DNA甲基化與基因組印跡的研究進(jìn)展

1、基因組印跡的研究進(jìn)展摘要基因纟r印跡(genomic imprinting)是指在配了或合了發(fā)生期間， 來(lái)自親本的等位基因或染色體發(fā)育過(guò)程中產(chǎn)生專(zhuān)一性的加工修飾，導(dǎo) 致后代體細(xì)胞中兩個(gè)親本來(lái)源的等位基因有不同的表達(dá)活性。為一種 后生論修飾。目前在人類(lèi)和小鼠中堅(jiān)定的印跡基因已超過(guò)25個(gè)，它們 具有一些共同的特點(diǎn)，如印跡基因分布的群集性，復(fù)制的不同步性， 表達(dá)的時(shí)空特異性，遺傳的保守性及編碼rnas等?；蚪M卬跡的分 子機(jī)理與印跡基因的甲基化尤其是cpg島甲基化密切相關(guān)，特界性甲 基化區(qū)域在印跡基因的表達(dá)中具有重要作用。基因組印跡基因與胎兒 和胎盤(pán)的牛:長(zhǎng)發(fā)育及細(xì)胞增值有關(guān)，正常印跡的改變可引起包

2、括腫瘤 在內(nèi)的多種遺傳性疾病。關(guān)鍵詞基因組卬跡印跡基因甲基化cpg島基因組印跡是一種非孟徳爾遺傳現(xiàn)象，經(jīng)典孟徳爾遺傳學(xué)認(rèn)為所有父 系及母系等位基因有同等表達(dá)，但隨著對(duì)遺傳學(xué)研究的深入，人們發(fā) 現(xiàn)了 一種被稱為基因組印跡的非孟德?tīng)栠z傳現(xiàn)象，它是指在配子和合 子發(fā)生期間，來(lái)口親本的等位基因或染色體在發(fā)育過(guò)程中產(chǎn)生專(zhuān)一性 的加工修飾，導(dǎo)致后代體細(xì)胞屮的兩個(gè)親本來(lái)源的棊因有不同的表達(dá) 活性，又稱遺傳卬跡或親代卬跡或配了卬跡。它是一種伴有基因組改 變的非孟徳爾遺傳形式，可遺傳給子代細(xì)胞，但并不包括dna序列 的改變， 至今，在人類(lèi)和小鼠中鑒定的印跡基因已超過(guò)25個(gè)，它們 具有一些共同的特征，印跡基因的甲

3、基化可能是基因組印跡的分子機(jī) 制，特異性甲基化區(qū)(dmrs)是控制印跡表達(dá)得的重要因素門(mén)。卬跡基 因中大多數(shù)在生長(zhǎng)和分化中起重要作用，而且nj*引起一些人類(lèi)遺傳性 疾病和腫瘤發(fā)生。我想從基因印跡的發(fā)現(xiàn)，印跡基因的特征及其生物 學(xué)意義上談一下我的認(rèn)識(shí)。1基因組印跡基因的發(fā)現(xiàn)基因組印跡基因的發(fā)現(xiàn)最初開(kāi)始于對(duì)全基因組的研究，接著是對(duì) 個(gè)別染色體和染色體區(qū)域的研究，最終到鑒定特界的印跡基因。1989 年，swain和lende等人發(fā)現(xiàn)了一個(gè)特異的印跡基因，但它并不是一 個(gè)內(nèi)源性基因。他們發(fā)現(xiàn)融合了免疫球蛋白增強(qiáng)了的c-myc轉(zhuǎn)基因如 來(lái)自父本，則在一些組織中表達(dá)，如果來(lái)自母木則表現(xiàn)為轉(zhuǎn)錄沉默， 而尺這

4、些母源拷貝被甲慕化。目前還發(fā)現(xiàn)了一些父源轉(zhuǎn)基因甲基化的 現(xiàn)象，但轉(zhuǎn)錄沉默現(xiàn)象比較少dechiara efstradiatis等人通過(guò)基因剔除技術(shù)破壞小鼠胰島素樣 生長(zhǎng)因了( igf2 )基因發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)內(nèi)源性印跡基因，若被剔除的等 位基因源于父本，則動(dòng)物表現(xiàn)為侏儒，相反如為母源則無(wú)特殊表型， 這些木身剔除了等位基因的雌鼠，其子代人小正常，原位雜交及rnase 保護(hù)試驗(yàn)均證明剔除了父本等位基因的小鼠其組織中不表達(dá)igf2,這 些實(shí)驗(yàn)表明igf2被印跡而且僅父源等位基因正常表達(dá)。這是一個(gè)里程 性的研究，因?yàn)樗鼈儾粌H表明基因組印跡可影響正常內(nèi)源性基因，而 且表明印跡具有組織特界性調(diào)節(jié)作用在igf2基

