備課素材：表觀遺傳復(fù)習(xí)2023-2024學(xué)年高一下學(xué)期生物人教版必修2

表觀遺傳一、表觀遺傳基礎(chǔ)知識(shí)思考1:從基因角度解釋同卵雙胞胎為什么會(huì)表現(xiàn)出一定的差異?基因的選擇性表達(dá)思考2:基因的選擇性表達(dá)是指?如何實(shí)現(xiàn)?基因是否表達(dá):基因什么時(shí)候表達(dá)?在哪種細(xì)胞中表達(dá)?基因表達(dá)多少:基因表達(dá)水平的高低基因的選擇性表達(dá)與基因表達(dá)的調(diào)控有關(guān)，如表觀遺傳思考3:什么是表觀遺傳?有哪些類(lèi)型?生物體基因的堿基序列保持不變，但基因表達(dá)和表型發(fā)生可遺傳變化的現(xiàn)象。

[資料1]柳穿魚(yú)花的形態(tài)結(jié)構(gòu)與Lcyc基因的表達(dá)直接相關(guān)。下圖所示的兩株柳穿魚(yú)，它們體內(nèi)Lcyc基因的序列相同，只是植株A的Lcyc基因在開(kāi)花時(shí)表達(dá)，植株B的Lcyc基因不表達(dá)。研究表明，植株B的Lcyc基因不表達(dá)的原因是它被高度甲基化(Lcyc基因有多個(gè)堿基連接甲基基團(tuán))了。

科學(xué)家將這兩個(gè)植株作為親本進(jìn)行雜交，F(xiàn)的花與植株A的相似，F(xiàn)1自交的F2中絕大部分植株的花與植株A的相似，少部分植株的花與植株B的相似。思考4:柳穿魚(yú)性狀改變的原因是什么?Lcyc的堿基序列沒(méi)有發(fā)生變化，但部分堿基發(fā)生了甲基化修飾。思考5:F的花為什么與植株A的相似?在F2中，為什么有些植株的花與植株B的相似?

思考6:柳穿魚(yú)花的表觀遺傳機(jī)理是?這對(duì)我們認(rèn)識(shí)表觀遺傳現(xiàn)象有何啟示?

說(shuō)明:Lcyc基因的甲基化可以遺傳，并影響植株的性狀。

[資料2]某種實(shí)驗(yàn)小鼠的毛色受一對(duì)等位基因Avy和a的控制，Avy為顯性基因，表現(xiàn)為黃色體毛，a為隱性基因，表現(xiàn)為黑色體毛。將純種黃色體毛的小鼠與純種黑色體毛的小鼠雜交，子一代小鼠的基因型都是Awwa，卻表現(xiàn)出不同的毛色:介于黃色和黑色之間的一系列過(guò)渡類(lèi)型。思考7:F代小鼠性狀改變的原因是什么?思考8:小鼠的表觀遺傳機(jī)理是?這對(duì)我們認(rèn)識(shí)表觀遺傳現(xiàn)象有何啟示?

說(shuō)明:Lcyc基因的甲基化可以遺傳，并影響植株的性狀。

思考9:表觀遺傳的特點(diǎn)是?可遺傳性:基因表達(dá)和表型可以遺傳給后代。不變性:基因的堿基序列保持不變。可逆性:DNA甲基化修飾可以發(fā)生可逆性變化，即被修飾的DNA可以發(fā)生去甲基化。

思考10:表觀遺傳什么時(shí)候能發(fā)生?

普遍存在于生物體的生長(zhǎng)、發(fā)育和衰老的整個(gè)生命活動(dòng)過(guò)程中。

二、利用表觀遺傳基礎(chǔ)知識(shí)解釋實(shí)際問(wèn)題

[資料1]經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為:遺傳信息儲(chǔ)存于核酸序列中，并通過(guò)生殖傳遞給下一代;生物的性狀表現(xiàn)除了受環(huán)境因素影響外，主要由來(lái)自親代的遺傳信息決定。蜜蜂的工蜂和蜂王的發(fā)育起點(diǎn)均是受精卵，二者的遺傳基大完全相同，但由干發(fā)育期日營(yíng)養(yǎng)條件和發(fā)育空間不同導(dǎo)致二者的性狀差異很大。

思考1:按照經(jīng)典遺傳學(xué)理論，對(duì)此較為合理的解釋是?

