高中生物新教材中表观遗传分子机制的教学建议

庄定国

摘   要：表观遗传加入新教材有其必要性，但表观遗传分子机制的陌生与繁难是一线教师需要面对的问题。通过建立基因启动子、染色质结构、反义基因等原教材已有知识与表观遗传分子机制的联系，通过简易物理模型制作与创建真实情境，可以使学生初步但全面的认识表观遗传的分子机制。

关键词：高中生物;表观遗传;分子机制;教学建议

对表观遗传分子机制的研究及成果是推动20世纪80年代后表观遗传学发展的真正动力。在此之前很多经典遗传学无法完美解释的问题都被简单的归为特例。DNA甲基化，染色体组蛋白修饰，非编码RNA作用等机制的发现和深入研究，使得这些现象得到合理的解释。随着表观遗传学的快速发展，研究者发现表观遗传现象广泛的存在于各种生命活动中，包括细胞的分化、癌变，个体的生长发育，生物的遗传和进化等等。表观遗传已经不再是特例，与生活健康领域，如包括癌症在内的很多疾病也关系密切。因而新教材引入表观遗传不仅是对生物学发展的顺应，也是学生个人素养发展的需求。

对表观遗传机制的学习不仅能使学生科学、客观地看待表观遗传现象，也能够与经典遗传学在基因表达的层次上获得统一。但表观遗传机制的内容陌生而繁难，要如何让学生初步但全面的认识表观遗传的分子机制？笔者将简述如何联系高中生物学所学内容，帮助学生解决知识的陌生带来的问题，并通过模型建构与真实情境化繁为简。

1  DNA甲基化与基因启动子

DNA甲基化是一种在真核与原核细胞中普遍存在的表观修饰，研究最早，成果也最多。在不同生物中，DNA甲基化的方式和作用都存在差异。哺乳动物与植物的DNA甲基化发生在胞嘧啶的5号C原子上，在DNA双螺旋的内侧，其中哺乳动物的DNA甲基化发生在CpG双核苷酸上[ 1 ]。

DNA甲基化通常被认为与基因表达的抑制有关，但是不能简单认为只要基因中含有甲基化的序列就不能表达。随着对DNA甲基化的研究越来越深入，发现甲基化普遍存在于DNA 中，例如人体基因组的CpG有70%以上处于甲基化状态[ 1 ]。甚至不能简单地说DNA甲基化程度越高，基因表达程度就越低。DNA甲基化对基因表达的作用与甲基化所在的基因结构区域有关，与甲基化程度有关，在不同物种间也存在差异。目前较为确定且易于高中学生学习的是脊椎动物CpG岛的甲基化。CpG岛指基因中CpG比例较高的序列，在许多脊椎动物基因的启动子区域含有CpG岛。在人体基因组中CpG岛一般处于非甲基化状态，但若该区域发生甲基化，则对基因表达有明确的抑制作用，例如X染色体失活现象、癌细胞中抑癌基因的失活都与高甲基化的CpG岛有关[ 2 ]。

启动子是位于基因上游的一段序列，是RNA聚合酶的结合位点。启动子在基因表达调控中有重要作用，与基因工程有联系，也与多种表观遗传机制有关。将脊椎动物启动子CpG岛的甲基化与基因表达抑制相联系，有利于学生对甲基化作用机制的初步了解。但是要注意，脊椎动物还有很多基因的启动子不含CpG岛，这些启动子高甲基化并不会抑制基因表达[ 3 ]。

2  組蛋白修饰与染色质结构

学生在《分子与细胞》中已经学习到染色质（或染色体）主要是由蛋白质与DNA构成，但是对两者的结合方式并不了解。构成真核细胞染色质的五类蛋白质均为碱性较强的蛋白质，称为组蛋白。这五类组蛋白分别为：H1、H2A、H2B、H3、H4。组蛋白修饰是另一种重要的表观修饰机制，但组蛋白修饰的种类多样，机制复杂，对高中学生来说难度较大。对组蛋白修饰的学习可以结合核小体结构和染色质重建，并通过简易物理模型制作活动来达成。

2.1  核小体结构

研究者去除染色质中的组蛋白H1后，在电子显微镜下观察到的串珠状染色质结构，被命名为核小体。核小体是DNA缠绕在由四种核心组蛋白（除H1外）构成的八聚体（核心颗粒）上构成，DNA在核心颗粒上缠绕约1.65次[ 4 ]。而组蛋白H1结合在核小体之间的连接子DNA上，被称为连接子组蛋白[ 4 ]。基因的启动子与组蛋白的结合方式影响基因表达：（1）启动子与核心颗粒结合导致无法转录;（2）启动子游离在核心颗粒之外，但启动子两侧与H1组蛋白交联导致无法转录;（3）启动子游离在核心颗粒之外且无H1交联则基因能够转录[ 4 ]。

2.2  染色质重建与组蛋白修饰

染色质重建仍无准确定义，可理解为通过多种方式移动核小体的过程，从而为转录因子打开或关闭启动子。核小体的移动涉及多种机制，这里讨论其中一种组蛋白修饰——乙酰化的作用。组蛋白乙酰化能够松弛核小体与基因调控区的结合，为染色质重建提高条件，通常有利于基因表达;而组蛋白去乙酰化使核心组蛋白与DNA结合紧密，不利于染色体重建，通常导致转录抑制[ 4 ]。

