陸 奇 胡官霞 蔣選榮

（江蘇省揚(yáng)州市新華中學(xué) 江蘇揚(yáng)州 225009）

表觀遺傳是指生物體基因的堿基序列保持不變，但基因表達(dá)和表型發(fā)生可遺傳變化的現(xiàn)象?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》新增“概述某些基因中堿基序列不變但表型改變的表觀遺傳現(xiàn)象”這一概念。這一課程內(nèi)容的調(diào)整，是生物科學(xué)的發(fā)展對(duì)遺傳學(xué)某些概念的內(nèi)涵進(jìn)行完善的體現(xiàn)，也提醒人們應(yīng)重新審視高中生物學(xué)中的關(guān)于分化、遺傳、進(jìn)化和生物技術(shù)的一些事實(shí)與概念。

1 細(xì)胞分化的實(shí)質(zhì)性原因

舊版高中生物學(xué)教材提及細(xì)胞分化的原因是基因的選擇性表達(dá)。但為什么基因會(huì)選擇性表達(dá)？已分化的細(xì)胞如何長久地保持其特定基因的選擇性表達(dá)模式而不轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌N類的細(xì)胞？要回答這些實(shí)質(zhì)性問題，可能要從表觀遺傳學(xué)的視角解釋。表觀遺傳學(xué)認(rèn)為，在發(fā)育過程中，分化程度和方向不同的細(xì)胞會(huì)程序化地加入不同的表觀遺傳修飾，通過表觀遺傳修飾而開啟或關(guān)閉不同的基因群，表觀遺傳修飾包括DNA 的甲基化及組蛋白的化學(xué)修飾等多種方式，這些分子修飾雖然對(duì)堿基的排列順序沒有任何影響，但它們能決定基因是否進(jìn)行表達(dá)及其表達(dá)量，并且這些表觀遺傳修飾能從親代細(xì)胞傳遞至子代細(xì)胞。這是基因選擇性表達(dá)的分子機(jī)理，也是細(xì)胞分化的實(shí)質(zhì)性原因[1-3]。

2 細(xì)胞的全能性受抑制及再激發(fā)的機(jī)理

舊版高中生物學(xué)教材提及高等動(dòng)物的已分化細(xì)胞的全能性受到抑制，卵細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中的物質(zhì)可激發(fā)動(dòng)物細(xì)胞核全能性的表達(dá)，其生物學(xué)機(jī)理是什么？從表觀遺傳學(xué)視角審視能揭開這些問題的部分“面紗”。

哺乳動(dòng)物受精卵在發(fā)育進(jìn)程中，起初受精卵中的表觀遺傳修飾極少（少量的印記區(qū)域會(huì)保留表觀遺傳修飾），分化開始后（如同程序開始運(yùn)行），不同的細(xì)胞就會(huì)帶上表觀遺傳修飾從而向不同方向分化，“程序”運(yùn)行至某一時(shí)期，DNA 中的某些特定基因就會(huì)被表觀遺傳修飾，不可逆轉(zhuǎn)。表觀遺傳系統(tǒng)控制著數(shù)百種不同細(xì)胞分化的方向，這種修飾可被細(xì)胞一代代遺傳，長久地控制細(xì)胞的歸屬。

哺乳動(dòng)物高度分化的細(xì)胞雖然含有發(fā)育成完整個(gè)體的全套信息，但由于表觀遺傳修飾影響了特定發(fā)育相關(guān)基因的表達(dá)，無法發(fā)育成完整的個(gè)體，除非將該分化細(xì)胞內(nèi)的表觀遺傳修飾移除（類似于程序重新啟動(dòng)），這樣該細(xì)胞才具有了全能性?？寺?dòng)物時(shí)將供體細(xì)胞中的細(xì)胞核移植至去核的卵細(xì)胞中，即利用卵細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中的特定的物質(zhì)，將供體細(xì)胞核中的表觀遺傳修飾移除，讓發(fā)育的全能性“程序”重新啟動(dòng)。山中伸彌利用了Oct4、Sox2、Klf4 和c-Myc 4 個(gè)基因?qū)⑿∈蟪衫w維細(xì)胞誘導(dǎo)為多能干細(xì)胞（iPS 細(xì)胞），上述4個(gè)基因發(fā)揮的作用與去核的卵細(xì)胞相同，均涉及移除分化細(xì)胞中特異性的表觀遺傳標(biāo)記，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的重編程[1]。

