备课素材：可能考到的试题情境：适应性进化与表观遗传学-2024-2025学年高一下学期生物人教版必修2

可能考到的试题情境：适应性进化与表观遗传学 目前，对于“表观遗传学”这一术语应如何定义尚无共识，而且从历史上看，该术语有不同的含义。如今，表观遗传学这一术语通常用于指由染色质修饰而非 DNA 序列变化引起的转录遗传变化。从进化的角度来看，这个定义并不令人满意，因为那些可遗传但不影响转录(即功能上是中性的)的染色质变化将不在此定义范围内。此外，虽然一些可遗传的 RNA 分子通常被认为具有表观遗传作用，但在这些分子不参与植物的 RNA 指导的 DNA 甲基化途径的情况下，它们是否会影响染色质尚不清楚。 任何类型的变化要对进化产生影响，都必须是可遗传的，但并不要求所有后代都能完全继承。DNA 甲基化在细胞分裂过程中的遗传和机制已得到充分证实。虽然早期人们认为，大多数(如果不是全部)DNA 甲基化变化会在生殖系中重置，但现在很清楚并非所有变化都会重置。此外，有一些证据表明，某些残基上的组蛋白甲基化具有有限的遗传性，特别是组蛋白 3 赖氨酸 9 和组蛋白 3 赖氨酸 27 的甲基化，也许还有组蛋白 3 赖氨酸 4 的甲基化，因为破坏这一标记会导致跨代效应。在果蝇中，某些组蛋白修饰似乎是对饮食产生跨代反应所必需的。应该指出的是，虽然可能存在大量的组蛋白修饰，但只有少数有遗传的证据。此外，已经证实，在某些情况下，表观遗传继承是由 RNA 分子介导的。 为了使表观遗传变化在适应性进化中发挥作用，它们必须影响表型，并且至少部分独立于基因组。表观遗传变化通过基因表达的改变对表型产生影响。虽然转录因子最终控制着转录过程，但某些染色质修饰可以阻止转录因子的结合，从而抑制转录本身。此外，大部分染色质修饰受基因组环境的影响，而许多其他修饰的功能尚不清楚。从进化的角度来看，最有趣的表观遗传标记和基因组位置是那些即使DNA序列保持不变，表观遗传状态仍可能存在变异的位置。无论分子机制如何，可区分出两种不同类型的表观遗传变异，它们对适应性进化有不同的影响:(1)由环境诱导的可遗传表观遗传变化；(2)自发的表观遗传变化。 诱导性表观遗传变化 在生态和进化文献中，已有研究证实亲代所经历的环境会影响子代的表型。这些影响被称为母系、父系和跨代效应，已在动物、植物和真菌中观察到。亲代效应可通过多种机制介导，例如母体对卵的投入。然而，在某些情况下，跨代效应是由表观遗传机制介导的。暴露于某些化学物质或环境条件，如食草动物或病原体，可导致表观遗传变化，并由后代继承。在植物中，子代防御机制的诱导与表观遗传机制有关；对食草动物和病原体的反应分别需要小RNA和特定的RNA指导的甲基化途径。最近，维博沃等人在拟南芥中发现了对盐胁迫的跨代反应，如果母本植物经历过盐胁迫，其子代在盐胁迫下的存活率会提高。这种跨代反应是由通过种子传递的DNA甲基化变化介导的，但花粉不会传递这种变化，因为高DNA糖基化酶活性会重置甲基化标记。在果蝇中，父本的饮食会影响子代的甘油三酯含量，这种反应依赖于组蛋白H3第9位和第27位赖氨酸的甲基化。 然而，应该强调的是，最终产生表型可塑性的是遗传程序本身，而表观遗传变化是实现表型可塑性的一种机制。跨代反应的调控受遗传控制，表观遗传标记的重置是一个主动过程。虽然在许多情况下，尚不清楚跨代反应是否具有适应性以及如何适应，但这种机制不太可能仅通过中性过程进化而来。 早期的建模研究表明，跨代遗传在短时间尺度内波动的环境中更受青睐。然而，最近的研究表明，表观遗传标记的跨代遗传在相对于世代时间变化缓慢且环境线索预测能力较差的环境中更受青睐。