表观遗传学

表观遗传学
表观遗传学是与遗传学相对应的概念。

遗传学是指基于基因序列改变所致基因表达水平的变化；而表观遗传学则是指基于非基因序列改变所致基因表达水平的变化，表观遗传的现象很多，已知的有DNA甲基化、染色质重塑、基因组印记、X染色体失活、非编码RNA等。

一、DNA甲基化
DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶的作用下，在基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶5'碳位共价键结合一个甲基基团。

DNA甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则诱导了基因的重新活化和表达。

DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。

由于DNA甲基化与人类发育和肿瘤疾病的密切关系，特别是CpG岛甲基化所致抑癌基因转录失活问题，DNA甲基化已经成为表观遗传学的重要研究内容。

例题
1.（17分）
表观遗传是指DNA序列不改变，而基因的表达发生可遗传的改变。

DNA甲基化是表观遗传中最常见的现象之一。

某些基因在启动子上存在富含双核苷酸“CG”的区域，称为“CG 岛”。

其中的胞嘧啶在发生甲基化后转变成5-甲基胞嘧啶但仍能与鸟嘌呤互补配对。

细胞中存在两种DNA甲基化酶（如图1所示），从头甲基化酶只作用于非甲基化的DNA，使其半甲基化；维持甲基化酶只作用于DNA的半甲基化位点，使其全甲基化。

（1）由上述材料可知，DNA甲基化（选填“会”或“不会”）改变基因转录产物的碱基序列。

（2）由于图2中过程①的方式是，所以其产物都是甲基化的，因此过程②必须经过的催化才能获得与亲代分子相同的甲基化状态。

（3）研究发现，启动子中“CG岛”的甲基化会影响相关蛋白质与启动子的结合，从而抑制_________。

（4）小鼠的A基因编码胰岛素生长因子-2（IGF-2），a基因无此功能（A、a位于常染色体上）。

IGF-2是小鼠正常发育必需的一种蛋白质，缺乏时小鼠个体矮小。

在小鼠胚胎中，来自父本的A及其等位基因能够表达，来自母本的则不能表达。

检测发现，这对基因的启动子
在精子中是非甲基化的，在卵细胞中则是甲基化的。

若纯合矮小雌鼠与纯合正常雄鼠杂交，则F1的表现型应为。

F1雌雄个体间随机交配，则F2的表现型及其比例应为。

结合F1配子中A及其等位基因启动子的甲基化状态，分析F2出现这种比例的原因是。

（5）5-氮杂胞苷（AZA）常用于临床上治疗DNA甲基化引起的疾病。

推测AZA可能的作用机制之一是：AZA在_______过程中掺入DNA分子，导致与DNA结合的甲基化酶活性降低，从而降低DNA的甲基化程度。

另一种可能的机制是：AZA与“CG岛”中的________竞争甲基化酶，从而降低DNA的甲基化程度。

【答案】（17分）
（1）不会
（2）半保留复制半维持甲基化酶
（3）基因的表达
（4）全部正常正常:矮小=1:1
卵细胞中的A及其等位基因由于启动子甲基化而不表达，精子中的A及其等位基因由于启动子非甲基化而表达；并且含A的精子:含a的精子=1:1
2.脆性X染色体综合征是人类的遗传性疾病，患者常常表现为智力低下。

该病是由于患者X 染色体上的F基因表达异常，导致减数分裂的过程中染色体形成一个极易断裂的脆性部位。

科研人员对该病的致病机理进行了研究。

（1）科研人员调查得到脆性X染色体综合征的家系图，如下图1所示。

（1）据图判断，该病是_______________性遗传病，_______________（填“符合”或“不符合”）伴X染色体遗传的特点。

（2）研究发现，F基因的启动子区域存在（CGG）n三核苷酸片段重复，正常基因（F）、前突变基因（F′）和全突变基因（f）的差异如图2所示。

据图分析，F基因启动子区域中发生了___________________________________，导致F
基因成为不能_______________的f基因。

