2.3 表观遗传及其作用机制课件2025-2026学年高一下学期生物苏教版必修2

某基因 --ATGCATGCAT…… CCATGCTAGCCA …… TCCCTAAGGATAG CCATCCCAGATG …… CATGCATCCATGC--- --TACGTACGTA ……GGTACGATCGGT…… AGGGATTCCTATC GGTAGGGTCTAC …… GTACGTAGGTACG--- 对应的mRNA 转录 翻译 蛋白质 酶 代谢 性状 性状 结构 细胞分化的本质就是 基因的选择性表达 追问：基因在何时表达？在什么细胞中表达？表达水平的高低是如何调节的？ 表观遗传是一种非常重要的基因表达调控手段，什么是表观遗传？它调控基因表达的机理是什么呢？ 1 【任务一】柳穿鱼花的形态结构和小鼠毛色的的遗传 分析下列资料，回答相关问题 资料1 柳穿鱼是一种园林花卉。下图所示的两株柳穿鱼，除了花的形态结构不同，其他方面基本相同。 ➡柳穿鱼花的形态结构与Lcyc基因的表达直接相关。 2 Lcyc基因的序列相同 ➡植株A的Lcyc基因在开花时 ，花形态为两侧对称； ➡植株B被高度 ，Lcyc基因 ，花形态为辐射对称。 【任务一】柳穿鱼花的形态结构和小鼠毛色的的遗传 表达 不表达 高度甲基化 Lcyc基因 Lcyc基因 甲基化 Lcyc基因 Lcyc基因 3 DNA甲基化: 在DNA甲基转移酶作用下，DNA分子特定碱基序列中的胞嘧啶，被选择性地添加了甲基，形成5-甲基胞嘧啶。 DNA甲基转移酶 【任务一】柳穿鱼花的形态结构和小鼠毛色的的遗传 DNA甲基化示意图 抑制转录 Lcyc基因 Lcyc基因 甲基化程度低 开花时 Lcyc基因表达 Lcyc基因 Lcyc基因 甲基化程度高 开花时 Lcyc基因不表达 植株A 植株B 碱基序列相同 甲基化程度不同 表达情况 不同 花的形态不同 DNA甲基化示意图 抑制转录 【任务一】柳穿鱼花的形态结构和小鼠毛色的的遗传 植株A Lcyc基因 Lcyc基因 Lcyc基因 Lcyc基因 Lcyc基因 Lcyc基因 植株B Lcyc基因能表达，表现为显性 × P F1 F2 绝大部分植株的花与植株A相似 少部分植株的花与植株B相似 【任务一】柳穿鱼花的形态结构和小鼠毛色的的遗传 6 未甲基化修饰 甲基化修饰 Lcyc基因 Lcyc基因 Lcyc基因 Lcyc基因 【思考】①两种基因的碱基序列有没有改变？ 没有 ②DNA甲基化可以遗传吗？ 可以，柳穿鱼花的实验可以证明 碱基序列没有发生变化 部分碱基发生了甲基化修饰 基因的表达 表型 可遗传，并影响后代表现 抑制 影响 资料2 某种实验小鼠的毛色受一对等位基因Avy和a的控制，Avy为显性基因，表现为黄色体毛，a为隐性基因，表现为黑色体毛。 × 【任务一】柳穿鱼花的形态结构和小鼠毛色的的遗传 介于黄色和黑色之间的一系列过渡类型 Avy a Avy Avy aa 思考：根据经典遗传学，基因型为AvyAvy（黄色）和aa（黑色）的小鼠杂交，其后代基因型如何？表现型如何？ 根据经典遗传学，子代小鼠的基因型应该都为Avya，为何会出现不同毛色？ 8 在Avy 基因的前端(或称上游)有一段特殊的碱基序列决定着该基因的表达水平，这段碱基序列具有多个可发生DNA甲基化修饰的位点。 当这些位点未甲基化时，Avy基因正常表达，小鼠表现为 ；当这些位点后 ，Avy基因的表达就受到 。 甲基化程度 ，Avy基因的表达受到的抑制越明显，小鼠体毛的颜色就 。 【任务一】柳穿鱼花的形态结构和小鼠毛色的的遗传 黄色 甲基化 抑制 越高 越深 9 总结： 资料1和资料2展示的遗传现象有什么共同点？ ①资料1和资料2展示的遗传现象都表现为基因的碱基序列 ,但部分碱基发生了 修饰,抑制了基因的表达,进而对表型产生影响。 ②这种DNA甲基化修饰可以 给后代,使后代出现同样的表型。 【任务一】柳穿鱼花的形态结构和小鼠毛色的的遗传 保持不变 甲基化 遗传 柳穿鱼Lcyc基因 小鼠 Avy基因 碱基序列没有变化 部分碱基发生了甲基化修饰 抑制了基因的表达 表型产生影响 可传给后代 表型传给后代 10 生物体基因的 保持不变，但 和 发生可遗传变化的现象。 