2.3  核小体简易物理模型制作

该简易模型不包含H1组蛋白在内，用以演示基因启动子与核小体的不同结合方式;核小体移动;模拟乙酰化与去乙酰化对染色质重塑的影响。

（1）主要材料：废弃的卷纸芯;带胶皮的铝线（图1a）。

（2）制作核心组蛋白和DNA双螺旋（示启动子）。

将卷纸芯切成两半，模拟核心组蛋白构成的八聚体（图1 b）。

将铝线胶皮环割一圈，向外拉扯一端，使银色铝线露出（图1 c）。

将两条铝线拧成双螺旋结构，模拟DNA双螺旋，露出的铝线表示启动子（图1 d）。

（3）模拟基因与核小体的不同结合方式

将双螺旋铝线缠绕在卷纸芯上，示启动子与核心颗粒结合（图2a）。

将双螺旋铝线缠绕在卷纸芯上，示启动子游离在核心颗粒外（图2b）。

滑动卷纸芯可在两个状态间切换。缠绕程度在1.65圈左右。

（4）模拟乙酰化对染色质重建的影响

在卷纸芯上贴上数条双面胶，将厚纸板剪成条状贴于双面胶两侧（图3 a，b）。其中厚纸板条模拟组蛋白乙酰化。将双螺旋铝线缠绕在乙酰化的核心颗粒上，此时核小体仍然能够自由滑动，表示乙酰化使DNA于核心组蛋白结合松弛（图3 c）。

去除卷纸芯上的厚纸板条，保留双面胶，模拟组蛋白去乙酰化。将双螺旋铝线缠绕再去乙酰化的核心颗粒上，核小体滑动困难，表示去乙酰化使DNA与核心组蛋白结合紧密（图3 d）。

（5）反思与改进

初次制作模型时所用铝线较粗，可塑性较强，但拧成双螺旋后硬度较大，十分不利于模拟核小体滑动，只能滚动。而双面胶对滚动几乎没有影响，难以体现去乙酰化对染色质重塑的阻碍。选择较细的铝线，或者用硬度较大的圆筒替代卷纸芯能够克服这个弊端。

3  非编码RNA与反义基因

非编码RNA指不能翻译蛋白质的RNA，分为看家非编码RNA和调控非编码RNA[ 5 ]。高中生物学教材所学的tRNA与rRNA就是看家非编码RNA。本文讨论的具有调控作用的非编码RNA包括siRNA、miRNA等，其中miRNA的作用较适合高中学生学习。

miRNA的作用原理与基因治疗中的反义基因存在联系。基因治疗是转基因技术的一种应用方式，是选择性必修的学习内容。反义基因能够合成一条与病变基因的mRNA互补的RNA，并形成RNA双链，最终导致mRNA被降解从而抑制病变基因的表达。miRNA是一种较短的单链RNA，也是通过与靶基因的mRNA互补来调控基因的翻译水平[ 6 ]。与反义基因不同的是，miRNA的对翻译的调控具有更大的灵活性：miRNA与靶mRNA结合度不同引起抑制翻译的能力也不同;结合程度越高，抑制作用越强;高度结合时引起mRNA降解，结合度低时只起抑制翻译的作用[ 6 ]。

对miRNA作用的学习可以通过创建基因治疗的真实情境，结合基因表达过程来完成。教师可以这样启发学生：为何转录只能以基因的一条链为模板？若某个基因的两条链都作为转录模板会发生什么？从而引导学生思考当细胞中存在两条互补或局部互补的RNA对基因表達的不利影响。同样要注意，不是所有调控非编码RNA都是通过结合mRNA来起作用，这种方式只能解释短期的表观遗传变化。siRNA等可以通过影响DNA甲基化或者组蛋白修饰来影响基因转录来起作用，并且能够形成长期的表观遗传变化，包括miRNA也存在类似的机制[ 5 ]。

4  小结·

新教材引入表观遗传有其必要性，而对表观遗传的学习离不开对其分子机制的学习。主要的表观修饰有DNA甲基化，组蛋白修饰，非编码RNA调控三类，对高中学生来讲大都陌生且繁难。在高中生物教学中可以通过建立基因表达过程与其他相关知识的联系，如启动子、染色质结构、反义基因等来帮助学生解决知识的陌生带来的困难。而通过简易物理模型制作，联系真实情境则可以化繁为简。教学时还要注意不能把学习简单化，在帮助学生初步了解表观遗传的分子机制同时也要给学生一个较为全面的认识，让学生意识到表观遗传的规律性和复杂性并存。

参考文献：

[1]凡时财，张学工.DNA甲基化的生物信息学研究进展[J].生物化学与生物物理进展，2009，36（02）：143-150.

[2]张文婷，姚玉峰.细菌DNA甲基化研究进展[J].生物化学与生物物理进展，2018，45（10）：1026-1038.

[3]王瑞娴，徐建红.基因组DNA甲基化及组蛋白甲基化[J].遗传，2014，36（03）：191-199.

[4]Weaver，R.F.分子生物学[M].郑用琏，马纪，李玉花，等译.北京：科学出版社，2013：362，361，371，377.

[5] 于红.表观遗传学：生物细胞非编码RNA调控的研究进展[J].遗传，2009，31（11）：1077-1086.

[6] 陈芳，殷勤伟.调控基因表达的miRNA[J].科学通报，2005（13）：1289-1299.