表觀遺傳修飾表觀遺傳的新領(lǐng)域

表觀遺傳修飾表觀遺傳的新領(lǐng)域

遺傳告訴我們，基因結(jié)構(gòu)的變化會導(dǎo)致生物表現(xiàn)形（phenotyp）的變化，從上一代到下一代。然而,近年來的研究表明,現(xiàn)代生物(包括人類在內(nèi))從祖先基因組中所獲得的生長、發(fā)育和進(jìn)化信息并不僅僅是基因序列。在基因的DNA序列不發(fā)生變化的條件下,基因表達(dá)發(fā)生的改變也是可以遺傳的,導(dǎo)致可遺傳的表現(xiàn)型變化,這種表現(xiàn)型變化因沒有直接涉及基因的序列信息,而是“表觀”的(apparent),因此被稱為表觀遺傳變異(epigeneticvariation),又叫表觀遺傳修飾(epigeneticmodification)。于是,遺傳學(xué)的研究又開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域——表觀遺傳學(xué)(epigeneties)。表觀遺傳學(xué)指研究不涉及遺傳物質(zhì)核苷酸序列的改變,但可以通過有絲分裂和減數(shù)分裂實(shí)現(xiàn)代間傳遞(遺傳)的生物現(xiàn)象的遺傳學(xué)分支領(lǐng)域。其研究對象是表觀遺傳變異,而目前認(rèn)識到的表觀遺傳變異主要包括DNA甲基化(DNAmethylation)、小RNA(miRNA,siRNA)和染色質(zhì)重塑(chromatinremodeling)等。1更高層次的基因組信息經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為,基因既是一個(gè)結(jié)構(gòu)單位,又是一個(gè)功能單位?；蚪Y(jié)構(gòu)的改變必將引起生物體表現(xiàn)型的改變。幾十年來,人們一直認(rèn)為基因決定著生命過程中所需要的各種蛋白質(zhì)和生命體的表型,即中心法則認(rèn)為的遺傳信息為DNA→RNA→蛋白質(zhì)(表型)的單向控制流。1970年逆轉(zhuǎn)錄酶的發(fā)現(xiàn),完善了中心法則(信息能反向流動(dòng),即由RNA→DNA)。雙向信息流的發(fā)現(xiàn),使生物從低級到高級、從簡單到復(fù)雜、從單一到豐富,形成了豐富多彩的生命世界。DNA→RNA→蛋白質(zhì)的遺傳信息流,是生物繁衍后代保持物種穩(wěn)定的轉(zhuǎn)錄信息流,而蛋白質(zhì)→RNA→DNA及由蛋白質(zhì)→DNA→RNA的信息流,是促使生物不斷適應(yīng)環(huán)境,不斷進(jìn)化的必不可少的重要信息流。近幾年來,隨著研究的不斷深入,科研人員發(fā)現(xiàn)了大量隱藏在DNA序列之中或之外更高層次的遺傳信息,也發(fā)現(xiàn)了一些無法解釋的現(xiàn)象:馬、驢正反交的后代差別較大(騾和駃騠);同卵雙生的兩人具有完全相同的基因組,在同樣的環(huán)境中長大后,其性格、健康等均會出現(xiàn)較大的差異,這并不符合經(jīng)典遺傳學(xué)理論預(yù)期的情況。目前認(rèn)為,這些更高層次的基因組信息主要包括非編碼RNA(non-codingRNA)、DNA甲基化(DNAmethylation)和組蛋白修飾、染色體重塑(chromatinremodeling)等表觀遺傳學(xué)信息(epigenetieinformation)。早在1939年,Waddington就提出了epigenetics一詞,并指出表觀遺傳與遺傳是相對的,主要研究基因型和表型的關(guān)系。