印跡基因胰島素樣生長(zhǎng)因子22在胎兒生長(zhǎng)發(fā)育中的作用

1、546第18卷第6期2005年6月綜述醫(yī)學(xué)研究生學(xué)報(bào)JournalofMedicalPostgraduatesVol.18No.6Jun.2005印跡基因胰島素樣生長(zhǎng)因子22在胎兒生長(zhǎng)發(fā)育中的作用戴毅敏綜述,胡婭莉?qū)徯?南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院婦產(chǎn)科,江蘇南京210008)摘要:基因組印跡是哺乳動(dòng)物正常生長(zhǎng)發(fā)育和行為的基礎(chǔ),一些遺傳性疾病和腫瘤的形成與其異常表達(dá)相關(guān)。胰島素樣生長(zhǎng)因子22(IGF22)是具有促進(jìn)胎兒生長(zhǎng)發(fā)育作用的印跡基因,通過調(diào)節(jié)胎盤營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)控制胎兒生長(zhǎng)。IGF22過度表達(dá)與新生兒低血糖、巨舌內(nèi)臟肥大、臍膨出綜合征(BWS)相關(guān),父系單親二倍體、部分三體、印跡丟失是引起IGF

2、22過度表達(dá)的分子機(jī)制。輔助生育相關(guān)技術(shù)可能會(huì)引起表遺傳改變,影響胎兒發(fā)育及未來的成長(zhǎng)。關(guān)鍵詞:印跡基因;胰島素樣生長(zhǎng)因子22;胎盤;胎兒中圖分類號(hào):R714.51文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):100828199(2005)06205462043RoleofimprintedgeneInsulin2likegrowthfactor2infetalgrowthDAIYi2minreviewing,HUYa2lichecking(DepartmentofObstetricsandGynecology,GulouHospital,MedicalCollegeofNanjingUniversity,Nan2

3、jing210008,Jiangsu,China)Abstract:Genomicimprintingplaysafundamentalroleinmammalfetalgrowthandbehavior.Abnor2malexpressionofimprintedgenesisassociatedwithsomegeneticdiseasesandcancers.Imprintedinsu2lin2likegrowthfactor2(IGF22)controlsfetalgrowthbyregulatingnutrienttransportationinplacenta.Paternalun

4、iparentaldisomy,duplicationofpaternalalleleandlossofimprintingare3molecularmecha2nismsofIGF22overexpressionthatcancauseBeckwith2Weidemannssyndrome(BWS).Someassistedreproductivetechniquesmaycausesomeepigeneticchangesthataffectembryonicandpostnataldevelop2ment.Keywords:Imprintedgene;Insulin2likegrowth

5、factor2;Placenta;Fetal0引言乳動(dòng)物正常生長(zhǎng)發(fā)育和行為的基礎(chǔ),一些遺傳性疾病和腫瘤的形成與其異常表達(dá)相關(guān)1。據(jù)估計(jì)人基因組印跡(genomicimprinting)是指在父母的配子形成過程中,某些基因被印上不同標(biāo)記,根據(jù)父母來源的不同出現(xiàn)不同表達(dá)。這是與孟德爾經(jīng)典遺傳學(xué)的概念完全不同的表遺傳方式。印跡基因是哺類印跡基因約有100200個(gè),目前已發(fā)現(xiàn)近60個(gè)印跡基因。印跡基因本身的分子機(jī)制可能與DNA差異性甲基化、染色體組蛋白的修飾(如甲基化、乙?；?、磷酸化)有關(guān)。胰島素樣生長(zhǎng)因子22(insulin23收稿日期:2005202206;修訂日期:2005203209基金項(xiàng)目:

