表觀遺傳學(xué)簡介

表觀遺傳學(xué)簡介（IntroducetoEpigenetics）表觀遺傳學(xué)(epigenetics)是指基于非基因序列改變所致基因表達(dá)水平變化,如DNA甲基化、組蛋白乙?；?。在基因組中除了DNA和RNA序列以外，還有許多調(diào)控基因的信息，它們雖然本身不改變基因的序列，但是可以通過基因修飾，蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)、DNA和其它分子的相互作用，而影響和調(diào)節(jié)遺傳的基因的功能和特性，并且通過細(xì)胞分裂和增殖周期影響遺傳的一門新興學(xué)科。因此表觀遺傳學(xué)又稱為實(shí)驗(yàn)遺傳學(xué)、化學(xué)遺傳學(xué)、特異性遺傳學(xué)、后遺傳學(xué)、表遺傳學(xué)和基因外調(diào)節(jié)系統(tǒng)，它是生命科學(xué)中一個(gè)普遍而又十分重要的新的研究領(lǐng)域。什么是表觀遺傳學(xué)表觀遺傳有三個(gè)密切相關(guān)的含義：可遺傳的，即這類改變通過有絲分裂或減數(shù)分裂，能在細(xì)胞或個(gè)體世代間遺傳；可逆性的基因表達(dá)調(diào)節(jié)；沒有DNA序列的變化或不能用DNA序列變化來解釋。主要包括：(1)基因選擇性轉(zhuǎn)錄表達(dá)的調(diào)控：DNA甲基化、組蛋白共價(jià)修飾等所導(dǎo)致的基因組印跡、染色質(zhì)重構(gòu)（塑）等;(2)基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控：針對mRNA的調(diào)控。如基因組中非編碼RNA（主要來源于內(nèi)含子和轉(zhuǎn)錄的基因間序列）、miRNA（能夠自我折疊形成發(fā)夾狀結(jié)構(gòu)，通過RNAi或類似于RNAi的機(jī)制起作用）、反義RNA、內(nèi)含子和核糖體開關(guān)等借以調(diào)控基因表達(dá)活性，在生殖與發(fā)育、遺傳與進(jìn)化、生理與病理現(xiàn)象中具有重要的生物學(xué)意義，表觀遺傳學(xué)及應(yīng)運(yùn)而生的人類表觀基因組計(jì)劃（HEP）已成為近年關(guān)注的熱點(diǎn)問題。已知表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象與多種人類疾病有著密切的關(guān)系，如腫瘤、基因印跡病等。同時(shí)基因甲基化異常存在可逆性，這可能為相關(guān)疾病的治療提供嶄新的途徑。表觀遺傳學(xué)的研究內(nèi)容DNA甲基化是生物關(guān)閉基因表達(dá)的一種有效手段，也是印跡遺傳的主要機(jī)制之一；基因的去甲基化可能使得印跡丟失，基因過度表達(dá)，甚至引起腫瘤或癌癥的發(fā)生，如促腫瘤生長因子IGF2基因過度表達(dá)引發(fā)大腸癌。在特定組織中，非甲基化基因表達(dá),甲基化基因不表達(dá),基因選擇性的去甲基化形成特異的組織類型。DNA甲基化不僅與染色質(zhì)重構(gòu)、轉(zhuǎn)錄抑制密切相關(guān),而且與疾病的易感性、發(fā)生發(fā)展、預(yù)后和轉(zhuǎn)歸均有密切關(guān)系。多種腫瘤的發(fā)生都涉及到基因組甲基化的改變,包括抑癌基因的高/新甲基化和癌基因的低/去甲基化。脊椎動(dòng)物基因的甲基化狀態(tài)有3種：持續(xù)的低甲基化狀態(tài)，如管家基因；去甲基化狀態(tài)，如發(fā)育階段中的一些基因；高度甲基化狀態(tài)，如女性的一條失活的X染色體。DNA甲基化DNA甲基化能關(guān)閉某些基因的活性，去甲基化則可誘導(dǎo)基因的重新活化和表達(dá)。甲基化的主要形式有5-甲基胞嘧啶，N6-甲基腺嘌呤和7-甲基鳥嘌呤。原核生物中CCA/TGG和GATC常被甲基化，而真核生物中甲基化僅發(fā)生于胞嘧啶上。