类似的研究还表明，较长时间尺度的波动有利于跨代遗传，而短时间波动的环境则不然。早期和后期模型的差异可归因于模型允许可塑性和遗传如何进化。需要注意的是，这与一代内发生的表型可塑性进化不同。关于模型及其参数，有许多问题需要考虑，例如表观遗传效应的稳定性以及与表观遗传标记及其重置相关的可能成本。允许可塑性及其遗传在不同环境变化下自由进化的建模框架，为解决剩余问题提供了一种途径，就像研究表型可塑性或风险分散进化的条件那样。 另一个问题涉及表型可塑性的表观遗传调控如何影响适应性进化。假设一个种群面临着巨大且持久的环境变化，需要做出进化响应。我们知道，表型可塑性可以通过维持较大的种群规模来加速适应过程，从而保持较高的突变供应和可供选择作用的表型变异量。表型可塑性还可以通过使种群更接近新的最优状态来加速适应过程，这样种群就可以从更接近新最优状态的位置开始适应。这种现象被称为鲍德温效应。如果母体和后代的表型之间存在正协方差，并且该表型具有适应性，那么母体效应也可以以类似的方式发挥作用。该理论得到了一些实验的支持，因为具有可塑性的基因型往往适应得更快。 虽然诱导的表观遗传变化可能是对环境波动的一种适应，并且可能通过表型可塑性间接影响适应性进化，但它们最终由遗传程序控制，因此取决于生物体当前的能力。表观遗传变化本身并不直接导致适应，但可以作为介导适应的机制。在接下来的部分，我将讨论与适合度相关的随机表观遗传变化，这些变化可能具有直接的适应性。 自发表观遗传变异 所有的遗传变异都是由随机突变产生的。然而，并非所有的突变发生的可能性都相同，也并非所有的表型效应出现的可能性都相同。不过，突变相对于适合度而言是随机的，数十年的研究支持了突变随机发生的观点。基因突变是由于DNA复制过程中的错误产生的，因为没有任何生化系统是完全无误差的。类似地，自发的表观遗传变化或表观突变可能是由于表观遗传标记在基因组内的复制、删除或传播过程中出现错误而发生的。例如，基因启动子的甲基化或去甲基化可能是由于表观遗传标记传播过程中的随机变化导致的。表观遗传标记经历类似于DNA的随机变化的最有力证据来自突变积累实验。在这些实验中，最初的克隆系经过多代繁殖，使得自然选择的效率大大降低，从而允许即使是轻微有害的突变也能积累。这类实验已被用于研究基因突变率，但也可用于研究表观遗传变化。在拟南芥(Arabidopsis thaliana)中已经进行了这样的研究，研究人员在突变积累系中检测了DNA甲基化的变化。这些研究揭示，自发的DNA甲基化增加和减少在整个基因组中都会发生，其速度比基因突变率快一个数量级，特别是在甲基化减少或逆转方面。遗憾的是，尚未通过类似的实验研究动物的表观基因突变率，但体细胞DNA甲基化的变化显示出类似的模式。同样，对人类双胞胎的测量表明，DNA甲基化模式会随着时间的推移而出现差异。基因突变的逆转率通常非常低，在进化模型中实际上可以忽略不计；但表观遗传变化并非如此。可以培育出在遗传上几乎相同，但DNA甲基化变异是人为诱导产生的拟南芥品系。其中一些甲基化变化以稳定的方式分离，研究表明，表观遗传变异可以在很大程度上导致表型变异，并且表观数量性状位点(epiQTLs)足够稳定，可以成为选择的对象。 自发表观遗传变异的证据也来自自然表观遗传变异体或表观等位基因。这些等位基因具有相同的DNA序列，但其中一个具有不同的表观遗传状态。大多数自然发生的表观等位基因实例可以在植物中找到。突出的例子包括影响花形态的柳穿鱼(toadflax)环化基因(cycloidea gene)中的一个表观等位基因，其中该基因的甲基化等位基因被沉默。另一个例子是影响番茄果实成熟的Cnr基因座，其中一个Cnr等位基因的启动子被甲基化。