6、江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):BK2004008)作者簡(jiǎn)介:戴毅敏(19692),女,江蘇揚(yáng)州人,主治醫(yī)生,醫(yī)學(xué)碩士研究生,從事婦產(chǎn)科專業(yè)。第6期戴毅敏,等印跡基因胰島素樣生長(zhǎng)因子22在胎兒生長(zhǎng)發(fā)育中的作用547likegrowthfactor2,IGF22)是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的印跡基因,為父系表達(dá)、母系印跡,其蛋白產(chǎn)物具有促進(jìn)胎兒生長(zhǎng)發(fā)育的作用。1IGF22基因的印跡調(diào)節(jié)機(jī)制印跡基因80%呈簇狀分布在染色體上,IGF22定位的11P15.5(與小鼠7q有同源性)是最大的印跡基因簇之一,有4個(gè)父系和10個(gè)母系表達(dá)基因。IGF22下游100kb處是無蛋白產(chǎn)物的父系印跡基因H19,兩者共同競(jìng)爭(zhēng)H

7、19下游的增強(qiáng)子以獲得轉(zhuǎn)錄,2。鋅指結(jié)合蛋白CTCF具有絕緣子功能,能與母系染色體上非甲基化H19上游的重復(fù)結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合,阻止H19下游的增強(qiáng)子與IGF22結(jié)合,抑制IGF22轉(zhuǎn)錄。但CTCF不能與甲基化的父系等位基因結(jié)合,這樣IGF22就能與增強(qiáng)子接觸起始轉(zhuǎn)錄3。差異性甲基化區(qū)域(differentiallymethylatedre2gion,DMR)即印跡中心,根據(jù)父母來源不同調(diào)節(jié)基因表達(dá),該區(qū)域有大量的CG重復(fù)序列,常是基因的啟動(dòng)子,即所謂的CpG島。小鼠IGF22有3個(gè)DMR,DMR0具有胎盤組織特異性,在母系等基因上呈高度甲基化4。父系甲基化的DMR1和DMR2分別位于IGF22的上

8、、下游,DMR1具有使基因沉寂的作用,DMR2則具有激活功能。在人類,IGF22DMR的功能尚在進(jìn)一步研究中。應(yīng)用酵母轉(zhuǎn)錄因子(GAL4)敲入的小鼠模型和染色體形態(tài)捕獲技術(shù)證明5,IGF22和H19DMR間的相互作用是一種表遺傳調(diào)節(jié),通過形成增強(qiáng)子遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)模型的染色質(zhì)環(huán)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用,但父母雙方等位基因的調(diào)節(jié)有所不同。在母系染色體上,非甲基化H19DMR可能通過CTCF和蛋白因子與IGF22DMR1接觸,形成2個(gè)染色質(zhì)功能區(qū),H19增強(qiáng)子處于活化的功能區(qū)內(nèi),H19正常轉(zhuǎn)錄;IGF22遠(yuǎn)離增強(qiáng)子處于非活化的功能區(qū),不能產(chǎn)生轉(zhuǎn)錄。在父系等位基因上,甲基化H19DMR通過蛋白因子與IGF22DMR

9、2相互作用,使IGF22進(jìn)入活化的染色質(zhì)功能區(qū),其啟動(dòng)子和H19下游的增強(qiáng)子緊密相連,H19雖在活化區(qū)內(nèi),但由于DNA甲基化而沉寂。除了與H19的順式作用機(jī)制外,IGF22還與其他印跡基因存在相互調(diào)控,尤其是11P15.5上的其他印跡基因CDKNIC(P57KIP2)、IPL(TSSC3)、KCNQ1OT1(LIT1)和IGF22間存在相互作用6,但其具體印跡機(jī)制并不十分清楚。位于6q26的父系印跡基因IGF22r是IGF22受體,與IGF22結(jié)合后進(jìn)入溶酶體進(jìn)行降解,在功能上產(chǎn)生拮抗作用7。2IGF22基因與胎盤發(fā)育基因組印跡現(xiàn)象造成的父母基因組差異是正常生長(zhǎng)發(fā)育的必需條件。對(duì)利用核移植技術(shù)