環(huán)境因素可以影響生物的性狀

[資料2]隨著分子遺傳學(xué)的發(fā)展，“DNA甲基化影響基因表達(dá)”的研究越來(lái)越受到關(guān)注。蛋白X是小鼠正常發(fā)育必需的一種蛋白質(zhì)，缺乏時(shí)小鼠表現(xiàn)為個(gè)體較小(侏儒鼠)。蛋白X由A基因控制合成，A基因的表達(dá)受到A基因上游一段DNA序列(P序列)調(diào)控。P序列甲基化后，A基因不能表達(dá):P序列非田基化時(shí)，A基因正常表達(dá)，如圖所示。研究發(fā)現(xiàn):A基因的P序列在精子中是非田基化的，傳給子代后能正常表達(dá)，在卵細(xì)胞中是甲基化的，傳給子代后不能表達(dá)。

思考2:由以上信息可知，DNA甲基化如何影響性狀?

DNA甲基化會(huì)改變基因的表達(dá)，導(dǎo)致基因控制的性狀發(fā)生改變

思考3:DNA甲基化是否屬于基因突變?原因是?

不屬于，DNA甲基化不改變基因的堿基序列

思考4:某基因型為Aa的小鼠是侏儒鼠，根據(jù)上述資料推測(cè)產(chǎn)生該侏儒鼠的原因是?

基因A基因來(lái)自卵細(xì)胞，P序列甲基化，A基因不能表達(dá)

[資料3]miRNA是一類(lèi)由基因編碼的，長(zhǎng)約22個(gè)核苷酸的單鏈RNA分子。在線蟲(chóng)細(xì)胞中，Lin-14基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物經(jīng)加工后形成miRNA-miRNA雙鏈。其中miRNA與Lin-14mRNA部分配對(duì)，使其翻譯受阻(這是RNA干擾的一種機(jī)制)，進(jìn)而調(diào)控幼蟲(chóng)的正常發(fā)育模式。

思考5:在真核細(xì)胞中，miRNA和mRNA合成的場(chǎng)所主要是?

細(xì)胞核

思考6:miRNA如何調(diào)控Lin-14基因選擇性表達(dá)?

與Lin-14基因轉(zhuǎn)錄出的mRNA形成雙鏈，阻止翻譯，使其翻譯水平降低。

思考7:研究發(fā)現(xiàn)，同一生物體內(nèi)不同的組織細(xì)胞中miRNA種類(lèi)有顯著差異，根本原因是?

基因的選擇性表達(dá)

思考8:RNA介導(dǎo)的基因沉默是可以遺傳給子代的，這是否表觀遺傳。理由是?

是，生物體基因的堿基序列保持不變，但基因表達(dá)和表型發(fā)生可遺傳變化

[資料4]RNA干擾是一種在轉(zhuǎn)錄后通過(guò)小分子RNA調(diào)控基因表達(dá)的現(xiàn)象。另一種干擾RNA(sRNA)通常與核酸酶等蛋白結(jié)合成誘導(dǎo)沉默復(fù)合體復(fù)合體活化后與靶RNA結(jié)合，使其翻譯受阻。

思考9:根據(jù)上述資料，推測(cè)沉默復(fù)合體產(chǎn)生RNA干擾的可能機(jī)制是?

誘導(dǎo)沉默復(fù)合體中的核酸酶活化后與靶RNA結(jié)合，會(huì)使靶mRNA降解，使相應(yīng)基因的翻譯受阻

三、表觀遺傳現(xiàn)象思維再拓展

1.X染色體失活現(xiàn)象

[資料1]在哺乳動(dòng)物、果蠅和線蟲(chóng)的體細(xì)胞中，雄性的性染色體組成為

XY，雌性的性染色體組成為XX。Y染色體上的基因很少，X攜帶大量的基因。如果X體上基因在兩種性別的生物都表達(dá)，則雌性的每個(gè)基因的表達(dá)產(chǎn)物將是雄性的兩倍。然而，觀察表明X染色體上的基因在兩種性別的生物中的表達(dá)水平是相等的，這種現(xiàn)象稱(chēng)為劑量補(bǔ)償效應(yīng)。

