DNA甲基化和基因组印记现象

ＤＮＡ甲基化和基因组印记现象

吴少瑜，吕琳，徐伟，吴曙光。饶进军。

（南方医科大学药学院，广州５１０５１５）

关键词：基因组印记；表遗传系统；印记基因；ＤＮＡ甲基化；印记性疾病

中图分类号：Ｒ３２９．２文献标志码：Ａ文章编号：１００２－２６６Ｘ（２０１０）０９－０１１３－０２

基因组印记是表遗传系统的一个特殊形式。发育中的男性和女性生殖细胞中，有些基因被分别标志（甲基化），从而保证在后裔中仅出现源自某一亲代（父或母）的表达。现将ＤＮＡ甲基化和基因组印记的研究进展综述如下。

１基因组印记的概念及形成机制．

等位基因是哺乳动物的胚胎从父亲和母亲遗传的两个拷贝。传统的遗传学认为，来自父亲和母亲的等位基因具有相同的效应，同时关闭或同时表达，称为双等位基因表达。但近年发现，有一小部分等位基因只表达其中的一个，即单等位基因表达。这种对来源于父亲或母亲的等位基因做一印记使其不表达的现象称为基因组印记，也叫配子印记或亲代印记，这种基因称为印记基因。来源于父亲的等位基因不表达称为父源印记，来源于母亲的等位基因不表达称为母源印记。目前，已被确定的人类的印记基因约有３０种。印记基因的主要特点包括：单等位基因表达；富含ＣｐＧ岛，容易被甲基化；呈簇排列，很少单独存在；表达或抑制受印记调控区域（ＩＣＲｓ）调控；在体细胞分裂中稳定遗传。

关于基因组印记形成的机制，有些学者认为，基因组印记是进化的一种表现，如１９９１年提出的遗传竞争或亲本投资学说。这种学说认为，父源基因对胎盘生长和营养索的摄取起主要作用，从进化论的角度讲目的是让胎儿更强壮；母源基因对胎儿的生长起主要作用，目的是利用有限的资源繁殖更多的后代。来源于父亲和母亲的遗传物质相互竞争、相互补充，保证胚胎的正常发育。还有学者提出，基因组印记是应对环境压力而出现的进化。基因组印记是在配子形成过程中产生的，大致分为以下几个步骤：①在原始生殖细胞（ＰＧＭｓ）阶段，亲代的生殖细胞中的印记通过去甲基化消除；

②在胚胎发育早期，雄性生殖细胞通过重新甲基化重新建立印记，出生后，雌性生殖细胞也重新建立印记；③印记在体细胞分裂中稳定遗传。由此可见，ＤＮＡ甲基化是基因组印记调控的关键所在。众所周知，在许多真核生物中，ＤＮＡ甲基化是转录沉默的异染色质的遗传标志。Ｔｒａｓｌｅｒ¨１指出，在配子形成时，雄性和雌性配子的基因组甲基化显著不同，产生基因组印记现象。Ｍａｎｎ等Ｂｏ将等位基因特异性甲基化作用

基金项目：国家自然科学基金（３０９０１８２３），国家自然科学基金（３０７０１１０３），广东省自然科学基金（９１５１０５１５０ｌｏｏ００８８），广东省教育部产学研结合项目（２００９１３０９０３００２８２）。

・通讯作者的区域称为原发性差别甲基化区（ＤＭＲ），是由配子遗传而来，ＤＭＲ中有Ｃｐｃ岛和重复元件。原发性ＤＭＲ序列中含有至少３个印记基因共同组成的１个元件，能够顺式调控基因的活性，这些印记基因能根据有无遗传的甲基化而控制这些元件的开或关。所以基因组印记是哺乳动物中的一种基因调节的表遗传系统归Ｊ，它决定在发育时少数印记基因的表达源自双亲中的哪一个。

２印记基因的功能

ＤＮＡ甲基化是一种对ＤＮＡ的表遗传修饰，可引起染色质重塑和调节基因表达，对发育和成年个体的基因组功能都很重要。基因组印记调控着一小群哺乳动物的基因，使得亲代等位基因中仅有一个是活动的。这些印记基因有不同的功能，例如通过调节胰岛素样生长因子信号途径调节胎儿的生长发育，它编码两个有关的基因：Ｉｇ也是由父亲的等位基因编码的生长促进因子，Ｉｇ亿ｒ是由母亲的等位基因编码的生长促进因子。