10、產(chǎn)生的胚胎研究發(fā)現(xiàn),雄核胚胎和雌核胚胎都不能存活,但雄核的產(chǎn)物中完全是胎外組織,胚胎不能發(fā)育;雌核的產(chǎn)物則是胚胎組織,胎盤不能發(fā)育8。這與人類中僅有母系染色體的畸胎瘤和僅有父系染色體的完全性葡萄胎情況是相同的,說明父系基因組上特異性基因表達(dá)是胎盤發(fā)育必不可少的。在解釋印跡起源進(jìn)化的眾多假說中,“基因矛盾”學(xué)說被廣為接受:父系表達(dá)基因促進(jìn)胎兒生長(zhǎng),使自己的遺傳物質(zhì)盡可能地在后代中得到遺傳;而母系表達(dá)的基因則限制胎兒無限生長(zhǎng),為以后各胎次的胎兒保留營(yíng)養(yǎng)9。因而印跡基因的功能就在于通過調(diào)節(jié)胚胎的營(yíng)養(yǎng)需求,以維持胎兒需求和母體供應(yīng)間的平衡10。小鼠的IGF22有4個(gè)啟動(dòng)子,其中P0在迷路(labyri

11、nthine)滋養(yǎng)細(xì)胞中特異性表達(dá)11,是促進(jìn)胎兒胎盤生長(zhǎng)的重要調(diào)節(jié)因子。應(yīng)用P0敲除的小鼠模型研究胎盤變化發(fā)現(xiàn),胎盤生長(zhǎng)受限,重量逐漸減至正常的68%,細(xì)胞形態(tài)和蛻膜滋養(yǎng)細(xì)胞等胎盤組成成分的體積比差異無顯著性意義,而胎盤的營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)運(yùn)功能出現(xiàn)變化。初期出現(xiàn)被動(dòng)擴(kuò)散能力下降,主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)能力代償性增強(qiáng),胎兒生長(zhǎng)得以基本維持;隨著孕期延長(zhǎng),被動(dòng)擴(kuò)散能力進(jìn)一步下降,主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)能力代償性增強(qiáng)減少,以致于不能維持正常胎兒發(fā)育12。轉(zhuǎn)運(yùn)能力下降協(xié)同胎盤減小,維持母兒間營(yíng)養(yǎng)交換的表面積相應(yīng)減小是胎兒生長(zhǎng)受限的原因。但P0轉(zhuǎn)錄片段在胎盤中可能不到10%13,其他啟動(dòng)子的大量轉(zhuǎn)錄片段在胎盤發(fā)育中的功能目前尚不清楚。基因

12、組印跡異?？赡苁窍日鬃影B的病因之一,小鼠父系12號(hào)染色體單親二倍體(uniparentaldis2omy,UPD)中出現(xiàn)的胎盤形態(tài)學(xué)改變與人類妊娠高血壓綜合征(簡(jiǎn)稱妊高癥)相似,葡萄胎患者也常出現(xiàn)較早、較重的先兆子癇。但I(xiàn)GF22P0敲除的胎盤除重量減輕外,形態(tài)上并未出現(xiàn)妊高癥的相關(guān)改變。滋養(yǎng)細(xì)胞侵入蛻膜、肌層、血管,取代螺旋動(dòng)脈內(nèi)皮的“血管重鑄”過程異常將導(dǎo)致不孕、流產(chǎn)、妊高癥和滋養(yǎng)細(xì)胞疾病。IGF22在合體滋養(yǎng)層細(xì)胞、細(xì)胞548醫(yī)學(xué)研究生學(xué)報(bào)滋養(yǎng)層細(xì)胞、羊膜、絨毛膜均有分布,其mRNA在侵襲力強(qiáng)的滋養(yǎng)細(xì)胞柱頂端表達(dá)水平最高,與滋養(yǎng)細(xì)胞的血管侵入有關(guān)14;重度先兆子癇的胎盤中IGF22mRN