[資料2]不同物種發(fā)生劑量補(bǔ)償效應(yīng)的機(jī)制不同。在哺乳動(dòng)物的體細(xì)胞中雌性?xún)蓷lX染色體中的一條上的基因被關(guān)閉，而雄性的單條X染色體保持活性;在果蠅的體細(xì)胞中，雄性單條X染色體上的基因轉(zhuǎn)錄率加倍;而在秀麗隱桿線蟲(chóng)的體細(xì)胞中，雌性每條X染色體上的基因轉(zhuǎn)錄率減半。

[資料3]在哺乳動(dòng)物的體細(xì)胞中，劑量補(bǔ)償機(jī)制包括關(guān)閉兩條X染色體中一條上絕大多數(shù)的基因，使雌性同雄性一樣僅有一條激活的X染色體。這種調(diào)控方式通常稱(chēng)為X染色體失活。

[資料4]染色體失活是一個(gè)與基因沈默相關(guān)的過(guò)程，這些變化使失活的染色體形成高度壓縮致密的結(jié)構(gòu)，稱(chēng)作巴氏小體。

思考1:已知女性每個(gè)細(xì)胞所含兩條X染色體中的任意一條總是保持固縮狀態(tài)而失活，試推測(cè)失活染色體上的基因無(wú)法表達(dá)的原因是?

染色體固縮，無(wú)法解旋，不能為轉(zhuǎn)錄過(guò)程提供模板。

思考2:某種貓的雄性個(gè)體有兩種毛色:黃色和黑色;而雌性個(gè)體有三種毛色:黃色、黑色、黑黃相間。分析這種貓的基因，發(fā)現(xiàn)控制毛色的基因是位于X染色體上的一對(duì)等位基因:X0(黃色)和XB(黑色)，雄貓只有一條X染色體，因此，毛色不是黃色就是黑色。而雌貓卻出現(xiàn)了黑黃相間的類(lèi)型，這是為什么呢?

對(duì)于基因型為XBX0的雌貓，存在X色體失活現(xiàn)象。即有的體細(xì)胞攜帶黑毛基因B的X染色體失活，XB就不能表達(dá)，由該細(xì)胞增殖而來(lái)的皮膚上會(huì)長(zhǎng)出黃色體毛;同理，有的體細(xì)胞中攜帶黃毛基因O的X染色體失活，則X0不表達(dá)，XB表達(dá)，由該細(xì)胞增殖而來(lái)的皮膚上就會(huì)長(zhǎng)出黑色體毛。因此，基因型為XBX0的雌貓會(huì)呈現(xiàn)黑黃相間的毛色。

思考3:結(jié)合上述資料分析，巴氏小體能否用于判斷性別?

可以。只有雌性體內(nèi)存在巴氏小體

思考4:一些需要進(jìn)行力量和速度比拼的體育項(xiàng)目在比賽前通常會(huì)對(duì)參加女子項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)員的白細(xì)胞進(jìn)行染色體鏡檢，若發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員細(xì)胞中，將不能參加該項(xiàng)比賽，此方法比性染色體組成的檢測(cè)更簡(jiǎn)便易行。無(wú)巴氏小體

例1、在雌性哺乳動(dòng)物體細(xì)胞核中，除一條X染色體外，另一條X染色體常濃縮成染色較深的染色質(zhì)體，即“巴氏小體”。研究表明，在胚胎發(fā)育早期，X染色體上許多基因的啟動(dòng)子發(fā)生甲基化，但Xist基因未發(fā)生甲基化并強(qiáng)烈表達(dá)產(chǎn)生非編碼XistRNA，生成的XistRNA“招募”了許多能使相關(guān)基因表達(dá)“沈默”的蛋白質(zhì)，包裹了該條X染色體，使其失活形成了巴氏小體。下列相關(guān)敘述錯(cuò)誤的是()

