生形成正確的生命觀念和科學思維具有重要意義。筆者收集和改編了有關表觀遺傳的試題，分析了DNA甲基化、組蛋白修飾與染色質重塑、基因組印記、染色體失活和非編碼RNA調控這5種方式。

1 DNA甲基化

DNA甲基化是指在DNA甲基化轉移酶催化下，將DNA中的某些胞嘧啶甲基化的過程，是表觀遺傳學最常見的方式。

例1 (北京市海淀區2018屆高三第二次模擬考試第2題)許多基因的啟動子內富含CG重復序列。若其中部分胞嘧啶甲基化轉化成5-甲基胞嘧啶，就會抑制基因的轉錄。下列敘述中，正確的是(C)

A.DNA單鏈上相鄰的C和G之間通過氫鍵連接

B.胞嘧啶甲基化導致表達的蛋白質結構改變

C.胞嘧啶甲基化會阻礙RNA聚合酶與啟動子結合

D.基因的表達水平與基因的甲基化程度無關

解析： 本題以DNA甲基化抑制基因的轉錄為背景，考查了學生理解能力和獲取信息的能力。在DNA單鏈上相鄰的C和G之間通過“脫氧核糖—磷酸—脫氧核糖”連接，而不通過氫鍵連接；胞嘧啶甲基化導致的是基因轉錄被抑制，不能指導蛋白質合成；由于基因的表達水平與基因的轉錄有關，所以與基因的甲基化程度有關；從題干中獲取有效信息是解決本題C選項的關鍵。題干中“胞嘧啶甲基化會抑制基因的轉錄”這一信息，可理解為： 阻礙RNA聚合酶與啟動子結合，C正確。

2 組蛋白修飾與染色質重塑

組蛋白是染色體上基本的結構蛋白。組蛋白的修飾有甲基化、乙酰化與去乙酰化等方式。這些修飾方式與基因的失活與開啟、基因轉錄的調控、細胞周期和死亡等生理活動有關。

染色質重塑是指染色質位置和結構的變化。當染色質處于解螺旋狀態,有利于RNA聚合酶與啟動子結合，但在組蛋白修飾等方式作用下，發生染色體重塑。

例2 (浙江省嘉興市2017屆高三9月模擬考試第33題改編)組蛋白去乙酰酶抑制劑MS-275是一種廣譜抗腫瘤藥物，已證實MS-275可以抑制膀胱癌。研究發現，將MS-275與阿霉素(ADM)合用將產生更好的療效。通過測定對膀胱癌細胞的抑制率可判斷療效。請根據以下材料用具，回答問題。

材料與用具： 膀胱癌細胞，細胞培養液，濃度分別為m1、 m2的MS-275溶液，濃度為n1、 n2的ADM溶液，培養皿若干，CO2培養箱等。

(1) 分組設計如下表。

表1 MS-275與ADM聯合抑癌實驗分組表

(2) 實驗思路： ①取一定數量的培養皿分成若干組并編號；②每個培養皿中均加入等量的 和 ，分別按上述分組設計加入相應試劑；③把培養皿放入 中，培養適當時間；④分別測定各培養皿中癌細胞的抑制率，統計分析數據，得出結論。

(3) 研究表明，MS-275可使癌細胞染色質難以螺旋化。因此MS-275抑制癌細胞增殖，是通過MS-275使膀胱癌細胞停留在細胞周期的 期。

解析： 本題以組蛋白修飾為背景，考查學生的綜合應用能力。為驗證MS-275與阿霉素合用對膀胱癌細胞的抑制率，題②中應設置細胞培養液對照組和膀胱癌細胞組。為維持培養液的pH，題③中動物細胞培養應放在CO2培養箱中。綜合運用有絲分裂的知識，根據題干有關組蛋白修飾的信息，是分析本題(3)的關鍵。題干“MS-275可使癌細胞染色質難以螺旋化”，可理解為： MS-275使膀胱癌細胞處于解螺旋狀態，不進入分裂期，停留在間期。

參考答案： 膀胱癌細胞 細胞培養液 CO2培養箱 間。

3 基因組印記

基因組印記(遺傳印記)是指來自父本或母本的等位基因發生了修飾，精卵結合后等位基因在生長發育過程中發生不同表達的現象。有的印記基因只從父本染色體中表達，有的只從母本染色體中表達。在形成生殖細胞時，來自親本的印記全部消除，將產生新一輪印記。

例3 (廣東省惠州市2018屆高三第三次調研考試第32題)胰島素樣生長因子2是小鼠細胞Igf-2基因控制合成的多肽分子，對個體生長發育具有重要作用。Igf-2基因突變為Igf-2m后失去原有功能，可能產生矮小型小鼠。

(1) 據資料顯示，該對等位基因位于常染色體上，它們遺傳時，出現有趣的“基因印跡”現象，即子代中來自雙親的兩個等位基因中只有一方能表達，另一方被印跡而不表達。

據此推斷基因型為Igf-2 Igf-2、 Igf-2 Igf-2m、 Igf-2m Igf-2m的小鼠表現型分別為 、 、 (填“正常型”、“矮小型”或“不能確定”)。

