第4讲典型环境污染物的表观遗传效应学

第一篇：第4讲典型环境污染物的表观遗传效应学

典型环境污染物的表观遗传效应

浙江大学

金永堂

随着人类社会城镇化和工业化程度的逐步提高，人类环境污染及其健康效应日益引起人们关注。大气、水体、土壤及食物等污染严重威胁着人类健康，导致免疫、神经、呼吸等多个系统的疾病危险性增加，尤其与心脑血管疾病、糖尿病及癌症等复杂疾病的发生密切相关。人们不仅从分子生物学和遗传学的角度研究了环境污染引发疾病的机制，而且近十年来环境因素导致的表观遗传变化，已经成为环境污染与疾病关联研究的重要生物标记。

一、表观遗传及主要机制

表观遗传学研究不发生DNA序列变化的状况下基因表达发生遗传改变的一门新兴学科。表观遗传的主要机制包括DNA甲基化、组蛋白修饰、遗传印记丢失和非编码RNA。在环境因素影响下，表观遗传能够改变基因组功能。表观遗传变化的重要特征是既可在亲子细胞间遗传（有丝分裂遗传）、也可在代间遗传（减数分裂遗传）。表观遗传可以解释具有相同DNA的细胞或有机体可能具有显著不同的表型。环境暴露可能改变表观遗传调节的水平和范围。另外，基因表达的表观遗传调节与许多疾病的病因机制有关，特别是恶性肿瘤。故DNA的表观遗传修饰可为早期癌症检测、预测和治疗提供新的生物标记。而且，表观遗传变化的可逆性也为制订疾病有效的防治策略和用药方案提供了可能性。

在环境表观遗传学研究领域，DNA甲基化及组蛋白修饰已经成为基因表达调控机制的研究热点。DNA甲基化指DNA序列中甲基团共价结合或脱离胞嘧啶核苷酸的过程。甲基化过程受到家族特异酶即DNA甲基化转移酶（DNMTs）的控制。对于脊椎动物而言，甲基团仅结合在鸟嘌呤前的胞嘧啶上（即CpG双核苷酸上）。基因组中富含CpG序列的部位被称为CpG岛。实际上，CpG岛存在于基因组半数基因的启动子部位。就染色质修饰而言，染色质由组蛋白和DNA组成。组蛋白是染色质的蛋白组分，其上缠绕着DNA。组蛋白八聚体（组蛋白与DNA的复合体即核小体）上有许多伸出来尾巴。影响组蛋白尾巴的翻译后修饰有几种类型，包括甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化。这些修饰影响DNA和组蛋白间的交互作用，导致基因转录、DNA修复、DNA复制甚至染色体结构发生变化。DNA甲基化与组蛋白修饰间也可能发生联合作用。

相当长的一段时间内，人们都认为蛋白质是由细胞核内DNA序列编码的。虽然，从本质上讲，生物体内的每个体细胞包含着相同的未经加工过的遗传信息，但是，时间或环境的影响改变了单个细胞或组织的功能，同时伴随或者不伴随辅助因子及其他修饰的作用。现在清楚的是，哺乳动物基因组不仅包含DNA的基本序列信息，同时也受表观遗传学机制控制。表观遗传学机制主要包括组蛋白尾部翻译后修饰以及DNA的化学修饰。因为不同的修饰会对染色质结构产生有利或有害的影响，因此，细胞染色质结构是可以反映许多不同信号通路的净效应，而这些信号通路是由不同刺激激发的。下面详细介绍具体的表观遗传修饰，如：DNA甲基化﹑组蛋白修饰和非编码RNA。表观遗传变化的分子机制见图。

（一）DNA甲基化

CpG岛DNA甲基化是研究最多的表观遗传学修饰。胞嘧啶第5位碳原子位置共价添加一个甲基基团有可能扰乱转录因子的结合，以及通过影响DNA大沟来阻挠基因表达有关的机制。因此，DNA甲基化可能抑制转录因子与它控制的同源反应元件的相互作用，或者促进甲基结合蛋白与随后的空间阻滞因素结合，这些都有可能反过来抑制DNA与转录因子的相互作用。这些相互作用，连同其他招募到胞嘧啶甲基化区域的蛋白质复合体，使得DNA甲基化通常与有着相对复杂基因组的生物体中的转录沉默有关。如前所述，启动子高甲基化与转录沉默有关几乎是一个教条；但是，最近的研究表明，调节蛋白复合物，最终调节基因表达，而与DNA甲基化无关。

图 表观遗传变化的分子机制：（a）表观遗传沉默之前的DNA，组蛋白复合体（H）被乙酰化（连接其上的小球），其上伸出的CpG岛未被甲基化；（b）赖氨酸特异脱甲基酶1（LSD1）和异染色质蛋白质1（HP1）结合到组蛋白复合体上；（c）LSD1和HP1募集DNA甲基化酶（DNMT3a/DNMT3b）且CpG岛被甲基化，减少转录因子的结合和基因表达；（d）甲基化CpG岛组合蛋白（MBP）结合到甲基化的CpG岛上并募集组蛋白去乙酰化酶（HDAC）；（e）乙酰化组氨酸浓缩导致DNA因表观遗传变化而失活。事实上，哺乳动物中基因组CpG岛一般不具有代表性而且是非随机发生的。与非甲基化胞嘧啶相比，甲基化的胞嘧啶自发脱氨基形成胸腺嘧啶的频率更大。因为胸腺嘧啶是DNA中碱基自发形成的，修复胸腺嘧啶对细胞而言是一个两难的境地，如果不解决将导致自发性C:G→T:A型突变。增加脱氨率和有问题的修复方案这两方面原因相结合，使得哺乳动物的基因组偏向逐步废弃一些CpG二核苷酸。想必那些剩下的CpG二核苷酸已被生物选择及传递重要的生物学意义。照此说来，CpG序列与印迹基因﹑转座子及基因转录起始位点有关。

如前所述，基因组DNA甲基化模式的建立发生在生物体发长过程中，是动态的但是也是严格监管的过程。事实上，DNA甲基化对正常生长而言是至关重要的，也是分化的细胞存活所必需的。此外，人们还提出，特定启动子或整个基因组的甲基化状态是甲基化和去甲基化反应之间的平衡，也是环境和生理信号之间的平衡。受精卵是这种动态平衡的一个突出例子。在受精卵中，母亲和父亲的原核融合前，若用5-甲基胞嘧啶免疫组化的方法来测量，两种基因组DNA甲基化水平大致相当。在受孕后的头几个小时，父系基因组正积极地去甲基化，在前几个有丝分裂中也保持着去甲基化状态，而在接下来的分裂中母系基因组却被动地去甲基化。植入后，融合核中的胞嘧啶核苷酸以细胞及组织特异性的方式重新甲基化，该过程由从头甲基化酶催化，有学者提出，该过程的改变可导致成年才发病的疾病以及老化过程。