A.可通過(guò)顯微鏡觀察細(xì)胞中是否存在巴氏小體鑒別胚胎性別

B.巴氏小體上的基因發(fā)生了甲基化，但基因的堿基序列不變

C.生成XistRNA的過(guò)程中，RNA聚合酶與Xist基因的啟動(dòng)子結(jié)合

D.X染色體上的Xist基因表達(dá)出的相關(guān)“沈默”蛋白使X染色體失活例2、雌貓?jiān)谂咛グl(fā)育早期，胚胎細(xì)胞中的1條X染色體會(huì)隨機(jī)失活，形成巴氏小體，只有1條X染色體保留活性。巴氏小體在減數(shù)分裂過(guò)程中重新激活。某種貓的毛色是由一對(duì)等位基因Xo(黃色)和XB(黑色)控制，基因型為XBXo的個(gè)體表型為黑黃相間(玳瑁貓)。

(1)基因型為XBXo的雌貓?jiān)诎l(fā)育早期，如果某胚胎細(xì)胞中攜帶XB基因的X染色體失活，則由該細(xì)胞通過(guò)分裂和分化而形成的皮膚上會(huì)長(zhǎng)出

色體毛;同理，如果某細(xì)胞中攜帶基Xo因的X染色體失活則相應(yīng)的皮膚上會(huì)長(zhǎng)出色體毛，因此呈現(xiàn)黑黃相間。(2)黃色雌貓和黑色雄貓交配，正常情況下后代的表型有種。(3)若上述黃色雌貓和黑色雄貓交配所生的后代中出現(xiàn)一只玳瑁雄貓其形成原因是:在減數(shù)分裂I的__期，，然后該精子與正常的含Xo基因的卵細(xì)胞結(jié)合。

(4)研究發(fā)現(xiàn)，X染色體失活的分子機(jī)制如圖。當(dāng)某條X染色體失活中心上的Xist基因轉(zhuǎn)錄出XistRNA后，該分子能起到的作用，使該X染色體失活。Tsix基因是Xist基因的反義基因(其模板鏈位于Xist基因的非模板鏈上)，該基因轉(zhuǎn)錄得到的TsixRNA通過(guò)就會(huì)阻止XistRNA發(fā)揮作用，使表達(dá)該基因的X染色體保持活性。(5)人類(lèi)同樣具有上述X染色體失活的分子機(jī)制，科學(xué)家希望能將該機(jī)制應(yīng)用于21三體綜合征的治療研究，簡(jiǎn)述其研究設(shè)想:答案：(1)有絲黃黑(2)2(3)后黑色雄貓進(jìn)行減數(shù)分裂產(chǎn)生配子時(shí)XB和Y染色體并未分離，移向同一極，產(chǎn)生了XBY的精子(4)包裹X染色體并吸引失活因子聚集與失活中心上的Xist基因轉(zhuǎn)錄出的XistRNA結(jié)合，抑制XistRNA包裹X染色體(5)促進(jìn)(激活)21號(hào)多出的一條染色體上失活中心的關(guān)鍵基因的轉(zhuǎn)錄，轉(zhuǎn)錄出的RNA對(duì)21號(hào)多出的染色體進(jìn)行包裹并吸引失活因子聚集，從而使得多出的那條染色體失活，另外兩條21號(hào)染色體正常發(fā)揮作用

2.基因印記現(xiàn)象

[資料1]孟德?tīng)栠z傳規(guī)律認(rèn)為，遺傳物質(zhì)不論來(lái)自雙親的哪一方，都具有相同的表型效應(yīng)，等位基因不會(huì)因?yàn)閬?lái)源干不同的親代而在后代中出現(xiàn)不同的效應(yīng)，即雜合子表型一致。

