表观遗传学的相关概念和研究进展

收稿日期:2004-

07-14;修回日期:2004-08-11

作者简介:董玉玮(1980-),男,江苏徐州人,徐州师范大学生命科学学院,硕士研究生;侯进慧:硕士研究生。通讯作者:朱必才(E -mail :bicaizhu0054@ )。

基金项目:国家自然科学基金资助项目(30270738)资助。

表观遗传学的相关概念和研究进展

董玉玮,侯进慧,朱必才,李培青,庞永红

(徐州师范大学生命科学学院,徐州　221116)

摘要:表观遗传学是研究没有DNA 序列变化并且可以遗传的基因功能变化之学科,就其中的X 染色体剂量补偿、DNA 甲

基化、组蛋白密码、基因组印记、表观基因组学和人类表观基因组计划等等方面的问题进行了综述。关键词:表观遗传学;人类表观基因组计划中图分类号:Q343.1文献标识码:A 文章编号:1008-9632(2005)01-0001-03

DNA 双螺旋结构的发现和重组DNA 技术、PCR 技术的产生促进了分子遗传学的发展。几十年来,人们一直认为基因决定着生命过程中所需要的各种蛋白质,决定着生命体的表型。但随着研究的不断深入,科研人员也发现一些无法解释的现象:马、驴正反交的后代差别较大;同卵双生的两人具有完全相同的基因组,在同样的环境中长大后,他们在性格、健康等方面会有较大的差异,并不符合经典遗传学理论预期的情况。这说明,在相应的基因碱基序列没有发生变化的情况下,一些生物体的表型却发生了改变。同时还发现,有些特征只是由一个亲本的基因来决定,而源自另一亲本的基因却保持“沉默”。人们对于这样一些现象无法用经典的遗传学理论去加以阐明。现在,遗传学中的一个前沿领域:表观遗传学(E pigenetics ),为人们提供了解答这类问题的新思路。

表观遗传学是研究表观遗传变异的遗传学分支学科。表观遗传变异(epigenetic variation )是指,在基因的DNA 序列没有发生改变的情况下,基因功能发生了可遗传的变化,并最终导致了表型的变化。它是不符合孟德尔遗传规律的核内遗传。由此我们可以认为,基因组含有两类遗传信息,一类是传统意义上的遗传信息,即DNA 序列所提供的遗传信息,另一类是表观遗传学信息,它提供了何时、何地、以何种方式去应用遗传信息的指令。E pigenetics 这一名词的中文译法有多种,常见有译成“表观遗传学”、“表现遗传学”、“后生遗传学”、“外因遗传学”、“表遗传学”、“外区遗传学”等等,现在还没有统一的中文名称。早在1942年的时候,C.H.Waddington 就首次提出了E pigenetics 一词,并指出表观遗传与遗传是相对的,主要研究基因型和表型的关系。几十年后,霍利迪(R.H oliday )针对E pigenetics 提出了更新的系统性论断,也就是人们现在比较统一的认识,即表观遗传学研究没有DNA 序列变化的、可遗传

的基因表达改变”[1]

。

从目前的研究来看,X 染色体剂量补偿、DNA 甲基化、组蛋白密码、基因组印记、表观基因组学和人类表观基因组计划等问题都是表观遗传学研究的内容。本文总结这方面研究的资料,进行了综述。1　X 染色体失活

在哺乳动物中,雌雄性个体X 染色体的数目不同,这类动物需要以一种方式来解决X 染色体剂量的差异。在雌性哺乳动物中,两条X 染色体有一个是失活的,称为X 染色体的剂量补偿(dosage com pensation )。X 染色体失活的选择和起始发生在胚胎发育的早期,这个过程被X 失活中心(X -inactivation center ,X ic )所控制,是一种反义转录调控模式。这个失活中心存在着X 染色体失活特异性转录基因Xist (X -inactive -specific transcript ),当失活的命令下达时,这个基因就会产生一个17kb 不翻译的RNA 与X 染色体结合,引发失活。X 失活中心还有“记数”的功能,即保持每个二倍体中仅有一条X 染色体有活性,其余全部失活。X 染色体的失活状态需要表观遗传修饰如DNA 甲基化来维持。这种失活可以通过有丝或减数分裂遗传给后代。X 染色体失活是表观遗传学研究的很好范例,它能帮助人们认识基因沉默是如何建立和通过遗传而保持的。今后对于X 染色体失活的研究还要特别关注于哪些因素调控了X ic 的功能、Xist RNA 造成沉默的机制和一些像BRC Al 的蛋白质在X 染色体失活中的作用等问题[2]。2　DNA 甲基化

甲基化是基因组DNA 的一种主要表观遗传修饰形式,是调节基因组功能的重要手段。在脊椎动物中,C p G 二核苷酸是DNA 甲基化发生的主要位点。C p G 常成簇存在,人们将基因组中富含C p G 的一段DNA 称为C p G 岛(C p G island ),通常长度在1kb ～2kb 左右。C p G 岛常位于转录调控区附近,DNA 甲基化的研究与C p G 岛