(2) 為了探究該基因印跡的規律，科學家設計了以下兩組實驗：

根據實驗結果，得出的結論： 總是被印跡而不表達的基因來自 (填“父“”或“母”)方，來自另一親本的基因能表達。由此規律推測： 將上述甲組雜交實驗的子代中的雌雄小鼠交配產生的子代表現型及比例為 。

解析： 本題以基因組印記為背景，考查對信息的理解和實驗探究能力。題(1)中，基因Igf-2的性狀為正常型，Igf-2m為矮小型，基因型Igf-2 Igf-2小鼠為正常型，Igf-2m Igf-2m為矮小型。題(1)中“基因印跡現象，即子代中來自雙親的兩個等位基因中只有一方能表達，另一方被印跡而不表達”這一信息中，來自親本的兩個等位基因，在基因能表達時是隨機的，基因型Igf-2Igf-2m的小鼠性狀不能確定。題(2)中，需根據甲乙實驗現象和結果，通過觀察分析的研究方法，作出結論和推測。甲組和乙組的后代基因型相同，性狀不同，與各自父本一致，說明被印跡而不表達的基因來自母方；甲組中后代產生Igf-2和Igf-2m兩種相同的雄配子，Igf-2和Igf-2m兩種相同的雌配子，由于后

代性狀由父方決定，因此后代表現型及比例為正常型∶矮小型=1∶1。

參考答案： (1) 正常型 不能確定 矮小型 (2) 母 正常型∶矮小型=1∶1。

4 染色體失活

X染色體失活是常見的染色體失活形式。在XY性別決定中，雄性動物有1條X染色體，雌性動物有2條X染色體。為防止基因表達相互干擾，2條X染色體，只有1條具有活性，另一條X染色體的基因發生DNA甲基化或組蛋白修飾而濃縮失活，形成巴氏小體。

例4 (山東省淄博市2012屆高三第二次模擬考試第2題)雌性哺乳動物在胚胎發育早期，體細胞中的X染色體中有一條隨機失活(部分基因不表達)，造成某些性狀異化，玳瑁貓即是典型的例子。其毛色常表現為黃色和黑色(B/b基因控制)，隨機嵌合。相關敘述不正確的是(D)

A.玳瑁貓一般是雌貓，雄貓很罕見

B.玳瑁貓皮膚不同毛色的區域，毛色基因的表達情況不同

C.玳瑁雌貓的子代雄貓中黃色和黑色兩種毛色大約各占一半

D.玳瑁雄貓的產生都是由于初級卵母細胞減數第一次分裂時同源染色體未分離造成的

解析： 本題以玳瑁貓染色體失活為背景，考查學生對已有信息的理解與分析能力。根據題中信息“體細胞中的X染色體中有一條隨機失活(部分基因不表達)”，可認為： 貓在胚胎發育早期，雌貓體細胞中的2條X染色體中1條隨機失活，表現為玳瑁貓，雄貓一般只有1條X染色體，罕見為玳瑁貓；由于X染色體隨機失活，玳瑁雌貓皮膚不同毛色的區域，毛色基因的表達情況不同；玳瑁雌貓為雜合子，子代雄貓黃色和黑色的比例是1： 1；玳瑁雄貓(XBXbY)由含XBXb的卵細胞和含Y的精子結合形成，或由含XB的卵細胞和含XbY的精子結合形成，或由含Xb的卵細胞和含XBY的精子結合形成，因此玳瑁雄貓的產生可能是初級卵母細胞或者初級精母細胞減數第一次分裂時同源染色體未分離造成的，D錯誤。

5 非編碼RNA調控

雖然非編碼RNA不編碼蛋白質，但能在基因組水平對基因表達進行調控，如介導mRNA降解、轉錄后基因沉默、干擾細胞分化等形式。

例5 (四川省大教育聯盟2017屆高三第三次診斷性考試第6題)真核細胞中的miRNA是一類由內源基因編碼的RNA分子，它能識別靶mRNA并與之發生部分互補結合，從而調控基因的表達。據此分析，下列說法正確的是(D)

A.真核細胞中所有miRNA的核苷酸序列都相同

B.根據miRNA的堿基類型，其結構只能是單鏈

C.miRNA通過阻止靶基因轉錄來調控基因表達

D.miRNA的調控作用將會影響細胞分化的方向

解析： 本題以非編碼RNA調控基因的表達為背景，考查對題中信息的理解能力。題中miRNA“能識別靶mRNA并與之發生部分互補結合，從而調控基因的表達”，即miRNA與翻譯模板mRNA發生堿基互補配對，阻止翻譯，而不是阻止轉錄過程，最終影響細胞分化的方向，D正確。

DNA甲基化、組蛋白修飾與染色質重塑、基因組印記、染色體失活和非編碼RNA調控是表觀遺傳的5種主要方式,它們之間相互關聯、相互作用。通過不改變基因結構，只改變基因表達的微環境，改變生物性狀，對于認識生物多樣性、形成正確的生命觀念，有重要意義。