1975年,Holliday針對epigenetics提出了更新的系統(tǒng)性論斷,他認(rèn)為,表觀遺傳學(xué)不僅在發(fā)育過程,而且也在成體階段研究可遺傳的基因表達(dá)改變,這些改變不涉及DNA序列改變,可以通過有絲分裂和減數(shù)分裂在細(xì)胞和個(gè)體世代間傳遞,是非DNA序列差異的核遺傳。因此,可以認(rèn)為基因組含有2類遺傳信息:一類是傳統(tǒng)意義上的遺傳信息,即DNA序列所提供的遺傳信息,提供生命必需的模板(遺傳編碼信息);另一類是表觀遺傳學(xué)信息,它決定了何時(shí)、何地、以何種方式去應(yīng)用遺傳信息的指令。表觀遺傳學(xué)是近年來生命科學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)和研究熱點(diǎn)之一,目前,該學(xué)科已進(jìn)入主流生物學(xué),推動(dòng)了遺傳學(xué)的新發(fā)展,并成為一個(gè)獨(dú)立的分支學(xué)科。它的發(fā)現(xiàn)改變了人們對基因組的單一認(rèn)識,即基因組序列不僅包含遺傳信息,而且其修飾也可以記載遺傳信息。因此,可將表觀遺傳學(xué)(epigenetics)定義為:在基因的DNA序列沒有發(fā)生改變的情況下,基因功能發(fā)生可遺傳的遺傳信息變化,并最終導(dǎo)致可遺傳的表型變化。表觀遺傳有3個(gè)特點(diǎn):①可遺傳性,可通過有絲分裂或減數(shù)分裂在細(xì)胞或個(gè)體世代間遺傳;②可逆性的基因表達(dá)調(diào)節(jié)(基因活性或功能改變);③沒有DNA序列的變化或不能用DNA序列變化來解釋。2表觀遺傳調(diào)控表觀遺傳學(xué)的研究內(nèi)容包括DNA甲基化表觀遺傳、染色質(zhì)表現(xiàn)遺傳、表觀遺傳基因表達(dá)調(diào)控、表觀遺傳基因沉默、細(xì)菌的限制性基因修飾等。廣義上,DNA甲基化、基因沉默、基因組印記、染色質(zhì)重塑、RNA剪接、RNA編輯、RNA干擾、X染色體失活、組蛋白乙?；染蓺w入表觀遺傳學(xué)范疇,而其中任一過程的異常都將影響基因結(jié)構(gòu)及基因表達(dá),導(dǎo)致某些復(fù)雜綜合征、多因素疾病或癌癥。與DNA序列改變不同的是,許多表觀遺傳的改變是可逆的,這使表觀遺傳疾病的治愈顯得較為樂觀。表觀遺傳學(xué)的主要內(nèi)容可分為兩大類:一是基因選擇性轉(zhuǎn)錄表達(dá)的調(diào)控,主要研究為什么作用于親代的環(huán)境因素可以造成子代基因表達(dá)方式的改變,包括DNA甲基化(DNAmethylation),基因組印記(genomicimpriting),組蛋白共價(jià)修飾,染色質(zhì)重塑(chromatinremodeling),基因沉默(genesilencing),休眠轉(zhuǎn)座子激活和RNA編輯(RNAediting)等;二是基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控,研究RNA的調(diào)控機(jī)制,不影響DNA的結(jié)構(gòu),包括基因組中的非編碼RNA、微小RNA(miRNA)、反義RNA(antisenceRNA)、內(nèi)含子(intron)、核糖開關(guān)(riboswitch)等。表觀遺傳學(xué)的研究熱點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面。2.1cpg島的基因表達(dá)甲基化是基因組DNA的一種主要表觀遺傳修飾形式,是調(diào)節(jié)基因組功能的重要手段。DNA甲基化是由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶催化S-腺苷甲硫氨酸作為甲基供體,將胞嘧啶轉(zhuǎn)變?yōu)?