高中生物：高中生物學中的表觀遺傳學

高中生物學中的表觀遺傳學

1900年，孟德爾規(guī)律的再發(fā)現(xiàn)誕生了經(jīng)典遺傳學，其影響之

廣泛、傳播之迅速不亞于進化學說的提出。此后10年，大量遺傳

學數(shù)據(jù)相繼發(fā)表，孟德爾的擁冤者與反對者各執(zhí)其詞。結(jié)束上述

爭論的是摩爾根及其同事的果蠅雜交實驗，隨后，染色體遺傳學

說的提出標志著經(jīng)典遺傳學的興起。

20世紀60年代，隨著對基因本質(zhì)的闡明和中心法則的擴充和

完善，“基因如何控制性狀”這一核心問題仿佛已然被解決。然而，

近年來越來越多的證據(jù)表明，除去基因（堿基排序）之外，還存

在一系列復雜和精細的調(diào)控機制，共同決定著性狀的形成?？茖W

家將后者稱為表觀遺傳學（Epigenetics）,區(qū)別于以基因為核心

的經(jīng)典遺傳學。

21世紀的表觀遺傳學嶄新且富有活力，已經(jīng)成為遺傳學領域

中不可或缺的組成。為了緊跟科學前沿，2019年版人教版《必修

2?遺傳與進化》中增加了表觀遺傳概念，旨在幫助學生更深入地

理解基因表達與性狀的關系。那么，在高中生物教學過程中，教

師如何在學生所熟悉的（經(jīng)典遺傳）概念體系中引入新的表觀遺

傳概念呢？對于前者而言，后者是挑戰(zhàn)還是完善呢？在討論上述

問題之前，先來看教科書中提供的兩個“令人困惑”的遺傳現(xiàn)象。

1小鼠毛色雜交實驗

教材案例1：純合黃色小鼠（AvyAvy）與純合黑色小鼠（aa）

雜交，F(xiàn)1代沒有表現(xiàn)出黃色，反而呈現(xiàn)出介于黃、黑色的一系列

不難想象，上述現(xiàn)象曾給遺傳學家們帶來過怎樣的困擾。自

然界中類似的現(xiàn)象比比皆是，就連摩爾根都曾因為小鼠體色的遺

傳問題對孟德爾規(guī)律產(chǎn)生過懷疑。遺傳學家們將這種F1代“融合”

