融表觀遺傳學于生物學試題編制探析

廖樂祥

(安徽省望江中學 安慶 246200)

表觀遺傳學為人們理解遺傳現象提供了全新視角，成為“后基因組”時代的重要研究內容之一。同時，表觀遺傳學作為一個前沿領域，將是高中生物學課程內容的一部分[1]。筆者選取合適的素材，在相關試題中滲透表觀遺傳學的考查，力求編制出題材新穎、緊扣考點、巧妙設問、開拓思維的原創試題[2]，以期為中學生物學教學工作提供參考。

1 染色質結構與組蛋白修飾

真核生物基因被大量的蛋白質所包裹，壓縮成獨特的染色質結構。染色質不同位置上DNA包裝程度不同： 末端端粒和中部的著絲粒區域的包裝程度很高，屬于異染色質區，這一區域由于包裝程度過高，基因表達所需的蛋白質無法結合DNA鏈，因此幾乎沒有基因表達活性；而染色質的其他區域則屬于常染色質區，染色質結構疏松，基因表達的蛋白質能夠自由進出，并控制基因表達[3]。組蛋白修飾在表觀遺傳學研究中占有重要地位。常見的組蛋白修飾包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化等[4]。特定的修飾狀態可以決定組蛋白的活性是招募另一些蛋白質與之結合或是解除已結合的蛋白質，從而決定DNA鏈的命運，打開或者關閉基因表達。

例1 組蛋白是構成真核生物染色體的基本結構蛋白。用聚丙烯酰胺凝膠電泳可以區分5種不同的組蛋白： H1、 H2A、 H2B、 H3和H4。研究發現，核心組蛋白的肽鏈末端受到多種化學修飾的調控，比如H4末端Lys8(Lys代表賴氨酸)和Lys16的雙乙酰化能夠招募轉錄相關蛋白，促進基因表達；而H3的N末端Lys9的甲基化會促進DNA包裝蛋白的結合，壓縮染色質結構，抑制基因表達。下列相關敘述中，正確的是( )

A.大腸桿菌中沒有染色體結構，其擬核中的DNA從不與蛋白質結合

B.RNA聚合酶能識別DNA上的起始密碼子并與之結合，啟動基因的轉錄

C.豬成熟的紅細胞在衰老時，控制其凋亡的基因開始招募轉錄相關蛋白

D.特定的修飾狀態可以決定組蛋白的活性，從而決定基因的表達與沉默

解析： 本題主要考查DNA的復制、轉錄、密碼子、細胞的結構以及組蛋白的修飾等知識點。大腸桿菌中雖沒有染色體結構，但從DNA的復制、基因的轉錄等過程推理出擬核中的DNA有時會與蛋白質結合，如DNA復制時DNA聚合酶要與之結合等。起始密碼子在mRNA上。豬成熟紅細胞在教材中沒有出現過，但是，從哺乳動物成熟紅細胞的結構可以推斷出其不存在凋亡基因。結合題干信息，特定的修飾狀態可以決定組蛋白的活性，從而決定基因的表達與沉默。參考答案為D。

2 DNA甲基化與基因組印記

脊椎動物DNA對5′CpG3′二核苷酸序列胞嘧啶堿基發生甲基化共價修飾。CpG是DNA中被磷酸相連的胞嘧啶和鳥嘌呤的縮寫。甲基位于DNA雙螺旋的大溝內，許多DNA結合蛋白在這里與DNA結合，甲基就是通過吸引或排斥各種DNA結合蛋白而發揮作用。分子和遺傳學研究都表明DNA胞嘧啶甲基化與基因沉默有關，并且在諸如X染色體失活、基因組印記等事件中起重要作用[5]。基因組印記是一種區別父母等位基因的表觀遺傳過程，可導致父源和母源基因特異性表達，而DNA甲基化是基因組印記最重要的方式之一。印記是在配子發生過程中全基因組表觀重編程時獲得的，且在早期胚胎發育過程中得以維持[6]。

例2 基因組印記是因親本來源不同而導致等位基因表達差異的一種遺傳現象，而DNA甲基化是基因組印記最重要的方式之一。每個印記基因的印記均是在親代生殖細胞形成的過程中建立的，并能在個體發育過程中維持不變，直至下一代形成時才被抹去，并根據親本來源的不同重新建立新印記。小鼠的某一基因座受到甲基化印記的影響，將該基因座上雜合(Aa， A對a完全顯性，A決定野生型，a決定突變型)的一對小鼠進行雜交，在兩只親本小鼠的體細胞中，被甲基化修飾的基因不能表達，如圖為基因組印記對等位基因表達和傳遞的影響示意圖。根據材料判斷下列相關說法中，正確的是( )