若以F基因（CGG）n重复序列两端的核苷酸序列设计引物进行扩增时，只能成功扩增重复数小于80次的序列，则PCR方法难以区分的女性个体的基因型是_____________________________________________。

（3）进一步研究发现，女性个体在卵细胞形成过程中，F′基因的（CGG）n重复次数会显著增加，而男性个体形成精子过程中则不会发生这种情况。

据此分析，图1的家系中Ⅲ-3生育时，会有_______________%的风险将f基因传给子代，其_______________患病概率极高。

（4）F基因编码的F蛋白是一种RNA结合蛋白。

科研人员给正常小鼠神经细胞中敲入___________________序列，获得F基因失活的模型小鼠。

检测发现模型小鼠大脑皮层神经元的树突分支减少，树突的总长度降低。

据此推测F蛋白_______________，从而引发智力低下。

【答案】（1）隐不符合
（2）（CGG）n三核苷酸片段重复次数超过200次及DNA甲基化表达F蛋白
X F X F与X F X F′、 X F X F与X F′X F′、 X F′X F′与X F′X f（写出一对即可，其他合理给分）
（3）50 儿子
（4）>200次的（CGG）n重复调节与树突形成相关mRNA的翻译
3．（18 分）蚕豆病是一种单基因遗传病，其表现为红细胞中葡萄糖-6-磷酸脱氢酶（G6PD）缺乏，使红细
胞的抗氧化能力下降。

（1）图1 是某蚕豆病患者家族的遗传系谱图，据图1初步
判断此病遗传方式为。

（2）随后研究表明，控制合成G6PD的基因位于X染色体上，
在人的基因组中存在GA、GB两种形式；突变基因g不能
控制合成G6PD。

对该家族部分个体进行基因检测的结果
如图2所示。

①人类基因组中GA、GB、g互为基因。

②带有突变基因的个体平时不发病，但在食用新鲜蚕豆后
1～2天内会出现溶血症状，说明带有突变基因个体的发病
是共同作用的结果。

③Ⅱ－7个体的基因型为，其发病是因为
基因未正常表达。

Ⅱ－7与Ⅱ－8婚配所生子女
g基因的概率为。

（3）有人推测，Ⅱ－7个体相关基因未正常表达，原因可能是该基因中的G 、C碱基被添加甲基（—CH3），影响了RNA聚合酶对该基因的识别。

①该基因不能被RNA 聚合酶识别，会影响该基因的过程。

②限制酶HpaⅡ酶和MspⅠ酶的识别碱基序列均为“—CCGG—”，若DNA被添加甲基，Msp Ⅰ酶仍能切割DNA，而HpaⅡ酶则不能。

提取Ⅱ－7基因组DNA，用以上两种酶分别处理，然后运用PCR技术扩增上述未表达基因（含有“—CCGG—”序列），若两组扩增产物（相同，不相同），则支持上述推测。

③在基因研究中，常需利用限制酶。

限制酶的功能是。

【答案】（1）常染色体隐性遗传（2）①等位基因与环境②X GB X g X GB③1/2 （3）①转录②不相同
③识别特定序列的双链DNA片段，并使每一条链中特定位点的磷酸二酯键断开
二、染色质重塑
染色质重塑是指基因表达的复制和重组等过程中，染色质的包装状态、核小体中组蛋白以及对应DNA分子会发生改变的分子机理。

染色质重塑是一种重要的表观遗传学机制。

DNA 复制、转录、修复、重组在染色质水平发生，这些过程中，染色质重塑可导致核小体位置和结构的变化，引起染色质结构变化，从而影响邻近基因的活性。

三、基因组印记
基因组印记是指来自父方和母方的等位基因在通过精子和卵子传递给子代时发生了修饰，使带有亲代印记的等位基因具有不同的表达特性，这种修饰常为DNA甲基化修饰，也包括组蛋白乙酰化、甲基化等修饰。