5、因發(fā)現(xiàn)的同時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)小鼠甘露糖6 磷酸/胰島素 樣生長(zhǎng)因了 2型受體(m6p/igf2r)基因也為印跡基因，其母源棊因表達(dá) 。有趣的是，lgf2和 m6p/igf2r在生化水平上相互作用，當(dāng)小鼠 m6p/iigf2r基因突變后，母源雜合子或純合子胎鼠生長(zhǎng)增加約30 %, 這些表明，igf2和m6p/igf2r印跡基因在胚胎發(fā)育和胎兒生長(zhǎng)中都有 重要作用目前在人類(lèi)和小鼠屮已鑒定了 25個(gè)印跡基因，而且新的 印跡基因仍在不斷的鑒定，如最近乂發(fā)現(xiàn)了 iac/plagll和tih 1等新 基因2印跡基因的特點(diǎn)2.1印跡基因分布的群集性目前已知的一些卬跡基因在基因組屮的分布不是單一基因分散分 布，而具

6、有一定的群集性傾向，在這些群集區(qū)，父源和母源印跡基因 均可找到。最大的印跡基因群集區(qū)z 位于小鼠7號(hào)染色體末端和人 類(lèi)llpl5.5處，在約1 . 5 mb的群集區(qū)內(nèi)有6個(gè)印跡基因，在群集區(qū) 的末端有3個(gè)母源表達(dá)基因:p57klp2, kvlqtl和mash2,中間為兩個(gè)父 源表達(dá)基因insulin-2( ins-2)和igf2,在下游90 kb處為一母源表達(dá)基 因 h194, 5另1個(gè)研究較多的印跡基因群集區(qū)位于人類(lèi)1 5號(hào)染色體，由于該 區(qū)與pws和as兩種人類(lèi)遺傳疾病冇關(guān)，因此人們對(duì)這一群集區(qū)很感 興趣， 目前已發(fā)現(xiàn)在此群集區(qū)至少包括 znf127,vbe3a,snrpn,par-sn、

7、par5、pari、ndn(nccdin)、ipw、 gabrg3、gabrb3,gabra5和 fnzi27等12個(gè)印跡基因，小鼠2號(hào) 染色體遠(yuǎn)端gnas位點(diǎn)處也有一印跡群，包括4個(gè)印跡基因:nesp, nespas, gnasxl, gnas ,它們可形成一個(gè)印跡轉(zhuǎn)錄單位|6' 71 <>最大的印跡基因群集區(qū)為x染色體本身，在真獸亞綱ll|j乳動(dòng)物中 雄性動(dòng)物所有體細(xì)胞中兩條染色體屮的一條失活形成x連鎖基因的劑 量互補(bǔ)效應(yīng)m。雖然x染色體失活nj-在胚胎細(xì)胞中父源和母源x染色 體間白由選擇，但在胚胎發(fā)生時(shí)胚外細(xì)胞的胎盤(pán)滋養(yǎng)層和卵黃囊內(nèi)胚 層細(xì)胞屮，這種選擇由父系決定，也

8、就是說(shuō)父系x染色體優(yōu)先失活， 且父源基因沉 默。以下幾個(gè)群集區(qū)有以下幾個(gè)共同特點(diǎn)：在一個(gè)很大的區(qū)域中群集分 布著印跡基因，這些棊因包含父源和母源表達(dá)基因，并且無(wú)編碼rnao 這些共同特點(diǎn)表明印跡可能不是一個(gè)或幾個(gè)印跡基因。2.2印跡基因dna復(fù)制的不同步性印跡基因的第2個(gè)特點(diǎn)是復(fù)制的不同步性。復(fù)制的不同步性首先 做為x染色體失活的標(biāo)記而發(fā)現(xiàn)，在細(xì)胞周期中失活x染色體的復(fù)制 比有活性x染色體復(fù)制晚。kitsberg等人首先發(fā)現(xiàn)印跡基因復(fù)制的不 同步性，他們用fish技術(shù)通過(guò)對(duì)含有一個(gè)或兩個(gè)雜交斑細(xì)胞所占的 比例來(lái)分析復(fù)制的不同步性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)igf2r, igf2、h 1 9和snrpn的 兩個(gè)親