A.所處的環境相同，基因型相同的小鼠可以有不同的表現型

B.基因的堿基序列不變，基因的表達過程就不會發生變化

C.從圖中可以看出，雄鼠的精原細胞經過減數的兩次分裂，就形成兩種印記的精子

D.基因組印記不能改變孟德爾的性狀分離比

解析： 本題主要考查表現型與基因型之間的關系、表觀遺傳、精子的形成以及孟德爾的性狀分離比。Aa的小鼠可以表現為野生型，也可表現為突變型(A基因被甲基化修飾)。題干中有“被甲基化修飾的基因不能表達”這個信息，從而得出“基因的堿基序列不變，基因的表達過程也可能會發生變化”。經過兩次連續的細胞分裂，再經過精細胞的變形，就形成了成熟的雄性生殖細胞——精子。需要學生以批判性思維重新審視孟德爾的性狀分離比，知道基因組印記能改變孟德爾的性狀分離比，如Aa雜合子的自交子一代性狀分離比為野生型∶突變型=1∶1。參考答案為A。

3 RNA介導的基因沉默

RNA干擾是指由雙鏈RNA誘發的、同源mRNA高效特異性降解的技術。已知干擾小RNA(siRNA)介導的基因沉默主要發生在兩個水平上，即轉錄后水平的mRNA的降解以及染色體水平上形成異染色質。微小RNA(miRNA)是能夠引起基因轉錄后沉默的另一種重要RNA分子。微小RNA的功能主要有兩個方面： 一是和siRNA一樣裝載成RISC(RNA誘導的沉默復合體)后，使互補的mRNA降解。其次，miRNA可抑制mRNA翻譯，降低靶基因的蛋白水平但不影響其mRNA水平[7]。

例3 2018年8月，全球首款siRNA(小分子的雙鏈RNA)藥物由FDA批準上市，用于由hATTR引起的多發性神經病患者的治療。治療原理大體如下： 在RISC復合物中，siRNA的雙鏈發生解旋，正義鏈被核酸酶降解，反義鏈被保留。接下來，RISC中的反義鏈與靶基因的mRNA互補配對結合，并誘導互補結合的mRNA被RNA酶降解，從而抑制基因的表達。下列相關敘述中，錯誤的是( )

A.siRNA完全水解可以得到6種物質

B.siRNA以及tRNA中都存在氫鍵

C.在神經細胞中，RNA聚合酶催化的產物都是mRNA

D.上述治療原理是通過抑制翻譯過程從而抑制基因的表達

解析： 本題主要考查RNA的組成成分、氫鍵、轉錄以及翻譯等知識點。siRNA完全水解可以得到6種物質，即4種堿基、核糖以及磷酸。siRNA以及tRNA中都存在氫鍵。在神經細胞中，mRNA、 tRNA以及rRNA都是轉錄的產物。上述治療原理是通過抑制翻譯過程從而抑制基因的表達。參考答案為C。

例4 miRNA在真核生物中普遍存在，是21～24個核苷酸的非編碼小RNA分子，通過負調控mRNA靶基因的轉錄后表達水平影響動植物的生長發育和疾病發生等多種生物學過程。科學家有望利用miRNA分子來治療阿爾茲海默病！如圖為miRNA生成過程圖解，生成的miRNA可以與靶mRNA結合，引起其降解或抑制翻譯過程。下列相關敘述中，正確的是( )

A.Ⅰ過程發生時，RNA酶要與DNA上的啟動子結合

B.形成pri-miRNA時，需要4種游離的核糖核酸

C.生成的miRNA與靶mRNA結合時遵循堿基互補配對原則，即A與T配對，C與G配對

D.圖中所示物質共含有5種堿基，8種核苷酸

解析： 本題主要考查RNA聚合酶、核酸的組成成分、堿基互補配對原則等知識點。學生應該具備結構與功能相適應的觀念，從題干中獲悉pri-miRNA、 pre-miRNA以及miRNA的組成與結構，Ⅰ過程發生時，RNA聚合酶要與DNA上的啟動子結合。形成pri-miRNA時，需要4種游離的核糖核苷酸。生成的miRNA與靶mRNA結合時遵循堿基互補配對原則，即A與U配對，C與G配對。圖中所示物質共含有5種堿基，8種核苷酸。參考答案為D。

上述試題的編制都是以核心素養評價為導向，確定命題素材，合理設問。將生物學學科核心素養、素養的水平表現、所涉及的知識和方法對應起來，確定測試藍圖，指導命題。試題初稿完成后，要反復推敲、琢磨以確保試題的嚴謹性、科學性，避免出現爭議的問題。注意試題要有一定的難度與良好的區分度。試題的語言要專業、精煉，沒有歧義。