高中生物新教材中表觀遺傳分子機(jī)制的教學(xué)建議

莊定國

摘? ?要：表觀遺傳加入新教材有其必要性，但表觀遺傳分子機(jī)制的陌生與繁難是一線教師需要面對(duì)的問題。通過建立基因啟動(dòng)子、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、反義基因等原教材已有知識(shí)與表觀遺傳分子機(jī)制的聯(lián)系，通過簡易物理模型制作與創(chuàng)建真實(shí)情境，可以使學(xué)生初步但全面的認(rèn)識(shí)表觀遺傳的分子機(jī)制。

關(guān)鍵詞：高中生物;表觀遺傳;分子機(jī)制;教學(xué)建議

對(duì)表觀遺傳分子機(jī)制的研究及成果是推動(dòng)20世紀(jì)80年代后表觀遺傳學(xué)發(fā)展的真正動(dòng)力。在此之前很多經(jīng)典遺傳學(xué)無法完美解釋的問題都被簡單的歸為特例。DNA甲基化，染色體組蛋白修飾，非編碼RNA作用等機(jī)制的發(fā)現(xiàn)和深入研究，使得這些現(xiàn)象得到合理的解釋。隨著表觀遺傳學(xué)的快速發(fā)展，研究者發(fā)現(xiàn)表觀遺傳現(xiàn)象廣泛的存在于各種生命活動(dòng)中，包括細(xì)胞的分化、癌變，個(gè)體的生長發(fā)育，生物的遺傳和進(jìn)化等等。表觀遺傳已經(jīng)不再是特例，與生活健康領(lǐng)域，如包括癌癥在內(nèi)的很多疾病也關(guān)系密切。因而新教材引入表觀遺傳不僅是對(duì)生物學(xué)發(fā)展的順應(yīng)，也是學(xué)生個(gè)人素養(yǎng)發(fā)展的需求。

對(duì)表觀遺傳機(jī)制的學(xué)習(xí)不僅能使學(xué)生科學(xué)、客觀地看待表觀遺傳現(xiàn)象，也能夠與經(jīng)典遺傳學(xué)在基因表達(dá)的層次上獲得統(tǒng)一。但表觀遺傳機(jī)制的內(nèi)容陌生而繁難，要如何讓學(xué)生初步但全面的認(rèn)識(shí)表觀遺傳的分子機(jī)制？筆者將簡述如何聯(lián)系高中生物學(xué)所學(xué)內(nèi)容，幫助學(xué)生解決知識(shí)的陌生帶來的問題，并通過模型建構(gòu)與真實(shí)情境化繁為簡。

1? DNA甲基化與基因啟動(dòng)子

DNA甲基化是一種在真核與原核細(xì)胞中普遍存在的表觀修飾，研究最早，成果也最多。在不同生物中，DNA甲基化的方式和作用都存在差異。哺乳動(dòng)物與植物的DNA甲基化發(fā)生在胞嘧啶的5號(hào)C原子上，在DNA雙螺旋的內(nèi)側(cè)，其中哺乳動(dòng)物的DNA甲基化發(fā)生在CpG雙核苷酸上[ 1 ]。

DNA甲基化通常被認(rèn)為與基因表達(dá)的抑制有關(guān)，但是不能簡單認(rèn)為只要基因中含有甲基化的序列就不能表達(dá)。隨著對(duì)DNA甲基化的研究越來越深入，發(fā)現(xiàn)甲基化普遍存在于DNA 中，例如人體基因組的CpG有70%以上處于甲基化狀態(tài)[ 1 ]。甚至不能簡單地說DNA甲基化程度越高，基因表達(dá)程度就越低。DNA甲基化對(duì)基因表達(dá)的作用與甲基化所在的基因結(jié)構(gòu)區(qū)域有關(guān)，與甲基化程度有關(guān)，在不同物種間也存在差異。目前較為確定且易于高中學(xué)生學(xué)習(xí)的是脊椎動(dòng)物CpG島的甲基化。CpG島指基因中CpG比例較高的序列，在許多脊椎動(dòng)物基因的啟動(dòng)子區(qū)域含有CpG島。在人體基因組中CpG島一般處于非甲基化狀態(tài)，但若該區(qū)域發(fā)生甲基化，則對(duì)基因表達(dá)有明確的抑制作用，例如X染色體失活現(xiàn)象、癌細(xì)胞中抑癌基因的失活都與高甲基化的CpG島有關(guān)[ 2 ]。

啟動(dòng)子是位于基因上游的一段序列，是RNA聚合酶的結(jié)合位點(diǎn)。啟動(dòng)子在基因表達(dá)調(diào)控中有重要作用，與基因工程有聯(lián)系，也與多種表觀遺傳機(jī)制有關(guān)。將脊椎動(dòng)物啟動(dòng)子CpG島的甲基化與基因表達(dá)抑制相聯(lián)系，有利于學(xué)生對(duì)甲基化作用機(jī)制的初步了解。但是要注意，脊椎動(dòng)物還有很多基因的啟動(dòng)子不含CpG島，這些啟動(dòng)子高甲基化并不會(huì)抑制基因表達(dá)[ 3 ]。