DNA的甲基化是在DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶（DNMTs）的作用下使CpG二核苷酸5’端的胞嘧啶轉(zhuǎn)變?yōu)?’-甲基胞嘧啶，這種DNA修飾方式并沒有改變基因序列，但它由此調(diào)控了基因的表達(dá)。DNA甲基化通常是指胞嘧啶（C）5’位碳原子的甲基化（m5C）。m5C存在于5’CpG3’二核苷酸回文結(jié)構(gòu)中,CpG二核苷酸在人類基因組中只占10%,其中70%～80%呈甲基化狀態(tài)。非甲基化CpG二核苷酸主要存在于位于CpG富集區(qū)即CpG島（CpGislands），長約幾百至幾千bp、GC含量達(dá)55％以上、在進(jìn)化中很保守。真核生物基因組中存在著廣泛的甲基化，DNA甲基化主要發(fā)生在CpG島上，其作用是導(dǎo)致基因的表達(dá)受到抑制而沉默。CpG島DNA甲基化所致基因沉默是表觀遺傳學(xué)（epigenetics）的主要改變之一。DNA甲基化及CpG島(一)全基因組范圍CpG島DNA甲基化分析采用甲基化敏感或/和甲基化不敏感的酶（同裂酶）進(jìn)行全基因組DNA范圍內(nèi)的酶切，在基因組消化產(chǎn)物的兩端加上特異性的接頭，然后以PCR擴(kuò)增來篩選甲基化和未甲基化的CpG島片段。(二)位點(diǎn)特異性甲基化分析目前多采用亞硫酸氫鹽作前期的基因組DNA預(yù)處理。亞硫酸氫鹽修飾是眾多序列特異性甲基化檢測方法的基礎(chǔ)。胞嘧啶（C）與亞硫酸氫鈉的反應(yīng)可以迅速鑒別出以任何序列存在的5mC，修飾后單鏈DNA中的C通過磺酸基作用脫氨基形成U，而CmG不變。（三）新甲基化位點(diǎn)的尋找DNA甲基化研究方法DNA甲基化研究方法(續(xù))組蛋白的修飾可通過影響組蛋白與DNA雙鏈的親和性，從而改變?nèi)旧|(zhì)的疏松或凝集狀態(tài)，或通過影響其它轉(zhuǎn)錄因子與結(jié)構(gòu)基因啟動(dòng)子的親和性來發(fā)揮基因調(diào)控作用。組蛋白修飾對基因表達(dá)的調(diào)控有類似DNA遺傳密碼的調(diào)控作用。組蛋白有多種共價(jià)修飾方式，其中乙酰化修飾是基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控的重要機(jī)制,組蛋白翻譯后修飾所引起的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)重塑在真核生物基因表達(dá)調(diào)控中發(fā)揮著重要的作用。組蛋白與細(xì)胞內(nèi)遺傳物質(zhì)DNA密切結(jié)合，在組蛋白的尾部有多種化學(xué)修飾作用，組蛋白尾部這種特殊修飾的組合形式,提供了轉(zhuǎn)錄調(diào)控效應(yīng)蛋白結(jié)合位點(diǎn),可以改變和DNA的結(jié)合狀態(tài),達(dá)到有效調(diào)節(jié)染色質(zhì)轉(zhuǎn)錄狀態(tài)的動(dòng)力學(xué)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而影響基因的表達(dá)。所以，組蛋白不僅有結(jié)合DNA的作用，而且組蛋白乙?；苯訁⑴c基因活化。組蛋白共價(jià)修飾組蛋白轉(zhuǎn)錄后的修飾，包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化、ADP-核糖基化等，形成了復(fù)雜的組蛋白密碼（histonecode），或“表觀遺傳學(xué)分子記憶”（epigeneticmolecularmemory），可以被不同細(xì)胞因子識(shí)別和在親子代間傳遞。它們都是組蛋白密碼的基本元素，共同參與了基因表達(dá)調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)組蛋白H3N端的賴氨酸4（H3-K4）甲基化與基因表達(dá)的活化相關(guān)，主要存在于活化基因的啟動(dòng)子區(qū)；而組蛋白H3N端賴氨酸9甲基化（H3-K9）甲基化則直接導(dǎo)致了中心粒周圍異染色質(zhì)DNA的甲基化，參與基因沉默。