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摘要：表观遗传是不同于经典遗传学的生命现象，近年来已成为分子生物学领域的研究热点。本文介绍了笔者为提高大学表观遗传教学质量，在教学设计、教学方法等方面所采取的改革措施和手段及其教学体会，以期为表观遗传学教学提供参考。
关键词：表观遗传学；探究式教学；启发式教学；教学探讨
本文引用格式：高清松，等.大学分子生物学表观遗传调控的教学探讨[J].教育现代化,2019,6(87):272-274.
Teaching Discussion on Epigenetic Regulation of Molecular Biology in Universities
gAO Qing-song,WANg Xin-feng,ChEN Ying-ying,Zhu Ying
(School of Life Science,huaiyin Normal university,huai’an,China)
Abstract:Epigenetics is a life phenomenon different from canonical genetics.In recent years,it has become a research hotspot in the field of molecular biology.This paper provides a review on reform measures adopted by the authors in teaching design and methods to improve the quality of epigenetics teaching in universities.The teaching experience is also discussed.The information in this paper is useful for epigenetics teaching in universities.
Key words:Epigenetics;Inquiry teaching;Heuristic teaching;Teaching discussion
分子生物学是以核酸、蛋白质等生物大分子为研究对象，探明其结构特征和规律性，从而在分子水平上揭开生命奥秘的学科。[1]分子生物学课程是大学生命科学相关专业的核心课程。分子生物学发展迅速，知识更新速度快，并且内容抽象，理论性强，学生学习有一定难度。
表观遗传是指不涉及DNA序列改变的基因表达的可遗传变化，[2]在真核基因的表达调控中发挥重要作用，是分子生物学的研究热点之一。不同于经典遗传学，表观遗传现象是由DNA序列之外其他层次的遗传信息所决定的（比如DNA修饰、组蛋白修饰、非编码RNA作用、染色质重塑等），因而用经典遗传规律常常无法解释。为使本科生能准确理解表观遗传学的定义和作用机制，培养一定的逻辑思维能力，认识表观遗传现象对于生活和健康的意义以及培养科学精神，我们从教学策略和教学方法等方面进行了改革，取得了一定的教学效果。本文对相关内容进行总结，为进一步改革提供思路，同时也为相关高校表观遗传学教学提供参考。
一 以问题为导向的总体教学设计
我们以三个问题贯穿整个表观遗传调控章节的讲解。问题一，什么是表观遗传学？回答这个问题旨在阐明表观遗传学的定义。表观遗传学（epigenetics）的概念最早由英国胚胎学家Conrad hal Waddington于1942年提出来，表述为“基因型和环境互作而导致的表型”。[3]后来，Robin holliday把表观遗传学定义为“对复杂生物体发育过程中基因活性时空调控机制的研究”。[4]2008年，在美国冷泉港实验室的一个会议上形成了今天的表观遗传学概念，即“研究不涉及DNA序列改变的基因表达的可遗传变化”。[2]这一概念强调了表观遗传的三个重要特征，即DNA序列不发生变化、基因表达和表型改变、可遗传。在讲解表观遗传学的概念时，应把表观遗传现象发现的进化意义加以介绍，以加深理解。法国博物学家Jean-Baptiste Lamarck 1809年在《动物学哲学》一书提出了“用进废退”和“获得性遗传”的进化理论，从而动摇了“神创论”和“物种不变论”，奠定了科学进化论的基础。然而，在达尔文的“自然选择”学说提出以后，拉马克的学说长期受到批判。而今天表观遗传现象在分子水平上的证实则为拉马克的学说提供了有力的证据。“获得性遗传”和“自然选择”学说并不是水火不容的，而是互为补充。因为DNA序列变化缓慢，而“获得性遗传”在短期内就可以发挥作用。
问题二，表观遗传是如何发挥作用的？回答这个问题旨在介绍表观遗传调控的机制。随着分子生物学的空前发展，多种表观遗传调控方式被发现，包括DNA甲基化（DNA methylation）、组蛋白乙酰化（histone acetylation）、组蛋白甲基化（histone methylation）、非编码RNA（non-coding RNA,ncRNA）调控以及染色质重塑（chromatin remodeling）等。其中，DNA甲基化是最早被发现的表观遗传修饰方式，也是研究最多、最深入的修饰方式。因此，DNA甲基化应作为重点进行讲解，内容包括DNA甲基化的机理、类型、在染色体上的分布、抑制基因转录的机理、DNA甲基转移酶、DNA去甲基化机理等等。核小体中核心组蛋白氨基端的赖氨酸残基可被组蛋白乙酰转移酶和去乙酰化酶修饰，添加或去除乙酰基团，称为组蛋白的乙酰化和去乙酰化。