9、源等位基因的復(fù)制不同步，它們的父源等位基因復(fù)制較早。細(xì) 胞周期+的復(fù)制時(shí)間常與基因表達(dá)水平有 關(guān)，一旱復(fù)制的基因有活性，但卬跡基因不遵循這一原則，h19和igf2 基因?yàn)槟冈幢磉_(dá)基因，但其父源基因復(fù)制早。還有少數(shù)基因不管哪個(gè) 等位基因表達(dá)，其父源基因總是一早復(fù)制。kawame等人用5-滉脫氧 尿核昔肓接脈沖標(biāo)記細(xì)胞的方法來(lái)測(cè)定dna復(fù)制的不同步性，結(jié)果 發(fā)現(xiàn)，在人類(lèi)淋巴細(xì)胞和原始淋巴細(xì)胞系'i' igf2和h 1 9的兩個(gè)等位基 因復(fù)制均晚，陽(yáng)這此細(xì)胞中不表達(dá)igf2或和h19。23基因組印跡基因表達(dá)的時(shí)空特異性人們己發(fā)現(xiàn)了很多印跡基因表達(dá)的空間特界性的例子。如小鼠 ins-2

10、基因僅在小鼠胚胎的胚外組織中印跡，但在胰島細(xì)胞中雙等位基 因均表達(dá)i9io,】丨】；人類(lèi)kvlqt 1基因在人多數(shù)組織屮為母源表達(dá)，但 在心臟中無(wú)印跡，這可能是少該基因有關(guān)的長(zhǎng)qt綜合征無(wú)親本遺傳 傾向的原因。印跡基因表達(dá)的時(shí)間特界性的例子也很多：例如小鼠胚胎 屮的igf2和mash2開(kāi)始為雙等位基因表達(dá)，但在胚胎形成的后期則表 現(xiàn)為母源等位基因表達(dá)。人類(lèi)印跡基因中igf2基因的表達(dá)電有時(shí)間改 變，在個(gè)體發(fā)育期，igf2基因由3個(gè)獨(dú)立的啟動(dòng)子啟動(dòng)父源染色體上 的等位基因表達(dá)，出生后，肝臟中igf2基因遠(yuǎn)端的啟動(dòng)子在兩條染色 體上均有活性，結(jié)果導(dǎo)致成人中雙等位基因的表達(dá)。與上述例子相反， 小鼠h

11、 1 9和snrpn基因在發(fā)育的全過(guò)程屮均卬跡；人類(lèi)h 1 9基因僅在 發(fā)育早期胎盤(pán)滋養(yǎng)層的少數(shù)細(xì)胞中無(wú)印跡，但在后期階段完全印跡 12o24真獸亞綱哺乳動(dòng)物中印跡基因的保守性人們對(duì)小鼠和人類(lèi)基因組印跡基因研究發(fā)現(xiàn)人類(lèi)和小鼠的印跡基 因既有相似又有不同點(diǎn)，例如，小鼠印跡基因h19, igf2,p57klp2在人 類(lèi)也存在；相反，在小鼠中印跡的igf2r基因在人類(lèi)大部分為雙等位 基因表達(dá)，與此相同，拼接因子相關(guān)蛋白v2afbps基因在小鼠中印 跡而在人類(lèi)屮不印跡。至今還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)真曽亞綱以外的動(dòng)物有基因組 印跡現(xiàn)象的報(bào)道，但有袋類(lèi)動(dòng)物的x染色體上有印跡現(xiàn)象，它的失活 不是隨機(jī)的，在胚胎和胚外組織中

12、均為父源x染色體優(yōu)先失活,4,o 2.5印跡基因編碼rnas人們發(fā)現(xiàn)很多印跡基因根木不編碼蛋白質(zhì)，但編碼rnaso h 1 9基 因是笫一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的該類(lèi)基因在比較人類(lèi)和小鼠h 19基因吋發(fā)現(xiàn)，小 鼠和人h19基因有保守的一級(jí)結(jié)構(gòu)和部閱讀框，因此認(rèn)為h19盡編碼 rna而不編碼蛋白質(zhì)。在胎兒發(fā)育期來(lái)自中胚層和內(nèi)胚層的組織屮聚 積廠人量的h19 rna,很難使這種不重要的轉(zhuǎn)錄假基因消失：第二個(gè) 發(fā)現(xiàn)的編碼rna的印跡基因?yàn)樾∈蟮膞ist和人的xist基因，定位于 x染色體的失活中心，該區(qū)域?yàn)閤染色體失活所需的順式作用區(qū)，表 明這些rnas在印跡形成中有一定作用。上述兩個(gè)編碼rna的基因 具有一些共