在生殖细胞形成早期，来自父方和母方的印记将全部被消除，父方等位基因在精母细胞形成精子时产生新的甲基化模式，但在受精时这种甲基化模式还将发生改变；母方等位基因甲基化模式在卵子发生时形成，因此在受精前来自父方和母方的等位基因具有不同的甲基化模式。

亲代会通过印记基因来影响其下一代的性状。

四、X染色体失活(巴氏小体)
巴氏小体指在哺乳动物体细胞核中，除一条X染色体外，其余的X染色体常浓缩成染色较深的染色质体。

又称X小体，通常位于间期核膜边缘。

1949年，美国学者巴尔（M.L.Barr）等发现雌猫的神经细胞间期核中有一个深染的小体而雄猫却没有。

在人类，男性细胞核中很少或根本没有巴氏小体，而女性则有1个。

哺乳动物雌性个体的X染色体失活遵循n-1法则，不论有多少条X染色体，最终只能随机保留一条的活性。

莱昂假说
莱昂(M. Lyon)于1961年提出的关于巴氏小体的假说：
（1）巴氏小体是一个失活的X染色体，失活的过程就称为莱昂化（lyonization）；
（2）在哺乳动物中，雌雄个体细胞中的两个X染色体中有一个X染色体在受精后的第 16天（受精卵增殖到5000-6000，植入子宫壁时）失活；
（3）两条X染色体中哪一条失活是随机的；
（4）X染色体失活后，细胞继续分裂形成的克隆中，此条染色体都是失活的；
（5）生殖细胞形成时失活的 X染色体可得到恢复的。

1974年Lyon又提出了新莱昂假说，认为X染色体的失活是部分片段的失活。

例题
1．（18分）肾上腺-脑白质营养不良（ALD）是一种伴X染色体的隐性遗传病（用d表示），患者发病程度差异较大，科研人员对该病进行了深入研究。

（1）图1为某患者家系图，其中II-2的基因型是。

（2）为确定该家系相关成员的基因组成与发病原因，科研人员进行了如下研究。

①首先提取四名女性与此基因有关的DNA片段并进行PCR，产物酶切后进行电泳（正常基因含一个限制酶切位点，突变基因增加了一个酶切位点），结果如图2。

由图2可知突变基因新增的酶切位点位于（310bp/217bp/118bp/93bp）DNA片段中；四名女性中是杂合子。

②已知女性每个细胞所含两条X染色体中的一条总是保持固缩状态而失活，推测失活染色体上的基因无法表达的原因是。

③分别提取四名女性的mRNA作为模板，出cDNA，进行PCR，计算产物量的比例，结果如表1。

综合图2与表1，推断II-3、II-4发病的原因是来自（父方/母方）的X染色体失活概率较高，以基因表达为主。

（3）ALD可造成脑白质功能不可逆损伤，尚无有效的治疗方法，通过和产前诊断可以对该病进行监测和预防。

图1家系中II-1（不携带d基因）与II-2婚配后，若生男孩，是否患病？，原因是。

若生女孩，是否患病？，原因是。

【答案】（18分）
（1）XdY
（2）
①310bp （1分） I-1、II-3、II-4（1分）
②染色体呈固缩状态无法解旋进行转录
③逆（反）转录 父方 突变（X d ）
（3）遗传咨询 不患（1分） 该个体不含有致病基因（1分）
不一定（1分） 若为女孩，则为杂合子，是否患病取决于X 染色体失活情况（1分） 2.（18分）Menkes 病是A 基因的变异引起的遗传病，患者在3岁前死亡。

科研人员对此病进行了研究。

（1）遗传学调查发现，Menkes 病患者绝大多数为男性，极少数是女性，且患者的双亲一般均表现正常，据此判断Menkes 病最可能的遗传方式是________染色体________遗传。

