情境 07 表观遗传 经典遗传学（genetics）是指由于基因序列改变（如基因突变等）所引起的基因功能的变化，从 而导致表型发生可遗传的改变；而表观遗传学（epigenetics）则是指在基因的 DNA 序列没有发生改 变的情况下，基因功能发生了可遗传的变化，并最终导致了表型的变化。 一直以来人们都认为基因组 DNA 决定着生物体的全部表型，但逐渐发现有些现象无法用经典遗 传学理论解释，比如基因完全相同的同卵双生双胞胎在同样的环境中长大后，他们在性格、健康等方 面会有较大的差异。这说明在 DNA 序列没有发生变化的情况下，生物体的一些表型却发生了改变 。 因此，科学家们又提出表观遗传学的概念，它是在研究与经典遗传学不相符的许多生命现象过程中逐 步发展起来的一门前沿学科，它是与经典遗传学相对应的概念。现在人们认为，基因组含有两类遗传 信息，一类是传统意义上的遗传信息，即基因组 DNA 序列所提供的遗传信息，另一类则是表观遗传 学信息，即基因组 DNA 的修饰，它提供了何时、何地、以何种方式去应用 DNA 遗传信息的指令。 表观遗传学特点： 1.可遗传，即这类改变通过有丝分裂或减数分裂，能在细胞或个体世代间遗传。 2.可逆性的基因表达。 3.没有 DNA 序列的改变或不能用 DNA 序列变化来解释。 表观遗传学调节机制 1. DNA 修饰 DNA 甲基化是目前研究最充分的表观遗传修饰形式。正常的甲基化对于维持细胞的生长及代 谢等是必需的，而异常的 DNA 甲基化则会引发疾病（如肿瘤），因为异常的甲基化一方面可能使抑 癌基因无法转录，另一方面也会导致基因组不稳定。因此，研究 DNA 甲基化对于了解生物生长发育 及疾病治疗是非常有帮助的。DNA 修饰是指 DNA 共价结合一个修饰基团，使具有相同序列的等位基 因处于不同修饰状态。 2. 组蛋白修饰 真核生物 DNA 被组蛋白组成的核小体紧密包绕，组蛋白上的许多位点都可以被修饰，尤其是赖氨酸。 组蛋白修饰可影响组蛋白与 DNA 双链的亲和性，从而改变染色质的疏松和凝集状态，进而影响转录因子 等调节蛋白与染色质的结合，影响基因表达。 3.非编码 RNA 调控 非编码 RNA 指不能翻译为蛋白质的，具有调控作用的功能性 RNA 分子，在调控基因表达过程中发挥 着很大的作用。非编码 RNA 调控是通过某些机制实现对基因转录的调控，如 RNA 干扰。 在生物学的经典“中心法则”中，染色体 DNA 被转录成 RNA，随后细胞再将 RNA 翻译为蛋白质。然而 近年来，科学家们发现并非所有的转录 RNA 分子都会翻译为蛋白质。事实上，研究证实大部分基因组转 录生成的 RNA，执行的是充当蛋白质蓝图之外的其他任务。2010 年，Shiekhattar 实验室首次在《细胞》 （Cell）杂志上发布了关于这些 ncRNA 增强子分子的研究发现，确定了它们的作用是充当基因表达的“增 强子”。自那时起，全世界多个实验室证实并公布 ncRNAs 不仅是转录增强子，还与包括某些癌症在内的疾 病相关联。 4.染色质重塑 染色质重塑复合物置换组蛋白变异体的模式图 ATP 依赖染色质重塑活性改变核小体 DNA 可接近性的模式图 染色质重塑是由染色质重塑复合物介导的一系列以染色质上核小体变化为基本特征的生物学过程，是 一个重要的表观遗传学机制。 5.核小体定位 核小体是由 DNA 和组蛋白形成的染色质基本结构单位。每个核小体由 146bp 的 DNA 缠绕组蛋白八 聚体 1.75 圈形成。核小体是基因转录的障碍，被组蛋白紧密缠绕的 DNA 是无法与众多转录因子以及活化 因子结合的。因此，核小体在基因组位置的改变对于调控基因表达有着重要影响。随着 DNA 复制、重组、 修复以及转录控制等生命活动的开展，染色质上的核小体定位一直处于动态变化之中，这种不断的变化需 要一系列染色质重塑复合体的作用。 经典例题： 答案（1）细胞分化 （2）见下图 基因选择性表达和表观遗传共同作用 （3）染色体的 DNA 序列 （4）疾病是环境因素持续作用下，表观修饰弹性被耗尽的结果 （5）有，环境变化可引起基因的表观修饰，这种变异有可能遗传 （或“没有，环境变化若未引起基因的表观修饰，这种变异不遗传”） 阅读资料，回答问题 基因与环境的“共舞” 生物体的细胞中有一本生命之书——基因组。人的生命源于一个受精卵，初始的全能或多能细胞 中的 DNA，在转录因子的协同作用下被激活或抑制，让细胞走向不同的“命运”，最终在细胞中表达 “一套特定组合”的基因。 生命处于不断变化的环境中，亿万年的进化让生命之书中蕴藏了应对环境变化的强大潜力。细胞 中基因的表达始于染色质的解螺旋，各种转录因子结合到 DNA 上，启动表达。