江蘇 張卓鵬

表觀遺傳是指基因的堿基序列不發(fā)生變化，但基因表達卻發(fā)生了穩(wěn)定的改變，最終導致表型的穩(wěn)定差異。表觀遺傳不僅是當下科學研究的熱點，而且目前已經(jīng)走進了高中生物學新教材。蜜蜂蜂王與工蜂分化發(fā)育過程中，雌幼蟲蜂王漿的喂食與否，決定了其發(fā)育命運的不同，兩者之間存在著巨大的表型差異?，F(xiàn)代遺傳學研究表明，蜜蜂的表觀遺傳與DNA 甲基化密切相關，涉及基因的選擇性表達。

1.DNA 甲基化與表觀遺傳

蜜蜂蜂王與工蜂都是由受精卵發(fā)育而來。它們的命運差異發(fā)生在出生3 天后，這時，護理蜂會在雌蜂幼蟲中挑選出一小部分個體繼續(xù)喂食蜂王漿，這些幼蟲將發(fā)育為蜂王；剩下的大部分幼蟲則停喂蜂王漿，改為喂食花粉和花蜜，這些幼蟲將發(fā)育為工蜂（圖1）。蜂王的體積是工蜂的兩倍，壽命更長，能夠繁育下一代；工蜂體積較小，成日勞作，采集花粉，建筑蜂巢和飼養(yǎng)幼蜂，壽命很短，不具有繁殖能力。

圖1

現(xiàn)代遺傳學研究表明，表觀遺傳機制涉及DNA 甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重構和非編碼RNA 的調(diào)控等，其中DNA 甲基化是目前研究得最清楚，也是最重要的表觀遺傳修飾形式。甲基化是將活性甲基化合物（如S 腺苷基甲硫氨酸）的甲基催化轉(zhuǎn)移到其他化合物（如DNA）中的過程。DNA 甲基化是指DNA 序列上特定的堿基在DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMT）的催化作用下添加甲基的過程。DNA 甲基化雖然不改變DNA 序列，但會導致基因選擇性表達，甚至相關基因轉(zhuǎn)錄沉默。1989 年，英國生物學家霍利迪發(fā)表了題為“DNA 甲基化與表觀遺傳機制”的論文，第一次明確提出了DNA 的甲基化修飾可以穩(wěn)定地控制基因的表達與否，是基因選擇性表達的重要機制。DNA 甲基化在細胞中普遍存在，在維持細胞的生長及代謝等方面有重要作用。研究表明，工蜂大腦細胞中約有600 個基因被甲基化，而蜂王大腦細胞中的基因沒有被甲基化。如果某DNA 片段被甲基化，那么該片段對應的基因功能就會被抑制。蜜蜂DNA的甲基化是由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMT）來控制的，如果敲除DNMT 基因或破壞幼蟲體內(nèi)表觀遺傳酶（DNMT3），蜜蜂幼蟲細胞中就會失去這種酶的作用，幼蟲便會發(fā)育成蜂王，也就說明，這種作用方式達到的效果和喂食蜜蜂幼蟲蜂王漿達到的效果是一樣的（圖2）。

圖2

2.DNA 甲基化相關試題分析

表觀遺傳學是近幾年來生命科學領域迅速發(fā)展的前沿學科之一，極大地豐富了遺傳信息的內(nèi)容，使遺傳學向更深層次發(fā)展。高中階段表觀遺傳學內(nèi)容的教學不僅僅要立足于讓學生掌握更多的遺傳學知識、完善遺傳知識體系，更重要的是要發(fā)揮這一內(nèi)容在提升學生學科核心素養(yǎng)方面的價值，即理解科學本質(zhì)，建立生命觀念。蜜蜂的DNA 甲基化與表觀遺傳便可選作新的試題情境素材，以引導學生基于情境、問題導向，進行深度思維，有助于學生對表觀遺傳機制有更深的了解。

【例1】蜜蜂蜂王與工蜂都是由受精卵發(fā)育而來，但它們在形態(tài)、結(jié)構、生理和行為等方面截然不同，表觀遺傳在此方面發(fā)揮了重要作用。少數(shù)幼蟲一直取食蜂王漿而發(fā)育成蜂王，而大多數(shù)幼蟲以花粉和花蜜為食將發(fā)育成工蜂。DNMT3 蛋白是DNMT3 基因表達的一種DNA 甲基化轉(zhuǎn)移酶，能使DNA 某些區(qū)域添加甲基基團（圖3）。敲除DNMT3 基因后，蜜蜂幼蟲將發(fā)育成蜂王，這與取食蜂王漿有相同的效果。下列有關敘述正確的是 （ ）

