人大复印报刊资料转载|六版高中新教材中“表观遗传”内容的分析与思考

1 厘清概念

人教版选用柳穿鱼花花型不一致和小鼠毛色改变的现象，以及讨论问题，引出了表观遗传概念：生物体基因的碱基序列保持不变，但基因表达和表型发生可遗传变化的现象，称为表观遗传。其余五版教材中，浙科版定义较为模糊,苏教版未提及基因表达改变，北师大版未提及基因表达和可遗传（但在“小鼠毛色改变”一例中提及这种DNA甲基化可以传递给子代），沪科教版未提及表型改变，沪科技版与人教版相似，是最为完整的。柳穿鱼花的现象也暗示了表观遗传具有不稳定性，此外，教师还可借此引导学生对比表观遗传与孟德尔遗传的区别。

2 调控机制

2.1 转录水平调控机制——DNA甲基化  浙科版教材指出,真核细胞DNA上启动子的胞嘧啶可以发生甲基化修饰，招募蛋白质从而导致染色质高度螺旋化，无

法被识别，不能进行转录。人教版并未详细描述甲基化的过程，且教材插图（教材第74页图4-10）上的“甲基”连接在DNA双螺旋骨架上，容易误导学生；而沪科技版的示意图（教材第23页图1-27）更为清晰地展示了DNA启动子甲基化阻碍转录的过程，黄色部分代表发生甲基化修饰的胞嘧啶，图中可以再标注RNA聚合酶以及胞嘧啶的碳原子序号，帮助学生理解。

关于DNA甲基化的实例，苏教版给出了同一个蜂群中“蜂王与工蜂异型分化”的相关资料，可用此资料设计实验，引导学生思考“蜂王和工蜂的基因型相同但是表型不同，为什么？蜂王浆有什么作用？”表型不同的原因是它们的甲基化程度不同；持续取食蜂王浆能降低甲基化水平。

2.2 转录水平调控机制——组蛋白乙酰化  染色体主要由DNA和组蛋白组成，组蛋白修饰也会影响DNA转录。可以先展示染色体的基本结构——核小体（参考沪科技版第24页图1-28），解释形成原因：组蛋白侧链基团的氨基受电离平衡影响带正电，DNA上的磷酸基团能电离出H+，从而带负电。沪科技版教材还提到了这种紧密结合能保护DNA免受外界环境影响，但也阻碍了RNA聚合酶与DNA的结合，教师可以将之作为思考题抛出，引发学生思考，充实学生的结构与功能观。

浙科版教材解释了组蛋白乙酰化机理，即用乙酰基把氨基上的正电荷屏蔽起来，就像给组蛋白上的正电荷戴上一顶帽子，减弱组蛋白与DNA之间的缠绕力量，从而促进转录。教师可以展示乙酰化过程图进行讲解，增强学生的直观体验。

2.3 转录水平调控机制——染色体重塑  染色质重塑是指基因表达的过程中，染色质的包装状态、核小体中组蛋白以及对应DNA分子发生改变（图1）。

教师可以用图1拓宽学生视野，除组蛋白乙酰化外，染色质重塑酶也可以借助ATP，使核小体与DNA分离，从而调节基因的转录。在此，学生也更能体会ATP是驱动细胞生命活动的直接能源物质。

2.4 转录水平调控机制——X染色体失活  人教版第75页“练习与应用”中最后一题涉及了X染色体失活这一概念，使学生更为全面地了解表观遗传机制。X染色体失活是指哺乳动物在胚胎发育早期，不同细胞通过随机沉默一条X染色体使雌性仅有一条激活的X染色体，又叫剂量补偿作用。但失活的X染色体上也有少数基因未被沉默，可以继续转录，它们被称为逃逸基因[2]。这一点呼应了上文中柳穿鱼花花型的遗传，暗示了表观遗传具有不稳定性。

2.5 转录水平调控机制——基因组印记  基因组印记是指子代中来自两个亲本的等位基因由于表观遗传修饰（如DNA甲基化、组蛋白乙酰化和甲基化），只有一方优先表达或排他性表达，另一方很少表达或基因沉默的可遗传现象。基因组印记有一定的时空性和保守性。