一些化学性﹑营养性或者生物性诱导效应已被证明可以影响DNA甲基化。例如，己烯雌酚（DES）影响特定基因（c-fos蛋白和乳铁蛋白）甲基化模式，这可以导致新生期处理后的小鼠基因异常表达，增加其子宫癌的发病率。有趣的是，这些效应也可以遗传。此外，对于降压药肼屈嗪和抗心律失常药物普鲁卡因，人们对其靶器官和机制也有了较好的了解，体外实验随即发现，这两种药可以阻止T细胞DNA甲基化。我们将在下面详细介绍关于黄色条纹刺豚鼠模型和大鼠中烯菌酮的跨代效应研究的例子。

（二）组蛋白修饰

如前所述，组蛋白的N-端是翻译后共价修饰的位点。核心组蛋白的乙酰化和甲基化40年前被首次描述，当时这种现象被认为与基因表达及染色质重塑的有利或有害的改变有关。在单个组蛋白内已对位于特定氨基酸修饰的定位进行了广泛的研究，研究还包括其他修饰的表征，其中有组蛋白磷酸化，泛素化，SUMO化，ADP-核糖基化，生物素及脯氨酸异构化。据推测，其他形式的修饰也可能存在，而且这些修饰的组合也能影响基因表达与染色质重塑。组蛋白特定的赖氨酸残基乙酰化一直以来被认为与基因表达增加有关。组蛋白乙酰转移酶（HAT）介导的组蛋白乙酰化，可导致染色质开放，RNA聚合酶及转录因子的聚集。这个过程可由组蛋白尾部去乙酰化而逆转，该过程由组蛋白去乙酰化酶（HDACs）介导，从而导致基因沉默。

这些修饰能影响染色质结构，进而影响基因表达，是通过顺效应的方式。顺效应定义为组蛋白尾巴物理性质的修饰可以改变核小体结构或与染色体的相互作用。例如，静电荷或尾部结构的改变可以影响DNA和组蛋白之间的关联。染色质改变的典型例子是组蛋白乙酰化，已作为这样一种机制，消除带正电，因组蛋白尾巴导致与带负电DNA的松散联系。这种宽松的构象允许特定的转录因子与同源反应元件的相互作用。人们认为，大块加合物，如：泛素和ADP-核糖，以大致相同的方式，当附着在组蛋白尾巴时，能显著抑制核小体复合物的压实。

此外，组蛋白修饰，也能够以反效应的方式改变染色质构象，这可以改变其他蛋白质与DNA修饰酶的相互作用。具体来说，识别一个特定的共价标记可能会促进蛋白复合物的聚集，这可能最终会改变染色质构象。bromodomains，一个保守的具有110个氨基酸的区域，代表着一系列与染色质相互作用的蛋白质，专门识别乙酰化的组蛋白以及促进其与染色质重塑复合物结合。甲基化的组蛋白赖氨酸残基可以被染色体域的DNA结合蛋白识别，可永久保持区域的组蛋白甲基化。在任何情况下，一个最初的表观遗传修饰是很重要的，可以导致染色质构象的区域改变以及随之而来的基因表达的改变。

组蛋白的具体修饰及机制的讨论，包括它们的识别以及表征，已超过了这篇综述的范围。然而，理解组合性的﹑协调的调控机制，可能会提供更多的表观遗传调控的生物学的理解。大量的研究已经表明，已经研究的这些组蛋白尾部的修饰是一个动态过程，通过一系列酶促反应来添加以及移除。目前，“组蛋白编码假说”已被提议作为一种手段来表征基因组区域的功能，作为组蛋白状态的结果。虽然在某些情况下，这种方法能准确预测基因和组蛋白的状态，但是没有一种代码是可以跨门类通用的。事实上，表观基因组动态性本质可能会由于过于复杂而简化成少数起作用的“规律”。进一步的工作将需要更好地界定表观基因组中的模式和类似之处，并与生物功能等同起来。

外源性药物已被证明能影响组蛋白修饰酶。事实上，一个重要的新兴主题可能是环境物质或者是药品，可以改变表观遗传修饰，但以前不知道它们能影响基因表达。例如，丙戊酸是一种抗癫痫处方药物，被认为是γ-氨基丁酸（GABA）受体激动剂，最近被证明能够影响表观基因组，它可以直接导致染色质构象的改变。此外，丙戊酸被重新分类，作为一种抗癌药物并进入临床试验，由于它有组蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制剂的活性，能够重新激活抑癌基因。未来的化学品的测试，可能会涉及在一系列药理和毒理实验中评估组蛋白修饰酶的活性。

（三）RNA干扰与microRNA 非编码RNA作为遗传调控机制的出现，大大改变了基因组中“垃圾”DNA的概念，它代表大于97％的总核DNA。事实上，这导致了一场辩论，针对目前的基因定义是否过时，以及补充的生物学的中心法则（DNA-RNA-蛋白）是否正确。如今，通过非编码RNA的行动，中心法则已被建议改写为DNA-非编码RNA，它能够影响染色质结构，反过来又可以影响基因的功能。RNA干扰（RNAi）的活性是一个过程，是宿主生物借以将双链RNA降解成小片段，导致转录后基因表达的沉默。另外，转录沉默的机制也被归结到RNA干扰，从而导致浓缩型染色质的形成。在几乎所有的有机体从酵母，四膜虫，植物，果蝇到哺乳动物，这些基因的调节作用已被记录在案。非编码RNA作为染色质模板是建立和维持特定的染色质状态的关键，也通过沉默侵入DNA的区域，如转座子和逆转录病毒，来维持基因组的完整性。此外，在染色体的着丝粒异染色质区域稳定的过程，在蛋白质复合体中也是依赖非编码RNA的。

总之，非编码RNA的进一步理解发现，它在细胞﹑遗传和染色体分离与稳定的表观遗传学调控中有着重要作用。但可以肯定的是，未来的研究将继续阐明非编码RNA的生物学作用，一些研究人员已经确定了它们在癌症﹑营养压力以及改变对药物反应中的作用。同样，microRNA可能会改变与外源性暴露有关的基因表达，抑或外源性暴露也可能会影响microRNA的表达，两者可能有助于个体对化学物或药物暴露个体差异的解释。显然，对非编码RNA的日益理解将有助于理解其对正常生物控制以及外源化学物暴露的影响。

二、典型环境污染物与表观遗传

环境中许多理化因素的表观遗传效应已经得到初步阐明，显示了表观遗传学机制在环境相关疾病发生过程中的重要作用。随着多个环境因素表观遗传效应研究的不断深入，环境相关疾病高危人群的确定、早期筛查与诊断、预防与治疗必将成为可能。