圖3

A.被甲基化的DNA 片段中遺傳信息發(fā)生了改變

B.蜂群中蜜蜂幼蟲發(fā)育成蜂王可能與體內(nèi)重要基因是否甲基化有關

C.DNA 甲基化后可能干擾了RNA 聚合酶等對DNA 部分區(qū)域的識別和結(jié)合

D.胞嘧啶和5′甲基胞嘧啶在DNA 分子中都可以與鳥嘌呤配對

【答案】BCD

【解析】由題干可以理出一條邏輯線索：DNMT3 基因轉(zhuǎn)錄出某種mRNA 再翻譯成DNMT3 蛋白，DNMT3 蛋白作用于DNA 某些區(qū)域使其甲基化，結(jié)果是蜜蜂幼蟲發(fā)育成工蜂。DNA 甲基化并沒有改變DNA 內(nèi)部的堿基排列順序，故未改變DNA 片段中的遺傳信息，A 選項錯誤；由“邏輯線索”可推知，敲除DNMT3 基因后，就不能翻譯出DNMT3 蛋白，則DNA 某些區(qū)域沒有被甲基化，蜜蜂幼蟲就不能發(fā)育成工蜂（將發(fā)育成蜂王），B 選項正確；DNA 甲基化后可能干擾了RNA 聚合酶等對DNA 部分區(qū)域的識別和結(jié)合，導致轉(zhuǎn)錄和翻譯過程發(fā)生變化，從而使生物表現(xiàn)出不同的性狀，C 選項正確；從圖中“部分被甲基化的DNA 片段”可看出，胞嘧啶和5甲基胞嘧啶在DNA 分子中都可以與鳥嘌呤配對，D 選項正確。

【例2】在一個蜂群中，少數(shù)幼蟲一直取食蜂王漿而發(fā)育成蜂王，而大多數(shù)幼蟲以花粉和花蜜為食則發(fā)育成工蜂，這是自然界中一種常見的表觀遺傳現(xiàn)象。DNMT3 蛋白是DNMT3 基因表達的一種DNA 甲基化轉(zhuǎn)移酶，能使DNA 某些區(qū)域添加甲基基團（如圖4 所示）。敲除DNMT3 基因后，蜜蜂幼蟲將發(fā)育成蜂王，這與取食蜂王漿有相同的效果。下列有關敘述錯誤的是 （ ）

圖4

A.DNA 甲基化本質(zhì)上是一種基因突變，從而導致性狀改變

B.蜜蜂幼蟲以花粉和花蜜為食，導致DNMT3 基因被甲基化

C.蜂王漿可能會使蜂王細胞中DNMT3 基因的表達水平下降

D.DNA 甲基化可能干擾了RNA 聚合酶對DNA 相關區(qū)域的作用

【答案】AB

【解析】DNA 甲基化為DNA 化學修飾的一種形式，能夠在不改變DNA 序列的前提下，改變遺傳表現(xiàn)。大量研究表明，DNA 甲基化能引起染色質(zhì)結(jié)構、DNA 構象、DNA 穩(wěn)定性及DNA 與蛋白質(zhì)相互作用方式的改變，從而控制基因的表達。DNA甲基化并沒有改變基因的堿基序列，故沒有發(fā)生基因突變，A 選項錯誤；根據(jù)題意分析可知，DNMT3 基因表達產(chǎn)生的DNMT3 蛋白能夠使得DNA 某些區(qū)域添加甲基基團，而DNMT3 基因本身并沒有被甲基化，B 選項錯誤；敲除DNMT3 基因后，蜜蜂幼蟲將發(fā)育成蜂王，這與取食蜂王漿有相同的效果，說明蜂王漿可能會使蜂王細胞中DNMT3 基因的表達水平下降，細胞未出現(xiàn)DNA 甲基化，或DNA 甲基化程度較低，C 選項正確；DNA 甲基化后可能干擾了RNA 聚合酶等對DNA 部分區(qū)域的識別和結(jié)合，使得基因的表達存在差異，D 選項正確。

【例3】蜜蜂受精卵（2n=32）發(fā)育成的幼蟲若持續(xù)食用蜂王漿則發(fā)育為蜂王，否則發(fā)育為工蜂，未受精的卵細胞發(fā)育成雄蜂。圖5 為雄蜂產(chǎn)生精細胞過程的示意圖，下列敘述錯誤的是 （ ）