2? 組蛋白修飾與染色質(zhì)結(jié)構(gòu)

學(xué)生在《分子與細(xì)胞》中已經(jīng)學(xué)習(xí)到染色質(zhì)（或染色體）主要是由蛋白質(zhì)與DNA構(gòu)成，但是對(duì)兩者的結(jié)合方式并不了解。構(gòu)成真核細(xì)胞染色質(zhì)的五類蛋白質(zhì)均為堿性較強(qiáng)的蛋白質(zhì)，稱為組蛋白。這五類組蛋白分別為：H1、H2A、H2B、H3、H4。組蛋白修飾是另一種重要的表觀修飾機(jī)制，但組蛋白修飾的種類多樣，機(jī)制復(fù)雜，對(duì)高中學(xué)生來說難度較大。對(duì)組蛋白修飾的學(xué)習(xí)可以結(jié)合核小體結(jié)構(gòu)和染色質(zhì)重建，并通過簡易物理模型制作活動(dòng)來達(dá)成。

2.1? 核小體結(jié)構(gòu)

研究者去除染色質(zhì)中的組蛋白H1后，在電子顯微鏡下觀察到的串珠狀染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，被命名為核小體。核小體是DNA纏繞在由四種核心組蛋白（除H1外）構(gòu)成的八聚體（核心顆粒）上構(gòu)成，DNA在核心顆粒上纏繞約1.65次[ 4 ]。而組蛋白H1結(jié)合在核小體之間的連接子DNA上，被稱為連接子組蛋白[ 4 ]。基因的啟動(dòng)子與組蛋白的結(jié)合方式影響基因表達(dá)：（1）啟動(dòng)子與核心顆粒結(jié)合導(dǎo)致無法轉(zhuǎn)錄;（2）啟動(dòng)子游離在核心顆粒之外，但啟動(dòng)子兩側(cè)與H1組蛋白交聯(lián)導(dǎo)致無法轉(zhuǎn)錄;（3）啟動(dòng)子游離在核心顆粒之外且無H1交聯(lián)則基因能夠轉(zhuǎn)錄[ 4 ]。

2.2? 染色質(zhì)重建與組蛋白修飾

染色質(zhì)重建仍無準(zhǔn)確定義，可理解為通過多種方式移動(dòng)核小體的過程，從而為轉(zhuǎn)錄因子打開或關(guān)閉啟動(dòng)子。核小體的移動(dòng)涉及多種機(jī)制，這里討論其中一種組蛋白修飾——乙酰化的作用。組蛋白乙酰化能夠松弛核小體與基因調(diào)控區(qū)的結(jié)合，為染色質(zhì)重建提高條件，通常有利于基因表達(dá);而組蛋白去乙酰化使核心組蛋白與DNA結(jié)合緊密，不利于染色體重建，通常導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄抑制[ 4 ]。

2.3? 核小體簡易物理模型制作

該簡易模型不包含H1組蛋白在內(nèi)，用以演示基因啟動(dòng)子與核小體的不同結(jié)合方式;核小體移動(dòng);模擬乙酰化與去乙酰化對(duì)染色質(zhì)重塑的影響。

（1）主要材料：廢棄的卷紙芯;帶膠皮的鋁線（圖1a）。

（2）制作核心組蛋白和DNA雙螺旋（示啟動(dòng)子）。

將卷紙芯切成兩半，模擬核心組蛋白構(gòu)成的八聚體（圖1 b）。

將鋁線膠皮環(huán)割一圈，向外拉扯一端，使銀色鋁線露出（圖1 c）。

將兩條鋁線擰成雙螺旋結(jié)構(gòu)，模擬DNA雙螺旋，露出的鋁線表示啟動(dòng)子（圖1 d）。

（3）模擬基因與核小體的不同結(jié)合方式

將雙螺旋鋁線纏繞在卷紙芯上，示啟動(dòng)子與核心顆粒結(jié)合（圖2a）。

將雙螺旋鋁線纏繞在卷紙芯上，示啟動(dòng)子游離在核心顆粒外（圖2b）。

滑動(dòng)卷紙芯可在兩個(gè)狀態(tài)間切換。纏繞程度在1.65圈左右。

（4）模擬乙酰化對(duì)染色質(zhì)重建的影響

在卷紙芯上貼上數(shù)條雙面膠，將厚紙板剪成條狀貼于雙面膠兩側(cè)（圖3 a，b）。其中厚紙板條模擬組蛋白乙酰化。將雙螺旋鋁線纏繞在乙酰化的核心顆粒上，此時(shí)核小體仍然能夠自由滑動(dòng)，表示乙酰化使DNA于核心組蛋白結(jié)合松弛（圖3 c）。

去除卷紙芯上的厚紙板條，保留雙面膠，模擬組蛋白去乙酰化。將雙螺旋鋁線纏繞再去乙酰化的核心顆粒上，核小體滑動(dòng)困難，表示去乙酰化使DNA與核心組蛋白結(jié)合緊密（圖3 d）。