（一）有机污染物与表观遗传 1．多环芳烃的表观遗传效应

多环芳烃（PAHs）是一种常见的致癌物，吸烟、生活环境污染或食用污染食物的人群比普通人群接触更多的PAHs，癌症及其他疾病的发病率也相对升高。在实验研究或流行病学调查中，苯并[a]芘（B[a]P）常常作为PAH暴露的指示物，用来揭示PAH对人类健康的影响。Pavanello等以49名非吸烟的焦炉工人（暴露于高浓度的PAHs）为病例组，以43名非吸烟接待员为对照组进行病例对照研究发现，与对照组相比，病例组外周血全基因组高甲基化，p53、HIC1基因启动子低甲基化，提示这可能与PAHs暴露有关。进一步的动物实验发现，小鼠暴露于城市及工业污染源3周后，其精子细胞全基因组有高甲基化的现象，此外小鼠肺中的PAH-DNA加合物水平升高，证实了与小鼠PAHs暴露有关。将小鼠胚胎的成纤维细胞长期慢性暴露于B[a]P后，检测发现其全基因组高甲基化，这与DNMT1的过度表达有关[4]，支持Damiani等人的观点。

人支气管上皮细胞暴露于反式苯并[a]芘二醇环氧化物(anti-BPDE)后，miR-320和miR-494高效表达。进一步研究发现，在B[a]P处理后的小鼠支气管上皮细胞中，miR-320 和 miR-494的表达水平会影响细胞G1期分布。同时，miR-320 和 miR-494的抑制剂能完全阻止B[a]P诱导的细胞周期阻滞，因此miR-320 和 miR-494的表达增加可能是G1期调控异常的信号，但与B[a]P暴露有关的miRNAs功能有待进一步研究。

PAH暴露的早期生物学标志可以作为减少暴露及降低危害的指标。ACSL3 基因5′-CGI甲基化状态可能与PAH暴露引起的哮喘相关，可作为PAH暴露的候选生物标志物。由于PAH可经过胎盘影响后代的健康，因此也可预测有PAH暴露史的母亲所生后代患哮喘的风险。有研究发现，吸烟肺癌患者的PBLs中有p53低甲基化现象，并认为p53低甲基化有预测患肺癌风险的作用。Pavanello等人研究发现，暴露于高浓度B[a]P的职业环境中的健康个体也有p53低甲基化的现象，患肺癌的风险明显升高。目前，BaP暴露相关的DNA甲基化及组蛋白乙酰化的图谱已经出现，ChIP-on-chip技术将有助于描述外界环境的变化如何影响细胞和生物体的表观遗传调控以及细胞对暴露的反应，人群及体外研究将有助于筛选PAHs暴露有关疾病的生物标志并揭示其致病机制。

2．苯的表观遗传效应

苯是一种普遍存在的有机污染物，在交通污染和烟草中大量存在，已有确切证据表明苯暴露会导致人类白血病的发生，此外骨髓增生异常综合征(MDS)和急性髓系白血病(AML)与苯的暴露密切相关，且患AML风险性与苯暴露的水平呈现出相关性。但苯的致病机制尚未完全清楚，可是，表观遗传学变化有助于解释其致病机制。

Bollati等对暴露于低浓度苯的加油站服务员和交通警员的研究发现，其外周血全基因组甲基化水平降低﹑p15基因高甲基化及MAGE-1基因低甲基化。这是首次报道低剂量苯暴露与DNA甲基化存在关系，且在健康的研究对象中发现了肿瘤细胞异常的表观遗传学改变，但该研究并不能排除其他交通污染物暴露对DNA甲基化的影响。最近一项以6个暴露于苯的工人（2男4女）为病例组，4个未有苯暴露的工人（2男2女）为对照组的病例对照研究表明，外周血DNA中800多个基因DNA甲基化图谱中，检测发现很多CpG位点的甲基化改变，如：RUNX3基因（骨髓增生性疾病与其表达的改变相关）甲基化水平降低，MSH3（维持基因组稳定性的关键基因之一）甲基化水平升高。研究还发现苯暴露对基因甲基化的影响似乎有性别差异。进一步的体外试验发现，苯的活性代谢产物对苯二酚（HQ）能引起人类淋巴母细胞株TK6细胞全基因组低甲基化，IL12基因高甲基化﹑ RUNX1T1及MAGEA1基因低甲基化，这些支持了前人的研究结果。此外，苯暴露还与miR-154，miR-487a，miR-493-3p，miR-668表达下降有关。

（二）金属及其化合物与表观遗传

金属在生活中和工业上都有广泛应用，是人类活动中不可或缺的物质，然而金属污染同样令人关注。与有机污染物不同，金属污染物不能被生物体降解并可蓄积达到对人体有害的水平，对机体产生细胞毒性和遗传毒性效应,甚至诱导癌症发生。一直以来科学家认为金属致癌性与遗传机制密切相关，但近年的研究表明表观遗改变也是其致病致癌的重要机制。

1．镍的表观遗传效应

镍是环境中和工业上具有严重危害的金属污染物，长期接触会产生遗传毒性效应和表观遗传损伤。镍的广泛应用是长期接触的基础，生活中使用的硬币、电池及佩戴的首饰均含有大量镍，职业性电镀工人和焊接工人也会长期接触到镍，因此镍的危害不容忽视。

镍与DNA甲基化：在中国仓鼠G12细胞中采用转基因大肠杆菌gpt活性基因做模型，发现在接触镍化合物后，DNA甲基化改变可引起其表达失活；虽然镍诱发DNA高度甲基化的机制还不确定，但一种可能的模式—镍取代镁，增加染色质浓缩，引发从头合成DNA甲基化。

在体内试验中，把硫化镍同时注射入野生型C57BL/6小鼠和肿瘤抑制基因p53杂交小鼠中，所有小鼠体内都产生恶性组织细胞瘤，且所有肿瘤细胞内均发生p16启动子高度甲基化。在体内和体外试验中，脆性组氨酸三联体基因（FHIT）是另一种接触过镍后会沉默的肿瘤抑制基因。在癌症和癌前病变中，常可以见到FHIT表达减少或缺失，且FHIT蛋白短缺与其mRNA转录的缺失是一致的。

广州化学致癌研究所在研究结晶型NiS恶性转化及成瘤16HBE细胞中hMSH2基因启动子甲基化状态及其mRNA表达水平时，发现hMSH2基因的启动子区CpG岛存在高度甲基化，且伴有mRNA表达水平下降。这可能是由于镍引起了有害的基因外修饰，即镍结合异染色质内的DNA磷酸主链中的氧原子，诱发了局部DNA甲基化，并且向外扩散到邻近的常染色质区，从而使异染色质附近的肿瘤抑制基因出现沉默。由此可见，镍的致癌作用可能不是由于镍所引发的基因突变，而是因为镍使重要的癌相关基因高度甲基化造成的。这些研究表明，表观遗传改变是镍致癌作用的主要机制。