-甲基胞嘧啶(5mC)的反應(yīng)。DNA甲基化對維持染色體結(jié)構(gòu)具有重要作用,且與X染色體的失活、基因印記和腫瘤的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)。真核生物體內(nèi)甲基化狀態(tài)有3種:持續(xù)的低甲基化狀態(tài),如持家基因;誘導(dǎo)的去甲基化狀態(tài),如發(fā)育階段的一些基因;高度甲基化狀態(tài),如女性的1條縊縮的X染色體。DNA甲基化的方式主要有2種:腺嘌呤甲基化和胞嘧啶甲基化。胞嘧啶甲基化是在DMT(DNA甲基轉(zhuǎn)移酶)的作用下,CpG(CNG,CCGG)位點(diǎn)胞嘧啶C5位被甲基化;腺嘌呤甲基化是通過DAM(DNA腺嘌呤甲基轉(zhuǎn)移酶)識別回文序列GATC,在此位置2條鏈的腺嘌呤在N-6位置上同時(shí)被甲基化,同時(shí)SAM轉(zhuǎn)變?yōu)镾AH(S-腺苷高半胱氨酸)。DNA甲基化的生物學(xué)意義主要是其影響基因的表達(dá)狀態(tài):①通過該表達(dá)基因調(diào)控區(qū)DNA甲基化程度調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄;②參與基因組防御:通過高度甲基化使外源DNA(如轉(zhuǎn)座子)處于沉默狀態(tài);③提高環(huán)境適應(yīng)能力:在不改變基因型的情況下產(chǎn)生可遺傳的新表型。在脊椎動(dòng)物中,CG即CpG二核苷酸是DNA甲基化發(fā)生的主要位點(diǎn)。該位點(diǎn)在基因組中呈不均勻分布并廣泛存在。通常把基因組中富含CpG的一段DNA稱為CpG島(CpGisland),其長度為1~2kb,CpG島主要位于基因的啟動(dòng)子區(qū)?；騿?dòng)子區(qū)的CpG島在正常狀態(tài)下一般是非甲基化的,當(dāng)其發(fā)生甲基化時(shí),常導(dǎo)致基因轉(zhuǎn)錄沉寂,使一些重要基因如抑癌基因、DNA修復(fù)基因等喪失功能,從而導(dǎo)致正常細(xì)胞的生長分化調(diào)控失常以及DNA損傷不能被及時(shí)修復(fù),這與多種腫瘤的形成密切相關(guān)。如胃癌、結(jié)腸癌、乳腺癌、肺癌等眾多惡性腫瘤都不同程度地存在一個(gè)或多個(gè)腫瘤抑制基因CpG島甲基化。對人類腫瘤的研究表明,伴隨著特異基因啟動(dòng)子區(qū)的異常高甲基化,整個(gè)基因組中普遍存在低甲基化現(xiàn)象,這種現(xiàn)象主要發(fā)生在DNA重復(fù)序列中,如微衛(wèi)星DNA、長散布元件(LINES)、Alu順序等,這種廣泛的低甲基化會造成基因組不穩(wěn)定,并與多種腫瘤如肝細(xì)胞癌、尿道上皮細(xì)胞癌、宮頸癌等的發(fā)生有關(guān)。另外,當(dāng)甲基化對印記基因修飾紊亂時(shí)會造成印記丟失、抑制和刺激生長的信號失衡,也會引起多種腫瘤發(fā)生。但是,DNA甲基化改變的可逆性,又為腫瘤的防治提供了新的策略,成為腫瘤治療的研究熱點(diǎn)。2.1.1基因標(biāo)記的內(nèi)涵和功能經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為,等位基因不會因?yàn)檩d于不同的同源染色體而產(chǎn)生不同的效應(yīng),但也有例外,如馬、驢正反交的后代即騾和駃騠的差別就很大。前者又稱馬騾,是公驢與母馬雜交的后代,體大、耳小而尾部蓬松;后者又叫驢騾,是公馬與母驢雜交的后代,體小、耳大而尾毛較少。該現(xiàn)象表明,來源于不同性別親本的遺傳物質(zhì)在后代表達(dá)的功能可能有差別,來自雙親的遺傳信息具有不可替代的作用。