浅谈表观遗传学

浅谈表观遗传学

摘要：表观遗传学改变包括DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA作用等，产生基因组印记、母性影响、基因沉默、核仁显性、休眠转座子激活等效应。表观遗传变异是环境因素和细胞内遗传物质间交互作用的结果，其效应通过调节基因表达，控制生物学表型来实现。本文则从以上几个方面简述了表观遗传学的改变以及基本原理。

经典遗传学认为，核酸是遗传的分子基础，生命的遗传信息储存在核酸的碱基序列。每个个体内虽然所有细胞所含有的遗传信息是相通的，但由于基因的选择性表达，即不同细胞所表达的基因种类不同，这些来源相同的细胞经过增殖分化后将变成功能形态各不相同的细胞，从而组成机体内不同的组织和器官。几年来发现，在DNA序列不发生改变的情况下，基因表达也可发生能够遗传的改变，这种现象就被定义为表观遗传。它的主要论点是生命有机体的大部分性状是由DNA序列中编码蛋白质的基因传递的，但是DNA序列以外的化学标记编码的表观遗传密码，对于生命有机体的健康及其表型特征，同样也有深刻的影响。

表观遗传学的调节机制主要包括组蛋白修饰、DNA甲基化、非编码RNA作用等，通过这些调节模式，影响基因转录和(或)表达，从而参与调控机体的生长、发育、衰老及病理过程。这些调节模式相比核酸蛋白质的经典遗传途径更容易受环境的影响，因此表观遗传学更加关注环境诱导的表观遗传变异。因为表观遗传的这些调节机制易受环境影响，而任何一种调节机制发生异常都可能导致细胞状态、功能等发生紊乱，进而引起各种疾病，同时又由于许多表观遗传变异是可逆的，导致表观遗传异常引发的疾病相对容易治疗，因此近年来表观遗传学致病的研究成为了热门的话题之一。

组蛋白在DNA组装中发挥了关键作用, 利用核心组蛋白的共价修饰包括组蛋白甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化、ADP-核糖基化及特定氨基酸残基N-末端的SUMO化传递表观遗传学信息。修饰的主要靶点是组蛋白氨基末端上的赖氨酸、精氨酸残基，这些组蛋白翻译后修饰对基因特异性表达的调控，是其表观遗传学的重要标志。正常机体内，组蛋白修饰保持着可逆的动态平衡，当平衡打破，组蛋白去乙酰化则使得乙酰基从乙酰化组蛋白转移到乙酰辅酶A上,形成了致密的染色质状态, 从而使基因转录下降或沉默。

DNA甲基化则较组蛋白修饰更进一步,它主要是在DNA甲基转移酶(DNMTs)催化下,将同型半胱氨酸(Hcy)-甲硫氨酸循环中 S-腺苷甲硫氨酸(SAM)中的甲基,由四氢叶酸转移到胞嘧啶的第5位上形成 5-甲基胞嘧啶(5-mC)。其中,相邻的胞嘧啶−鸟嘌呤二核苷酸(CpGs)是最主要的甲基化位点，它在正常人体基因组中处于非甲基化状态，其中的胞嘧啶甲基化可以阻碍转录因子的结合, 从而可致基因沉默。一般而言, 高度甲基化的基因可致表达抑制,而低甲基化的基因可增强基因表达或过表达。

表观遗传学调控机制涉及RNA的主要包括：miRNA、siRNA以及维持细胞周期的沉默rRNA基因的一部分。miRNA是较短的双链RNA分子，约有22个核苷酸，可以在转录后通过绑定靶mRNA，从而抑制转录或诱导mRNA分裂降解，大多数具有高度保守性和组织特异性。siRNA与miRNA的区别主要在于siRNA可以体外合成，多由外源性导入或感染诱导产生，其他方面如形态、作用方式等大致和miRNA 相同。

表观遗传学的调节方式还有染色质重塑、基因印记、X染色体失活等。染色质重塑是指在基因复制、转录和重组等过程中，致密的染色质发生解压缩，暴露了基因转录启动子区中的特定结合位点，使转录因子更易与之结合，最终导致核小体位置和结构及其中的组蛋白发生变化，引起染色质改变。基因印记则是指来自亲本的等位基因在发育过程中进行特异性的加工修饰，导致子代体细胞中两个亲本来源的等位基因表达方式不同，一个有表达活性，另一则个基因沉默。X染色体失活指雌性哺乳动物细胞中X染色体被包装成异染色质,进而因功能受抑制而沉默化,两条X染色体的其中之一失去活性的现象。

参考文献

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