表观遗传的调控机制

表观遗传的调控机制

摘要: 表观遗传是非DNA 序列遗传信息的传递, 它不涉及基因序列的改变, 不符合孟德尔式的遗传方式。表观遗传学研究的是生物可遗传的染色质修饰。目前，其主要研究内容包括DNA 甲基化、翻译后组蛋白修饰、组蛋白组成变化。其中DNA 甲基化是一种重要的表观遗传修饰方式, 是调节基因组功能的重要手段。组蛋白修饰作为表观传中重要的调控机制之一, 在包括基因表达调控等多种生物学过程中起着重要作用。组蛋白甲基转移酶和组蛋白去甲基化酶共同参与形成和维持不同的组蛋白甲基化状态, 继而通过多种分子参与对组蛋白甲基化修饰的识别而引起下游过程的发生。组蛋白乙酰化和去乙酰化修饰也是调控表观遗传机制之一。最近人们还发现非编码的RNA也参与了表观遗传调控。

关键词：表观遗传，DNA甲基化，组蛋白修饰，RNA调控。

一 DNA甲基化调控表观遗传

经典遗传学认为，生命的遗传信息储存在 DNA的碱基序列上，几乎所有的生命活动都受基因调控。但是，作为开放的复杂系统，生命活动从来就不是由一种因素就能完全决定的。随着科学的发展，人们发现一些 DNA 或染色体水平的修饰也会造成基因表达模式的改变。这种通过有丝分裂或减数分裂来传递非DNA 序列遗传信息的现象称为表观遗传（epigenetic inheritance）。由于它不涉及基因序列的改变，不符合孟德尔式的遗传方式，因此它是一种全新的遗传机制。表观遗传修饰有许多，其中 DNA 甲基化是基因组DNA 的一种最重要的表观遗传修饰方式，是调节基因组功能的重要手段。在植物中，DNA 甲基化参与细胞的许多生物学过程，在植物生长发育及进化过程中起着重要的调节作用。

1 植物DNA胞嘧啶甲基转移酶

植物DNA的甲基化是在 DNA 甲基转移酶（DNAMethyltransferase,DMT）的作用下，将 S- 腺苷甲硫氨酸上的甲基基团转移到 DNA 分子的胞嘧啶碱基上。在植物细胞中广泛存在的有三类结构和功能上不同的胞嘧啶甲基转移酶[1,2]。第一类是 MET1 甲基转移酶家族，它在甲基化酶中处于统治地位。第一个编码植物 DNA 甲基转移酶的基因是由 Finnegan 等人[1]从一个转基因的拟南芥品系中分离出来的，即 MET1 甲基转移酶。MET1 编码的蛋白在结构上类似于哺乳动物的甲基化酶 DnmtⅠ，二者在结构域上有 50%的同源性。MET1 的主要功能是在重复和单拷贝的 DNA 序列中维持甲基化，同样对许多形态特征、花期调控、移植变化和胚胎发育等有影响作用[1]。最近的研究表明它在从头甲基化 CG 岛过程中与一个发起甲基化的 RNA 片段有应答[3]。现已在胡箩卜、豌豆、西红柿、玉米等植物中鉴定出了 MET1 及其同源物[4]。第二类是结构域重排甲基转移酶（DRM），包括DRM1、DRM2 和 Zmet3 三个成员。它的结构与哺乳动物的 Dnmt3 甲基化酶类似[5]。但它的催化结构域的保守基序排列方式是与众不同的，为Ⅳ-Ⅸ-Ⅹ-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ-Ⅳ-Ⅴ。其作用是在非对称位点从头甲基化 DNA 序列和维持失活转座子及转基因沉默位点的胞嘧啶甲基化修饰，并且对与外源 SiRNA 同源的 DNA 中所有的胞嘧啶进行从头甲基化[6]。第三类是染色质甲基化酶（CMT），该酶为植物所特有[7]，负责维持 CpNpG（N 是 A，T，C 或 G）三核苷酸中胞嘧啶的甲基化。其结构也是与哺乳动物的 DnmtⅠ相似，但是在 CMT 中有一个新的有色域氨基酸基元插入到了两个正则甲基转移酶基元之间。CMT 同时具有一个染色体结构域和 C- 甲基化催化活性，对对称结构上的甲基化有特殊作用。在拟南芥中已经识别了至少 3 个 CMT 编码基因[1]，其中 CMT1 被认为是没有功能的。CMT 与 DRM 一起，共同维持 CpNpG 和 Cp-NpN（N 非 G）核苷酸序列中胞嘧啶的甲基化。此外，植物中还存在第四类甲基转移酶，如玉米中的 DMT104 和拟南

