表觀遺傳學與基因表達調控

表觀遺傳學與基因表達調控

改變人體外在表型生物界存在著許多很難澄清的現(xiàn)象。例如，人體的每個細胞都有相同的基因，但不同的組織和器官反映了不同的生物功能。又如單卵孿生子分享相同的遺傳基因組,卻能夠顯示表型上的差異或對疾病具有不同的易感性。再如環(huán)境、飲食等外在因素可以改變人體或其他生物的外在表型,甚至可以遺傳。還有,腫瘤研究中發(fā)現(xiàn)某些基因不表達可以導致或加速腫瘤發(fā)生,有些基因不表達屬于基因突變的結果,但一些基因沒改變卻莫名其妙地不表達了。諸如此類現(xiàn)象,均屬于表觀遺傳學(epigenetics)的研究范疇,它是生命科學中一個普遍而又十分重要的新的研究領域。1表觀遺傳機制生物遺傳信息儲存于DNA序列之中,傳統(tǒng)遺傳學研究基于DNA序列改變所致基因表達水平的變化,如基因突變、基因雜合丟失和微衛(wèi)星不穩(wěn)定等等。但是,在基因組中除了DNA和RNA序列以外,還存在許多調控基因的信息,雖然這些信息不改變基因序列,卻可以通過基因修飾,蛋白質與蛋白質、DNA與其它分子的相互作用,去影響和調節(jié)遺傳基因的功能和特性,并且能夠通過發(fā)育和細胞增殖過程穩(wěn)定傳遞,這就是表觀遺傳。表觀遺傳學是研究DNA序列沒有變化但基因功能發(fā)生變化并且可以遺傳的學科。表觀遺傳學也可理解為環(huán)境與遺傳學之間的相互作用。對生物個體而言,遺傳學信息提供了合成包括表觀遺傳學修飾在內的各種蛋白質的藍圖,而表觀遺傳學信息調控適當?shù)囊唤M表達基因及其表達的程度,即表觀遺傳學信息提供何時、何地和怎樣地應用遺傳學信息的指令。在整個生命過程中,表觀遺傳學機制能對激素、生長因子等調節(jié)分子傳遞的環(huán)境信息在不改變DNA序列的情況下做出反應。因此,遺傳學和表觀遺傳學既相互區(qū)別,又相輔相成,共同確保生命過程的正常功能。表觀遺傳學是生命科學中最為活躍的研究領域之一,它不僅對生物基因表達調控、遺傳有重要作用,還對腫瘤、免疫等許多疾病的發(fā)生和防治亦具有十分重要的意義,而且表觀遺傳學信息還可直接與藥物、飲食、生活習慣和環(huán)境因素聯(lián)系起來,具有十分廣泛的應用前景。2a序列及表觀遺傳信息生物遺傳信息表達正確與否,既受控于DNA序列,又受制于表觀遺傳學信息。表觀遺傳學主要通過DNA修飾、蛋白質修飾與非編碼RNA調控3個層面上調控基因表達。2.1dna甲基化甲基化是指生物分子在特定的酶系統(tǒng)催化下加上甲基(-CH3)的生物化學反應,是普遍存在原核生物和真核生物中的DNA修飾作用。甲基化沒有改變基因序列,但對基因表達起調控作用。在哺乳動物DNA分子中,甲基化一般發(fā)生在胞嘧啶(C)堿基上。在DNA甲基轉移酶(DNAmethyltransferases,DNMTs)催化下,甲基從S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethione)轉移至胞嘧啶5位上,形成5-甲基胞嘧啶(m5C)。在發(fā)生甲基化的胞嘧啶后通常緊跟著一個鳥嘌呤(G)堿基。因此,通常稱胞嘧啶-磷酸-鳥嘌呤或CpG的甲基化。在基因組中富含CpG位點的區(qū)域稱為CpG島(CpGislands),人基因組序列約有29,000CpG島,約60%的人基因與CpG島關聯(lián)。CpG島通常與基因表達的啟動序列區(qū)域(promoterregions)相關,CpG是否甲基化在基因表達中起重要作用。一般說來,DNA甲基化能關閉某些基因的活性,去甲基化則可誘導基因的重新活化和表達。脊椎動物基因的甲基化狀態(tài)有三種:(1)高度甲基化狀態(tài),如女性兩條X染色體中的一條處于失活狀態(tài);(2)持續(xù)的低甲基化狀態(tài),如細胞存活所需的一直處于活性轉錄狀態(tài)的管家基因;(3)去甲基化狀態(tài),如生物發(fā)育的某一階段或細胞分化的某種狀態(tài)下,原先處于甲基化狀態(tài)的基因,也可以被誘導去除甲基化,而出現(xiàn)轉錄活性。