组蛋白乙酰化和去乙酰化是真核基因表达调控的重要环节，前者通过去除组蛋白氨基端的正电荷，减少了它与DNA的相互作用，使染色质松弛，促进基因转录，而后者的作用正好相反。除乙酰化外，组蛋白上的氨基酸残基还可以被甲基化修饰。组蛋白甲基化根据修饰的氨基酸不同对基因表达起不同的作用。比如，h3K4me3是转录活性区的标记，而h3K9me3则是异染色质化标记。以上三种修饰方式在讲解时可以通过相互比较而加深印象。ncRNA是指不编码蛋白质的RNA，主要包括rRNA、tRNA、snRNA等管家ncRNA和调控ncRNA。参与表观遗传调控的ncRNA主要包括长ncRNA（lncRNA）和短ncRNA（sncRNA），其中后者又包含miRNA（micro-RNA）、siRNA（small interfering RNA）和piRNA（piwi-interacting RNA）。ncRNA不仅直接参与表观遗传修饰的建立，还可能构成表观遗传信息跨代传递的物质基础。此外，染色质重塑因子通过驱动核小体在DNA上的滑动以及介导核小体中组蛋白变异体与经典组蛋白之间的置换，改变染色质结构，进而影响基因的表达状态。ncRNA和染色质重塑领域研究进展迅速，可结合最新文献进行讲解。
问题三，表观遗传调控为什么重要？回答这个问题旨在让学生认识表观遗传对于生物体生长发育以及疾病发生发展的重要影响。X染色体失活是生物体生长发育过程中表观遗传调控的典型例子。雌性哺乳动物细胞内有两条X染色体，而雄性只有一条。为了解决雌雄个体X染色体基因剂量上的差异，雌性细胞中一条X染色体在发育早期要随机失活。研究发现，X染色体上存在一个失活中心（X-chromosome inactivation center,Xic）,Xic位点含有一个重要的基因Xist（X-inactive specific transcript），转录产物为非编码RNA分子。有趣的是，Xist只在失活的X染色体上表达，而在有活性的X染色体上不表达，暗示该基因可能与X染色体失活有关。进一步分析发现，甲基化抑制了Xist的活性，而去甲基化激活Xist。Xist RNA与Xic位点相互作用，导致了X染色体失活。失活的X染色体上有高水平的DNA甲基化和组蛋白h3K9和h3K27甲基化。然而，失活的X染色体上并不是所有基因都不表达。有研究表明，人类X染色体上约1/4的基因能够逃脱失活。造成这种失活X染色体上基因逃脱的准确分子机制还不清楚，但沉默和逃脱区域可能具有不同的染色质标记。lncRNA可能参与这一过程。最新研究发现，X染色体失活不足可能是造成试管婴儿性别比例失衡（男孩多于女孩）的重要原因。研究人员发现小鼠体外受精胚胎X染色体失活不足导致雌性胚胎存在缺陷，不能正常发育。[5]在胚胎培养基中补充表观遗传调节物质维甲酸帮助恢复了小鼠体外受精后代的性别比例。此外，现已查明很多人类重大疾病如肿瘤、神经退行性疾病、自身免疫性疾病以及其他疾病如自闭症等与表观遗传调控密切相关。比如，X染色体的不对称失活导致携带突变等位基因的X染色体在多数细胞中具有活性，而引发多种疾病。[6]因此，阐明疾病发生的表观遗传调控机理对于疾病治疗和药物开发等均具有重要意义。
二 引人入胜的课程导入
表观遗传现象不能用经典遗传学解释，因而有点“奇怪”。表观遗传为什么怪？在课程导入阶段应充分激发学生的好奇心。将小鼠切去尾巴后交配得到的后代仍然是有尾巴的。同样的，因为意外而失去一只眼睛的人后代出生时不会少一只眼睛。这是因为个体虽然受伤，但细胞内的DNA序列并没有发生改变，因此产生的后代仍然是正常的。那么年轻人是否无论怎样胡乱生活，比如抽烟、酗酒、熬夜、暴饮暴食，只要不发生基因突变对后代就不会造成影响呢？2001年，瑞典科学家Lars Bygren发表了他对瑞典北部一个叫做诺伯顿地区人寿命的调查结果。诺伯顿位于北极圈内，气候极不稳定，有时候是丰年，有时候又会闹饥荒。他发现祖父辈如果在9-12岁之间有大吃大喝的经历，孙子辈患糖尿病的概率会大大增加，寿命也会缩短。而祖父辈如果在青春期挨饿，孙子辈则很少得心血管病。对祖母与孙女之间的研究也得到了相似的结果。这一研究揭示了个体在生长发育过程中获得的环境影响可以被传递给后代。另外，同卵双胞胎DNA序列完全一样，但由于后天生活方式的不同造成两个个体健康状况迥异。在日常生活中，抽烟的爸爸子女肥胖的概率大大增加，而贪吃的妈妈后代肥胖和患糖尿病的概率也会增加。在这些现象背后，DNA序列本身没有发生变化，而最终的表型却变了。造成这些现象的原因就是表观遗传调控！
三 多种教学方法的运用
（一）探究式教学法
为培养学生的逻辑思维能力和科学素养，我们采用探究式教学法，利用英文文献进行相关内容的讲解，带领学生探究实验的方法、结果和结论。比如，在讲解DNA甲基化在染色体上的分布及其对基因表达的作用时，我们参考了2015年发表在Scientific Reports杂志上的一篇论文“Divergent DNA methylation patterns associated with gene expression in rice cultivars with contrasting drought and salinity stress response”。[7]该论文利用全基因组重亚硫酸盐测序和转录组测序等方法，对三个具有不同非生物胁迫抗性的水稻品种进行研究，分析了DNA甲基化和基因表达之间的关系及其在水稻非生物胁迫适应中的可能作用。如何检测DNA甲基化呢？我们首先介绍了重亚硫酸盐测序的基本原理。利用该方法，作者发现在三个品种的不同染色体上，甲基化胞嘧啶均在着丝粒附近密度最高，而着丝粒又富含转座子元件，因而可以得出结论：在染色体水平上，DNA甲基化在着丝粒附近水平最高，而在基因水平上则覆盖了转座子等的编码区。那么DNA甲基化对基因表达有什么影响呢？我们首先介绍了转录组测序的基本原理。利用该方法，作者研究了DNA甲基化和基因表达水平之间的关系。他们发现DNA甲基化水平高的区域基因表达均被下调，反之则基因表达被上调，说明DNA甲基化能关闭基因的表达。不同品种之间也鉴定出了大量的差异甲基化区域，其中很多与非生物胁迫响应基因的差异表达有关。此外，在讲解组蛋白甲基化时介绍文献“Vernalization requires epigenetic silencing of FLC by histone methylation”。[8]