镍与组蛋白乙酰化：Costa等人的实验表明镍离子可以抑制组蛋白H4乙酰化，增加H3K

4二、三甲基化和H3K9一、二甲基化，同时他们还研究了镍暴露浓度、暴露时间与甲基化的关系。

镍离子可以降低酵母和哺乳动物细胞组蛋白H4乙酰化水平。将A549细胞暴露于Ni3S2溶液2d后，提取出组蛋白，利用SDS-PAGE、Western Blot和抗体特异性方法检测组蛋白乙酰化水平，结果显示组蛋白乙酰化程度降低[24]。在复杂的细胞过程中，组蛋白乙酰化状态起着重要的调控作用，如组蛋白去乙酰化升高会导致染色体结构改变、转录抑制和基因沉默等，这些与癌症的发生有关。

在研究镍与组蛋白H3K4的实验中，同样以A549为实验细胞系，分成对照组与高、低剂量暴露组并培养24h。经统计分析P<0.05，即暴露组与对照组对组蛋白的影响有明显差异，镍离子会使组蛋白甲基化明显增加。检测发现，镍离子可以增加H3K

4二、三甲基化，而对一甲基化几乎无影响。在镍影响H3K9的实验中，将A549细胞暴露在NiCl2 溶液中24h后，用Western blot、Chip 技术分析，结果表明：镍离子会增加H3K9一、二甲基化。

2．砷的表观遗传效应

砷是一类对人体有害、具有致癌性的类金属，长期接触砷会对人体产生不利影响[22]。接触砷会诱发恶性肿瘤、胃肠道毒性反应、糖尿病、心血管疾病甚至死亡，砷不仅可以导致这些宏观病变，还可以引起染色体结构变化、基因表达异常等微观改变。砷的表观遗传效应主要在影响DNA甲基化与组蛋白乙酰化两方面最为突出。

砷与DNA甲基化：在砷暴露的癌症患者中，能明显观察到全基因组甲基化减少或一些特异性基因启动子甲基化增加。在燃煤污染型砷中毒患者中，病例组患者MGMT基因启动子甲基化率明显高于对照组，且随病情的加重而逐渐增高；同时癌变组MGMT基因启动子甲基化率显著高于非癌变组和对照组；但MGMT基因启动子甲基化增加，mRNA转录水平却会降低；以上结果提示MGMT基因启动子高度甲基化是砷中毒发生、发展乃至诱导肿瘤发生的一个早期事件。

接触砷的人群与对照组相比较，p53基因启动子区有明显的DNA高甲基化，且存在着剂量-反应关系。相对于不接触砷的皮肤癌患者，接触砷的患者p53基因存在着高甲基化，但其甲基化率却不明显。暴露于高浓度砷的患者中可以发现明显的p16基因启动子高甲基化。与镍不同的是，中国仓鼠G12细胞暴露于砷不会引起甲基化和转基因大肠杆菌gpt活性基因失活，这说明砷和镍两种致癌金属是通过不同途径发挥作用的。

砷与组蛋白乙酰化：Hock研究团队在研究无机砷对组蛋白修饰影响的实验中发现，无机砷显著增加HepG2细胞组蛋白H3乙酰化，而对其甲基化没有作用，但砷可以导致A549细胞中组蛋白甲基化改变。

砷影响组蛋白H3K4的试验中，将A549细胞暴露在砷中24h后，利用抗体特异性检测H3K4的一二三甲基化状况，结果为H3K

4二、三甲基化增加，一甲基化降低。同时发现暴露于5μM砷的二三甲基化增加程度比1μM的低，由此推断砷的剂量反应关系是非线性的。

组蛋白H3K9可以发生三种甲基化修饰。将A549细胞暴露在砷中24h，随后将组蛋白提取出来用Western Blot 分析H3K9的甲基化情况。结果为：一、二、三甲基化均增加，免疫荧光染色图也得到同样的结果。砷也能导致正常人支气管上皮细胞（BEAS—2B细胞）的H3K9二甲基化增加，可见这种现象不只出现在一个细胞系中[33]。

H3K27的三甲基化是基因沉默的一个重要标志。以往的研究表明，沉默启动子的H3K27甲基化水平比活化启动子中高，而三甲基化增高预示着基因沉默将会发生。A549细胞暴露在高浓度和低浓度砷中24h后，提取出细胞中的组蛋白用Western Blot 方法分析，结果表明H3K27的甲基化水平均下降。

（三）放射性物质与表观遗传

人类不断暴露在自然界低水平离子辐射中，保护系统则是通过辐射应力激发适应-反应基因的表观遗传重组发挥作用。接触放射性物质后，肺腺癌及其他一些疾病的危险性会增加。肺癌的发病可能是因为肿瘤抑制基因启动子高度甲基化引起了基因失活。氡是最常见的放射性物质，职业性接触氡的工人吸入高浓度的22

2Rn会增加肺癌发生的危险度。Palmisano等在肺腺癌患者的痰细胞中，检测到p16和MGMT高度甲基化，提示p16和MGMT有可能成为氡诱发肺癌的早期分子标记物。在国内某铀矿职业氡暴露人群的痰中检测发现，随着氡子体暴露剂量的增加，p16和MGMT两个基因的甲基化率也呈逐渐上升的趋势，这与Palmisano等的报道结果基本一致。Prueitt等推测，部分吸烟诱导的肺癌是由于患者所吸入香烟中放射性同位素的辐射作用所致。而接触辐射的工人肺癌发生率与p16的失活呈正相关，这暗示香烟中的放射性核素可能与其他化合物反应，从而引发肺癌。以上研究表明，辐射和吸烟都会引起p16失活，而p16失活在癌症发生过程中起着主要作用；香烟中的放射性物质在一定程度上增加了肺癌的危险性，但是相对于化学致癌物等的作用，电离辐射的影响程度还不能确定。

（四）电离辐射与表观遗传

电离辐射是无处不在的，是疾病检测和辅助诊断的重要技术手段，虽然电离辐射对人类有重要的作用但其危害性也值得重视，因此了解电离辐射的损伤机制迫切重要。Mothersill, Bonner 和Kovalchuk实验室已用细胞培养、三维人体组织和动物模型证实了表观遗传学改变在电离辐射效应中的重要作用。Thompson，Scott等人认为实验设计偏倚可掩盖低水平的电离辐射暴露对癌症的抑制现象，并发现患肺癌的风险降低与低剂量α-辐射暴露有关。进而有研究认为，人类持续暴露于自然的低水平电离辐射，可以形成了一套自我保护的适应辐射的机制。可能低水平辐射激活反应基因，高水平的辐射激活沉默反应基因，使得低剂量辐射有关反应机制在表观遗传调控方面（DNA甲基化，组蛋白修饰，miRNAs）上有了新的认识，未来或许可将低水平电离辐射用于癌症的预防。