這就是基因組印記或遺傳印記(geneticimptinting),是指來自雙親的某些等位基因子代中由于親源(父源或母源)不同而呈現(xiàn)差異性表達(dá)。來自父親和母親的等位基因傳遞給子代時(shí)發(fā)生了某種修飾,使子代只表現(xiàn)出父方或母方的一種基因,這種現(xiàn)象即為基因印記?；蛴∮洷椴蓟蚪M,其內(nèi)含子比較小,且能在組織中特異性表達(dá)?；蛴∮浻懈赶涤∮浐湍赶涤∮浿帧Ｈ珙愐葝u素生長因子-2基因Igf2(位于7號染色體近端部)在小鼠身體里是否表達(dá),要看其是否受之于父親。因?yàn)閬碜阅赣H的該基因處于失活狀態(tài),所以說該基因是被母親所印記的。相反,17號染色體上的Igf2r是被父親所印記的,因?yàn)閬碜愿赣H的Igf2r處于失活狀態(tài),只有其受之于母親時(shí)才在體內(nèi)表達(dá)。被印記的基因不是基因突變,也不是永久改變,而是一種種系專一性的遺傳修飾,是特定位點(diǎn)上的堿基發(fā)生了甲基化,父源和母源等位基因具有不同的甲基化譜。而且在一個(gè)世代中這種修飾可以改變。印記基因在發(fā)育過程中扮演著重要角色,研究發(fā)現(xiàn),許多印記基因?qū)ε咛ズ吞撼錾蟮纳L發(fā)育具有重要的調(diào)節(jié)作用,對人的行為和大腦功能也具有重要影響,印記丟失不僅影響胚胎發(fā)育且可誘發(fā)胎兒出生后發(fā)育異常,從而導(dǎo)致癌癥發(fā)生。此外,一些環(huán)境因素,如食物中的葉酸也會破壞印記,基因組印記的病變是臍疝-巨舌-巨人綜合征(BWS)的主要病因,BWS患者表現(xiàn)胚胎和胎盤過度增生、巨舌、巨大發(fā)育,兒童期易發(fā)生腫瘤。2.1.2劑量補(bǔ)償效應(yīng)在性染色體決定性別的生物中,如人類和果蠅,雌性個(gè)體的性染色體組成為XX,雄性個(gè)體的性染色體組成為XY,因而分別稱為同配性別(fhomogameticsex)和異配性別(fhoteroga.meticsex)。雞和蠶的Z-W型性染色體性別決定體系產(chǎn)生同配的雄性(ZZ)和異配的雌性(ZW)。同配性別的2份性染色體(XX或ZZ)和異配性別的一份性染色體(X或Z;Y或W)必然潛藏著基因劑量的失衡。于是,在生物進(jìn)化中就形成了劑量補(bǔ)償效應(yīng)(fdosagecompensationeffect),即在性染色體差異性性別決定中,特殊的調(diào)控機(jī)制保證性連鎖基因在同配性別和異配性別中產(chǎn)生相等或大體相等的有效劑量。劑量補(bǔ)償效應(yīng)使得人類或其他動(dòng)物的雌雄細(xì)胞中由X染色體基因編碼的酶或其他蛋白質(zhì)表達(dá)量一致。不同生物劑量補(bǔ)償效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)方式不同。哺乳動(dòng)物通過失活雌性細(xì)胞中一條X染色體來實(shí)現(xiàn),因而有了巴氏小體(Barrbody)。巴氏小體是遺傳上失活的X染色體,由于基因失活伴隨著染色體物質(zhì)的高度濃縮,于是就形成了這種特異性的性染色質(zhì)小體,同時(shí),X失活中心還有“記數(shù)”的功能,以保持每個(gè)個(gè)體中僅有一條X染色體具有活性,而且X失活具有隨機(jī)性,是來自父親還是母親的X失活,在不同細(xì)胞群中表現(xiàn)不同。在雜合子玳瑁貓SXOXo中,X連鎖的O基因控制黃色毛性狀,其等位基因o控制黑色毛性狀,常染色體基因S控制白色性狀,由于X失活的隨機(jī)性,雜合子中一些細(xì)胞團(tuán)產(chǎn)生黃毛、一些細(xì)胞團(tuán)產(chǎn)生黑毛,在白色背景下構(gòu)成3色皮毛。