（二）启发式教学法
启发式教学法是指运用多种方法和形式，引导启发学生进行对比、联想和思考，从而掌握知识的教学方法。[9]为使学生充分理解表观遗传学和经典遗传学的差异，我们把染色体DNA比喻为一本书，书中的文字信息就好比核苷酸碱基序列，携带了我们生老病死的全部奥秘。然而，打开书中的哪一页，让哪一页的信息表达出来则是由书上的书签决定的。而表观遗传修饰就是这样的书签。为使学生对表观遗传修饰形成直观的印象，我们通过视频生动展示染色质中DNA和核小体组蛋白上的各种修饰，以及他们对基因表达和染色质结构变化的作用。此外，在课程结尾我们进一步通过两个问题进行启发。首先，表观修饰异常与人类的重大疾病密切相关，那么导致不同疾病发生的准确表观遗传机理是什么？其次，在配子形成过程中以及胚胎发育早期细胞要经历两次表观修饰的重编程，把父母的记忆抹去，那么部分表观遗传标记又是如何逃脱重编程并传递给后代的呢？这两个问题还远远没有得到解决，因而鼓励学生将来深入探究这些问题背后的机理，培养科学精神，并树立“研究表观遗传机理、服务人类健康”的理想信念。最后，根据表观遗传学的原理，非DNA序列改变导致的异常或疾病也能跨代遗传。因此，我们鼓励学生养成良好的生活习惯，对自身和后代的健康负责。
四 结语
表观遗传调控是分子生物学的研究热点，知识更新速度快。它不同于经典的遗传学，是由DNA序列之外的遗传信息所决定的。表观遗传学发现使人们能够更全面地理解基因型、环境与表型之间的关系，并对“中心法则”中未涉及到的两个问题进行了很好的补充：一是哪些因素影响了基因的正常表达；二是除核酸序列外是否存在其他遗传信息存储的载体。[6]为使学生充分认识表观遗传学的概念、机理和研究意义，教师应充分激发学生的学习兴趣，利用探究式教学、启发式教学等方法，结合多媒体手段，“循循善诱”，带领学生步入表观遗传知识的殿堂。我们在授课过程中，从问题开始，以问题结束，收到了良好的教学效果，培养了学生养成健康生活习惯的意识，并树立服务人类健康的价值观。
参考文献
[1]朱玉贤,李毅,郑晓峰,等.现代分子生物学（第4版）[M].北京:高等教育出版社,2013.
[2]Dupont C,Armant D R,Brenner C A.Epigenetics:definition,mechanisms and clinical perspective[J].Semin Reprod Med,2009,27(5):351-357.
[3]Waddington C h.Canalization of development and the inheritance of acquired characters[J].Nature,1942,150(3811):563-565.
[4]holliday R.DNA methylation and epigenetic inheritance[J].Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci,1990,326(1235):329-338.
[5]Tan K,An L,Miao K,et al.Impaired imprinted X chromosome inactivation is responsible for the skewed sex ratio following in vitro fertilization[J].Proc Natl Acad Sci u S A,2016,113(12):3197-3202.
[6]张永彪,褚嘉祐.表观遗传学与人类疾病的研究进展[J].遗传,2005,27(3):466-472.
[7]garg R,Narayana Chevala V,Shankar R,et al.Divergent DNA methylation patterns associated with gene expression in rice cultivars with contrasting drought and salinity stress response[J].Sci Rep,2015,5:14922.
[8]Bastow R,Mylne J S,Lister C,et al.Vernalization requires epigenetic silencing of FLC by histone methylation[J].Nature,2004,427(6970):164-167.
[9]高清松,纪剑辉,周颖君.分子生物学课程教学改革探索[J].安徽农业科学,2015,43(26):382-383,385.
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