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)據相繼發(fā)表，孟德爾的擁冤者與反對者各執(zhí)其詞。結束上述

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

說的提出標志著經典遺傳學的興起。

20世紀60年代，隨著對基因本質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控機制，共同決定著性狀的形成。科學

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

的經典遺傳學。

21世紀的表觀遺傳學嶄新且富有活力，已經成為遺傳學領域

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證實，哺乳動物細胞中的DNA甲基化水平

會影響基因的轉錄水平，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。依據體外實驗的結果，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”。

轉錄復合體

正常轉錄

|乩向|鄴驅||

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基因上游調控序列的甲基化水平不同，間接影響

了Avy基因的表達。調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。該結果證實了DNA甲基化在小鼠體

內也發(fā)揮著（與體外）類似的調控作用，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“基因對性狀的控制”

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甲基化是基因層面上的表觀遺傳修飾。而

科學家通過對染色體變異的研究，得出結論：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。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。該基因的轉錄產物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