Ｄａｄｓ等¨１报道，在配子发生期间，可观察到父亲甲基化的、而由母亲表达的Ｈ１９组蛋白等位基因，但是在妊娠中期胚胎的生殖细胞中，两个等位基因中均却无甲基化，提示在此之前甲基化印记已在生殖细胞中被取消。在以后，雄性生殖细胞系中的父系和母系的两个等位基因会在不同的时候过度甲基化：父系等位基因在胎儿期即过度甲基化，而母系等位基因的甲基化要在围产期才开始，并在减数分裂开始后在出生后继续下去。Ｓｗａｌｅｓ等¨３认为，在配子发生期间两个亲代Ｈ１９等位基因的甲基化获得分化，所以即使没有ＤＮＡ甲基化，在雄性生殖细胞发育时，在Ｈ１９位点处，其他表遗传机制仍能区别开两个亲代的不同。

３ＣｐＧ二核苷酸中的胞嘧啶残基的甲基化

表遗传学是指调节基因活性的ＤＮＡ及核心组蛋白发生共价修饰，而不改变ＤＮＡ的序列。目前认为，能影响基因活性的最主要的修饰是ｃｐＧ二核苷酸中的胞嘧啶残基的甲基化１６］。所以甲基转移酶是参与基因组印记的一个重要因素。Ｌｅｆｅｂｖｒｅ等【＂认为，Ｐｅｇｌ基因具有严格的亲代起源特异性差别甲基化作用，在此基因的启动子处，沉默的母系等位基因在所有ＣｐＧ处均被甲基化，而表达的父系等位基因则不被甲基化。Ｃａｄｏｎｅ等‘叫指出，ＣｐＧ处的胞嘧啶甲基化作用是哺乳动物基因组的一个重要的表遗传修饰。ＣｐＧ结合蛋白（ＣＧＢＰ）只对未甲基化的Ｃｐｃ特征序列有特异的ＤＮＡ结合

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作用，但对小鼠的早期发育是不可少的。在培养液中除去白血病抑制因子后，ＣＧＢＰ－／一细胞仍能存活，但其凋亡率增高，且不能在体外分化，而维持在未分化的ＣＧＢＰ－／．胚胎干细胞状态，总ＤＮＡ甲基转移酶活性减低３０％一６０％，维持性ＤＮＡ甲基转移酶Ｉ蛋白质的表达亦相应减低。然而新合成ＤＮＡ甲基转移酶活性却是正常的，在导入ＣＧＢＰ表达载体后，几乎多效性ＣｃＢＰ－／一表型的所有方面均可恢复。所以ＣＧＢＰ在哺乳动物发育早期通过胞嘧啶甲基化对基因组作正常的表遗传修饰和细胞分化都是必需。

在哺乳动物基因组的所有印记基因中均有等位基因特异性差异甲基化作用区（ＤＭＲ）。Ｃｏｎｓｔａｎｃｉａ等指出【９Ｊ，在生殖细胞的发育早期这种差异甲基化作用均被消除，但在核心ＤＭＲ中差异甲基化作用仍被保留，并在着床前和着床后的早期又重新甲基化。在靠近富有ＣｐＧ的ＤＭＲ处的同向重复序列参与建立和保持等位基因特异性差异甲基化作用。

４基因组印记异常导致疾病

性别特异性基因组印记是十分重要的，它使受精后胚胎发育能正常进行，错误的基因组印记可使胎儿死亡或引起发育紊乱和疾病。人工协助生殖技术常可使正常妊娠时罕见的印记性疾病增多，表遗传所致的人类疾病包括葡萄胎和儿童癌症等。Ｊｕｍｅｎ等ｕ叫报道，肥胖、２型糖尿病、心血管疾病和代谢综合征患者是在其胚胎期和出生后的发育中，由于母体营养不良积代谢紊乱丽产生不良的“表遗传程序”，这种病态倾向甚至可遗传至下一代。

环境因素对基因组印记能产生重大影响。已知叶酸缺乏引起的癌症中存在甲基化形式的畸变。Ｇｈ∞ｌｕｄ等用缺少甲硫氨酸、叶酸和胆碱的膳食喂养雄性大鼠诱发肝细胞癌，结果发现，在肿瘤发生早期，叶酸和甲基缺乏可引起肝细胞癌早期转录和转录后机制的改变，进而使ＤＮＡ甲基化机制发生改变。另外，由于表遗传标志在胚胎及其干细胞中是不

・告读者・稳定的，因此印记被破坏是人干细胞移植失败的原因之一。

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（收稿日期：２００９．１１—１６）

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