（五）其

他 石棉与DNA甲基化：石棉是职业环境中常见的且具有致癌性的物质，其诱导肺癌的发生已经得到确切的证实。肺癌发生的危险性主要取决于石棉的纤维类型和含量。肺癌中很多肿瘤抑制基因的改变都与吸烟相关，但是关于其与石棉相关性的研究却很少。p16/CDKN2A 是一个重要的肿瘤抑制基因，其发生改变的形式主要是5’-CpG岛高度甲基化，而很少发生点突变。p16/CDKN2A甲基化和石棉暴露之间存在着联系，Andujar等研究了接触石棉的肺癌患者中p16/CDKN2A基因的改变情况，其中，石棉暴露资料的详细估测是根据职业问卷调查和肺组织石棉体检测得到的；研究结果还证实了吸烟对p16/CDKN2A基因改变有影响，即吸烟较多的肺癌患者（每年≥40包）的p16/CDKN2A 启动子高度甲基化率明显高于吸烟较少的肺癌患者（每年吸烟<40包的患者）；在校正年龄和吸烟状态后，石棉暴露患者中p16/CDKN2A高甲基化率是24.2%。

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第二篇：环境生物学课程综述论文污染物生物效应检测

污染物生物效应检测微核试验研究实例综述

姓名：****班级:****级环境科学**班学号：*****

微核试验

微核(micronucleus，简称MCN)，是真核生物细胞中的一种异常结构，是染色体畸变在间期细胞中的一种表现形式。一般认为，微核是由有丝分裂后期丧失着丝粒的染色体片断产生的。在细胞有丝分裂时，受到有害理化因子的损伤，染色体发生断裂，在下一次分裂后期，丧失着丝粒的染色体片断行动滞后，不能进入子细胞的主核，形成滞留在核外的微小染色质块，即微核。

微核的形成是细胞受遗传毒物作用后的一种遗传学终点，以观察细胞中微核的形成来检测遗传毒物，称为微核试验。微核试验是以动植物为材料，利用细胞生物学方法观察其出现的微核率(micronucleus frequency,MNF)来表示材料受遗传损伤程度的一种检测遗传毒物的方法。

微核试验研究

1、应用微核试验和单细胞凝胶电泳技术来检测农药对青蛙蝌蚪及成体的遗传毒性

微核试验和单细胞凝胶电泳试验技术-彗星试验(Comet assay)在检测化学物质的遗传毒性方面具有诸多优点, 广泛地应用于遗传毒理学研究。陈军建等建立了规范化的青蛙蝌蚪红细胞微核试验,而有关青蛙体细胞彗星试验目前国内尚未见报。本文在研究了它们对蝌蚪红细胞微核率影响的基础上, 并尝试建立青蛙红细胞的彗星试验, 来研究它们对青蛙成体DNA 损伤情况, 为评价这两种新型杀虫剂对农田生态系统的影响及其合理安全使用提供科学的依据。在微核试验中细胞要经过两个细胞周期, 有损伤DNA 等的修复过程, 而且只有在DNA 双链完全断裂的情况下,不能完全修复的染色体断裂片才形成微核。

2、蚕豆根尖微核试验在环境致突变物检测中的应用

蚕豆根尖微核试验在对水体污染物、空气污染物、农药、重金属、化妆品、工业化学品等的致突变性检测方面,得到了较广泛的应用,为环境污染的治理和行政管理部门的决策、立法提供了有益的参考.主要体现在以下几个方面:

（1）检测水体的致突变性蚕豆根尖微核试验主要应用于检测水体的致突变性.陈光荣等在国内首次进行了利用蚕豆根尖微核试验直接检测淡水湖泊水质污染的研究,结果表明:不同采样点水样处理的蚕豆根尖细胞产生的微核率差异显著,这不仅说明了各采样点污染程度不同,也说明了利用蚕豆根尖细胞微核技术监测淡水湖泊的污染,其结果是十分灵敏可靠的.在此研究的基础上引污染指数(PI值)的概念,根据测试水样微核率与阴性对照微核率的比率,确定污染指数,再根据污染指数的大小来划分水质污染的程度,把微核率与污染程度联系起来.王英彦等的研究进一步指出:蚕豆根尖细胞微核指标对河系水体污染的动态变化和污水处理工程技术的效率,具有较好的指示作用,与有机综合指标的关系是各有特定的指示功能,互相参照评估更有环境学意义.在自然水体监测方面开展了较多的研究,李雅轩等的研究结果表明污染指数与相对有丝分裂指数具有明显的负相关性,因此,以微核为指标分析水体的污染状况,应该结合相对有丝分裂指数进行综合分析,以得出准确的结论.蚕豆根尖微核试验还可用于排污口废水的致突变性筛选和指示污水处理效果.另外,该法还可用于饮用水、磁处理水等致突变性的检测。

（2）监测空气污染物的致突变性王光学等利用蚕豆根尖微核技术对木质人造板材释放气体的遗传毒24 mg/m3和3.71 mg/m3两个水平上,蚕豆根尖细胞微核率与甲醛气体的浓度有良好的正相关,甲醛气体可以通过液相的吸收产生高浓度的蓄积,从而导致浸泡其中的根尖

细胞发生DNA损伤.仪慧兰、孟紫强对太原地区SO2污染诱发的蚕豆根尖细胞微核进行检测,并用SO2熏气试验,研究其对蚕豆的遗传毒理效应.结果表明:一定浓度范围内(0.108-14.00 mg/m3),蚕豆根尖微核细胞数与SO2浓度间呈正相关,用蚕豆根尖细胞研究的结果与动物细胞实验结果相似,说明SO2诱发蚕豆根尖细胞遗传损伤能够反映同等条件下动物细胞的损伤情况,SO2诱发遗传物质损伤在动物细胞和植物细胞中具有一致性,应用蚕豆根尖细胞微核试验可对大气SO2污染进行生物监测.（3）检测重金属的致突变性段昌群等研究了重金属Pb2+、Cd2+、Hg2+、Zn2+、Mn2+对蚕豆根尖细胞微核率的影响,发现这几种重金属对蚕豆根尖细胞遗传学毒性顺序为Hg2+>Cd2+>Pb2+>Zn2+>Mn2+.毛学文利用蚕豆根尖细胞微核试验检测汞的诱变效应,结果表明:一定浓度范围内(25~100 mg/L),蚕豆根尖的微核率随着汞浓度的升高而增加,汞溶液浓度与微核率之间呈明显的剂量效应关系。辛晓芸等研究了醋酸铅诱发蚕豆根尖细胞微核的效应,结果表明:醋酸铅溶液可诱发蚕豆根尖细胞微核率显著升高,且高浓度短时间作用和低浓度长时间作用具有等效性,对植物具有遗传损伤效应,说明利用蚕豆根尖细胞微核技术检测环境铅污染是可行的。