13、A含量則明顯減少15。說明IGF22異常與先兆子癇的胎盤血管病變有關(guān),可能與印跡異常相關(guān)。3IGF22對(duì)胎兒生長(zhǎng)的影響由于H19DMR在整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育過程中,始終維持穩(wěn)定的父系高、母系低的甲基化水平以及H19/IGF22的順式調(diào)節(jié),IGF22也始終呈現(xiàn)印跡的單等位基因表達(dá),與某些組織中IGF22父系等位基因上DMRS的甲基化水平并不相關(guān)。在小鼠骨骼肌發(fā)育中,IGF22父系等位基因的DMR1、DMR2甲基化水平在出生前分別維持在37%和42%,出生后18天則上升至100%和86%,出現(xiàn)重新甲基化。同時(shí),總IGF22轉(zhuǎn)錄相對(duì)數(shù)量明顯下降50倍以上,在心、肝、腎等器官中并無相應(yīng)變化,但大多數(shù)組織中出生

14、后都出現(xiàn)降調(diào)節(jié)。提示在同一組織不同發(fā)育階段,DMRS甲基化水平是不同的,不同組織、不同發(fā)育階段表達(dá)量也是不同的,DMRS甲基化水平與骨骼肌局部IGF22表達(dá)量的調(diào)節(jié)相關(guān),與心、肝、腎等器官中表達(dá)量無關(guān)16。印跡基因IGF22相當(dāng)于功能上的單倍體,即正常胎兒中只產(chǎn)生一個(gè)劑量的IGF22蛋白質(zhì),如果2個(gè)等位基因均出現(xiàn)表達(dá),必將產(chǎn)生2個(gè)劑量的蛋白質(zhì),導(dǎo)致胎兒過度生長(zhǎng);相反,如果2個(gè)等位基因均不表達(dá),將表現(xiàn)為生長(zhǎng)受限。過度表達(dá)IGF22的細(xì)胞在組織器官中所占的比例和位置不同,會(huì)引起IGF22過度生長(zhǎng)的表型不同17。如在一側(cè)腎中過度表達(dá),表現(xiàn)為一側(cè)腎肥大;在半身組織中過度表達(dá),出現(xiàn)半身肥大;在全身廣泛過

15、度表達(dá),引起全身性過度生長(zhǎng);在局部組織中過度表達(dá)則與腫瘤生長(zhǎng)相關(guān)18。引起IGF22過度表達(dá)的分子機(jī)制包括:父系UPD。減數(shù)分裂中染色體不能正常分離,形成單親同源二倍體配子,與正常配子結(jié)合后形成三體合子。在以后的細(xì)胞分裂中通過“三體自救”,1/3的細(xì)胞成為UPD。通常卵子形成中產(chǎn)生染色體不分離的機(jī)會(huì)較多,父系UPD則可能是正常合子形成后發(fā)生常染色體重組造成的。完全性UPD11P15.5不能存活,但部分性父系同源染色體的嵌合體是存在的,由于2個(gè)IGF22均來源于父系,導(dǎo)致IGF22過度表達(dá),出現(xiàn)胎兒過度生長(zhǎng)19。父系等位基因的復(fù)制形成部分三體。胎兒正確地從父母那里遺傳了112005年6月第18卷

16、號(hào)染色體,這時(shí),父系染色體上發(fā)生結(jié)構(gòu)性錯(cuò)誤,使11P15.5產(chǎn)生復(fù)制,相當(dāng)于部分性的三倍體。這種結(jié)構(gòu)異常在染色體核型分析中可以發(fā)現(xiàn)20。印跡丟失(lossofimprinting,LOI)。當(dāng)LOI發(fā)生于通常不表達(dá)的母系等位基因時(shí),該基因?qū)⒉辉俪良?出現(xiàn)雙等位基因表達(dá)。IGF22LOI可由表遺傳突變?cè)斐?也可能由于11P15.5的印跡調(diào)控的調(diào)節(jié)異常。H19發(fā)生突變或缺損時(shí),不僅會(huì)影響H19的產(chǎn)物,也會(huì)影響IGF22的表達(dá),即H19依賴性的IGF22LOI。臨床上IGF22引起的胎兒過度生長(zhǎng)常常以新生兒低血糖、巨舌內(nèi)臟肥大、臍膨出綜合征(Beckwith2Wiedemann,BWS)的形式表現(xiàn)。

