廖樂(lè)祥

(安徽省望江中學(xué) 安慶 246200)

表觀遺傳學(xué)為人們理解遺傳現(xiàn)象提供了全新視角，成為“后基因組”時(shí)代的重要研究?jī)?nèi)容之一。同時(shí)，表觀遺傳學(xué)作為一個(gè)前沿領(lǐng)域，將是高中生物學(xué)課程內(nèi)容的一部分[1]。筆者選取合適的素材，在相關(guān)試題中滲透表觀遺傳學(xué)的考查，力求編制出題材新穎、緊扣考點(diǎn)、巧妙設(shè)問(wèn)、開(kāi)拓思維的原創(chuàng)試題[2]，以期為中學(xué)生物學(xué)教學(xué)工作提供參考。

1 染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與組蛋白修飾

真核生物基因被大量的蛋白質(zhì)所包裹，壓縮成獨(dú)特的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。染色質(zhì)不同位置上DNA包裝程度不同： 末端端粒和中部的著絲粒區(qū)域的包裝程度很高，屬于異染色質(zhì)區(qū)，這一區(qū)域由于包裝程度過(guò)高，基因表達(dá)所需的蛋白質(zhì)無(wú)法結(jié)合DNA鏈，因此幾乎沒(méi)有基因表達(dá)活性；而染色質(zhì)的其他區(qū)域則屬于常染色質(zhì)區(qū)，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松，基因表達(dá)的蛋白質(zhì)能夠自由進(jìn)出，并控制基因表達(dá)[3]。組蛋白修飾在表觀遺傳學(xué)研究中占有重要地位。常見(jiàn)的組蛋白修飾包括乙?；?、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化等[4]。特定的修飾狀態(tài)可以決定組蛋白的活性是招募另一些蛋白質(zhì)與之結(jié)合或是解除已結(jié)合的蛋白質(zhì)，從而決定DNA鏈的命運(yùn)，打開(kāi)或者關(guān)閉基因表達(dá)。

例1 組蛋白是構(gòu)成真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)蛋白。用聚丙烯酰胺凝膠電泳可以區(qū)分5種不同的組蛋白： H1、 H2A、 H2B、 H3和H4。研究發(fā)現(xiàn)，核心組蛋白的肽鏈末端受到多種化學(xué)修飾的調(diào)控，比如H4末端Lys8(Lys代表賴氨酸)和Lys16的雙乙?；軌蛘心嫁D(zhuǎn)錄相關(guān)蛋白，促進(jìn)基因表達(dá)；而H3的N末端Lys9的甲基化會(huì)促進(jìn)DNA包裝蛋白的結(jié)合，壓縮染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，抑制基因表達(dá)。下列相關(guān)敘述中，正確的是( )

A.大腸桿菌中沒(méi)有染色體結(jié)構(gòu)，其擬核中的DNA從不與蛋白質(zhì)結(jié)合

B.RNA聚合酶能識(shí)別DNA上的起始密碼子并與之結(jié)合，啟動(dòng)基因的轉(zhuǎn)錄

C.豬成熟的紅細(xì)胞在衰老時(shí)，控制其凋亡的基因開(kāi)始招募轉(zhuǎn)錄相關(guān)蛋白

D.特定的修飾狀態(tài)可以決定組蛋白的活性，從而決定基因的表達(dá)與沉默

解析： 本題主要考查DNA的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、密碼子、細(xì)胞的結(jié)構(gòu)以及組蛋白的修飾等知識(shí)點(diǎn)。大腸桿菌中雖沒(méi)有染色體結(jié)構(gòu)，但從DNA的復(fù)制、基因的轉(zhuǎn)錄等過(guò)程推理出擬核中的DNA有時(shí)會(huì)與蛋白質(zhì)結(jié)合，如DNA復(fù)制時(shí)DNA聚合酶要與之結(jié)合等。起始密碼子在mRNA上。豬成熟紅細(xì)胞在教材中沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)，但是，從哺乳動(dòng)物成熟紅細(xì)胞的結(jié)構(gòu)可以推斷出其不存在凋亡基因。結(jié)合題干信息，特定的修飾狀態(tài)可以決定組蛋白的活性，從而決定基因的表達(dá)與沉默。參考答案為D。