3 環(huán)境因素引起的非突變性變異能產(chǎn)生可遺傳變異

經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為個(gè)體表型主要由基因型決定，并受環(huán)境因素的影響，即“表型=基因型+環(huán)境”。絕大部分環(huán)境因素均不會(huì)引發(fā)遺傳物質(zhì)改變，這種情況下引起的變異屬于不可遺傳變異。但很多表觀遺傳學(xué)相關(guān)事實(shí)并非如此，許多環(huán)境因素可通過改變?nèi)祟惢蚪M的表觀遺傳修飾進(jìn)而改變基因的表達(dá)模式，甚至引起健康問題[1]。例如，①科學(xué)家對(duì)歷史上大饑荒時(shí)期的胎兒群體跟蹤研究幾十年后發(fā)現(xiàn)，營養(yǎng)不良在沒有引起突變的情況下影響了嬰兒及其后代的體重，這種作用能連續(xù)傳遞至后代或跨越世代遺傳。②小鼠動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)父方的飲食情況可直接影響子代代謝相關(guān)基因的表觀遺傳修飾，進(jìn)而影響這些基因的表達(dá)從而表現(xiàn)出不健康的表型，且這種影響可傳遞至子一代，甚至幾代。例如，Keisuke Yoshida 等[4]發(fā)現(xiàn)父源性低蛋白飲食可導(dǎo)致后代出現(xiàn)代謝性疾病。其機(jī)理如圖1，轉(zhuǎn)錄因子ATF7 與許多代謝相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄有關(guān)，父源性低蛋白飲食可使精原細(xì)胞中的ATF7 出現(xiàn)磷酸化從而使結(jié)構(gòu)松散，ATF7 結(jié)構(gòu)改變又導(dǎo)致組蛋白表觀遺傳修飾改變進(jìn)而影響精原細(xì)胞中相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄，這種表觀遺傳修飾的改變?cè)诰又心芫S持并遺傳給子代，使后代出現(xiàn)代謝性疾病。③酒精可在小鼠中改變表觀遺傳修飾，過度飲酒的孕婦由于表觀遺傳編程的干擾可導(dǎo)致子女出現(xiàn)較大的遺傳缺陷。根據(jù)以上事實(shí)可知，環(huán)境因素可通過改變生物的表觀遺傳修飾而非堿基序列產(chǎn)生可遺傳的變異[5]。

圖1 小鼠低蛋白飲食引起的表觀遺傳[4]

常見的表觀遺傳修飾包括DNA 的甲基化及組蛋白的各種化學(xué)修飾。最近，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)大部分的組蛋白修飾具有較好的可塑性，很容易受環(huán)境的影響，而組蛋白化學(xué)修飾可對(duì)基因的表達(dá)進(jìn)行微調(diào)。其意義是實(shí)現(xiàn)生物體內(nèi)部基因的表達(dá)與外界環(huán)境相協(xié)調(diào)，增強(qiáng)生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力[1，6]。

4 來自父方或母方的相同基因遺傳效應(yīng)可能不同

在經(jīng)典遺傳學(xué)中，個(gè)體中決定性狀的基因往往成對(duì)存在（除性染色體上非同源區(qū)段的基因外），分別來自父方和母方，若2 個(gè)基因相同，則無論來自父方或母方，其遺傳效應(yīng)相同。但從表觀遺傳學(xué)視角分析事實(shí)并非如此。研究人員發(fā)現(xiàn)，少量編碼蛋白質(zhì)的基因是否表達(dá)取決于其來源，例如，小鼠7 號(hào)染色體某區(qū)域有1 個(gè)胰島素樣生長因子2（Igf2）基因，它通常只在父本的7 號(hào)染色體表達(dá)，而在母本染色體中有堿基序列完全相同的基因，但該基因不表達(dá)。深入分析其原因，哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的每對(duì)同源染色體上都有來源標(biāo)記，標(biāo)明該染色體源自父母中的哪一方，表觀遺傳修飾中的DNA 甲基化是標(biāo)記的主要方式，這些標(biāo)記區(qū)域稱為印記區(qū)域。在Igf2 基因和H19 基因之間有一印記控制區(qū)（ICR），該印記控制區(qū)對(duì)Igf2基因和H19 基因的調(diào)控如圖2，該ICR 區(qū)域是否甲基化決定該區(qū)域是否能結(jié)合增強(qiáng)子阻遏蛋白CTCF。母源染色體的Igf2 基因啟動(dòng)子區(qū)域雖然沒有甲基化，但沒有甲基化的該ICR 區(qū)域可與CTCF 結(jié)合，從而阻止了增強(qiáng)子和IGF2 啟動(dòng)子的作用，但不阻止其與H19 啟動(dòng)子的作用，從而使得H19 能順利表達(dá)。而父源染色體中該ICR 區(qū)域發(fā)生甲基化，不能與CTCF 結(jié)合，因而CTCF 不能阻斷增強(qiáng)子對(duì)IGF2 啟動(dòng)子的作用，IGF2 能有效地表達(dá)，而H19 由于啟動(dòng)子區(qū)域發(fā)生甲基化轉(zhuǎn)錄受到抑制[7-10]。