（4）检测其它的环境致突变物叶亚新应用蚕豆根尖微核技术对家用化学品(洗洁精、洗发水、洗面奶)进行诱变性试验,发现3种家用化学品均能诱发蚕豆根尖细胞微核率增高,显示3种家用化学品均具有一定程度的诱变活性.唐庆国等应用蚕豆根尖微核技术检测了11种化妆品的致突变性,结果显示其中5种化妆品的蚕豆根尖微核率明显高于对照组。因此蚕豆根尖微核技术作为一种快速、有效地检测化妆品致突变性的方法,值得推广。

3、蚯蚓血细胞微核试验对汞·镉遗传毒性的研究

蚯蚓作为土壤生态系统中许多动物的食物来源，在食物链中起着污染物传递作用。重金属可以在其体内蓄积，从而给环境带来遗传隐患。国际上公认微核法是致癌危险性及其他遗传危害的短期测试的有效方法，主要用于遗传毒理学细胞水平的检测，检测对象也多集中在脊椎动物和植物。有关重金属污染对无脊椎动物细胞微核的影响研究则较为少见。

目前汞、镉污染物对于生物危害的检测主要集中在生物外观的变化或内部酶活性的变化研究，有关蚯蚓在污染土壤中遗传毒理危害的相关研究未见报道。因此，笔者运用滤纸试验法初步探讨了汞、镉单一污染对蚯蝴血细胞微核的影响，以期为土壤或水中重金属污染提供一种新的生物学检测方法。

Hg单一污染对蚯蚓血细胞微核的影响结果表明，在一定的浓度范围内，Hg对蚯蚓微核的产生具有明显的影响，并且随浓度的增加而增加，当用高浓度的处理后微核率开始下降。同时可以发现浓度过高处理后微核率甚至低于对照组，说明太高的Hg处理可能会干扰微核的产生。Cd单一污染对蚯蚓血细胞微核的影响表明Cd单一污染达到一定浓度时亦对蚯蚓血细胞的微核产生明显的影响。

微核率随处理浓度的增加先上升后下降，但上升速率比下降慢。由于单一污染在毒物浓度达到一定程度以后，蚯蚓血细胞中的微核率均随着浓度的增加而呈下降趋势。因此，若利用蚯蚓来检测环境污染物的致突变性．须在一个适当的毒物浓度范围内进行方可有效。

4、鱼血微核试验评价长江江苏段水污染遗传毒性

实验结果表明鱼吸收了水中致突变物质后，其外周血有核红细胞微核率会明显升高，可以用鱼的红细胞微核率指示水污染状况，评价水体致突变性污染。与未受污染的鱼对比，受

污染鱼血红细胞的微核率显著增加，通过计算微核的数量，可快速监测环境污染的严重程度。鱼外周血红细胞微核试验作为一种生物监测手段，在检测污染水体中各种污染物的“三致”作用时，检测其对生物的综合效应，与理化监测相比，能更直接、客观地反映出水体污染对环境安全和人体健康的影响与危害。

5、微核试验在水污染监测中的应用

陈军建等用青蛙蝌蚪监测城镇污水在16 d生活污水暴露实验中,蝌蚪细胞的微核率在第2天就呈现出统计上的显著增加,并随暴露时间延长而升高,第12天达到最大值。在不同浓度混合污水处理实验中,蝌蚪红细胞微核率呈明显的剂量依赖性增加,认为青蛙蝌蚪红细胞微核试验(FTMT)是一种简便、灵敏、可行的污水诱变活性监测系统。

综述

微核技术的应用越来越广泛，重要性也很突出，但也有它的局限性。任何一种遗传毒理学筛检测试系统都有一定的假阴性率和假阳性率，不能准确地鉴别出遗传和非遗传毒物。因为一种诱变试验只能反映1—2种遗传毒性作用终点。这样，在筛检化学物的诱变性时，应当进行一系列的试验，即至少选择分别能检出5类遗传毒性作用终点(DNA损伤与修复、DNA断裂、基因突变、DNA重组和染色体结构异常)的一组试验，即采用组合试验的方法，而不是仅仅用单个试验。

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第三篇：高一生物人教版必修二第三章第4节基因是有遗传效应的DNA片段教案

《基因是有遗传效应的DNA片段》教学设计

【教学目标】

知识与技能

1.举例说明基因是有遗传效应的DNA片段。

2.说明基因和遗传信息的关系

3.理解基因、DNA、染色体三者之间的关系

过程与方法

运用数学方法说明DNA分子的多样性和特异性

情感、态度与价值观

初步形成遗传物质的结构与功能相统一、多样性与共同性相统一的观点

【学情分析】

在前两章时认识到了基因与染色体的关系，在本章前三节中了解了DNA是主要的遗传物质，DNA的分子结构和复制，但是，对基因的本质没有确切的了解，还未能弄清基因与DNA、染色体的关系，通过资料分析和结构图的方式，引导学生观思考，总结，并得出结论。

【教学重点】

1.基因是有遗传效应的DNA片段

2.DNA分子具有多样性和特异性

【教学难点】

脱氧核苷酸序列与遗传信息的多样性

【教学用具】

多媒体课件、自制DNA分子模型

【教学时数】

1课时

【教学过程】

教学

过程

教师活动

学生活动

导

入

通过前面章节的学习，我们知道了解了基因是在染色体上呈线性排列，而染色体又是由DNA和蛋白质构成的，其中DNA是遗传物质，那基因和DNA之间具有什么关系呢？

提出问题：DNA等同于基因吗？

基

因

与

DNA的关

系

过渡：我们现在不能通过做实验来解决这个问题，那就通过几个资料来一起探究一下这个问题。

合作探究：

阅读课本P55资料分析1

思考：大肠杆菌中的DNA分子数目与基因数目相同吗？如果不同，说明什么问题？

追问：是不是DNA的片段都是基因呢？

阅读资料分析3

思考：人体内所有基因的碱基总数与DNA的碱基总数相同吗？如果不同，说明什么问题？

追问：基因是什么样的DNA片段呢？

阅读资料分析2和4

资料2：转基因鼠为什么能发出绿色荧光？这说明基因具有什么作用？

资料4：具有HMGIC基因就会肥胖，而没有这种基因就不会肥胖，说明基因具有什么作用？

:

总结：通过刚才的研究我们有了这些认识，“基因是DNA的片段”、“

有些DNA的片段不是基因”、“

基因具有遗传效应”，那我们能不能从DNA水平上给基因下一个定义，既能反映基因与DNA的关系，又能体现基因的作用

基因是有遗传效应的DNA片段

回答：不同

结论：基因是DNA的片段

回答：不同，构成基因的碱基总数不到DNA碱基总数的2%，结论：有些DNA的片段不是基因

资料2

回答：转基因鼠能发出绿色荧光是因为体内具有了绿色荧光蛋白，说明转入体内的绿色荧光蛋白基因在小鼠体内控制了相关蛋白质的合成。

说明：基因能控制蛋白质的合成，从而控制生物的性状。

资料4

回答：说明基因能够控制生物性状

结论：基因具有遗传效应

DNA

片

段

中的遗

传

信

息

过渡：我们知道自然界的生物具有多样性，而性状是受基因控制的，这就说明基因也必然具有多样性，蕴含大量的遗传信息。基因是DNA的特定片段，那DNA分子为什么能储存大量的遗传信息呢？

合作探究：

1.DNA分子中的哪一部分可以储存遗传信息呢？

2.若一个基因由1个碱基对组成，4种碱基能形成多少种基因？

若一个基因由2个碱基对组成，4种碱基能形成多少种基因？

若一个基因由3个碱基对组成，4种碱基能形成多少种基因？

若一个基因由n个碱基对组成，4种碱基能形成多少种基因？

结论：DNA中的碱基排列顺序储存大量的遗传信息

推测：遗传信息与4种碱基的排列顺序有关。

计算：4种

4×4（42）种

4×4×4（43）种

4n种

小

结

1.基因是有遗传效应的DNA片段

2.遗传信息蕴藏在基因的4种碱基的排列顺序之中；碱基排列顺序的千变万化，构成DNA分子多样性；碱基的特定的排列顺序，又构成了每一个DNA分子的特异性

【板书设计】

第四篇：山东临清市高中生物必修二第三章第4节《基因是有遗传效应的DNA片段》教案

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学校:临清实验高中 学科：生物

第3章 第4节

基因是有遗传效应的DNA片段

一、教材分析

“基因是有遗传效应的DNA片段”是普通高中课程标准实验教科书《生物2（必修）——遗传与进化》（人教版）第三章第4节的内容。本节是学生在学习了DNA是主要的遗传物质、DNA分子的结构、DNA的复制等三节内容后的概括与提升，是本章基因的本质的升华部分，更是为第四章《基因的表达》作铺垫，所以说是起着不可或缺的桥梁作用的重要一节。

新课标教材的内容与原教材比较，有一大特点：没有直接讲述基因是有遗传效应的DNA片段，而是首先采取资料的形式，以数据差异和作用表达为主线，逐步呈现基因是有遗传效应的DNA片段。这样不仅符合学生的认知特点，还应用数学比较法，让学生知道基因与DNA的存在差别，知道基因才是有用的。从而在情感、能力等多方面得到启示和升华。

二、教学目标

1、知识目标

（1）说明基因和遗传信息的关系。（2）了解DNA分子的多样性和特异性。

2、能力目标

（1）培养学生的逻辑思维能力，使学生掌握一定的科学研究方法。（2）掌握分析材料的方法。

3、情感目标与价值观

通过介绍DNA技术，对学生进行科学价值观的教

三、教学重点难点

1、教学重点：

（1）基因是有遗传效应的DNA片段。（2）DNA分子具有多样性和特异性。

2、教学难点：脱氧核苷酸序列与遗传信息的多样性。

四、学情分析

学生是教学的主体，那如何针对教材内容，突出重点、突破难点，结合实际来上好课？使学生在一堂课里面学有所获、学有所进，是我们老师必须探讨和追求的问题。虽然我们学校的生源与一流学校间有一定的差距，但是在我们老师的努力指导下，已经掌握了比较扎实的基础，对于DNA的有关知识也了解比较深，若我们能在教学中能充分利用学生的已有知识基础，通过适当的教学策略，让学生真正学会、学懂、学全、活用，发挥自主学习的积极性，提高学习兴趣，必能更好的发展。

五、教学方法

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1.以教材所提供的资料入手，通过数学比较、对比的方法，培养学生分析和解决问题的能力；

2.通过将课本所举的重复例子进行整合，加深学生对问题的认识和理解；

3.联系实际生活，引入DNA指纹技术的科普知识，激发学生的学习兴趣，从而为认知DNA的多样性和特异性打下基础

六、课前准备

1．学生的学习准备：预习课本本节内容

2．教师的教学准备：多媒体课件制作，课前预习学案，课内探究学案，课后延伸拓展学案。

七、课时安排：1课时

八、教学过程

（一）预习检查、总结疑惑

检查落实了学生的预习情况并了解了学生的疑惑，使教学具有了针对性。

（二）情景导入、展示目标。

我们在第2章第二节学习了摩尔根果蝇实验时，知道了基因位于染色体上，随染色体传给后代；

在第三章中我们证明染色体的成分中，只有DNA才是遗传物质。

那么基因等同于DNA吗？基因和DNA又存在什么样的关系呢？

（三）合作探究、精讲点拨。

探究一：通过课本资料分析，理清基因与DNA关系

仔细阅读课本P55－56的4则资料，思考这些资料分别从哪些方面说明DNA与基因的关系？ 资料1：

全部基因的碱基对总数只是DNA分子碱基对总数的一部分，因此，________________。资料3：

进一步明确________________________。资料2：

________具有特定的遗传效应。资料4：

进一步明确________________________ 探究二：DNA片段中的遗传信息，探究---脱氧核苷酸序列与遗传信息的多样性。

1、DNA分子为什么能储存大量的遗传信息？

2、DNA分子储存的遗传信息与它结构中的什么有关？

3、由4种碱基排列而成的脱氧核苷酸序列，足以储存生物体必需的全部遗传信息吗

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（四）反思总结，当堂检测。

教师组织学生反思总结本节课的主要内容，并进行当堂检测。

设计意图：引导学生构建知识网络并对所学内容进行简单的反馈纠正。（课堂实录）

（五）发导学案、布置预习。

我们已经学习了第三章基因的本质，那么基因有什么作用，如何传递给后代，这节课后大家可以先预习第四章基因的表达内容，并完成本节的课后练习及课后延伸拓展作业。

设计意图：布置下节课的预习作业，并对本节课巩固提高。教师课后及时批阅本节的延伸拓展训练。

九、板书设计

第4节 基因是有遗传效应的DNA片段

一、说明基因与DNA关系的实例 1.大肠杆菌的DNA与基因

2.海蛰的绿色荧光蛋白基因与转基因技术 3.人类基因组计划（HGP计划）碱基序列。4.小鼠体内的HMGIC基因与肥胖直接相关

二、DNA片段中的遗传信息 1.基因的化学组成 2.基因不同的实质 3.基因的位置

4.基因是有遗传效应的DNA片段

十、教学反思

在教学中我把知识整合进行教学，的确提高了课堂效率，这对学生通过逐步理解来掌握知识也非常有益，达到轻松突破教学重难点，同时情感态度也得以升华。但在教学过程中由于时间较紧，所以给学生探究讨论的时间不足，所以提高学生兴趣和教学效果有一定的限制。