17、BWS是一種多基因疾病,定位于11P15.5印跡基因簇異常,以軀體過度生長(zhǎng)、先天畸形和腫瘤易發(fā)為特點(diǎn)。臨床表現(xiàn)為舌膨出、腹壁缺損、臍疝、出生體重或產(chǎn)后生長(zhǎng)速度大于第90百分位,半身肥大、腎肥大、早產(chǎn)、羊水過多、唇腭裂,兒童期易患腎母細(xì)胞瘤、肝胚竇瘤、橫紋肌肉瘤等,90%為散發(fā)病例。約50%的患者有IGF22雙等位基因表達(dá),2%3%的患者伴H19印跡丟失,父系UPD占20%21。BWS有的表型與IGF22無關(guān),如腹壁缺損、臍疝、唇腭裂等可能是細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制物(CDKNIC)功能丟失的結(jié)果22,與該基因簇印跡基因間的相互調(diào)節(jié)相關(guān)。4印跡重建對(duì)輔助生育技術(shù)(ART)和胚胎發(fā)育的影響配子形

18、成過程中,需將其從性別相反的親本遺傳來的印跡基因的印跡抹除,并重新標(biāo)上自己的標(biāo)記才能使相同的基因在其所有的后代中表達(dá)。這一過程中表遺傳發(fā)生巨大變化,發(fā)生二次去甲基化和重新甲基化過程。胎兒原始生殖細(xì)胞發(fā)育早期,基因組發(fā)生廣泛的第一次去甲基化,印跡位點(diǎn)標(biāo)記同時(shí)抹除,隨后,配子成熟前第一次基因組重新甲基化完成,印跡也同時(shí)形成。合子形成至胚囊種植前的數(shù)天內(nèi)發(fā)生第二次基因組去甲基化和重新甲基化過程,但在此階段,印跡基因似乎被某種機(jī)制保護(hù),并不發(fā)生第二次去甲基化而維持印跡狀態(tài)23,對(duì)正常的生長(zhǎng)發(fā)育具有重要作用。ART中體外受精、胚胎培養(yǎng)、移植操作、細(xì)胞質(zhì)內(nèi)單精受精、相對(duì)不成熟配子受精均發(fā)生在基因組甲基化巨

19、變過程中,不同的胚胎培養(yǎng)條件、不同質(zhì)量、不同成熟度的配子24都會(huì)影響印跡狀態(tài),使表遺傳突變概率增加,導(dǎo)致罕見的表遺傳疾病。目前第6期戴毅敏,等印跡基因胰島素樣生長(zhǎng)因子22在胎兒生長(zhǎng)發(fā)育中的作用549也有文獻(xiàn)報(bào)道,ART技術(shù)與某些表遺傳疾病如BWS、Angelman綜合征的發(fā)生率升高有關(guān)25。但是,絕大多數(shù)BWS都是散發(fā)病例,由遺傳、表遺傳突變?cè)斐?是與胚胎體外操作無關(guān)的自然妊娠的結(jié)果。各種環(huán)境因素如營(yíng)養(yǎng)、溫度、pH值都有可能影響DNA差異性甲基化和染色質(zhì)修飾,造成表遺傳改變。因而,需要進(jìn)一步評(píng)估圍孕期各種外界環(huán)境因素,包括ART對(duì)生殖細(xì)胞發(fā)育、胚胎生長(zhǎng)可能產(chǎn)生的改變,以及對(duì)兒童未來成長(zhǎng)中生理、

20、行為發(fā)育、腫瘤發(fā)病等方面的影響。參考文獻(xiàn):1許哲,劉福坤,祁曉平等.胰島素樣生長(zhǎng)因子表達(dá)與結(jié)直腸癌細(xì)胞的增殖和凋亡J.醫(yī)學(xué)研究生學(xué)報(bào),2002,15(6):5022504.2CharalambousM,MenheniottTR,BennettWRetal.Anenhan2cerelementattheIgf2/H19locusdrivesgeneexpressioninbothimprintedandnon2imprintedtissuesJ.DevBiol,2004,271(2):4882497.3HarkAT,SchoenherrCJ,KatzDJetal.CTCFmediatesmeth

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