基因组印记会在生殖细胞形成早期去除，而形成精子或卵子后重新生成，并随着个体发育维持下去，这一去除—再建立过程体现了表观遗传修饰的可逆性，教师可以结合DNA复制可能会出现小概率差错，引导学生思考新的印记产生过程中是否也可能出错，从而导致表观遗传的不稳定性。同时，教师可以指出基因组印记异常可能引起特纳综合征（由于X染色体缺失或结构异常所致的染色体异常性疾病），患者在认知能力上的差异取决于剩余X染色体的父母来源，而且父亲X染色体的缺失与学习问题和社交技能缺陷有关[3]。

2.6 翻译水平调控机制——RNA干扰  除转录外，翻译也是基因表达的重要过程，沪科技版以蓝紫色矮牵牛花为例，详细阐述了RNA干扰的过程（沪科技版第25页图1-30）。紫色素合成酶基因在宿主体内转录后，经过一系列过程导致mRNA被切断无法进行翻译。

在此，教师还可以利用苏教版教材中的“课外阅读”，带领学生一起学习2006年度诺贝尔生理学或医学奖“RNA干扰机制-双链RNA沉默基因”，了解除了DNA甲基化外的另一种基因沉默方式。教师还可以结合上述“蜂王与工蜂的异型分化”继续展示如下例题，培养学生的科学思维与科学探究能力。

例题:(天津红桥2022一模) 已知注射DNA甲基转移酶3siRNA（小干扰RNA）能使DNA甲基转移酶3基因表达沉默，蜂王的基因组甲基化程度低于工蜂，请设计实验验证基因组的甲基化水平是决定雌蜂幼虫发育成工蜂还是蜂王的关键因素。

(1)实验思路：取多只生理状况相同的雌蜂幼虫，均分为A、B两组；A组不作处理，

B组                                                     ，其他条件相同且适宜；用花粉和花蜜饲喂一段时间后，观察并记录幼蜂发育情况。

(2)预期实验结果：A组                          ，B组                            。

3 影响因素——环境和生活习惯

沪科教版以大鼠幼崽的应激实验为例，验证了环境因素可以通过表观遗传机制影响基因的表达，实验过程如图2。皮质醇水平过高与抑郁相关[4]，也可能导致高血压或者肥胖，教师可以借此对学生进行生命健康教育，鼓励学生维持正常的社交活动，保持适当运动(如慢跑、瑜伽、冥想等)。

同时，苏教版的“问题与讨论”框中指出，吸烟会使人的体细胞内DNA甲基化水平升高，而戒烟多年后，DNA甲基化水平会降低；人教版的“与社会的联系”框中还提到了男性吸烟者精子活力下降，精子的DNA甲基化水平明显升高。这些结果从基因表达的角度证明了吸烟有害健康，并且可以遗传，但这种表观遗传是可逆的。教师可以借此呼吁学生远离香烟，并及时劝阻身边的吸烟者。此外，浙科版也有许多生活习惯改变影响后代性状的例子，如祖父辈在青春期前大吃大喝，那么子孙寿命较短，患糖尿病的风险也较大，教师可以一一举例，呼吁学生健康生活。

4 影响及应用

浙科版和沪科教版用表观遗传原理解释了同卵双胞胎患病概率和类型不同，更贴近学生生活，以真实情境激发学生兴趣。浙科版还从正反两方面描述了表观遗传的影响：使生物打破DNA变化缓慢的限制，让后代迅速获得亲代应对环境因素作出的反应而发生的变化，加快生物进化；但是亲代经历的不良环境和生活习惯会对后代的健康产生不利的影响。教师可从DNA精准复制和上述生活习惯影响性状的角度出发，引导学生进行理解和发散。

北师大版提到只改变基因表达活性就能改变性状，在肿瘤等许多疾病诊断、治疗和药物开发等方面有广阔前景。如基因印记缺陷不仅影响胚胎的生长，而且会抑制以后生命中的异常生长，从而导致癌症的发展[3]；若阻碍去乙酰化酶的功能，则可抑制癌细胞的增殖和分化，可用于急性早幼粒细胞性白血病、急性淋巴细胞性白血病和非何杰金氏淋巴瘤的治疗[5]。此外，表观遗传也参与调控胚胎干细胞分化。沪科教版的“阅读空间”给出了“首例克隆猴'中中’和'华华’在中国诞生”的资料，苏教版也提到了这一事例，证明表观遗传能提高胚胎发育成功率。以上事实都可以作为拓展资料拓宽学生眼界，培养学生尊重生命、健康生活的意识。