芥中的 DMT11，它们可能是 DN-MT2 家族的同系物，虽然它们在不少物种中是保守

的，但其功能目前还不清楚[8]。

2 植物 DNA 甲基化方式及发生位置

植物 DNA 甲基化方式同哺乳动物一样分为两种，一种是 2 条链均未甲基化的 DNA 被甲基化，称为从头甲基化(denovo methylation)。另一种是双链 DNA的其中 1 条链已存在甲基化，另 1 条未甲基化的链被甲基化，这种类型称为保留甲基化(maintenancemethylation)。高等植物中约有 30%的胞嘧啶残基发生甲基化[9]，其中约有90%的甲基化位于 CpG 二核苷酸或 CpNpG 三核苷酸序列中[10]。DNA 的甲基化主要发生在对称序列 CG 和 CNG处。Oakeley 等[11]发现在非对称序列的位点也时常发生C 的甲基化。在烟草花粉 DNA 的 T85 基因的启动子区域发生了甲基化，但对应的叶片 DNA 中的同一序列并没有甲基化。在测定的区域中，49 个 C 碱基中有10 个被高度甲基化，但只有 3 个甲基化的 C 位于对称的位点。Chantal 等[12]在芜菁甘蓝反转录子 S1BnSINE序列中对 C 的甲基化分析结果表明，在对称的 CG 和CNG 位点甲基化水平分别为 87%和 44%；而在非对称位点甲基化水平为 5.1%。这说明：在植物体内基因非对称位点也会发生甲基化，但相比之下很多非对称位点的甲基化频率较低，而且这些位点的甲基化模式在

各分子间的变化也比较大。

3 植物 DNA 甲基化引起的表观遗传现象

植物 DNA 甲基化修饰在基因表达、细胞分化及系统发育中起着重要的调节作用。基因甲基化模式的改变可以影响植物的花期、育性、花及叶片的形态等。如果甲基化不足或者太高，都会导致植物生长发育的不正常和形态异常 [13,14]。如最早记载的云兰属植物Linaria vulgaris 的一个花由双面对称转变为辐射状的突变体既是由 Lcyc 基因的超甲基化引起的，与其DNA 序列变化无关[15]。番茄 Cnr 位点发生 DNA 超甲基化抑制果实成熟，且产生一系列表观变异，如果实无色、果皮缺乏[16]。可见，DNA 甲基化在植物的不同部位及发育不同时期均能调控基因的表达，导致植物某些表观形态变异。

3.1 DNA 甲基化与植物的正常生长发育

在正常植物体内存在着数量和程度不等的甲基化DNA，它们是植物正常生长发育所必需的。许多实验表明，甲基化水平不足或降低的植株会表现明显的表型异常。如水稻种子和甘蓝幼苗经 5-azaC（5- 氮胞苷，一种甲基化抑制剂）处理后，植株 DNA 甲基化水平降低，致使植株矮化、叶变小、株成丛状等[17,18]。菊花茎尖组织经一定浓度的 5-azaC 处理后可以使丛生芽的产生受抑制，并能进一步影响植物根系的产生和生长[19]。这表明 DNA 甲基化可能在植物的生长发育过程中起着关键的调节作用

3.2 DNA 甲基化与植物的开花

有实验表明，5-azaC 处理可以促使植物提早开花[20]。在亚麻开花研究中发现，控制早花型的3个位点经常发生甲基化，在正常发育阶段，这些位点的去甲基化将导致相变的发生。用 5-azaC 处理亚麻后，植株的株高明显降低，开花时间提早了 7~13d。这说明甲基化程度降低可以促进植物早开花。低温春化作用亦可以促进开花，且二者在促进开花中具有加成作用[21]。说明低温春化促进开花可能是因为诱导开花有关的基因或其启动子发生去甲基化进行表达，又使抑制开花的基因重新甲基化而关闭表达，从而诱导植物提早开花。

3.3 DNA甲基化与转基因沉默

Pcerbolte 等人[22]早在 20 世纪 80 年代就报道了转基因烟草中 T-DNA 上的冠瘿碱基因由于发生甲基化而使表达受抑制，即转基因沉默现象。转基因沉默是一个受多因素调控的复杂过程，其中 DNA 甲基化是造成植物转基因沉默的主要原因之一。在转基因植物中，DNA 甲基化作用既可以发生在转录水平，又可以发生在转录后水平。转录水平的沉默（TGS）往往和外源转入基因的启动子甲基化有关，如吴刚等人[23]研究抗虫转基因水稻的基因表达情