例析高中遗传试题中的表观遗传学概念

冯艳萍

(广东省茂名市信宜中学 525300)

经典遗传学认为： 遗传信息储存于核酸序列中，并通过生殖将遗传信息传递给下一代。它所揭示的“基因型决定表型”的遗传模式被广泛认知。表观遗传学研究基因组DNA序列未发生变化，而基因表达及基因功能的诱导和维持却发生可遗传变化。

下面一道全国卷模拟题中以表观遗传学为背景材料，让学生觉得困惑，他们认为与现代遗传学矛盾。笔者尝试为学生弄清题目背景，探究表观遗传学与现代遗传学的联系。

1 试题及分析

1.1 原题(全国卷模拟题)小鼠体色的黄色和灰色是一对相对性状，受一对等位基因A、a控制。科学家发现用甲基化饲料饲喂的动物，其后代甲基化水平升高，引起后代性状改变，甲基化点可随DNA的复制而遗传。科学家要验证小鼠的体色是否受所喂的饲料影响，是否会遗传给下一代?其中实验组除喂标准饲料外，从受孕前两周起还添加了富含甲基的叶酸、乙酰胆碱等补充饲料，而对照组孕鼠只喂标准饲料。请根据下列杂交组合及杂交结果回答问题。

实验小组做了如下实验：

实验1： 黄色×灰色→F1灰色 (只喂标准饲料)

实验2： 黄色×黄色→F1黄色 (只喂标准饲料)

实验3： 黄色×黄色→F1棕褐色 (除标准饲料，加了甲基叶酸、乙酰胆碱等)

(1) 体色的黄色和灰色这对相对性状中， 为显性性状，实验1组亲本的基因型是 。

(2) 实验3子代中出现了棕褐色可能的原因是： 。

(3) 请设计方案验证你的解释： 。

参考答案： (1) 灰色 AA aa (2) 喂养的饲料引起小鼠出现新的性状，是由于小鼠体内DNA甲基化引起的，会遗传给下一代 (3) F1棕褐色小鼠雌雄相互交配，孕期只喂标准饲料，后代全为棕褐色，说明新增性状是因为个体DNA甲基化水平升高，引起后代性状改变，甲基化点可随DNA的复制而遗传。

1.2 试题剖析 本题重点考的是以表观遗传学为背景的内容，因为表观遗传学学生并没有接触过，本题没有要求学生解释表观遗传学的内涵而重在考查学生从题目获取信息的能力。考生只要认真读题、审题，抓住题眼，正确作答应该不难。题干中“甲基化饲料饲喂动物，会发现其后代甲基化水平升高，引起后代性状改变，甲基化点可随DNA的复制而遗传”表明棕褐色性状的出现是因为富含甲基化的饲料引起DNA甲基化，甲基化引起的性状改变是可以遗传的，但小鼠的遗传物质并没有改变。

1.3 学生之惑 甲同学的答案： (1) 灰色 AA aa (2) 喂养的饲料引起小鼠出现新的性状，但这新的性状不会遗传给下一代 (3) F1棕褐色小鼠雌雄相互交配，孕期只喂标准饲料后代全为黄色，说明新增性状只是环境引起不会遗传给下一代。乙同学的答案： (1) 灰色 AA aa (2) 喂养的饲料引起小鼠发生基因突变，这新的性状会遗传给下一代 (3) F1棕褐色小鼠雌雄相互交配，孕期只喂标准饲料后代黄色和棕褐色，说明新增性状是基因突变引起会遗传给下一代。

从以上典型的答案可以看出，很多学生会被自己的惯性思维捆绑： 在传统的遗传学理论中，生物性状由基因+环境共同决定的，新性状的出现是因为基因突变的结果，而环境引起的性状改变并不会遗传给下一代。如甲同学会认为新的性状是由于环境影响的并不会遗传给下一代，而乙同学则认为新的性状的出现是因为出现了基因突变，a→A1，而A1棕褐色对a黄色为显性。由于学生缺乏表观遗传学的知识，又不能准确捕捉题干的信息，认为题干与传统遗传学相矛盾，所以仍然以自己所学的知识答题。