13、同特點(diǎn)：這些基因的第一個(gè)和最后一個(gè)外顯子均大，中間含 有多個(gè)小的外顯了 ；在真獸亞綱動(dòng)物中兩個(gè)基因編碼的rna 一級(jí)結(jié)構(gòu) 均很保守，雖然那此保守的核昔分布并不完全一致，但在每個(gè)基因中 其岀現(xiàn)具有周期性。根據(jù)潛在的基一環(huán)結(jié)構(gòu)上互補(bǔ)堿基變化方式推 測(cè)hi rna的二級(jí)結(jié)構(gòu)其保守性更加顯著。這些特點(diǎn)表明卬跡基因編碼 的rna在進(jìn)化選擇中有一定的生物學(xué)功能在人類(lèi)染色體pw區(qū)發(fā)現(xiàn)了第3個(gè)編碼rna的ipw印跡基因， 其父源等位棊因表達(dá)，在小鼠屮該棊因-u snrpn基因連鎖，也為父本 等位基因表達(dá)。與h 1 9和xist所不同的是，ipw的基因結(jié)構(gòu)及一級(jí)順 序在小鼠和人類(lèi)之間幾乎無(wú)前述的保守性，人和小鼠

14、之間僅有一 5()()bp的同源區(qū)，在人類(lèi)為一段外顯了區(qū)域，在小鼠為外顯了與內(nèi)含 子的連接區(qū)。3表觀遺傳修飾與基因組印跡表遺傳修飾(epigenetic reprogramming)是一種不改變 dna 序 列的可逆性化學(xué)修飾，且具有可遺傳性。表遺傳修飾的方式主要有 dna 甲基化(denovomethylation)/去甲基化(demethylation)、組蛋 口 乙 酰化和rna干擾(rnai)等。在很多情況下，表遺傳改變對(duì)以調(diào)控細(xì) 胞z間或者親代和子代z間的基因表達(dá)。f1前，被最廣泛研究的表遺 傳學(xué)現(xiàn)象是dna甲基化。dna甲基化是一種發(fā)生在cpg二核廿酸 的胞喘喘上的共價(jià)修飾，甲基化

15、受dna-5-甲酰基轉(zhuǎn)移猶催化，能導(dǎo) 致染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化，并幾通常與基因的沉默表達(dá)有關(guān)i，61o甲基化是 新發(fā)甲基化和去甲基化作用之間復(fù)雜的相互作用的結(jié)果?；蚪M印跡 是一種表遺傳現(xiàn)象，即一個(gè)基因的表達(dá)由其親代來(lái)源決定。印跡基因 中，只有一個(gè)等位基因被表達(dá)。dna甲基化是一種具有遺傳性且可逆 的表遺傳標(biāo)記，并nj'以在dna復(fù)制后穩(wěn)定地增殖和影響基因表達(dá)。 印跡由dna甲基化控制，一對(duì)分別來(lái)自父方和母方的等位基因由于 其不同的甲基化改變，則會(huì)產(chǎn)生不同的表達(dá)。印跡基因的功能和性別 特異性的差異解釋了單親胚胎發(fā)育衰竭的現(xiàn)象，并證明，來(lái)自雙親的 基因在正常發(fā)育過(guò)程中都起著不可缺少的作用。小鼠

16、的雄性單性生殖 模型是通過(guò)激活敲除母系遺傳物質(zhì)后的兩個(gè)由雄原核組成的受精卵而 建立的，在這個(gè)模型中，胚胎外組織快速增長(zhǎng)，但胚胎組織卻增長(zhǎng)不 足。相反，如果單親生殖激活卵母細(xì)胞將引起在早期體節(jié)形成階段相 應(yīng)正常的胚胎組織存活而胚胎外結(jié)構(gòu)卻形成不完全。這些現(xiàn)象表明， 父系基因的表達(dá)將通過(guò)影響胚胎外組織來(lái)促進(jìn)胚胎的牛長(zhǎng)，而母系基 因的表達(dá)則可以直接促進(jìn)胚胎的發(fā)育?；蚪M印跡與配子形成和胚胎 早期發(fā)育小鼠實(shí)驗(yàn)表明，親代來(lái)源的基因組印跡在每一次生殖循環(huán)中 都首先被消除，然后在早期胚胎細(xì)胞中重新建立，并只在植入前期和 植入后的生長(zhǎng)過(guò)程中得到維持。配子成熟至受精是父系基因組和母系 基因組分離的惟一階段，該階