在水稻中，矮化基因1(DWARF1)的一个表观等位基因导致植株矮小，该表观等位基因通过DNA甲基化和抑制性染色质标记被沉默。矮化基因1(DWARF1)表观等位基因不稳定，正向突变率为0.04，反向突变率为0.008，如果考虑嵌合体个体，这些比率甚至更高。此外，柳穿鱼环化等位基因和番茄等位基因表现出一些体细胞不稳定性。在大麦中，cly1基因的一个表观等位基因负责小花闭合。除植物外，在其他生物中也观察到了表观等位基因。例如，在真菌卷枝毛霉(Mucor circinelloides)中，依赖RNA干扰的表观突变可以赋予对一种杀菌剂的抗性，在植物病原体大豆疫霉(Phytophora sojae)中，小RNA以非孟德尔方式在世代间沉默一个基因。 前面的例子涉及最初通过表型鉴定的等位基因。当检查表观遗传标记本身(如DNA甲基化)的变异时，揭示了更多的例子。劳里亚(Lauria)等人研究了几个玉米自交系中DNA甲基化的变异，结果表明12%的多态性是减数分裂遗传的，并且新的多态性以相当可观的速率出现。雷古尔斯基(Regulski)等人也观察到了玉米中减数分裂稳定的表观等位基因，他们还观察到一些表观等位基因具有类似副突变的行为。在一项大豆图谱研究中，许多但并非所有的甲基化区域都与遗传变异体相关。在异交物种中，很难将表观遗传变异和遗传变异分开，但在自交物种或遗传变异非常低的物种中，表观遗传变异很常见。在拟南芥中，已经观察到甲基化模式的广泛变异，并且在无融合生殖的蒲公英中，DNA甲基化的变异很常见，虽然其中大部分与遗传变异相关，但有些似乎是独立的。在一种无性繁殖的鱼类中，DNA甲基化的变异似乎是唯一的变异来源。此外，在盐沼环境中的植物中，表观遗传变异似乎与环境相关，但与遗传变异无关。 虽然毫无疑问DNA甲基化中存在自发表观遗传变异，但一个重要的问题是，观察到的DNA甲基化变异中有多少是受遗传控制的，有多少是自发表观遗传变异。当然，只有某些核苷酸可以被甲基化，在这里所说的遗传控制是指顺式()或反式的遗传变异体决定了所讨论基因座的甲基化状态。最近对拟南芥的高分辨率研究表明，DNA甲基化的大部分变异可以用遗传变异体来解释，而环境影响很小。人类细胞系中的基因表达研究表明，大多数等位基因特异性表达模式与遗传变异体相关，双胞胎研究表明，DNA甲基化差异主要受遗传控制。这表明功能性表观遗传变异在人类中很少见。然而，在中遗传变异体控制甲基化的情况下，很难确定连锁的遗传变异体是否是原因，因为甲基化变化可能与附近的遗传变异体处于强烈的连锁不平衡状态。 除DNA甲基化之外，对染色质标记自然变异的研究尚处于早期探索阶段。对人类细胞系的开创性研究表明，个体之间存在变异，并且染色质标记的变异是由遗传多态性引起的。当在其他物种中进行此类研究时，将揭示遗传控制是否是普遍现象。在酵母中，对组蛋白修饰的初步研究表明，许多染色质标记在一定程度上存在共变，但这种共变并不完全，因为它们也会独立变化。酵母中这些表观遗传变化的遗传控制仍是一个悬而未决的问题。最近一项关于寄生蠕虫曼氏血吸虫(Schistosoma monsoni)表观遗传变化的研究发现，组蛋白修饰既有环境诱导的变化，也有自发的变化。在大约一半的案例中，自发的组蛋白修饰是有丝分裂遗传的。虽然人们对DNA甲基化的自然变异了解得更多，但观察其他染色质标记的自发变异在非人类生物中是否更常见将是一件有趣的事情。 尽管围绕自发表观遗传变化存在许多未解决的问题，但很明显，表观遗传变异，尤其是DNA甲基化，满足了受选择作用并促成进化的标准。表观遗传变异似乎具有与遗传变异不同的特性，接下来我将探讨这些差异如何影响适应。 学科网（北京）股份有限公司 $$