2 命题背景的实质——表观遗传学理论中的DNA甲基化现象

表观遗传学的研究主要集中在三大方面： DNA甲基化修饰、组蛋白修饰以及非编码RNA的调控作用。

2.1 实验背景 以基因型为aa的母鼠及其孕育的基因型为Aa的仔鼠作实验对象。孕鼠分为两组，实验组孕鼠除喂以标准饲料外，从受孕前两周起还增加富含甲基的叶酸、乙酰胆碱等补充饲料，而对照组孕鼠只喂饲标准饲料。

结果实验组孕鼠产下的仔鼠大多数在身体的不同部位出现了大小不等的棕色斑块，甚至出现了以棕褐色为主要毛色的小鼠。而对照组孕鼠的仔鼠大多数为黄色。分析表明： 喂以富甲基饲料的孕鼠所产仔鼠的IAP所含CpG岛的甲基化平均水平远高于对照组，转录调控区的高甲基化使原该呈异位表达的基因趋于沉默，毛色也趋于棕褐色。

2.2 DNA甲基化的遗传机制 DNA甲基化是研究得最清楚、也是最重要的表观遗传修饰形式，主要是基因组DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基间的共价结合，胞嘧啶由此被修饰为5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine， 5mC)。

大多数脊椎动物基因组DNA都有少量的甲基化胞嘧啶，主要集中在基因5′端的非编码区，并成簇存在。甲基化位点可随DNA的复制而遗传，因为DNA复制后，甲基化酶可将新合成的未甲基化的位点进行甲基化。

DNA的甲基化可引起基因的失活，DNA甲基化导致某些区域DNA构象变化，从而影响了蛋白质与DNA的相互作用，甲基化达到一定程度时会发生从常规的B-DNA向Z-DNA的过渡，由于Z-DNA结构收缩，螺旋加深，使许多蛋白质因子赖以结合的原件缩入大沟而不利于转录的起始，导致基因失活。

序列特异性甲基化结合蛋白(MBD/MeCP)可与启动子区的甲基化CpG岛结合，阻止转录因子与启动子作用，从而阻抑基因转录过程。

3 解惑——表观遗传学与现代遗传学的联系

经典遗传学认为，遗传信息储存于核酸序列中，并通过生殖将遗传信息传递给下一代。它所揭示的“基因型决定表型”的遗传模式被广泛认知。然而，不符合此模式的遗传现象却一直困扰着遗传学研究者。科学家发现了存在于DNA之外的且能够遗传给后代的生物学信息，这些可遗传的信息和DNA相互作用，共同决定生物的表型，这其中的秘密就是表观遗传学要研究的内容。

3.1 遗传学和表观遗传学有共同的理论基础 在整个生命过程中，遗传学信息提供了合成包括表观遗传学修饰在内的各种蛋白质的蓝图，而表观遗传学信息调控着适当的一组表达基因及其表达的程度，即表观遗传学信息提供何时、何地和怎样地应用遗传学信息的指令。在整个生命过程中，表观遗传学机制能对激素、生长因子等调节分子传递的环境信息在不改变DNA序列的情况下作出反应。

因此，只有两者彼此协同，生命过程才能按序正常进行，否则就会出现异常。由此可见，遗传学和表观遗传学系统既相区别、彼此影响，又相辅相成，共同确保细胞的正常功能。

3.2 表观遗传学是现代遗传学与环境作用的结果 表观遗传学是研究基因组DNA序列未发生变化，而基因表达及基因功能的诱导和维持却发生可遗传变化的科学。从现在的研究情况来看，这些变化主要集中在三大方面： DNA甲基化修饰、组蛋白修饰以及非编码RNA的调控作用。这三个方面各自影响特有的表观遗传学现象，而且它们还相互作用，共同决定复杂的生物学过程。因此，表观遗传学也可理解为环境和遗传相互作用的一门学科。

3.3 表观遗传学的研究对现代遗传学的意义 表观遗传学补充了“中心法则”忽略的两个问题： 即哪些因素决定了基因的正常转录和翻译，以及核酸并不是存储遗传信息的唯一载体；在分子水平上，表观遗传学解释了DNA序列所不能解释的诸多奇怪的现象。如同一对等位基因可因亲源性别不同而产生不同的基因印记疾病，疾病严重程度也可因亲源性别而异。可见，表观遗传学与现代遗传学一样，是生物生长、发育、遗传和进化等基本生物学过程不可缺少的组成部分。