高中生物：高中生物学中的表观遗传学

高中生物学中的表观遗传学

1900年，孟德尔规律的再发现诞生了经典遗传学，其影响之

广泛、传播之迅速不亚于进化学说的提出。此后10年，大量遗传

学数据相继发表，孟德尔的拥冤者与反对者各执其词。结束上述

争论的是摩尔根及其同事的果蝇杂交实验，随后，染色体遗传学

说的提出标志着经典遗传学的兴起。

20世纪60年代，随着对基因本质的阐明和中心法则的扩充和

完善，“基因如何控制性状”这一核心问题仿佛已然被解决。然而，

近年来越来越多的证据表明，除去基因（碱基排序）之外，还存

在一系列复杂和精细的调控机制，共同决定着性状的形成。科学

家将后者称为表观遗传学（Epigenetics）,区别于以基因为核心

的经典遗传学。

21世纪的表观遗传学崭新且富有活力，已经成为遗传学领域

中不可或缺的组成。为了紧跟科学前沿，2019年版人教版《必修

2•遗传与进化》中增加了表观遗传概念，旨在帮助学生更深入地

理解基因表达与性状的关系。那么，在高中生物教学过程中，教

师如何在学生所熟悉的（经典遗传）概念体系中引入新的表观遗

传概念呢？对于前者而言，后者是挑战还是完善呢？在讨论上述

问题之前，先来看教科书中提供的两个“令人困惑”的遗传现象。

1小鼠毛色杂交实验

教材案例1：纯合黄色小鼠（AvyAvy）与纯合黑色小鼠（aa）

杂交，F1代没有表现出黄色，反而呈现出介于黄、黑色的一系列

不难想象，上述现象曾给遗传学家们带来过怎样的困扰。自

然界中类似的现象比比皆是，就连摩尔根都曾因为小鼠体色的遗

传问题对孟德尔规律产生过怀疑。遗传学家们将这种F1代“融合”

了双亲性状的现象统称为“不完全显性”。在表观遗传概念建立之

前，人们无法解释上述现象的内在机制。

1999年，EmmaWhitelaw等通过对上述案例的分析，终于揭

开了表观遗传机制的冰山一角。此前，科学家们已经知道小鼠毛

色的深浅主要由Avy基因所决定。当Avy基因正常表达时，小鼠

毛色呈现黄色，反之则为黑色。Emma等检测了不同毛色的F1小

鼠，发现Avy基因的表达水平越高，其毛色越接近黄色亲本。科

学家所面临的关键问题是：为何基因型相同（Avya）的F1小鼠

会产生不同的毛色性状？决定Avy基因差异表达的因素是什么？

首先，F1小鼠均处于相同的培养条件下，因此环境因素被排除；

再者，测序结果显示不同Fl小鼠的Avy基因完全一致，并无基

因突变发生。难道除了基因和环境外，还存在其他调控基因表达

的机制么？答案是肯定的。早在20世纪80年代，科学家们在体

外相关实验中就已经证实，哺乳动物细胞中的DNA甲基化水平

会影响基因的转录水平，且两者呈负相关。

DNA甲基化是最早被鉴定出来的表观遗传学修饰。实际上,

组成DNA的四种碱基中，只有部分胞喀咤(C)能被甲基化，具

体表现为在胞喀咤的5,碳位上共价结合了一个甲基基团。这种看

似微小的碱基修饰，虽然没有改变碱基排序，但的确影响着基因

的表达。依据体外实验的结果，科学家曾提出过一种模型来解释

DNA甲基化的作用机制。如图1所示，当启动子区域的甲基化程

度较高时，基因则处于“关闭”状态。形象点说，导致小车无法前

行的因素可能仅仅只是路边的“指示牌”。

转录复合体

正常转录

|乩向|邺驱||

o▼泮够化H录受拂制

无法已疗

在环境和基因都一致的前提下，科学家们检测了F1小鼠的甲

基化水平。如其所愿，不同F1小鼠的甲基化水平呈现出差异。确

切来说，是Avy基因上游调控序列的甲基化水平不同，间接影响

了Avy基因的表达。调控序列的甲基化程度越低，Avy基因的表

达量越高，小鼠毛色越黄。该结果证实了DNA甲基化在小鼠体

内也发挥着（与体外）类似的调控作用，拓展了人们对“基因控制

性状”的认知。这意味着在基因（碱基序列）不变的前提下，表观

遗传也能导致性状的改变。上述观念的更迭，从新教材的改进中

可见一斑：必修2中第四章第二节的标题从“基因对性状的控制”

变为“基因表达与性状的关系”。

2毛色相间的猫

教材案例2：某种猫的毛色由X染色体上的基因所决定，雄

猫有2种表现型：黄色（XOY）、黑色（XBY）,而雌猫除了黄

色（XOXO）、黑色（XBXB）以外，还有一种表现为黑黄相间

（XOXB）的毛色。

案例1中的DNA甲基化是基因层面上的表观遗传修饰。而

科学家通过对染色体变异的研究，得出结论：正确的染色体数是

保证正常性状的基础。一旦染色体数目发生改变，其所携带基因

的拷贝数必然发生变化，进而影响后续的表达。例如，21号三体

综合征的患者体内并没有相关致病基因，其发病原因为“多余”的

21号染色体上基因过量（异常）表达。然而，生命科学的魅力就

在于那些容易让人忽略的例外中——“女性有两条X染色体，而

男性只有一条，如何保证X染色体上的基因正确表达呢？”上述

问题的答案就蕴藏在对案例2的研究之中。

与其他哺乳动物一样，猫的毛色受毛囊中的黑色素细胞所影

响，具体而言，受该细胞中X染色体上色素合成相关基因所决定。

首先，科学家们检测了黄色雄猫（XOY）和雌猫（XOXO）中色

素基因的表达情况，结果显示X0基因的表达水平在两者中一致。

这意味着，尽管染色体数目不同，但X染色体上的基因表达水平

在两性中基本相同。这一现象被称为剂量补偿，英国遗传学家玛

丽•里昂曾在20世纪60年代对剂量补偿的作用机制提出如下假说:

雌性个体携带2条X染色体，但在发育早期（胚胎时期）会随机

失活一条。

案例2的研究者即将为上述假说提供有力的证据。为什么雌

猫（XOXB）会呈现黑黄相间的“共显性”表型呢？科学家们发现，

在早期发育过程中，胚胎细胞的确发生了染色体失活的现象。简

单来说，基因型相同的多个胚胎细胞（XOXB）,在经历染色体

的随机失活后变成XO细胞或XB细胞（另一条染色体上的基全

部失活）。随着细胞分化，XO或XB黑色素细胞相间分布，因此

表达出黑黄相间的表型。

X染色体失活是一个完美的表观遗传案例。事实上，XO与

XB黑色素细胞的基因完全相同（均为XOXB）,但两者所表达

的性状却截然相反。X染色体失活的原理尚不明确，但肯定离不

开一个名为Xist的基因的作用。该基因的转录产物XistRNA参

与染色体中组蛋白的表观遗传修饰。在失活过程中，激活基因的

组蛋白修饰被逐一除去，取而代之的是关闭基因的组蛋白修饰。

案例2进一步说明了这种抑制性的表观修饰是永久性的，即使胚

胎细胞已分裂分化成黑色素细胞。

尽管近年来表观遗传领域大放异彩，但是毋庸置疑的是，科

学家们在20世纪所构建的经典遗传概念体系依然起着基石的作

用。无论是在生命科学史或高中生物教学中，表观遗传