健康人基因組中,CpG島中的CpG位點通常是處于非甲基化狀態(tài),而在CpG島外的CpG位點則通常是甲基化的。這種甲基化的形式在細胞分裂的過程中能夠穩(wěn)定的保留。當腫瘤發(fā)生時,抑癌基因CpG島以外的CpG序列非甲基化程度增加,而CpG島中的CpG則呈高度甲基化狀態(tài),以致于染色體螺旋程度增加及抑癌基因表達的丟失。DNA甲基化不僅影響細胞基因的表達,而且這種影響還可隨細胞分裂而遺傳并持續(xù)下去。哺乳動物一生中DNA甲基化水平經(jīng)歷2次顯著變化,第一次發(fā)生在受精卵最初幾次卵裂中,去甲基化酶清除了DNA分子上幾乎所有從親代遺傳來的甲基化標志;第二次發(fā)生在胚胎植入子宮時,一種新的甲基化遍布整個基因組,甲基化酶使DNA重新建立一個新的甲基化模式。細胞內新的甲基化模式一旦建成,即可通過甲基化以“甲基化維持”的形式將新的DNA甲基化傳遞給所有子細胞DNA分子。2.2adp-核糖基的修飾組蛋白是一類小分子堿性蛋白質,作為真核生物染色體的基本結構蛋白質。組蛋白的共價修飾包括賴氨酸殘基乙?；?、絲氨酸殘基和蘇氨酸殘基的磷酸化、谷氨酸殘基的ADP-核糖基化、賴氨酸殘基的泛素化與類泛素化(sumolyation)、賴氨酸殘基和精氨酸殘基的甲基化等。賴氨酸殘基的-氨基可形成一甲基化、二甲基化或三甲基化物,精氨酸殘基可形成一甲基化或二甲基化物.。這些修飾成為組蛋白印記(histoneimprints),現(xiàn)在也稱為“組蛋白密碼”(histonecode)。組蛋白密碼可被一系列特定的蛋白質所識別,并將其轉譯成一種特定的染色質狀態(tài),以實現(xiàn)對特定基因表達的調節(jié),擴大了遺傳密碼的信息儲存量。2.3染色質重塑修飾真核生物染色質是一切遺傳學過程的物質基礎,染色質構型局部和整體的動態(tài)改變,是基因功能調控的關鍵因素。染色質的基本結構單位是核小體(nucleosome),每個核小體是由5種組蛋白和DNA鏈200bp組成,其核心顆粒是由H2A、H2B、H3和H4四種組蛋白各兩個分子的八聚體和繞1.8圈的147bp組成。當DNA繞到兩圈時,約用165bp,并結合上一個H1組蛋白分子。染色質重塑是指染色質位置和結構的變化,主要涉及核小體的置換或重新排列,改變了核小體在基因啟動序列區(qū)域的排列,增加了基因轉錄裝置和啟動序列的可接近性。染色質重塑與組蛋白N端尾巴修飾密切相關,尤其是對組蛋白H3和H4的修飾。通過修飾直接影響核小體的結構,并為其他蛋白質提供了與DNA作用的結合位點。染色質重塑修飾方式主要包括兩種:一種是含有組蛋白乙酰轉移酶和脫乙酰酶的化學修飾;另一種是依賴ATP水解釋放能量解開組蛋白與DNA的結合,使轉錄得以進行。通常,DNA甲基化與染色質的壓縮狀態(tài)、DNA的不可接近性,以及與基因沉默(genesilencing)狀態(tài)相關;而DNA去甲基化、組蛋白的乙?；腿旧|去壓縮狀態(tài),則與轉錄的啟動、基因活化和行使功能有關。這意味著,不改變基因結構,而改變基因轉錄的微環(huán)境條件就可以令其沉默,或使其激活。2.4rna干擾技術長期認為RNA僅僅從DNA獲取遺傳信息,并將信息轉換成蛋白質。上世紀九十年代初期發(fā)現(xiàn)21~28個核苷酸的miRNA能抑制植物基因表達。隨后又發(fā)現(xiàn)雙鏈RNA(dsRNA)注入線蟲能誘導基因表達沉默。這種現(xiàn)象稱為RNA干擾(RNAinterference,RNAi),利用dsRNA使目的基因沉默的技術即為RNA干擾技術(RNAi技術)?，F(xiàn)在認為,哺乳動物體內非編碼的miRNA分子能通過染色質構建、RNA編輯