备课素材：表观遗传、印迹基因和甲基化-高一下学期生物人教版必修2.docx

表观遗传、印迹基因和甲基化作为基因组以外的世界，印记基因喜欢成群结队聚集在一起。随着日渐衰老，表观遗传信息的状态只会变得越来越糟，必须要找出一种特定的方法，来逆转和减缓DNA甲基化时钟的前行；表观遗传关于表观遗传的知识，可能大家会有这样的疑问：什么是表观遗传？为什么会被称为是“基因组以外的世界”？先看看下面这些具体案例：1.果蝇的“花眼睛”，即位置效应花斑。果蝇的白眼基因离着丝点较远，由于染色体发生倒位，使白眼基因的位置靠近着丝点，着丝点区域的高度凝集，基因很少表达，白眼基因由于靠近着丝点而使表达受到影响。2.果蝇后腿多余的性器官。即多梳基因沉默。3.雌性哺乳动物动物的两条X染色体中有一条X染色体会失活。即剂量补偿效应。4.同卵双胞胎拥有完全相同的基因，但在成长过程中，在外表和性格上或多或少都会有所差别。即不同环境形成了不同的表观遗传信息。5.体细胞克隆技术中，克隆后代与核供体相差较大，很多时候有一些严重的疾病。这与基因印记有关。6.蜂王和工蜂拥有相同的基因，只有食用蜂王浆的那个成为“女王”，其他则沦为了“仆人”。7.人体存在200多种细胞，它们都是由一个受精卵分化发育而来的，具有相同的基因，在细胞分化过程中却走上了不同的道路。即多细胞生物的细胞命运决定。为什么呢？我们的基因都是来自于父母的遗传，但是表观遗传指的是即使拥有的基因相同，但是表现出来的效果有可能是不一样的。这就是表观遗传，是指DNA的基因序列不发生变化，但基因表达却发生了可遗传的改变。这种改变是细胞内除了遗传信息以外的其他可遗传物质发生的改变，且这种改变在发育和细胞增殖过程中能稳定传递。打个比方来讲，基因组序列就像是一块蛋糕，它决定了它的存在注定是一个蛋糕，而各类表观现象就好比蛋糕上的裱花或是镶嵌在其中的水果。越来越多的研究表明，这种更为精细的修饰相当重要，错误的表观修饰可能会导致疾病的发生，甚至死亡。倘若用发霉的水果去装裱蛋糕，那蛋糕也就遭殃。案例说明：科学家曾经做过一个实验，将小鼠受精卵中的雌原核抽出之后，再注入另外一个雄原核，这就相当于这个受精卵当中没有雌原核，却同时拥有两个雄原核，实验的结果是这个受精卵不能正常发育，胚胎最终死亡了。实验结果表明：单雄生殖实验失败。当然，单雌生殖实验同样也是失败告终。但是，把受精卵中的雌原核和雄原核都抽出，然后再注入另外一个雌原核和一个雄原核，结果胚胎能够健康地存活，并且可以正常发育成小鼠，活蹦乱跳的小鼠告诉我们一个简单的道理：胚胎正常发育同时需要有一个父亲，也需要有一个母亲。雄源基因组与雌源基因组结合在一起才可以产生胚胎发育所需的信息物质。表观遗传的影响母性影响是受核基因的控制，核基因产物在雌配子中积累，使后代的性状表现为母亲的性状，就是母性影响，如锥实螺外壳旋转方向是由核基因控制的。母系遗传是位于细胞质中的基因引起的。雄配子没有细胞质，只有雌配子有，雌雄配子结合产生的后代，细胞质都是来自于母体亲本，因此细胞质基因（如线粒体和叶绿体基因，都是存在于母体亲本的）所控制的性状总是来自于他的母亲，这就叫母系遗传。经研究发现，发现饮食习惯与生活习惯，对基因影响极大；而且改变的部份在未来生育时，更有机会遗传到下一代，甚至于祖宗八代的饮食和生活习惯，也有可能影响后代的基因，其中例子如东方传统食物大豆含有甲基成份，也会因表观遗传下让成份遗传到下一代而导致痴肥的现象。在自然界中的动、植物都需要由卵子受精后发育这一过程实现繁殖后代，但是为什么就不能同时拥有两个基因组呢？因为父亲和母亲提供的基因组不是完全等价的，其中涉及到一个经典的表观遗传学现象基因印记。印记基因印记就好比是一个标签，明确地标注了出产地。