表觀遺傳學(xué)尤其是組蛋白乙酰化修飾的深入研究對于更好地認(rèn)識(shí)腫瘤發(fā)生機(jī)制和臨床選擇潛在的藥物靶點(diǎn)具有重要價(jià)值。在真核基因中，組蛋白會(huì)發(fā)生多種共價(jià)修飾，其中組蛋白的甲基化在表觀遺傳學(xué)中起重要作用。不同的甲基化位點(diǎn)產(chǎn)生不同的作用機(jī)理，組蛋白H3K9的甲基化與異染色質(zhì)形成、基因沉默有關(guān)；組蛋白H3K4的甲基化與基因轉(zhuǎn)錄激活有關(guān)；組蛋白H3K36的甲基化與RNAP11有一定的關(guān)系。最近首次報(bào)道了組蛋白甲基化的可逆性，并發(fā)現(xiàn)組蛋白去甲基酶:LSD1和含有Jmjc域的組蛋白去甲基酶。這些去甲基酶可使不同程度甲基化的組蛋白H3K4，K9，K36去甲基化，同時(shí)與基因轉(zhuǎn)錄存在聯(lián)系。組蛋白的甲基化組蛋白乙?；揎検腔虮碛^轉(zhuǎn)錄調(diào)控的重要機(jī)制，組蛋白翻譯后修飾所引起的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)重塑在真核生物基因表達(dá)調(diào)控中發(fā)揮著重要的作用，組蛋白乙?；饕山M蛋白乙?；福╤istoneacetylases,HATs)和組蛋白去乙?；福╤istonedeacetylases,HDACs)催化完成。HATs通過在組蛋白賴氨酸殘基乙?；?激活特定基因的轉(zhuǎn)錄；而HDACs使組蛋白去乙?；够騿?dòng)子不易接近轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件，抑制基因轉(zhuǎn)錄。組蛋白乙?；腿ヒ阴；c基因的表達(dá)調(diào)控密切相關(guān)。HATs和HDACs之間的動(dòng)態(tài)平衡控制著染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)和基因的表達(dá)，組蛋白乙?；癄顟B(tài)的失衡與腫瘤發(fā)生密切相關(guān)。組蛋白的乙?；M蛋白乙酰化是可逆的動(dòng)態(tài)過程，可逆性的組蛋白乙?；胶鈱S持染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)基因表達(dá)有著至關(guān)重要的作用。組蛋白去乙?；敢种苿╤istonedeacetylasesinhibitors,HDAIs)研究發(fā)現(xiàn)，腫瘤細(xì)胞的組蛋白大部分呈低乙?；癄顟B(tài)。組蛋白乙?；揎棇虮磉_(dá)調(diào)控及其在腫瘤發(fā)生發(fā)展中的作用具有重要意義。因此，基于細(xì)胞內(nèi)組蛋白乙?；{(diào)控機(jī)制設(shè)計(jì)開發(fā)抗腫瘤藥物成為研究熱點(diǎn)。組蛋白去乙?；敢种苿┛梢栽鰪?qiáng)細(xì)胞內(nèi)組蛋白乙?；癄顟B(tài)，激活一些轉(zhuǎn)錄因子，使轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合并激活某些基因，最終可抑制細(xì)胞生長，從而改變腫瘤的生物學(xué)特性，而且去乙酰化酶抑制劑作用靶點(diǎn)是整個(gè)基因組而不是單個(gè)基因。所以去乙酰化酶抑制劑在腫瘤治療中具有較好的應(yīng)用前景。HDAIs能夠誘導(dǎo)細(xì)胞周期阻滯，抑制細(xì)胞增殖，是一類新型的抗腫瘤藥物,目前該類藥物在美國已經(jīng)進(jìn)入II期臨床研究。HDAIs抗腫瘤機(jī)制包括阻滯細(xì)胞周期和促進(jìn)細(xì)胞分化，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，抑制血管生成等。體內(nèi)外試驗(yàn)證實(shí)，HDAIs具有明顯的細(xì)胞凋亡’增殖抑制和細(xì)胞周期阻滯作用。此外，HDAIs與多種化療藥物聯(lián)合用藥，也展示了較好的協(xié)同