2 DNA甲基化與基因組印記

脊椎動(dòng)物DNA對(duì)5′CpG3′二核苷酸序列胞嘧啶堿基發(fā)生甲基化共價(jià)修飾。CpG是DNA中被磷酸相連的胞嘧啶和鳥(niǎo)嘌呤的縮寫(xiě)。甲基位于DNA雙螺旋的大溝內(nèi)，許多DNA結(jié)合蛋白在這里與DNA結(jié)合，甲基就是通過(guò)吸引或排斥各種DNA結(jié)合蛋白而發(fā)揮作用。分子和遺傳學(xué)研究都表明DNA胞嘧啶甲基化與基因沉默有關(guān)，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]?；蚪M印記是一種區(qū)別父母等位基因的表觀遺傳過(guò)程，可導(dǎo)致父源和母源基因特異性表達(dá)，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(fā)生過(guò)程中全基因組表觀重編程時(shí)獲得的，且在早期胚胎發(fā)育過(guò)程中得以維持[6]。

例2 基因組印記是因親本來(lái)源不同而導(dǎo)致等位基因表達(dá)差異的一種遺傳現(xiàn)象，而DNA甲基化是基因組印記最重要的方式之一。每個(gè)印記基因的印記均是在親代生殖細(xì)胞形成的過(guò)程中建立的，并能在個(gè)體發(fā)育過(guò)程中維持不變，直至下一代形成時(shí)才被抹去，并根據(jù)親本來(lái)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(duì)a完全顯性，A決定野生型，a決定突變型)的一對(duì)小鼠進(jìn)行雜交，在兩只親本小鼠的體細(xì)胞中，被甲基化修飾的基因不能表達(dá)，如圖為基因組印記對(duì)等位基因表達(dá)和傳遞的影響示意圖。根據(jù)材料判斷下列相關(guān)說(shuō)法中，正確的是( )

A.所處的環(huán)境相同，基因型相同的小鼠可以有不同的表現(xiàn)型

B.基因的堿基序列不變，基因的表達(dá)過(guò)程就不會(huì)發(fā)生變化

C.從圖中可以看出，雄鼠的精原細(xì)胞經(jīng)過(guò)減數(shù)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?tīng)柕男誀罘蛛x比

解析： 本題主要考查表現(xiàn)型與基因型之間的關(guān)系、表觀遺傳、精子的形成以及孟德?tīng)柕男誀罘蛛x比。Aa的小鼠可以表現(xiàn)為野生型，也可表現(xiàn)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(dá)”這個(gè)信息，從而得出“基因的堿基序列不變，基因的表達(dá)過(guò)程也可能會(huì)發(fā)生變化”。經(jīng)過(guò)兩次連續(xù)的細(xì)胞分裂，再經(jīng)過(guò)精細(xì)胞的變形，就形成了成熟的雄性生殖細(xì)胞——精子。需要學(xué)生以批判性思維重新審視孟德?tīng)柕男誀罘蛛x比，知道基因組印記能改變孟德?tīng)柕男誀罘蛛x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(dǎo)的基因沉默