研究发现，这些过程 中都存在着调控，这种调控不改变 DNA 序列，但会对基因进行修饰，从而引起基因表达的变化及表 型改变，并且有的改变是可遗传的，即表观遗传。例如 DNA 上结合一个甲基基团（甲基化），能引 起染色质结构、DNA 构象的改变，从而改变基因表达。表观遗传提供了基因何时、何处、合成何种 RNA 及蛋白的指令，从而更精确地控制着基因表达。 表观遗传是个体适应外界环境的机制，在环境变化时，生物可以通过重编程消除原有的表观遗传 标记，产生适应新环境的表观遗传标记，这样既适应了环境变化，也避免了 DNA 反复突变造成的染 色体不稳定与遗传信息紊乱。 表观遗传与人的发育和疾病密不可分。胚胎发育早期，建立与子宫内环境相适应的表观遗传修饰 是胚胎发育过程的核心任务。母体的饮食、供氧、感染、吸烟等与后代的高血压、II 型糖尿病等疾病 密切相关。表观遗传改变增加了患有特定疾病的风险，但人体可在相当程度上忍受这些改变而不发病， 经历十几年或者几十年的持续压力，表观修饰的弹性被耗尽，细胞或者组织再也无法正常行使功能， 从而产生疾病。 现代进化理论认为生物进化是种群基因频率的改变，现代分子遗传学则认为基因型决定生物个体 的表型。然而，表观遗传学的研究表明，遗传并不是那么简单，表观遗传对遗传观的冲击，也使进化 观的讨论更加复杂。 生命本质上是物质、能量和信息的统一体，基因与环境的“共舞”，才会奏响生命与环境相适应、 协同进化的美妙“乐章”。 （1）全能或多能细胞走向不同“命运”的过程可以称为________________，依据本文，这一过程是_____ _______和_____________共同作用的结果。 （2）遗传学家提出中心法则，概括了自然界生物的遗传信息传递过程。请在方框内绘出已概括的中 心法则图。___________________________ （3）基因突变和基因重组不属于表观遗传，其原因是基因突变和基因重组使______________________ ____发生了改变。 （4）人们用“病来如山倒”形容疾病的发生比较突然。请结合文中内容，用 30 字内的一句话，作为反 驳这种观点的内容：__________。 【答案】分化 基因选择性表达 色体的 DNA 序列 表观遗传 染 疾病是在环境因素持续作用下，表观修饰弹性被耗尽的结果 【分析】 1957 年，克里克提出中心法则：（1）遗传信息可以从 DNA 流向 DNA，即 DNA 的复制；（2）遗传信 息可以从 DNA 流向 RNA，进而流向蛋白质，即遗传信息的转录和翻译。后来中心法则又补充了遗传信息 从 RNA 流向 RNA 以及从 RNA 流向 DNA 两条途径。 【详解】 （1）文中所讲的全能或多能细胞走向不同“命运”的过程是基因选择性表达的结果，称为细胞分化。依据本 文论点可知，这一过程是基因选择性表达和表观遗传共同作用的结果。 （2）由题文分析可知，遗传学家提出的中心法则概括了自然界生物的遗传信息的传递过程。细胞生物以 及 DNA 病毒可进行转录、翻译以及 DNA 的自我复制，某些 RNA 病毒可进行 RNA 复制和翻译，某些 RNA 病毒可进行逆转录等，故遗传信息的传递过程可表示如下： 。 （3）题意显示，表观遗传是个体适应外界环境的机制，在环境变化时，生物可以通过重编程消除原有的 表观遗传标记，产生适应新环境的表观遗传标记，这样既适应了环境变化，也避免了 DNA 反复突变造成 染色体不稳定与遗传信息紊乱，即表观遗传是一种遗传修饰，而遗传物质并未改变，而基因突变和基因重 组使染色体的 DNA 序列发生了改变，即基因突变和基因重组不属于表观遗传。 （4）题意显示，表观遗传增加了患有特定疾病的风险，但人体可以在相当程度上忍受这些改变而不发病， 经历十几或者几十年的持续压力，表观修饰的弹性被耗尽，细胞或组织再也无法正常行使功能，从而产生 疾病，简言之，患病是因为在环境因素持续作用下，表观修饰弹性被耗尽的结果，因此用“病来如山倒”形 容疾病的发生是不合适的。 CDK1 是推动细胞由分裂间期进入分裂期的关键蛋白。在 DNA 复制开始后，CDK1 发生磷酸化导致其活 性被抑制，当细胞中的 DNA 复制完成且物质准备充分后，磷酸化的 CDK1 发生去磷酸化而被激活，使细 胞进入分裂期。大麦黄矮病毒（BYDV)的 M 蛋白通过影响细胞中 CDK1 的磷酸化水平而使农作物患病。 正常细胞和感染 BYDV 的细胞中 CDK1 的磷酸化水平变化如右图所示。下列说法错误的是（ ） A.正常细胞中 DNA 复制未完成时， 磷酸化的 CDK1 的去磷酸化过程受到 抑制 B.正常细胞中磷酸化的 CDK1 发生去磷酸化后，染色质螺旋化形成染色体 C.感染 BYDV 的细胞中，M 蛋白通过促进 CDK1 的磷酸化而影响细胞周期 D.M 蛋白发挥作用后，感染 BYDV 的细胞被阻滞在分裂间期 答案：C