5 思考

5.1 表观遗传是否证明了获得性遗传的正确性  拉马克提出的获得性遗传理论认为环境引起的性状改变是会遗传的，因此这些改变了的性状可以传递给下一代，并用此理论解释了洞穴鱼的视盲以及长颈鹿的长头颈[6]。这个理论在后来很长一段时间都受到质疑，原因有二：①经典遗传学所代表的突变说认为，基因突变是随机的，环境不会改变生物的基因型。因此，它否认获得性遗传。②关于长颈鹿的长头颈，除了拉马克和达尔文当时所支持的食物选择说外，还有一种性选择说（即雄性个体为了求偶，进化出长头颈作为战斗方式）以及一些其他环境因素影响，如增大体表面积以加速散热、隐蔽时快速发现敌人等[7]。

但是如今，表观遗传机制的发现确实从某种程度上证明了拉马克的获得性遗传的正确性。然而，表观遗传也同样具有可逆性和不稳定性，需要进一步的科学研究。

在该问题的思考和讨论过程中，教师可以使用“矛盾双方对立统一”的哲学原理，结合高中物理史上对光的本质（即波粒二象性）、电磁转换（电流磁效应和电磁感应现象）的探究过程，以及“基因指导蛋白质的合成，而蛋白质在基因表达过程中起到了重要的调控作用”等[8]，引导学生思考获得性遗传与经典遗传学是否真的水火不容。这个过程不仅能激发学生兴趣，还能发展学生的批判性思维。

5.2 有人认为,表观遗传学颠覆了经典遗传学,这种观点是否正确?  为什么这种观点过于极端，沪科技版提到表观遗传是一类基因表达调控的机制，可以说经典遗传学与表观遗传学两者有所区别又相互联系。教师可以引导学生从基因序列、性状改变、所处水平、细胞分化、与遗传信息的关系、生物进化等方面思考，再由学生小组合作讨论,归纳出自己的理解。

5.3 “经典遗传”“表观遗传”“环境”三者与“性状”的关系是怎样的  经典遗传理论认为基因决定性状，遗传信息在DNA（基因）上，通过转录传递到mRNA，然后通过翻译传递到蛋白质，最终在性状（表型）上得以体现；而在遗传信息的传递的过程（主要是转录和翻译）中，表观遗传以不同机制参与调控，间接影响性状；此外，环境能通过影响经典遗传和表观遗传间接影响性状，也能直接影响性状，如木槿花中富含的花青素对温度敏感，中午和下午温度高时呈现粉红甚至红色，早晨和夜晚温度低时呈现白色，由此出现了花色一日三变的现象[9]。教师可以采用关系图的形式进行展示，将各个要素串联起来。

(*通信作者)

主要参考文献

[1]丁健,王飞,金景姬,等.表观遗传之染色质重塑[J].生物化学与生物物理进展,2015,42(11):9941002.

[2]伊璐,郝振华,徐银学.哺乳动物X染色体失活逃逸研究进展[J].畜牧与兽医,2008(4):100103.

[3]WALTER J, PAULSEN M. Imprinting and Disease [J]. Seminars in cell & Developmental Biology, 2003, 14(1): 101-110.

[4]詹雯洁,骆利元,汪琦,等.青少年抑郁障碍患者皮质醇水平与中医证候相关性研究[J].世界科学技术中医药现代化,2023,25(4):14751480.

[5]陈丹丹,秦克宁,吕纯莉,等.组蛋白去乙酰化酶抑制剂在急性髓系白血病中的应用[J].生物化学与生物物理进展,2024,51(6):13931405.

[6]刘祖洞,乔守怡,吴燕华,等.遗传学.3版[M].北京:出版社高等教育,2013:412413.

[7]姚水平,陈泽文,何风华,等.长颈鹿脖子延长的进化机制[J].生物学通报,2019,54(4):13.

[8]张向前,解新明.颇具争议的获得性遗传及其对生物学教学的启示[J].生物学教学,2018,43(9):7475.

[9]刘萍,徐克东,孙莉萍,等.木槿花期花瓣生理生化变化的研究[J].河南师范大学学报(自然科学版),2008(3):8689.