之所以会有印记基因，完全是因为可以确定基因是来自母亲一方的还是来自父亲一方的。今天，我们已经在人类找到了至少230个印记基因，在小鼠找到了至少260个，其中有60-70个是在小鼠和人都是印记基因。此外，研究者们还积极地探索了其他物种包括大鼠、针鼹、羊、猪、兔、鸭嘴兽、沙袋鼠、负鼠、猕猴(macaca mulatta)、狗、牛，甚至鱼类、鸡（鸟类）和植物的印记基因，（但有时候我们并不会把除哺乳动物之外的印记现象称作基因组印记也就像我们对昆虫的印记现象的认识那样，这或许是因为各类群的基因组之间的印记效应的调节机制有所差异。）在我们获知了大量的实例以后，我们对印记基因的知识就有了长足的进步。我们发现：印记基因是通过顺式作用的方式调控的。所谓“顺式”(cis-)的作用，就是同一条DNA上的序列能调节其他地方的基因表达，依靠这个方法，印记的作用范围才被局限在一条染色体内。由于发挥顺式作用的基本上都是DNA序列，所以我们习惯称之为“顺式作用元件”(cis-acting element)。与此相对应地还有一个“反式”(trans-)的作用，就是依靠各种蛋白质与DNA或RNA结合来实现对基因表达的调控作用，发挥反式作用的通常是蛋白质，所以它们被称作“反式作用因子”(trans-acting factor)。大多数印记基因都聚集在一起（例如下文的“Kcnq1-Igf2基因簇”示意图），即所谓的“成簇”存在。（如果你能发现一个新的基因簇，或者一个新的差异甲基化区域(DMR/ICR/ICE)，那么你可能可以在其周围新发现几个甚至十几个新的印记基因这还是为什么印记基因发现得这么快。）有时候我们会说这样的基因是“典型的印记基因”。还有一些印记基因可能并不成簇存在，或者并非仅在一条染色体上表达（在母源染色体上高表达，在父源染色体上低表达），或者仅仅在癌细胞中才出现印记的表达特性（正如上表中所展示的一些实例那样），被我们看作“非典型的印记基因”。甚至还有比这更离奇的，比如视网膜母细胞瘤基因(retinoblastoma, RB)并不是一个印记基因，但是它的传递具有父母源性偏好效应，携带父源性的RB基因突变会导致更加易发的肿瘤，这种现象可能跟Htr2a的印记效应相关。这些案例提示我们，必须充分认识到印记基因的复杂性。所有的印记基因簇都包含至少一个转录产物是非编码RNA的基因。超过半数印记基因（对人类来说）仅在胎盘中是印记基因，而在其他时期似乎没有印记。功能多数与胚胎（胎儿）发育、胚胎（胎儿）-母亲相互作用（胎儿基因表达影响母亲行为）等密切相关。人类Kcnq1-Igf2基因簇，足有100万个碱基那么长。（图注：虽然我们将它们合并称呼并放在一个图中，但那仅是因为它们距离比较近，而它们似乎具有各自独立的调控机制。（左边是靠近着丝粒的那一边。）图中绿色表示表达特异性未知的基因（没有证实）；红色表示母源特异性表达基因；蓝色表示父源特异性表达基因；黑色表示双亲表达的基因。举例说明：天使综合征和小胖威利综合征患者中，“相当于没有”的基因不是同一个，事实上这两种疾病都是来自于同一个遗传家系，这两种病人拥有同样的遗传缺陷。造成这种遗传家系疾病的主要原因是通过遗传，比如外祖父有小胖威利综合征或者天使综合征，妈妈并没有发病，妈妈只能当作是一个携带者，但是在外孙女的身上又有其中一种疾病，这是一个典型的遗传家系疾病案例。一般情况下，一个遗传家系里只会遗传其中有一种病，同时遗传两种疾病是极其罕见的。小胖威利综合征和天使综合征这两种遗传家系的疾病是两种完全不相同的病，但是拥有的DNA的损伤却完全是一样的，虽然病症不一样，然而都是通过遗传这一途径造成病因的。因为有的印记基因来自母体、有的来自父体，而造成的结果却有可能是不一样的。