蜂王的分化发育与表观遗传*

王华峰 任铎锋 刘 玲

（1 山西师范大学生命科学学院与现代文理学院 山西临汾 041000 2 太原市实验中学 山西太原 030002 3 临汾同盛实验中学 山西临汾 041000）

最近不少高中生物学教师咨询表观遗传方面的知识，在新一轮高中生物学教材修订中，表观遗传被纳入颁布的新课程标准中。 本文从侧面简单介绍表观遗传的一些基本原理与知识，希望借此帮助广大高中生物学教师学习理解表观遗传。

1 蜂王浆的持续喂食导致蜂王的分化发育

蜜蜂的蜂王与工蜂都是由基因型相同的雌蜂幼虫发育而来，但二者之间存在着巨大的表型差异。 蜂王的体积是工蜂的2 倍，寿命更长，能够繁育下一代；工蜂则体积娇小，成日辛勤工作，采集花粉、建设住宅与饲养幼蜂，且寿命很短，不能繁育下一代。

蜂王与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，这些幼虫将发育成长为蜂王；其他幼虫则被停止喂食蜂王浆，改为喂食花粉和花蜜，这些幼虫将发育成长为工蜂（图1）。

图1 雌蜂幼虫的发育分化

蜜蜂的雌幼虫期是否喂食蜂王浆，导致其发育命运出现天壤之别。

2 蜂王的分化发育是一种表观遗传现象

表观遗传是指DNA 序列不发生变化，但基因表达却发生了稳定的改变，最终导致表型的稳定差异［1］。 遗传背景相同的蜜蜂在发育过程中，由于后天抚育条件的不同，造成基因表达模式出现了差异，最终导致表型的稳定差异。 其情形非常类似于表观遗传现象，因此研究者推测一定会有表观遗传机制参与其中。表观遗传机制涉及DNA 甲基化、组蛋白修饰、染色质重构和非编码RNA 的调控等，其中研究得最清楚的也是最重要的表观遗传修饰形式是DNA 甲基化［1］。 甲基化是指将活性甲基化合物（如S 腺苷基甲硫氨酸）的甲基催化转移到其他化合物（如DNA）的过程［2］。 DNA 甲基化一般发生在CpG 位点（胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤位点，即DNA序列中胞嘧啶后紧连鸟嘌呤的位点）。 1989年，英国生物学家霍利迪发表了题为DNA methylation and epigenetic mechanisms（DNA 甲基化与表观遗传机制）的论文［3］，第1 次明确地提出了DNA 的甲基化修饰可以稳定地控制基因表达与否，是基因选择性表达的重要机制之一。 2006年，蜜蜂基因组测序协作组报道了蜜蜂（Apis mellifera） 的基因组序列［4］，同时他们还发现蜜蜂基因组中广泛存在着CpG 位点的DNA 甲基化，并断定蜜蜂的发育分化与这些DNA 甲基化密切相关［5］。

早在昆虫发育研究之前，在哺乳动物发育研究中，研究者就发现环境因素诸如饮食可以通过影响DNA 甲基化、 组蛋白乙酰化等表观遗传修饰，改变生物基因组的表观遗传状态，影响基因表达，导致生物性状出现差异［6-7］。随后在蜜蜂的研究中，研究者发现蜂王与工蜂的基因组DNA 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［8］。进一步的研究还证实，这种区别与蜜蜂幼虫是否喂食蜂王浆密切相关：与对照相比，喂食蜂王浆的蜜蜂幼虫，其基因组甲基化程度低，将来发育成蜂王［9］（图2）。

图2 DNA 甲基化与蜜蜂的发育分化密切相关

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（英文简称为Dnmt），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Dnmt1、Dnmt2 与Dnmt3。 其中，Dnmt3 被证实是蜜蜂基因组甲基化的主要参与者［5］。 通过RNA 干涉的分子生物学手段，在幼虫时期人为地将Dnmt3的基因表达水平敲低，使得雌蜂幼虫表观遗传酶（Dnmt3）的功能发挥遭到破坏性抑制干预，则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；相比之下，Dnmt3 功能缺陷的雌蜂幼虫发育成蜂王［8］（图3）。 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。

图3 雌蜂幼虫表观遗传酶Dnmt3 的破坏，导致雌幼虫向蜂王发育分化

从上述结果，人们很自然地可以推断：蜂王浆饮食之所以能够影响蜜蜂的分化发育，其原因可能是蜂王浆能够影响关键表观遗传酶基因（如图2、图3 中的dnmt3）的表达。 事实上的确如此，2011年，来自我国江西农大的一篇研究报道，证实蜂王浆的处理可降低蜂王细胞中dnmt3基因的表达水平［10］。 之后，他们通过对蜂王浆成分的分析研究发现： 蜂王浆中含有一种被称为10-羟基-2-癸烯酸（或称为“蜂王酸”，英文简称为10HDA）的成分［11］，可以控制关键表观遗传酶基因的表达，进而影响蜂王分化发育相关基因的甲基化修饰特征，从而使得基因表达模式朝着蜂王方向定向发育。

3 小结与展望

表观遗传变异不涉及DNA 序列的改变，但基因表达却发生了可遗传的稳定改变。 这种改变是细胞内除了遗传信息以外的其他可遗传物质发生的改变，且这种改变在发育和体细胞增殖过程中能稳定传递［12］。 基因表达模式的稳定改变涉及DNA 序列的修饰，本文中蜂王分化的例子中，后天喂食条件的不同，可导致具有相同遗传背景（DNA 序列相同）的雌蜂幼虫个体间的基因表达模式（DNA 序列修饰的不同）出现差异，从而导致雌蜂成虫最终表型（蜂王/工蜂）的差异。与传统遗传相比，表观遗传告诉我们，基因的表达与否，不仅取决于基因序列中信息的正确/缺失与否，而且还取决于基因的修饰状态。 DNA 甲基化是最早被发现的表观遗传调控方式，DNA 甲基化能引起染色体结构、DNA 与蛋白质相互作用方式的改变，从而抑制基因表达，甲基化程度降低使基因表达增强。越来越多的研究发现DNA 甲基化不仅参与人类发育，而且还和许多疾病（例如肿瘤）的发生发展有着密切关系，特别是CpG 岛甲基化所致抑癌基因转录失活问题，DNA 甲基化已经成为表观遗传学和表观基因组学的重要研究内容。