RNA干擾是指由雙鏈RNA誘發(fā)的、同源mRNA高效特異性降解的技術(shù)。已知干擾小RNA(siRNA)介導(dǎo)的基因沉默主要發(fā)生在兩個(gè)水平上，即轉(zhuǎn)錄后水平的mRNA的降解以及染色體水平上形成異染色質(zhì)。微小RNA(miRNA)是能夠引起基因轉(zhuǎn)錄后沉默的另一種重要RNA分子。微小RNA的功能主要有兩個(gè)方面： 一是和siRNA一樣裝載成RISC(RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合體)后，使互補(bǔ)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(zhǔn)上市，用于由hATTR引起的多發(fā)性神經(jīng)病患者的治療。治療原理大體如下： 在RISC復(fù)合物中，siRNA的雙鏈發(fā)生解旋，正義鏈被核酸酶降解，反義鏈被保留。接下來(lái)，RISC中的反義鏈與靶基因的mRNA互補(bǔ)配對(duì)結(jié)合，并誘導(dǎo)互補(bǔ)結(jié)合的mRNA被RNA酶降解，從而抑制基因的表達(dá)。下列相關(guān)敘述中，錯(cuò)誤的是( )

A.siRNA完全水解可以得到6種物質(zhì)

B.siRNA以及tRNA中都存在氫鍵

C.在神經(jīng)細(xì)胞中，RNA聚合酶催化的產(chǎn)物都是mRNA

D.上述治療原理是通過(guò)抑制翻譯過(guò)程從而抑制基因的表達(dá)

解析： 本題主要考查RNA的組成成分、氫鍵、轉(zhuǎn)錄以及翻譯等知識(shí)點(diǎn)。siRNA完全水解可以得到6種物質(zhì)，即4種堿基、核糖以及磷酸。siRNA以及tRNA中都存在氫鍵。在神經(jīng)細(xì)胞中，mRNA、 tRNA以及rRNA都是轉(zhuǎn)錄的產(chǎn)物。上述治療原理是通過(guò)抑制翻譯過(guò)程從而抑制基因的表達(dá)。參考答案為C。

例4 miRNA在真核生物中普遍存在，是21～24個(gè)核苷酸的非編碼小RNA分子，通過(guò)負(fù)調(diào)控mRNA靶基因的轉(zhuǎn)錄后表達(dá)水平影響動(dòng)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和疾病發(fā)生等多種生物學(xué)過(guò)程?？茖W(xué)家有望利用miRNA分子來(lái)治療阿爾茲海默??！如圖為miRNA生成過(guò)程圖解，生成的miRNA可以與靶mRNA結(jié)合，引起其降解或抑制翻譯過(guò)程。下列相關(guān)敘述中，正確的是( )

A.Ⅰ過(guò)程發(fā)生時(shí)，RNA酶要與DNA上的啟動(dòng)子結(jié)合

B.形成pri-miRNA時(shí)，需要4種游離的核糖核酸

C.生成的miRNA與靶mRNA結(jié)合時(shí)遵循堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，即A與T配對(duì)，C與G配對(duì)

D.圖中所示物質(zhì)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(bǔ)配對(duì)原則等知識(shí)點(diǎn)。學(xué)生應(yīng)該具備結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀念，從題干中獲悉pri-miRNA、 pre-miRNA以及miRNA的組成與結(jié)構(gòu)，Ⅰ過(guò)程發(fā)生時(shí)，RNA聚合酶要與DNA上的啟動(dòng)子結(jié)合。形成pri-miRNA時(shí)，需要4種游離的核糖核苷酸。生成的miRNA與靶mRNA結(jié)合時(shí)遵循堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，即A與U配對(duì)，C與G配對(duì)。圖中所示物質(zhì)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(yǎng)評(píng)價(jià)為導(dǎo)向，確定命題素材，合理設(shè)問(wèn)。將生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)、素養(yǎng)的水平表現(xiàn)、所涉及的知識(shí)和方法對(duì)應(yīng)起來(lái)，確定測(cè)試藍(lán)圖，指導(dǎo)命題。試題初稿完成后，要反復(fù)推敲、琢磨以確保試題的嚴(yán)謹(jǐn)性、科學(xué)性，避免出現(xiàn)爭(zhēng)議的問(wèn)題。注意試題要有一定的難度與良好的區(qū)分度。試題的語(yǔ)言要專業(yè)、精煉，沒(méi)有歧義。