圖5

A.減數(shù)第一次分裂前期初級精母細胞中的同源染色體聯(lián)會形成8 個四分體

B.減數(shù)第一次分裂染色體數(shù)目未減半的原因可能與細胞未產(chǎn)生正常的紡錘體有關

C.產(chǎn)生基因型為Aabb 的次級精母細胞的原因是該過程中發(fā)生了基因突變

D.蜂王與工蜂發(fā)育過程差異的原因可能是基因在細胞中的表達水平受到了環(huán)境影響

【答案】A

【解析】雄蜂是由未受精的卵細胞直接發(fā)育而來的，因此它的體細胞（包括其體內(nèi)的精原細胞）只含有一個染色體組。但雄蜂精原細胞在減數(shù)第一次分裂時出現(xiàn)了單極紡錘體，即只在細胞的一極發(fā)出星射線構成紡錘體，另一極沒有相關結(jié)構。這樣在第一次分裂后期染色體均移向了同一極，且這一極保留有完整的細胞核，另一極無染色體，最后形成了一個無核的細胞質(zhì)芽體和一個含有完整細胞核（內(nèi)含16 條染色體）的子細胞，且含有完整細胞核的子細胞內(nèi)并不發(fā)生染色體數(shù)目的減半。減數(shù)第二次分裂時，則是按正常的方式進行，這次分裂實質(zhì)上相當于一般的有絲分裂，但其細胞質(zhì)進行不均等的分裂——含細胞質(zhì)多的部分（內(nèi)含16條染色體）將進一步發(fā)育成精細胞，含細胞質(zhì)少的部分（內(nèi)含16 條染色體）則逐漸退化。雄蜂的一個初級精母細胞，通過這種減數(shù)分裂，結(jié)果只產(chǎn)生一個精細胞。這種特殊的減數(shù)分裂叫作“假減數(shù)分裂”。

雄蜂的精原細胞中只含有一個染色體組，無同源染色體，因此在減數(shù)第一次分裂的前期不會發(fā)生同源染色體的聯(lián)會，也就不存在四分體了，A 選項錯誤；正常減數(shù)第一次分裂的后期，同源染色體的兩側(cè)各有紡錘絲相連，在兩極紡錘絲的作用下分別移向細胞兩極，最終導致同源染色體分開，形成的次級精母細胞中染色體數(shù)目減半。由圖5 分析可知：雄蜂的精原細胞無同源染色體，形成的次級精母細胞中染色體數(shù)目也未減半。故推測，減數(shù)第一次分裂染色體數(shù)目未減半的原因可能與細胞未產(chǎn)生正常的紡錘體有關，B 選項正確；假設該精原細胞的基因型是Ab（雄蜂是單倍體），則間期發(fā)生染色體復制后，基因型為AAbb，由于精原細胞減數(shù)第一次分裂結(jié)束后形成的次級精母細胞染色體數(shù)目不變，則次級精母細胞的基因型還是AAbb（減數(shù)第二次分裂后期），若基因型變?yōu)锳abb，則一定是由于發(fā)生了基因突變，而不可能是交叉互換，因為該精原細胞中無同源染色體，不存在發(fā)生同源染色體上非姐妹染色單體交叉互換的可能，C 選項正確；同樣是受精卵發(fā)育成的幼蟲，如果持續(xù)食用蜂王漿則幼蟲發(fā)育為蜂王，否則發(fā)育為工蜂。據(jù)此可以推測，蜂王和工蜂在發(fā)育過程中的基因表達可能受到了食物等環(huán)境因素的影響，使得它們的性狀和功能都發(fā)生了較大的差異，這屬于表觀遺傳現(xiàn)象，D 選項正確。

3.DNA 甲基化與社會的聯(lián)系

有研究表明，吸煙會使人的體細胞內(nèi)DNA 甲基化水平升高，對染色體上的組蛋白也會產(chǎn)生影響。不僅如此，還有研究發(fā)現(xiàn)，男性吸煙者的精子活力下降，精子中DNA 甲基化水平明顯升高。教師可以建議學生查閱相關資料，結(jié)合表觀遺傳、煙草煙霧中含有的化學物質(zhì)及其危害等知識，向親友和周圍人群宣傳戒煙的道理。

【例4】DNA 甲基化是指DNA 序列上特定的堿基在DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMT）的催化作用下添加甲基，導致相關基因轉(zhuǎn)錄沉默。DNA 甲基化在細胞中普遍存在，對維持細胞的生長及代謝等是必需的。圖6 中甲、乙分別表示DNMT 基因表達的兩個過程，a、b、c、d 代表相關物質(zhì)，據(jù)圖回答：

圖6

細胞中DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶增多，抑癌基因異常甲基化是引起細胞癌變的原因之一。一種肺細胞的癌變是由ASPP 基因（一種抑癌基因）甲基化引起的，則與正常細胞相比，該癌細胞中DNMT 基因和ASPP 基因轉(zhuǎn)錄的mRNA 含量分別會___________、____________。

【答案】增加 減少

【解析】DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶由DNMT 基因表達產(chǎn)生，癌細胞中DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶增多，故DNMT 基因轉(zhuǎn)錄的mRNA 含量增加；抑癌基因主要作用是阻止細胞不正常的增殖，抑癌基因異常甲基化是引起細胞癌變的原因之一，故癌細胞中ASPP 基因轉(zhuǎn)錄的mRNA 含量會減少。

綜上分析，可得出：蜜蜂的表觀遺傳與DNA 甲基化密切相關，DNA 甲基化并沒有改變基因的堿基排列順序，不屬于基因突變。DNA 甲基化往往會導致相關基因轉(zhuǎn)錄沉默，這涉及基因的選擇性表達。表觀遺傳現(xiàn)象普遍存在于生物體的整個生命活動過程中，表觀遺傳機制除涉及DNA 甲基化外，還涉及組蛋白修飾、染色質(zhì)重構和非編碼RNA 的調(diào)控等，其中更多的生物遺傳奧秘有待人們進一步探索發(fā)現(xiàn)。