[資料2]20世紀(jì)90年代，在哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)了奇怪的現(xiàn)象?？茖W(xué)家將胰島素樣生長(zhǎng)因子2(lgf2)基因轉(zhuǎn)移到了小鼠基因組中。lgf2基因分有功能型和無(wú)功能型兩種。在轉(zhuǎn)基因小鼠的子代中，如果有功能的lgf2這個(gè)基因來(lái)自于雌性，無(wú)功能的，lgf2這個(gè)基因來(lái)自于雄性的雜合子小鼠。其表現(xiàn)與無(wú)功能的這個(gè)純合子一樣，有生長(zhǎng)缺陷。如果無(wú)功能的lgf2來(lái)自雌鼠，有功能的lgf2來(lái)自于雄鼠，則表現(xiàn)正常。說(shuō)明功能性lgf2基大由雄鼠或者雌鼠傳給后代時(shí)，可以產(chǎn)生不同的表型效應(yīng)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為基因印記。[資料3]基因印記是因親本來(lái)源不同而導(dǎo)致等位基因表達(dá)差異的一種遺傳現(xiàn)象。研究表明DNA甲基化是引起基因印記的重要方式之一，基因印記是在配子發(fā)生過(guò)程中或個(gè)體發(fā)育過(guò)程中獲得的，在下一代配子形成時(shí)基因印記會(huì)重建。

思考1:結(jié)合上述資料，判斷下列關(guān)于基因印記的表述，不正確的是()

A.基因印記不屬于表觀遺傳現(xiàn)象B.母源、父源印記基因分別位于XY染色體的非同源區(qū)段上C.在生殖細(xì)胞形成過(guò)程中，會(huì)擦除并建立新的基因印記D.在減數(shù)分裂過(guò)程中，不發(fā)生等位印記基因分離現(xiàn)象答案：ABD

例1、胰島素樣生長(zhǎng)因子2(生長(zhǎng)調(diào)節(jié)素A)是小鼠正常發(fā)育的一種必需蛋白質(zhì)，當(dāng)控制合成該蛋白質(zhì)的基因lgf2突變?yōu)閘gf2m時(shí)，小鼠缺乏該種蛋白質(zhì)而個(gè)體矮小，科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，該對(duì)等位基因位于常染色體上，遺傳時(shí)會(huì)出現(xiàn)“基因印記”現(xiàn)象，即子代中來(lái)自雙親的基因中只有一方能表達(dá)，另一方被“印記”而不表達(dá)。選取基因型為lgf2lgf2、lqf2mlgf2m的雌雄小鼠進(jìn)行正交和反交，結(jié)果子代小鼠的表型總是與父本一致。下列說(shuō)法錯(cuò)誤的是（）

A.基因型為lgf2lgf2、lgf2mlgf2m的小鼠的表型分別為正常型、矮小型B.基因型為lqf2、lqf2m的子代小鼠的表型不能確定C.實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明被“印記”而不表達(dá)的基因來(lái)自母本

D.將子代雌雄小鼠相互交配，產(chǎn)生的后代為正常型:矮小型=3:1答案：D例2:鼠的灰色(A)對(duì)褐色(a)是一對(duì)相對(duì)性狀，如圖為遺傳印記對(duì)親代小鼠等位基因表達(dá)和傳遞的影響示意圖，被甲基化修飾的基因不能表達(dá)。下列相關(guān)說(shuō)法正確的是（）A.圖示過(guò)程是由于基因突變導(dǎo)致配子發(fā)生改變

B.基因印記均在親代細(xì)胞有絲分裂過(guò)程中建立C.親代雌鼠與雄鼠的基因型相同而表現(xiàn)型不同

D.子代小鼠的表現(xiàn)型及比例為灰色:褐色=1:1答案：D例3:基因印記是指在配子或合子的發(fā)生期間，來(lái)自親本的等位基因在發(fā)育過(guò)程中產(chǎn)生專(zhuān)一性的加工修飾(如甲基化，會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)基因無(wú)法表達(dá))，導(dǎo)致后代體細(xì)胞中兩個(gè)親本來(lái)源的等位基因有不同的表達(dá)活性的現(xiàn)象。印記是在配子發(fā)生過(guò)程中獲得或在個(gè)體發(fā)育過(guò)程中獲得的，在下一代配子形成時(shí)基因印記會(huì)重建。鼠的視覺(jué)正常(A)對(duì)視覺(jué)缺陷(a是一對(duì)相對(duì)性狀，如圖是基因型為Aa的一對(duì)小鼠進(jìn)行雜交基因的傳遞示意圖。已知被甲基化的基因不能表達(dá)，回答下列問(wèn)題:

(1)親代雌雄鼠的基因型相同，其表型。(2)由圖中配子形成過(guò)程中印記發(fā)生