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第五篇：高一生物人教版必修二第三章第4节基因是有遗传效应的DNA片段学案

基因是有遗传效应的DNA片段

一、教学目标

1.知识目标

⑴举例说明基因是有遗传效应的DNA片段。

⑵说明基因、DNA和染色体三者之间的关系以及基因的本质。

2.能力目标

⑴运用数学方法说明DNA分子的多样性和特异性。

⑵掌握分析材料的方法。

3．情感态度价值观目标

通过了解人类基因组计划和DNA指纹技术的应用，培养热爱科学和爱国主义情感。

二、教学重点和难点

1.教学重点

(1)基因是有遗传效应的DNA片段。

(2)DNA分子具有多样性和特异性。

2.教学难点

脱氧核苷酸序列与遗传信息的多样性。

三、教学策略

本节教学可用1课时。本节内容既是对本章内容的概括与提升，又为第4章《基因的表达》作铺垫。基于以上考虑，目标1侧重在知识方面，也是本节教学的核心。目标2侧重于运用数学方法的技能。需要说明的是，运用数学方法推算碱基排序的目的是要让学生进一步理解、认同DNA分子结构的多样性和特异性，因此应将目标2的技能要求与目标1的知识要求结合起来。目标3是在前两个目标基础上的进一步提升，也是课程标准中提出的明确要求。

在本节中，教材提供了实证、探究和联系社会实际三个层面的活动内容，教师可以充分利用这些教材资源，组织教学。

1.充分利用“资料分析”，让学生通过对实例的分析和讨论来理解基因与DNA的关系。

仔细品味“资料分析”中的4个材料，可以发现这些资料主要是从遗传现象和数量关系这两方面提供推理依据，引导学生得出“基因是有遗传效应的DNA片段”这一结论。资料1、3，主要是从数量关系上说明基因是DNA分子的片段;资料2、4分别提供了海蜇的绿色荧光蛋白基因和小鼠体内的肥胖基因的相关信息，主要是说明基因具有遗传效应。

在教学过程中，上述资料可以根据需要多次使用，从不同角度帮助学生理解“基因是有遗传效应的DNA片段”。教师可以通过设计一系列问题，让学生从实例中逐步得出基因是DNA分子上的片段、基因具有遗传效应的结论，最终获得基因是有遗传效应的DNA片段这一综合认识。在教学过程中，教师可以借助教材提供的讨论题，也可以根据学生特点重新设计一些问题串，让学生沿着上述逻辑推理过程，得出结论。

在推理过程中，教师应随时关注学生探求问题的路径，引导学生确立事实、推理、结论之间的正确关系，以及知识之间的逻辑关系，引导学生循序渐进，步步深入，顺理成章地得出结论。从上述分析也可以看出，本节内容是培养和训练学生推理能力的良好素材。

2.合理组织探究活动，帮助学生用数学方法解决生物学问题。

本节的探究活动有别于实验探究。这一探究活动主要是借助于数学方法，所以要侧重数学技能的训练，利用数学思维解决生物学问题。同时，教师还应注意到一个问题，即所有的碱基排列的概率计算是建立在一个假设基础上的(所有碱基对的随机排列都能构成基因)。因此，在将数学模型迁移到生物学问题时，教师一定要提示学生注意：生物学现象的特殊性和数学模型的应用范围。关于概率的教学，可以事先向数学教师请教，以保证不出科学性错误，但不宜涉及过深的数学知识，以学生能理解碱基排列多样性为宜。在将数学模型迁移到碱基排列序列的多样性问题时，应注意分析遗传信息多样性与DNA分子结构特点之间的关系。

3.通过介绍DNA指纹的应用，体现STS教育。

在进行理论探讨后，教师应不失时机地介绍DNA指纹技术的应用，让学生感受到理论知识的奇妙应用。教师可以创设这样的情景：假如你是一名法医，你将如何利用DNA指纹技术来处理案件。教学过程中，教师应该简单介绍一下DNA指纹的有关知识，不要让学生产生误解，以为DNA指纹就是人的基因。实际上，DNA指纹的特异性主要是由于在人(或其他生物)的染色体DNA中，不表达的碱基对中存在着的一部分串联重复的短序列，它们在个体之间具有显著的差异性。在介绍了DNA指纹的法医学用途之后，还可以将视野拓展，介绍DNA指纹在其他领域的应用，如孑遗物种的保存和孑遗动物的繁殖、亲子鉴定等。

四、答案和提示

(一)问题探讨

提示：本节“问题探讨”的目的主要是让学生体会碱基排列顺序的多样性。

(二)资料分析

1.生物体的DNA分子数目小于基因数目。生物体内所有基因的碱基总数小于DNA分子的碱基总数。这说明基因是DNA的片段，基因不是连续分布在DNA上的，而是由碱基序列将其分隔开的。

2.提示：此题旨在引导学生理解遗传效应的含义，并不要求惟一答案。可以结合提供的资料来理解，如能使生物体发出绿色荧光、控制人和动物体的胖瘦，等等。

3.基因是有遗传效应的DNA片段。

(三)探究

1.碱基排列顺序的千变万化，构成了DNA分子的多样性，而碱基特定的排列顺序，又构成了每一个DNA分子的特异性。DNA分子的多样性和特异性是生物体多样性和特异性的物质基础。

2.提示：在人类的DNA分子中，核苷酸序列多样性表现为每个人的DNA几乎不可能完全相同，因此，DNA可以像指纹一样用来鉴别身份。

3.提示：可以从进化的角度来分析基因为什么不能是碱基的随机排列。

(四)练习

教材P58（题略）

1.(1);(2)×。

2.C。

3.提示：从遗传物质必须具备的条件来分析：(1)在细胞增殖过程中能够精确地进行复制;(2)能够控制生物体的性状;(3)能够贮存足够量的遗传信息;(4)结构比较稳定。

拓展题（题略）

1.提示：并非任何一个DNA片段都是基因，只有具有遗传效应的DNA片段才是基因。

2.提示：DNA包括基因与非基因的碱基序列。

3.提示：这一观点是有道理的。但在日常生活中，如报刊、杂志、广播等传播媒体常将基因与DNA这两个概念等同使用，因此在具体情况中，要留意区分。