17、段很可能是印跡的發(fā)牛階段。母系h19 基因表達(dá)，而父系h 1 9基因被印跡是一種較為典型的印跡現(xiàn)彖。在距 離h19基因的復(fù)制起始點(diǎn)上游約2-4 kb的區(qū)域存在一個(gè)2 kb跨 度的差異甲基化區(qū)（dmd）,這個(gè)區(qū)域在成熟雄性的生殖細(xì)胞中發(fā)生甲 基化，甲基化是在前梢原細(xì)胞吋期獲得，并且在減數(shù)分裂的粗線期完 成。而在卵母細(xì)胞中該區(qū)域卻不發(fā)生甲基化。一些研究表明在雌性生 殖系中，印跡獲得發(fā)生在iii生后，此時(shí)期卵母細(xì)胞停止在第一次減數(shù) 分裂前期的雙線期。父系表達(dá)基因snrpn的甲基化印跡的獲得就在這 個(gè)時(shí)期，而igf2, pegl和peg3基因上的母系甲基化的建立則是在 卵母細(xì)胞第二次分裂中期。在胚胎早

18、期發(fā)育過(guò)程中，配了中己經(jīng)建立 的印跡必須維持，而未被印跡基因的甲慕化狀態(tài)則經(jīng)歷了動(dòng)態(tài)變化。小鼠實(shí)驗(yàn)中，受精4 h的雄性原核細(xì)胞經(jīng)歷了迅速的主動(dòng)去甲基化 改變。而母系基因組卻耒參與此過(guò)程，并可能發(fā)生被動(dòng)去甲基化。新 發(fā)甲基化發(fā)生之后，囊胚階段的非印跡基因的甲基化達(dá)到最低水平。在植入前胚胎的基因組廣泛去甲基化時(shí)期，卬跡基因維持了來(lái)自配了 的遺傳標(biāo)記。4基因組印跡與人類(lèi)疾病20世紀(jì)50年代后，就有報(bào)道兩種不同的病癥 angelman綜合 征（as）和prader-willi綜合征（pws）。示來(lái)認(rèn)為這兩種疾病都與15qll -13區(qū)域的缺失有關(guān)。這個(gè)區(qū)域存在一個(gè)包括snrpn, ube3a, znf

19、127,ipw和ndn基因的印跡基因簇。與其相似的基因組在小鼠 體內(nèi)則位于7號(hào)染色體。as是由母系等位基因功能缺失或者父系等 位基因的ube3a發(fā)生重疊而引起的。是以共濟(jì)失調(diào)，張力減弱，嚴(yán) 重的智力障礙，癲癇發(fā)作和語(yǔ)言障礙為特征的一類(lèi)疾病。與as相關(guān) 的甲基化缺陷包括snrpn印跡中心的卬基化丟火，及隨后表現(xiàn)iii的 父系(甲基化不足)表型。pws與父系等位基因功能缺失或母系等位 基因snrpn重疊冇關(guān)。其位置也是15ql 1 13區(qū)域。pws患者通常 表現(xiàn)岀肥胖，輕度智力障礙，身材矮小，肌肉張力減退，牛:殖腺功能 低下和特征性的胎動(dòng)減少。另外一種與印跡冇關(guān)的疾病 是 beckwith-wie

20、demann綜合征(bws), bws的發(fā)生與母系等位基因 在1 lp!5部位發(fā)生功能喪失有關(guān)。bws是一種過(guò)度生長(zhǎng)性疾病，其 主要特征包括：臍疝，巨舌，內(nèi)臟肥大，新生兒時(shí)期低血糖，臍和腹 壁異常及耳部的特殊紋理。bws的兒童具有高度的發(fā)牛胚胎性和兒 童期腫瘤的風(fēng)險(xiǎn)。silver-russell綜合征(srs)是以低出生體質(zhì)最、侏 儒癥和各種畸形為特征的一類(lèi)疾病。可能與一類(lèi)還未明確的印跡基因 簇中的某個(gè)(些)基因的缺陷有關(guān)。【參考文獻(xiàn)】f 1 de chiara t m, robertson e j, efstratiadis a. parental imprinting of the mou

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