圖2 印記控制區(qū)的不同甲基化狀態(tài)控制H19/Igf2 的表達(dá)[7-10]

例如，Igf2 基因、H19 基因這樣只在父母一方表達(dá)的基因稱為印記基因，約占編碼蛋白基因總數(shù)的1%，由此可見，對(duì)于印記基因而言，來自父方或母方的相同基因遺傳效應(yīng)完全不同[1，8]。

5 ES 細(xì)胞（embryonic stem cell）具有發(fā)育全能性的原因

哺乳動(dòng)物的胚胎干細(xì)胞（ES 細(xì)胞或EK 細(xì)胞）是人教版高中生物學(xué)選修3《現(xiàn)代生物科技專題》專題3“胚胎工程”中涉及的一個(gè)名詞，教材上闡述為：“是由早期胚胎或原始性腺中分離出的一類細(xì)胞”“功能上具有發(fā)育的全能性”。為何ES 細(xì)胞可由早期胚胎或原始性腺中分離？

從表觀遺傳學(xué)角度分析將產(chǎn)生更有說服力的解釋。受精作用過程中，雄原核和雌原核中的染色體來自精子和卵細(xì)胞，均攜帶了大量的表觀遺傳學(xué)修飾信息，而卵細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)中的某些物質(zhì)能去除這些表觀遺傳修飾，并創(chuàng)造受精卵的新表觀遺傳組，卵細(xì)胞和精子的基因表達(dá)特征隨后被受精卵的基因表達(dá)模式替代，進(jìn)入發(fā)育功能，這種重新編程不僅使細(xì)胞具有全能性，還可防止過多父母積累的表觀遺傳修飾傳遞至子代。由于內(nèi)細(xì)胞團(tuán)細(xì)胞處于原有表觀遺傳已被移除，而新的表觀遺傳修飾尚未植入的階段，所以其具有發(fā)育的全能性。

在原有表觀遺傳被移除的過程中，小部分基因組能對(duì)重新編程免疫，其中就包括標(biāo)志染色體來源的印記區(qū)域。個(gè)體為了產(chǎn)生其配子，早期胚胎細(xì)胞一部分會(huì)分化為原始性腺細(xì)胞，此時(shí)，這些細(xì)胞中上一代父母的印記標(biāo)志必須去除，重新建立父源（若該胚胎發(fā)育為雄性個(gè)體）或母源（若該胚胎發(fā)育為雌性個(gè)體）新的印記標(biāo)志，因此，當(dāng)這些極少的體細(xì)胞轉(zhuǎn)化為原始生殖細(xì)胞時(shí)，表觀遺傳修飾（包括印記區(qū)域）被再次（第2次）移除。在發(fā)育為生殖細(xì)胞的過程中，新的印記標(biāo)志等表觀遺傳修飾被再次植入。但在此之前，原始生殖細(xì)胞在一段時(shí)間內(nèi)重獲多能性。由此可見，內(nèi)細(xì)胞團(tuán)和原始性腺細(xì)胞均因處于舊的表觀遺傳修飾被去除的階段，所以具有發(fā)育的全能性，可被分離為胚胎干細(xì)胞[1，8]。

6 表觀遺傳學(xué)不能為拉馬克的進(jìn)化理論正名

拉馬克認(rèn)為，生物對(duì)環(huán)境有巨大的適應(yīng)能力，經(jīng)常使用的器官會(huì)逐漸發(fā)達(dá)，而不使用的器官會(huì)逐漸退化，且這種在環(huán)境影響下后天獲得的性狀是可遺傳的。該理論已被經(jīng)典遺傳學(xué)理論否定，其理由是一種獲得性的表型變化必須要反映在DNA 分子的序列變化上，才能將這種特征從親代傳遞至子代，而環(huán)境中除少量的致癌因子外，一般的環(huán)境因素不會(huì)使DNA 分子的堿基對(duì)序列發(fā)生變化。