（2）在一些临床病例中，有一例患者甲A 基因中缺失了大片段的碱基序列，这种变异属于_________。

另一例患者乙A 基因发生了一个碱基对的替换，导致特定限制酶切割后片段长度发生变化（如图1所示）。

分别提取患者乙及其表现型正常双亲的DNA ，设计________进行PCR 扩增后，用特定限制酶进行处理，将产物电泳处理，结果如图2所示。

已知样本3是患者乙父亲的DNA ，M 为不同长度DNA 片段的电泳参照，则图1中代表患者基因片段的是__________（填“A 片段”或“B 片段”）。

（3）研究发现，该病患者的症状表现与X 染色体失活形成巴氏小体有关。

哺乳动物体细胞内存在两条或两条以上的X 染色体时，只有一条X 染色体上的基因能表达，其余X 染色体高度螺旋化失活成为巴氏小体。

由于________过程受影响，导致巴氏小体上85%的基因不能表达。

（4）目前关于X 染色体的失活存在两种观点：观点一：两条X 染色体中的一条随机失活；观点二：机体优先失活携带突变基因的X 染色体。

①女性携带者中的一部分出现与男性患者一样严重的病症，另一部分则完全无病症，这符合观点____。

②临床上发现一例有巴氏小体的男性患者，其父母均表现正常，若符合观点二，该患者最可能的基因型为___________（相关基因用A 、a 表示），产生该男患者的原因是其_______（填“父亲”或“母亲”）的减数第_____次分裂异常，产生了异常配子（注：不考虑交叉互换和基因突变）。

【答案】（18分）（1）伴X （1分）隐性（1分）
（2）基因突变（2分）引物（2分） B 片段（2分）
（3）转录（2分）①一（2分）②X a X a Y （2分）母亲（2分）二（2分）
3.（18分）
研究发现，雌性哺乳动物细胞核中存在
X 染色体高度浓缩形成的巴氏小体，科研人员对此进行了研究。

（1）显微镜下观察巴氏小体时，需用________
染色后制片。

某些性染色体数目异常的
A 片段
B 片段↓表示酶切位点1200bp —
600bp —300bp —图图2
细胞核具有不同数目的巴氏小体，如XXY有1个、XXX有2个、XXXX有3个，而XO 没有巴氏小体，据此判断巴氏小体数目等于________。

X染色体浓缩成巴氏小体的生物学意义是维持雌性个体与雄性个体的X染色体上________量相同。

（2）为探究胚胎发育早期X染色体上Xist基因的表达与X染色体失活的关系，科研人员将某种雌鼠的胚胎干细胞（PGK细胞）中两条X染色体分别记为X1和X2（如图1），通过基因工程方法将其中X2上的Xist基因敲除，获得XT细胞。

对PGK细胞、XT细胞及由它们分化形成的细胞许多细胞中E和e基因的表达量进行定量分析，实验结果如图2所示。

①由图2分析，大多数PGK和XT细胞中的X染色体__________。

PGK分化细胞中E 基因和e基因表达量高于80%的细胞数目接近相等，说明X染色体失活是________的。

②由图2分析，XT分化细胞中_________染色体失活。

实验结果表明__________。

③PGK分化细胞的不同细胞中E、e基因表达的差异，是由于这些细胞的________不同。

（3）据上述实验推测，在胚胎发育过程中，雄性哺乳动物体细胞中Xist基因_______（填“会”或“不会”）转录。

一般情况下，红绿色盲基因携带者的表现型是________。

【答案】（除注明外，每空2分，共18分）
（1）碱性染料（或“龙胆紫”、“醋酸洋红”）（1分）X染色体数目-1（1分）（表达的）基因
（2）①未失活随机②X1Xist基因的表达会导致该基因所在的X染色体失活③分化程度
（3）不会正常或色弱
五、非编码RNA
功能性非编码RNA在基因表达中发挥重要的作用，按照它们的大小可分为长链非编码RNA和短链非编码RNA。