而X染色體上相應(yīng)基因的額外甲基化等生化事件是其失活的重要原因。2.1.3基因表達(dá)抑制每種生物都有獨(dú)特的識別外來遺傳成分并加以修飾的機(jī)制,其中一種途徑就是對異己的DNA進(jìn)行甲基化而抑制其表達(dá),引起轉(zhuǎn)基因沉默(transgenesilence)。因?yàn)橥ㄟ^遺傳轉(zhuǎn)化手段導(dǎo)入生物體內(nèi)的遺傳信息(異常的DNA片段)對宿主固有的遺傳組織造成了破壞、干擾,啟動(dòng)了宿主的防御體系,導(dǎo)致基因表達(dá)抑制現(xiàn)象,這是轉(zhuǎn)基因沉默的誘因。它不同于不穩(wěn)定轉(zhuǎn)化中外源基因在有性世代分離和傳遞中的丟失,也不是基因突變引起的基因表達(dá)水平降低或喪失。這是轉(zhuǎn)基因動(dòng)植物中普遍存在的表觀遺傳機(jī)制,這也是轉(zhuǎn)基因技術(shù)有必要解決的基因沉默等表觀遺傳相關(guān)問題。研究表明,DNA甲基化是轉(zhuǎn)基因沉默發(fā)生的主要機(jī)制。甲基化一般發(fā)生在外源基因內(nèi)部或啟動(dòng)子序列中,使外源基因在轉(zhuǎn)基因生物中的活性不穩(wěn)定。轉(zhuǎn)基因沉默可分2類:①轉(zhuǎn)錄水平的基因沉默(transcriptionalgenesilence,TGS),甲基化主要發(fā)生在啟動(dòng)子區(qū),如抗除草劑基因bar轉(zhuǎn)入水稻中、潮霉素抗性基因hph轉(zhuǎn)入擬南芥中等,均引起TGS。②轉(zhuǎn)錄后水平的基因沉默(posttranscriptionalgenesilence,PTGS),甲基化主要發(fā)生在基因的編碼區(qū)(外顯子)序列,如卡那霉素抗性基因hph轉(zhuǎn)入煙草中,會引起PIGS類型的轉(zhuǎn)基因沉默。2.2染色質(zhì)重塑松解過程20世紀(jì)40年代以來,隨著微生物遺傳學(xué)的發(fā)展,生物化學(xué)、生物物理學(xué)及許多新技術(shù)不斷引入遺傳學(xué),促進(jìn)了一個(gè)嶄新的領(lǐng)域——分子遺傳學(xué)的發(fā)展。分子遺傳學(xué)研究表明,DNA是主要的遺傳物質(zhì),在缺乏DNA的某些病毒中,RNA為遺傳物質(zhì)。眾所周知,遺傳物質(zhì)DNA通過與組蛋白結(jié)合經(jīng)核小體[由DNA雙螺旋分子纏繞組蛋白八聚體(H2A、H2B、H3和H4各2分子)形成]、螺線管、染色質(zhì)等多級的反復(fù)折疊纏繞,處于高度壓縮狀態(tài)。它們被限制在一個(gè)有限的體積中,但卻具有各種活力。遺傳物質(zhì)在有限的空間中完成復(fù)制和轉(zhuǎn)錄,并且在有限的體積中保證基因失活和活化狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。由于組蛋白與DNA的緊密結(jié)合為基因的表達(dá)設(shè)置了障礙,所以要使基因正常表達(dá),就要通過染色質(zhì)去凝集、核小體變成疏松的開放式結(jié)構(gòu)等方式,使轉(zhuǎn)錄因子等調(diào)節(jié)因子更容易接近和結(jié)合核小體DNA。在基因表達(dá)的復(fù)制和重組過程中,對應(yīng)基因尤其是基因調(diào)控區(qū)的染色質(zhì)包裝狀態(tài),核小體和組蛋白以及對應(yīng)的DNA分子會發(fā)生一系列的改變,與基因表達(dá)調(diào)節(jié)所伴隨的這類染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和位置的改變的現(xiàn)象稱為染色質(zhì)重塑(chromatinremodeling)。