表觀遺傳學(xué)則認(rèn)為，環(huán)境因素沒有改變基因組的堿基對(duì)序列，但細(xì)胞的確能通過對(duì)環(huán)境的反應(yīng)而在特定的基因上加入特定的表觀遺傳修飾，從而調(diào)控基因的表達(dá)水平，且親代細(xì)胞中的表觀遺傳修飾會(huì)忠實(shí)地遺傳至子代細(xì)胞，并持續(xù)幾十年。而在個(gè)體水平上，由于哺乳動(dòng)物發(fā)育過程中的2 次針對(duì)表觀遺傳修飾的重編程，親本大部分獲得性特征一般不會(huì)遺傳給子代，但人類基因組中有一些特定區(qū)域，例如，印記區(qū)域?qū)χ鼐幊叹哂幸欢ǖ牡挚鼓芰?，所以?dǎo)致某些環(huán)境因素，例如，烯菌酮、親代營養(yǎng)狀況對(duì)生物的影響能通過父母遺傳給子代[1，11]。由此可見，由環(huán)境引起的變異也可能是可遺傳的?？蛇z傳的變異可能源于基因堿基序列的改變，也可能源于表觀修飾的改變。表觀修飾的遺傳包含通過有絲分裂的當(dāng)代遺傳，以及通過減數(shù)分裂的代間遺傳[5]。

由此可見，表觀遺傳學(xué)認(rèn)為生物可應(yīng)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生非隨機(jī)的變異，環(huán)境引起的變異是可遺傳的。這是表觀遺傳學(xué)與拉馬克進(jìn)化觀點(diǎn)的共同點(diǎn)，同時(shí)也是與經(jīng)典遺傳學(xué)的差異所在。但表觀遺傳學(xué)與拉馬克的進(jìn)化理論存在明顯沖突。首先，表觀遺傳變異的獲得雖受環(huán)境影響，但不受個(gè)體主觀意志的影響，而是有其內(nèi)在的客觀機(jī)制。其次，表觀遺傳變異并非都可在代間穩(wěn)定遺傳。目前研究結(jié)果表明，表觀遺傳標(biāo)記無法一直維持，在遺傳幾代之后就將消失或改變，表現(xiàn)出極其明顯的不穩(wěn)定性。最后，與拉馬克進(jìn)化理論觀點(diǎn)不同，表觀遺傳學(xué)并不否認(rèn)自然選擇的作用。表觀遺傳學(xué)認(rèn)為自然選擇不僅對(duì)生物的基因發(fā)揮作用，對(duì)表觀遺傳標(biāo)記也發(fā)揮作用，許多生物能通過表觀遺傳的變異提高其適應(yīng)環(huán)境的能力也應(yīng)該是自然選擇的結(jié)果。

綜上所述，表觀遺傳學(xué)并不能為拉馬克的進(jìn)化理論正名[5，12]。拉馬克的獲得性狀遺傳觀點(diǎn)意指環(huán)境變化造成的變異可普遍遺傳；表觀遺傳現(xiàn)象是特殊條件下受環(huán)境或體內(nèi)分子修飾的影響所表現(xiàn)的局部遺傳物質(zhì)在核苷酸序列不變情況下的可傳代變異，不是普遍的遺傳規(guī)律。

研究表觀遺傳學(xué)不僅可幫助人們重新審視上述的幾個(gè)事實(shí)或概念，還可幫助人們解答為何人類基因組中98%的不編碼蛋白質(zhì)序列有何功能、細(xì)胞癌變的機(jī)理及藥物研發(fā)等重要的生物學(xué)問題。托馬斯·庫恩說過，“在某個(gè)領(lǐng)域一定會(huì)有一個(gè)當(dāng)時(shí)非常流行的理論存在，當(dāng)新的數(shù)據(jù)與之有沖突時(shí)，這個(gè)理論不會(huì)馬上倒臺(tái)。它會(huì)作出一些調(diào)整，而科學(xué)家仍然會(huì)在很長的一段時(shí)間內(nèi)堅(jiān)信該理論，直至有不可動(dòng)搖的證據(jù)推翻它”。由于表觀遺傳學(xué)的出現(xiàn)，經(jīng)典遺傳學(xué)、達(dá)爾文的進(jìn)化論等理論模型可能均將處于這一“模式轉(zhuǎn)換”時(shí)期[1，13]。