了雙親性狀的現(xiàn)象統(tǒng)稱為“不完全顯性”。在表觀遺傳概念建立之

前，人們無法解釋上述現(xiàn)象的內(nèi)在機制。

1999年，EmmaWhitelaw等通過對上述案例的分析，終于揭

開了表觀遺傳機制的冰山一角。此前，科學家們已經(jīng)知道小鼠毛

色的深淺主要由Avy基因所決定。當Avy基因正常表達時，小鼠

毛色呈現(xiàn)黃色，反之則為黑色。Emma等檢測了不同毛色的F1小

鼠，發(fā)現(xiàn)Avy基因的表達水平越高，其毛色越接近黃色親本?？?/p>

學家所面臨的關鍵問題是：為何基因型相同（Avya）的F1小鼠

會產(chǎn)生不同的毛色性狀？決定Avy基因差異表達的因素是什么？

首先，F(xiàn)1小鼠均處于相同的培養(yǎng)條件下，因此環(huán)境因素被排除；

再者，測序結(jié)果顯示不同F(xiàn)l小鼠的Avy基因完全一致，并無基

因突變發(fā)生。難道除了基因和環(huán)境外，還存在其他調(diào)控基因表達

的機制么？答案是肯定的。早在20世紀80年代，科學家們在體

外相關實驗中就已經(jīng)證實，哺乳動物細胞中的DNA甲基化水平

會影響基因的轉(zhuǎn)錄水平，且兩者呈負相關。

DNA甲基化是最早被鑒定出來的表觀遺傳學修飾。實際上,

組成DNA的四種堿基中，只有部分胞喀咤(C)能被甲基化，具

體表現(xiàn)為在胞喀咤的5,碳位上共價結(jié)合了一個甲基基團。這種看

似微小的堿基修飾，雖然沒有改變堿基排序，但的確影響著基因

的表達。依據(jù)體外實驗的結(jié)果，科學家曾提出過一種模型來解釋

DNA甲基化的作用機制。如圖1所示，當啟動子區(qū)域的甲基化程

度較高時，基因則處于“關閉”狀態(tài)。形象點說，導致小車無法前

行的因素可能僅僅只是路邊的“指示牌”。

轉(zhuǎn)錄復合體

正常轉(zhuǎn)錄

|乩向|鄴驅(qū)||

o▼泮夠化H錄受拂制

無法已療

在環(huán)境和基因都一致的前提下，科學家們檢測了F1小鼠的甲

基化水平。如其所愿，不同F(xiàn)1小鼠的甲基化水平呈現(xiàn)出差異。確

切來說，是Avy基因上游調(diào)控序列的甲基化水平不同，間接影響

了Avy基因的表達。調(diào)控序列的甲基化程度越低，Avy基因的表

達量越高，小鼠毛色越黃。該結(jié)果證實了DNA甲基化在小鼠體

內(nèi)也發(fā)揮著（與體外）類似的調(diào)控作用，拓展了人們對“基因控制

性狀”的認知。這意味著在基因（堿基序列）不變的前提下，表觀

遺傳也能導致性狀的改變。上述觀念的更迭，從新教材的改進中

可見一斑：必修2中第四章第二節(jié)的標題從“基因?qū)π誀畹目刂啤?/p>

變?yōu)椤盎虮磉_與性狀的關系”。

2毛色相間的貓

教材案例2：某種貓的毛色由X染色體上的基因所決定，雄

貓有2種表現(xiàn)型：黃色（XOY）、黑色（XBY）,而雌貓除了黃

色（XOXO）、黑色（XBXB）以外，還有一種表現(xiàn)為黑黃相間

（XOXB）的毛色。

案例1中的DNA甲基化是基因?qū)用嫔系谋碛^遺傳修飾。而

科學家通過對染色體變異的研究，得出結(jié)論：正確的染色體數(shù)是

保證正常性狀的基礎。一旦染色體數(shù)目發(fā)生改變，其所攜帶基因

的拷貝數(shù)必然發(fā)生變化，進而影響后續(xù)的表達。例如，21號三體

綜合征的患者體內(nèi)并沒有相關致病基因，其發(fā)病原因為“多余”的

21號染色體上基因過量（異常）表達。然而，生命科學的魅力就

在于那些容易讓人忽略的例外中——“女性有兩條X染色體，而

男性只有一條，如何保證X染色體上的基因正確表達呢？”上述

問題的答案就蘊藏在對案例2的研究之中。

與其他哺乳動物一樣，貓的毛色受毛囊中的黑色素細胞所影

響，具體而言，受該細胞中X染色體上色素合成相關基因所決定。

首先，科學家們檢測了黃色雄貓（XOY）和雌貓（XOXO）中色

素基因的表達情況，結(jié)果顯示X0基因的表達水平在兩者中一致。

這意味著，盡管染色體數(shù)目不同，但X染色體上的基因表達水平

在兩性中基本相同。這一現(xiàn)象被稱為劑量補償，英國遺傳學家瑪

麗?里昂曾在20世紀60年代對劑量補償?shù)淖饔脵C制提出如下假說:

雌性個體攜帶2條X染色體，但在發(fā)育早期（胚胎時期）會隨機

失活一條。

案例2的研究者即將為上述假說提供有力的證據(jù)。為什么雌

貓（XOXB）會呈現(xiàn)黑黃相間的“共顯性”表型呢？科學家們發(fā)現(xiàn)，

在早期發(fā)育過程中，胚胎細胞的確發(fā)生了染色體失活的現(xiàn)象。簡

單來說，基因型相同的多個胚胎細胞（XOXB）,在經(jīng)歷染色體

的隨機失活后變成XO細胞或XB細胞（另一條染色體上的基全

部失活）。隨著細胞分化，XO或XB黑色素細胞相間分布，因此

表達出黑黃相間的表型。

X染色體失活是一個完美的表觀遺傳案例。事實上，XO與

XB黑色素細胞的基因完全相同（均為XOXB）,但兩者所表達

的性狀卻截然相反。X染色體失活的原理尚不明確，但肯定離不

開一個名為Xist的基因的作用。該基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物XistRNA參

與染色體中組蛋白的表觀遺傳修飾。在失活過程中，激活基因的

組蛋白修飾被逐一除去，取而代之的是關閉基因的組蛋白修飾。

案例2進一步說明了這種抑制性的表觀修飾是永久性的，即使胚

胎細胞已分裂分化成黑色素細胞。

盡管近年來表觀遺傳領域大放異彩，但是毋庸置疑的是，科

學家們在20世紀所構建的經(jīng)典遺傳概念體系依然起著基石的作

用。無論是在生命科學史或高中生物教學中，表觀遺傳