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的研究密不可分。在DNA甲基化过程中,胞嘧啶突出于DNA双螺旋并进入与胞嘧啶甲基转移酶结合部位的裂隙中,该酶将S-腺苷甲硫氨酸(S AM)的甲基转移到胞嘧啶的5′位,形成5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine, 5MC)。体内甲基化状态有三种:持续的低甲基化状态,如持家基因;诱导的去甲基化状态,如发育阶段中的一些基因;高度甲基化状态,如女性的一条缢缩的X染色体。DNA甲基化主要是通过DNA甲基转移酶家族(DNAmethyltrans ferase,Dnmt)来催化。DNA甲基转移酶分两种:一种是维持甲基化酶,Dnmtl;另一种是重新甲基化酶如Dnmt3a和Dnmt3b,它们使去甲基化的C p G位点重新甲基化。在细胞分化的过程中,基因的甲基化状态将遗传给后代细胞。但在哺乳动物的生殖细胞发育时期和植入前胚胎期,其基因组范围内的甲基化模式通过大规模的去甲基化和接下来的再甲基化过程发生重编程,从而产生具有发育潜能的细胞[3]。

DNA甲基化影响到基因的表达,与肿瘤的发生密切相关。甲基化状态的改变是致癌作用的一个关键因素,它包括基因组整体甲基化水平降低和C p G岛局部甲基化程度的异常升高,这将导致基因组的不稳定(如染色体的不稳定、可移动遗传因子的激活、原癌基因的表达)[4]。把癌基因组学与表观遗传学的研究结合起来,是癌症研究的发展趋势。人类的一些癌症常出现整个基因组DNA的低甲基化,但人们并不清楚这种表观遗传变化是肿瘤产生的诱因还是结果。研究者构建了携带低表达水平Dnmtl基因的小鼠,对它的研究结果显示,DNA低甲基化可能通过提高染色体的不稳定性来促进肿瘤的形成。同时指出,通常使用DNA甲基转移酶抑制剂来治疗人和小鼠的癌症,其疗效可能是由于这些抑制剂恢复了肿瘤抑制基因的活性。但是这种导致DNA低甲基化的治疗方式,可能在防止一些癌症发生的同时,也会造成基因组的不稳定并增加其他组织罹患癌症的风险。这些都是需要继续深入研究的问题[5]。

3　组蛋白密码

染色体的多级折叠过程中,需要DNA同组蛋白(H3、H4、H2A、H2B和H1)结合在一起。研究中,人们发现组蛋白在进化中是保守的,但它们并不是通常认为的静态结构。组蛋白在翻译后的修饰中会发生改变,从而提供一种识别的标志,为其它蛋白与DNA的结合产生协同或拮抗效应,它是一种动态转录调控成分,称为组蛋白密码(histone code)。这种常见的组蛋白外在修饰作用包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化、ADP核糖基化、羰基化等等,它们都是组蛋白密码的基本元素。与DNA密码不同的是,组蛋白密码和它的解码机制在动物、植物和真菌类中是不同的。我们从植物细胞保留有发育成整个植株的全能性和去分化的特性中,就可以看出它们在建立和保持表观遗传信

息方面与动物是不同的。在组蛋白的修饰中,乙酰化、甲基化研究最多。乙酰化修饰大多在组蛋白H3的Lys9、14、18、23和H4的Lys5、8、12、16等位点。对这两种修饰结果的研究显示,它们既能激活基因也能使基因沉默。甲基化修饰主要在组蛋白H3和H4的赖氨酸和精氨酸两类残基上。研究也显示,在进化过程中组蛋白甲基化和DNA甲基化两者在机能上被联系在一起[6,7]。

4　基因组印记

人们在研究中发现,来自双亲的某些等位基因,在子代的表达不同,有些只有父源的基因有转录活性,而母源的同一基因则始终处于沉默状态,另一些基因的情况则相反。这是由于源自某一亲本的等位基因或它所在染色体发生了表观遗传修饰,导致不同亲本来源的两个等位基因在子代细胞中表达不同。在基因组中的这类现象就是基因组印记(genomic im printing)。研究者在植物、昆虫和哺乳动物中都发现了基因组印记现象。

印记基因在发育过程中扮演重要的角色,它们一般在染色体上成簇分布。在小鼠和人体中已知有八十多种印记基因。等位基因的抑制(allelic repression)被印记控制区(im printing control regions,ICRs)所调控,该区域在双亲中的一个等位基因是甲基化的。ICR在不同区域中对印记的调控存在差异。在一些区域中,未甲基化的ICR组成一个绝缘子阻止启动子和增强子间的相互作用;在其它区域中,可能有非编RNA(non-coding RNAs)的参与,这种沉默机制与X染色体失活相似。在配子形成时期,非组蛋白和附近的序列单元可以影响到差异甲基化的建立。在基因印记维持的研究中,人们注意到表观印记的反常可能在人体中导致复杂的疾病;胚胎培养、体细胞核移植和体外繁殖过程都会影响到印记;一些环境因素,比如食物中的叶酸也会破坏印记。但人们对于这些过程的机理知之甚少[8]。

基因组印记的研究促使人们去重新思考遗传学的“中心法则”。人们知道环境可以影响到由遗传因素所决定的表型,“中心法则”向人们阐述了遗传因素的作用原理,但无法说明环境因素作用于基因表达过程的分子机制。基因组印记给了研究者合理的解释:环境变化可以促成基因表观修饰,表观修饰也可能引起基因突变,这种变化可以发生在生殖细胞中,并传递给下一代。这样就很好地解释了环境因素对于遗传的影响过程。我们对“获得性”性状和“返祖”现象可以这样去认识:这些现象可能是因为一组基因,它们的活性已经被表观修饰所抑制了,后来由于一些因素的作用造成它们表观修饰的变化而恢复了活性[9]。

5　表观基因组学和人类表观基因组计划

表观遗传学使人们认识到,同基因组的序列一样,基因组的修饰也包含有遗传信息。研究基因组水平上

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