1、概念 2、特点 ②不变性：基因的碱基序列保持　　　　。 ①可遗传性: 和　　　可以遗传给后代。 ③可逆性:DNA的甲基化修饰可以发生可逆性变化，即被修饰的DNA可以发生去甲基化。如甲基化时，可影响基因的表达；去甲基化时，可恢复基因的表达。 【任务二】表观遗传 不变 基因表达 表型 碱基序列 基因表达 表型 发生时期： 普遍存在于生物体的生长、发育和衰老的整个生命活动过程中。 11 ①基因组成相同的同卵双胞胎所具有 的微小差异就与表观遗传有关 ②一个蜂群中，蜂王和工蜂都是由受精卵发育而来的，但它们在形态、结构、生理和行为等方面截然不同，表观遗传也在其中发挥了重要作用。 3、实例 持续吃蜂王浆 幼虫期只吃 三天蜂王浆 蜂王 工蜂 (1) DNA甲基化：指在DNA碱基上增加甲基基团的化学修饰，DNA甲基化会阻碍 的结合，进而 基因的 过程。 抑制 转录 RNA聚合酶与启动子 【任务二】表观遗传 4、常见的调控机制 通常是胞嘧啶发生甲基化修饰 甲基化通常是抑制基因表达 (2) 组蛋白修饰： ①组蛋白乙酰化:一般与基因转录 相关，而组蛋白去乙酰化则与基因沉默相关。 【任务二】表观遗传 4、常见的调控机制 激活 (2) 组蛋白修饰： ②组蛋白甲基化:既与基因的 相关，又与 相关，这取决于被修饰的氨基酸残基所处的位置、被修饰的程度，以及甲基转移酶的性质。 转录抑制 转录激活 【任务二】表观遗传 4、常见的调控机制 (3) RNA干扰： 机制：miRNA与 互补结合，导致靶mRNA 被抑制，或靶mRNA被 。最终导致 。 靶基因mRNA 翻译 降解 基因表达沉默 【任务二】表观遗传 4、常见的调控机制 DNA mRNA 蛋白质 miRNA 阻止翻译(抑制基因表达) DNA甲基化 组蛋白修饰 RNA干扰（抑制翻译） 例题：某种蜜蜂的蜂王和工蜂具有相同的基因组。雌性工蜂幼虫主要食物是花蜜和花粉，若喂食蜂王浆，也能发育成为蜂王。利用分子生物学技术降低DNA甲基化酶的表达后，即使一直喂食花蜜花粉，雌性工蜂幼虫也会发育成蜂王。下列推测正确的是(　 　) A.花蜜花粉可降低幼虫发育过程中DNA的甲基化 B.蜂王DNA的甲基化程度高于工蜂 C.蜂王浆可以提高蜜蜂DNA的甲基化程度 D.DNA的低甲基化是蜂王发育的重要条件 答案：D 【注意】①表观遗传中，基因的遗传遵循孟德尔遗传规律，但对基因修饰之后所表现出来的性状可能不遵循孟德尔遗传规律。 ②生物体内有甲基化、去甲基化的一套机制，甲基化可擦除、可重建。 基因 RNA 蛋白质 复制 DNA 转录 翻译 选择性表达 体现 性状 调控 表观遗传 改变 环境 包括父母的精神生活、习惯和环境的改变而引起的身体状况变化，并通过某种途径遗传给了后代 有哪些因素会影响表观遗传? 【任务二】表观遗传 18 有研究表明：吸烟会使人的体细胞内DNA的甲基化水平升高，对染色体上的组蛋白也会产生影响。不仅如此，还有研究发现男性吸烟者的精子活力下降，精子中DNA的甲基化水平明显升高。 环境 DNA甲基化 诱发 思考：表观遗传调控机制对我们的生活有什么启示？ 养成良好的饮食习惯、健康的生活方式 【任务二】表观遗传 19 【拓展】乳糖操纵子 大肠杆菌乳糖操纵子包括4类基因/元件：①结构基因、②启动子、③操纵子、④调节基因，其中结构基因能通过转录、翻译使细胞产生一定的酶系统和结构蛋白。乳糖操纵子的3个结构基因：lacZ、lacY、lacA，分别产生图2中相对应的酶，而结构基因的上游有3个对结构基因起调控作用的序列，其中启动子P启动转录；操纵子O起着“开关”的作用，调控结构基因表达；调节基因(lacI)能够调节操纵子状态，从而对“开关”起着控制作用。在只含葡萄糖或乳糖条件下基因表达如图1和图2： 图1　只含葡萄糖条件下的基因表达 图2　只含乳糖条件下的基因表达 回答问题： （1）在只含葡萄糖条件下，阻遏蛋白会与操纵子结合，阻碍 与启动子P结合，在____水平上抑制结构基因的表达。 （2）在只含乳糖条件下，乳糖异构物与阻遏蛋白结合而使后者失活，造成__ __，可使结构基因____(填“表达”或“不表达”)。 （3）写出图中①-④的名称、发生的场所、所需的酶。 图1　只含葡萄糖条件下的基因表达 图2　只含乳糖条件下的基因表达 RNA聚合酶 转录 阻遏蛋白与操纵子不能结合 表达 ①③转录，拟核，RNA聚合酶，②④翻译，细胞质基质，多种酶 提示：翅的发育是否经过酶催化的反应？ 酶与温度的关系是怎样的？ 这个实验说明基因与性状的关系是怎样的？ 正常培养温度25℃下刚孵化的残翅果蝇幼虫 31℃培养 翅长接近正常的果蝇 残翅果蝇 25℃下培养 它们产生的后代 果蝇翅的发育需要经过酶催化的反应，而酶是在基因控制下合成的，酶的活性受温度、pH等条件的影响。 思维训练:请针对出现残翅果蝇的原因提出假说，进行解释 提出假说：（1）翅的发育需要经过酶催化的反应 （2）酶是在基因指导下合成的 （3）酶的活性受温度、pH等条件影响。 【任务二】表观遗传 一般来说，性状是基因和环境共同作用的结果 思维训练:请针对出现残翅果蝇的原因提出假说，进行解释 正常培养温度25℃下刚孵化的残翅果蝇幼虫 31℃培养 翅长接近正常的果蝇 残翅果蝇 25℃下培养 它们产生的后代 果蝇翅的发育需要经过酶催化的反应，而酶是在基因控制下合成的，酶的活性受温度、pH等条件的影响。 基因与基因、基因与基因表达产物、基因与环境之间存在复杂的相互作用，这种相互作用形成了一个错踪复杂的网络，精细地调控着生物体的性状。 基因表达与性状的关系 基因表达产物与性状的关系 课堂小结 基因的选择性表达与细胞分化 表观遗传 基因通过控制酶的合成来控制代谢过程，进而控制生物体的性状。 基因还能通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状。 表达的基因的种类: 管家基因 奢侈基因 细胞分化的本质: 基因的选择性表达 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。 (1)概念: (2)特点: ③DNA碱基序列不发生改变。 ①可遗传性 ②可逆性的基因表达 (3)常见的调控机制: ① DNA甲基化修饰 ③组蛋白甲基化 ④组蛋白乙酰化 ②非编码RNA干扰 24 DNA mRNA 蛋白质 性状 转录 翻译 体现 经典遗传 表观遗传 碱基序列不变，引起的性状变化可遗传 仅由环境变化引起的性状变化，不可遗传 碱基序列改变，引起的性状变化可遗传 环境 经典遗传 表观遗传 可通过改变遗传物质而影响性状 可通过表观遗传影响基因的表达 基因、环境与性状的关系 随堂检测 1.判断： （1）DNA甲基化改变基因碱基序列。（ ） （2）原核细胞存在染色质修饰类表观遗传（ ） （3）表观遗传不遵循孟德尔遗传规律（ ） （4）表观遗传不改变基因的碱基序列，不能遗传给后代（ ） （5）组蛋白的甲基化、乙酰化等修饰也会影响基因的表达（ ） （6）DNA甲基化对细胞的结构和功能没有影响（ ） （7）人们的生活习惯不会改变DNA甲基化的程度（ ） √ X X √ X X X 2．某基因在表达过程中，其mRNA需要被甲基化修饰且与蛋白Y结合后才能正常表达，否则其mRNA将被降解。下列叙述错误的是（　　） A．RNA聚合酶识别并结合DNA中的启动子解开双螺旋 B．多个核糖体沿着mRNA的5'→3'方向移动加快翻译效率 C．mRNA的甲基化改变碱基排列顺序从而抑制基因表达 D．蛋白Y可在翻译水平上调控基因的表达 C 甲基化是表观遗传的一种，表观遗传不改变基因的碱基序列 27 3．下列有关表观遗传的叙述，错误的是（    ） A．表观遗传在一定的条件下才能遗传给后代 B．基因中碱基甲基化不会改变基因中核苷酸的排列顺序 C．若双链DNA中甲基化的C占20%，则单链中T占比不超过60% D．启动子甲基化可能影响RNA聚合酶对其识别，从而直接影响翻译 D 直接影响的是转录过程 28 $