2020-2021学年浙科版（2019）高一生物必修二3.5 生物体存在表观遗传现象 课件（15张PPT）

(共15张PPT)
第三章 遗传的分子基础
第五节 生物体存在表观遗传现象
学习目标：
1．了解表观遗传现象和表观遗传学的研究内容。
2．了解DNA甲基化和组蛋白乙酰化的表观遗传修饰。
3．通过了解表观遗传现象认识养成良好生活习惯的重要性。
中心法则:
传统遗传学：认为遗传信息储存于DNA的序列中，它主要研究基因序列改变所致的基因表达水平的变化（注：这些变化多发生在编码区，是基因质的变化）
蝴蝶是完全变态的昆虫，即一生会经过四个阶段:卵、幼虫、蛹、成虫，幼虫的形状多样，多为肉虫，少数为毛虫。
问题1：幼虫和成虫的基因序列相同吗？
问题2：为什么基因序列完全一样，但有时候表达成毛毛虫，有时候又表达成蝴蝶呢？
表观遗传学：什么时间、什么地点、什么条件、该表达什么基因、表达量是多还是少。
表观遗传学：基于非基因序列改变所致基因表达水平的变化，即环境变化引起的性状改变，影响基因的表达（它实际上是以基因表达水平为主的量变遗传学）。
表观遗传学的特点：
可遗传的，即这类改变通过有丝分裂或减数分裂，能在细胞或个体世代间遗传；
可逆性的基因表达调节，也有较少的学者描述为基因活性或功能的改变；
没有DNA序列的改变或不能用DNA序列变化来解释。
基因组
储存遗
传信息
组织遗
传信息
表观基因组
染色质
改造者
相同的基因型
不同的表现型
基因表达模式
基因表达模式
决定细胞类型的不是基因本身，而是基因表达模式，通过细胞分裂来传递和稳定地维持具有组织和细胞特异性的基因表达模式对于整个机体的结构和功能协调是至关重要的。
基因表达模式在细胞世代之间的可遗传性并不依赖细胞内DNA的序列信息。
基因表达模式由表观遗传修饰决定。
表观遗传现象
遗传背景相同的蜜蜂在发育过程中，由于后天抚育条件不同，造成基因表达模式出现差异，最终导致表型的稳定差异。
蜂王和工蜂的命运差异发生在出生3天后，这时护理蜂会在雌蜂幼虫中挑选很少一部分继续喂食蜂王浆，这些幼虫发育为蜂王，其他幼虫改为喂食花粉和花蜜，发育成工蜂。
表观遗传机制目前研究得最清楚的主要是：
1、 DNA甲基化（启动子部位） 2、组蛋白修饰（乙酰化）
DNA甲基化(DNA methylation)是研究得最清楚、 也是最重要的表观遗传修饰形式，主要是基因组 DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基间的共价结合，胞嘧啶由此被修饰为5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5mC)。
一、DNA甲基化
DNMT1
SAM
胞嘧啶
5-甲基胞嘧啶
胞嘧啶甲基化反应
有学者发现蜂王与工蜂的基因组甲基化模式存在着明显的区别，其中蜂王的基因组甲基化程度低于工蜂的基因组甲基化。进一步的研究还证实，这种区别还与蜜蜂雌幼虫是否喂食蜂王浆密切相关：与对照相比，喂食蜂王浆的蜜蜂雌幼虫，其基因组甲基化程度低，将来可发育成蜂王。可见，蜜蜂的雌幼虫后期是否喂食蜂王浆可造成基因组DNA甲基化程度的差异。
同生物系统内的其他生理生化反应一样，甲基化也是一种酶催化反应，承担该催化作用的主要是DNA甲基转移酶（Dmt），能够催化胞嘧啶转化为5-甲基胞嘧啶。研究人员在真核生物中发现了3类DNA甲基转移酶，分别是 Dnmtl、Dnmt2、Dnmt3，其中Dnmt3被证实是蜜蜂基因组甲基化的主要参与者。通过RNA干涉的分子生物学手段，在幼虫时期人为地将Dmm3的基因表达水平敲低，使得雌蜂幼虫 Dnmt3的功能发挥遭到破坏性抑制于预。在同样喂食花粉和花蜜的条件下，正常雌蜂幼虫继续正常发育成工蜂，Dmms功能缺陷的雌蜂幼虫发育成蜂王。该结果说明，即使在饮食中缺乏蜂王浆的情况下，如果能够利用其他手段降低基因组甲基化水平，雌蜂幼虫仍然能够发育成蜂王，即基因组甲基化水平是决定蜜蜂发育分化的关键因素。
以基因型相同的母鼠为实验对象。孕鼠分为两组，试验组孕鼠除喂以标准饲料外，从受孕前两周起还增加富含甲基的叶酸、乙酰胆碱等补充饲料，而对照组孕鼠只喂饲标准饲料。
结果实验组孕鼠产下的仔鼠大多数在身体的不同部位出现了大小不等的棕色斑块，甚至出现了以棕褐色为主要毛色的小鼠。而对照组孕鼠的仔鼠大多数为黄色。分析表明喂以富甲基饲料的孕鼠所产仔鼠的IAP基因所含CpG的甲基化平均水平远高于对照组，转录调控区的高甲基化使原该呈异位表达的基因趋于沉默，毛色也趋于棕褐色。
二、组蛋白修饰
CH3CO---
组蛋白修饰是表观遗传研究的重要内容。
组蛋白的 N端是不稳定的、无一定组织的亚单位，其延伸至核小体以外，会受到不同的化学修饰，这种修饰往往与基因的表达调控密切相关。
被组蛋白覆盖的基因如果要表达，首先要改变组蛋白的修饰状态，使其与DNA的结合由紧变松，这样靶基因才能与转录复合物相互作用。因此，组蛋白是重要的染色体结构维持单元和基因表达的负控制因子。
表观遗传机制的利弊
利：可以使生物打破DNA变化缓慢的限制，使后代能迅速获得亲代应对环境因素做出的反应而发生的变化，有利于生物种群的生存和繁衍。
弊：通过表观遗传传递下去的性状并不总是有利，如亲代经历的不良环境和生活习惯对后代的健康会产生不利的影响。