（5）反思與改進(jìn)

初次制作模型時(shí)所用鋁線較粗，可塑性較強(qiáng)，但擰成雙螺旋后硬度較大，十分不利于模擬核小體滑動(dòng)，只能滾動(dòng)。而雙面膠對(duì)滾動(dòng)幾乎沒有影響，難以體現(xiàn)去乙酰化對(duì)染色質(zhì)重塑的阻礙。選擇較細(xì)的鋁線，或者用硬度較大的圓筒替代卷紙芯能夠克服這個(gè)弊端。

3? 非編碼RNA與反義基因

非編碼RNA指不能翻譯蛋白質(zhì)的RNA，分為看家非編碼RNA和調(diào)控非編碼RNA[ 5 ]。高中生物學(xué)教材所學(xué)的tRNA與rRNA就是看家非編碼RNA。本文討論的具有調(diào)控作用的非編碼RNA包括siRNA、miRNA等，其中miRNA的作用較適合高中學(xué)生學(xué)習(xí)。

miRNA的作用原理與基因治療中的反義基因存在聯(lián)系。基因治療是轉(zhuǎn)基因技術(shù)的一種應(yīng)用方式，是選擇性必修的學(xué)習(xí)內(nèi)容。反義基因能夠合成一條與病變基因的mRNA互補(bǔ)的RNA，并形成RNA雙鏈，最終導(dǎo)致mRNA被降解從而抑制病變基因的表達(dá)。miRNA是一種較短的單鏈RNA，也是通過與靶基因的mRNA互補(bǔ)來調(diào)控基因的翻譯水平[ 6 ]。與反義基因不同的是，miRNA的對(duì)翻譯的調(diào)控具有更大的靈活性：miRNA與靶mRNA結(jié)合度不同引起抑制翻譯的能力也不同;結(jié)合程度越高，抑制作用越強(qiáng);高度結(jié)合時(shí)引起mRNA降解，結(jié)合度低時(shí)只起抑制翻譯的作用[ 6 ]。

對(duì)miRNA作用的學(xué)習(xí)可以通過創(chuàng)建基因治療的真實(shí)情境，結(jié)合基因表達(dá)過程來完成。教師可以這樣啟發(fā)學(xué)生：為何轉(zhuǎn)錄只能以基因的一條鏈為模板？若某個(gè)基因的兩條鏈都作為轉(zhuǎn)錄模板會(huì)發(fā)生什么？從而引導(dǎo)學(xué)生思考當(dāng)細(xì)胞中存在兩條互補(bǔ)或局部互補(bǔ)的RNA對(duì)基因表達(dá)的不利影響。同樣要注意，不是所有調(diào)控非編碼RNA都是通過結(jié)合mRNA來起作用，這種方式只能解釋短期的表觀遺傳變化。siRNA等可以通過影響DNA甲基化或者組蛋白修飾來影響基因轉(zhuǎn)錄來起作用，并且能夠形成長期的表觀遺傳變化，包括miRNA也存在類似的機(jī)制[ 5 ]。

4? 小結(jié)·

新教材引入表觀遺傳有其必要性，而對(duì)表觀遺傳的學(xué)習(xí)離不開對(duì)其分子機(jī)制的學(xué)習(xí)。主要的表觀修飾有DNA甲基化，組蛋白修飾，非編碼RNA調(diào)控三類，對(duì)高中學(xué)生來講大都陌生且繁難。在高中生物教學(xué)中可以通過建立基因表達(dá)過程與其他相關(guān)知識(shí)的聯(lián)系，如啟動(dòng)子、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、反義基因等來幫助學(xué)生解決知識(shí)的陌生帶來的困難。而通過簡易物理模型制作，聯(lián)系真實(shí)情境則可以化繁為簡。教學(xué)時(shí)還要注意不能把學(xué)習(xí)簡單化，在幫助學(xué)生初步了解表觀遺傳的分子機(jī)制同時(shí)也要給學(xué)生一個(gè)較為全面的認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生意識(shí)到表觀遺傳的規(guī)律性和復(fù)雜性并存。

參考文獻(xiàn)：

[1]凡時(shí)財(cái)，張學(xué)工.DNA甲基化的生物信息學(xué)研究進(jìn)展[J].生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展，2009，36（02）：143-150.

[2]張文婷，姚玉峰.細(xì)菌DNA甲基化研究進(jìn)展[J].生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展，2018，45（10）：1026-1038.

[3]王瑞嫻，徐建紅.基因組DNA甲基化及組蛋白甲基化[J].遺傳，2014，36（03）：191-199.

[4]Weaver，R.F.分子生物學(xué)[M].鄭用璉，馬紀(jì)，李玉花，等譯.北京：科學(xué)出版社，2013：362，361，371，377.

[5] 于紅.表觀遺傳學(xué)：生物細(xì)胞非編碼RNA調(diào)控的研究進(jìn)展[J].遺傳，2009，31（11）：1077-1086.

[6] 陳芳，殷勤偉.調(diào)控基因表達(dá)的miRNA[J].科學(xué)通報(bào)，2005（13）：1289-1299.