同样是缺少了一段DNA片段，但是造成的疾病却会是不同的，例如小胖威利综合征病人缺损的那段一段DNA来自父体，而天使综合征病人缺损的的那一段DNA来自母体，假如缺失的那一段DNA片段恰好覆盖了某一个印记基因的群，那么印记基因就会表达出不一样的结果。正如前面所说的，有些印记基因只有来自于母体才会有表达，而有些印记基因只有来自父体才会有表达。以天使综合征为例子，如果来自父体的DNA是缺失的，但是来自母体的DNA是完好无损的，但其中一个印记基因只有来自父体的才能表达，来自母体的DNA虽然很健康，但这个DNA根本没有发生表达、也不工作，这个基因就被隐藏了起来，就好像不存在一样，所以天使综合征就会通过印记基因遗传浮现出来。还有另外一种情况就是，假如基因缺损来自母体，而父体的基因是正常的，只有母体基因才表达，而父体基因是不表达的。在小胖威利综合征患者中，缺失的基因往往是来源于母体，虽然有父体的完好基因，但是父体基因被隐藏起来了，根本发挥不了作用。DNA甲基化会导致识别它的蛋白质出现以下其中一种情况：有些蛋白质会选择性地识别甲基化的胞嘧啶；有些蛋白质会选择性地排斥甲基化的胞嘧啶；一旦蛋白质出现了其中一种情况，说明有甲基化的拷贝和没有甲基化的拷贝都会与蛋白质结合。不同拷贝的蛋白质结合，造成的结果也是截然不同的，要么有基因表达，要么基因没有表达。正常情况下，有甲基化的基因是不表达的，没有甲基化的基因活跃表达。甲基化会调控基因，印记基因之所以能够知道自己来自父体还是来自母体，这是因为它们拥有亲本差异性的DNA甲基化。简而言之，在成年人体的细胞里面，来自父体的印记基因和来自母体的印记基因甲基化的情况是不一样的，因为精子和卵子产生时建立的DNA甲基化谱就已经有显著的差异了，所以精子和卵子的DNA甲基化组状态会不一样。由于在建立 DNA甲基化谱时，精子和卵子就已经出现了差异，而且有差异的那些部分能够在细胞分裂的过程中得到拷贝，因此细胞分裂、DNA复制以后，原来甲基化的那些还会被甲基化，没有甲基化的那些仍然不被甲基化。这样一来细胞就会不停地复制，甲基化的信息会一直维持下去。即便我们成年了，一些细胞仍然知道自己是来自父体的或者是母体的，因为基因上的DNA甲基化组状态是与精子或者卵子所携带的基因组状态是完全一致的，这就是分子机制识别差异的主要原理。印记基因可以拷贝DNA甲基化的谱，但是不能永远持续拷贝，人体淋巴细胞作为染色体的一部分，其中的T细胞可以反映出印记基因甲基化的情况。黄色代表的是印记基因高度甲基化了，蓝色代表的是印记基因低度甲基化了。下面展示的图片可以清楚看到印记基因甲基化的三种情况：第1种情况是新生婴儿的T细胞的染色体呈现一片黄色，说明婴儿在生下来的时候印记基因高度甲基化了。第2种情况是103岁老人的T细胞某些特定的位置出现了选择性的去甲基化，所以染色体呈现出蓝色。第3种情况是来自于淋巴肿瘤患者的T细胞，出现了选择性的DNA甲基化的丢失，所以染色体也会呈现出蓝色。“失之毫厘，谬以千里”，我们的祖先很早就已经明白了这个道理，细胞在分裂一次就损失一点，分裂的次数多了，就会损失很多。这就好比我们转发图片，当一张图片转发了很多次之后，虽然每张图片看起来基本都差不多，但是对比转发的图片清晰度，就会很容易发现转发了很多次的图片都已失真了。随着我们的年龄增长，表观遗传信息的状态只会越来越糟糕，这是我们无法逃避的事实，因为DNA甲基化的拷贝并不会一直照单全收精确地拷贝下去。DNA甲基化这个现象是生物学未来几年研究的重点对象，虽然目前并没有特定的办法去逆转或减缓DNA甲基化时钟，假如找到了一种能够干预它的方法，就能改变DNA甲基化前进的脚步。学科网（北京）股份有限公司