长链非编码RNA在基因簇以至于整个染色体水平发挥作用，在核糖核蛋白复合物中充当催化中心，对染色质结构的改变发挥着重要的作用。

短链RNA在基因组水平对基因表达进行调控，其可介导mRNA的降解，诱导染色质结构的改变，决定着细胞的分化命运，还对外源的核酸序列有降解作用以保护本身的基因组。

常见的短链RNA为小干涉RNA(short interfering RNA, siRNA)和微小RNA(microRNA, miRNA)，前者是RNA干扰的主要执行者，后者也参与RNA干扰但有自己独立的作用机制。

中科院动物所科学家于 2012 年在哺乳动物成熟精子中首次发现了一类进化上保守、来源于 tRNA5’端序列，且高度富集在 30-34nt 的新型小 RNA——tsRNA。

这种 tsRNA 可作为一种父源信息在受精时进入卵子。

随后研究人员发现，tsRNA 可通过序列上的核酸修饰维持其稳定性。

因此他们推测，tsRNA 及其 RNA 修饰可能作为一种表观遗传信息的载体，将环境诱导的获得性性状经配子（精子）传递到子代。

例题
1.（18分）很多证据表明，上一代在环境压力下产生的某些获得性性状可以“记忆”在配子中并遗传给下一代。

为研究环境因素引起的亲代雄性个体的变异遗传给子代的问题，我国科研人员进行实验。

（1）科研人员给正常雄鼠饲喂高脂饮食，使其成为肥胖雄鼠。

雄鼠的肥胖与正常是一对____________性状。

从变异类型角度分析，高脂饮食诱导产生的变异是____________变异。

（2）为研究雄鼠肥胖性状的遗传，科研人员进行杂交了实验，实验及结果如下图所示。

有人据此判断，亲代肥胖雄鼠的Y染色体发生了基因突变。

请对该推测的合理性作出判断，并说明判断原因：_________________________________________________________ ____________________________________________________________。

（3）科研人员推测，子代小鼠出现糖代谢紊乱与父本产生的精子有关。

为验证此推测，科研人员将亲代肥胖雄鼠的精子头部用显微注射方法注射到_______________小鼠的卵母细胞中，体外胚胎培养后，转入正常代孕母鼠体内继续发育。

该实验排除了_______________ _____________________等无关因素对实验结果的影响。

若在_______________条件下饲养的所有子代雄鼠均出现糖代谢紊乱，证明该推测成立。

（4）由于精子中大部分蛋白质的合成处于停滞状态，科研人员推测肥胖雄鼠精子中的
①表中空白处的受体细胞是_______________。

②由实验结果初步判断，子代雄鼠出现糖代谢紊乱与亲代肥胖雄鼠精子中的tRNA有关，依据是_____________________________________________________________________
_________________________________。

（5）研究发现，精子中tRNA来源的小RNA（tsRNA）通过调节基因的转录来影响小鼠的性状。

请利用所学知识，结合本研究，从分子水平对父本在遗传中的作用作出解释：______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________。

（6）随着婚育观念的改变，人们越来越重视优生优育，请结合本研究的结果，对于打算生育的男士提出合理的建议。

___________________________________________________。

【答案】（1）相对不可遗传
（2）不合理。

子代雄鼠均出现糖代谢紊乱，意味着与卵细胞结合的精子中均携带突变基因，不符合基因突变低频性的特点
（3）正常雌鼠交配时雌雄个体接触、精卵细胞的相互识别、精液质量（合理即可）低脂
（4）①受精卵
②注射tRNA的子代雄鼠出现糖代谢紊乱，与注射总RNA结果相似，注射其它种类的RNA无此现象
（5）①父本的基因随染色体传递给子代，控制子代蛋白质合成，影响子代性状；
②环境因素引起的父本性状改变，通过精子的tsRNA调节子代基因的转录来影响子代性状
（6）低脂健康饮食；平衡膳食；减少不良生活习惯，采取健康生活方式；防止过度劳累对身体造成伤害；减少吸烟、饮酒等对身体的伤害。

（合理即给分）。