染色質(zhì)重塑松解了染色質(zhì)緊密的超螺旋結(jié)構(gòu)對基因表達(dá)的限制,主要涉及密集的染色質(zhì)絲在核小體連接處發(fā)生松解造成染色質(zhì)解壓縮,從而暴露基因轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子區(qū)的順式作用元件,為反式作用蛋白(轉(zhuǎn)錄因子)與之相結(jié)合提供了一種稱為可接近性(accesibility)的狀態(tài)。染色質(zhì)重塑的發(fā)生和組蛋白N端末尾的修飾密切相關(guān),尤其是組蛋白H3和H4的修飾直接影響核小體的結(jié)構(gòu),并為其他蛋白質(zhì)提供了與DNA結(jié)合的位點(diǎn)。染色質(zhì)重塑主要有2種類型:①依賴ATP的物理修飾:在ATP水解所釋放的能量驅(qū)動(dòng)下,組蛋白和DNA的構(gòu)象發(fā)生局部變化;②共價(jià)性化學(xué)修飾:包括組蛋白末端乙?；?、磷酸化、甲基化和泛素化等修飾。這些修飾被稱為“組蛋白密碼”,控制著基因轉(zhuǎn)錄等染色質(zhì)調(diào)控過程。染色質(zhì)重塑復(fù)合物、組蛋白修飾酶的突變均和轉(zhuǎn)錄調(diào)控、DNA甲基化、DNA重組、細(xì)胞周期、DNA復(fù)制和修復(fù)的異常相關(guān),這些異?？梢鹕L發(fā)育畸形,智力發(fā)育遲緩,甚至導(dǎo)致癌癥。2.3mirna作用機(jī)制小RNA是小分子非編碼RNA。小RNA的研究使“生命起源于RNA分子”的命題更具吸引力,而且為基因組的深入研究開辟了良好的途徑。小RNA對染色質(zhì)的形態(tài)具有非常強(qiáng)的控制作用,它們能夠永久性地關(guān)閉或刪除一部分DNA,而不只是簡單、暫時(shí)地使基因發(fā)生沉默。小RNA包括siRNA(shortinterferingRNA,siRNA)和miRNA(microRNA,miRNA)等。siRNA是通過人工體外合成而轉(zhuǎn)染進(jìn)入體內(nèi)的,是RNA干擾(RNAinterfering)的主要執(zhí)行者。通過與mRNA同源配對而使mRNA降解,使靶基因沉默,是一種快速、高效的使靶基因失活的技術(shù)。miRNA是一類高度保守的基因家族的產(chǎn)物,是生物體固有的,為單鏈RNA。其作用模式有3種:①與靶基因進(jìn)行不完全的互補(bǔ)結(jié)合,可阻遏翻譯但不影響mRNA的穩(wěn)定性,這也是迄今發(fā)現(xiàn)最多的miRNA種類;②與靶基因?qū)嵭型耆幕パa(bǔ)結(jié)合,以與siRNA非常類似的作用方式通過同源配對作用于與其序列互補(bǔ)配對基因的mRNA,使后者發(fā)生降解;③兼具以上2種作用方式的miRNA。miRNA對生物的生長發(fā)育具有重要的調(diào)控作用。在人類基因組中大約有255個(gè)編碼miRNA的基因,約占基因數(shù)目的l%,其功能還有待進(jìn)一步研究。3表觀遺傳研究表觀遺傳學(xué)補(bǔ)充了“中心法則”忽略的2個(gè)問題:①哪些因素決定了基因的正常轉(zhuǎn)錄和翻譯;②核酸并不是存儲遺傳信息的唯一載體。表觀遺傳信息可通過控制基因的表達(dá)時(shí)間、空間位置和表達(dá)方式調(diào)控發(fā)育過程及各種生理反應(yīng)。所以,許多用DNA序列不能解釋的現(xiàn)象,通過表觀遺傳學(xué)的研究找到了答案。表觀遺傳學(xué)涵蓋范圍很廣,而且越來越受到各國生物學(xué)家們的重視,這一迅速發(fā)展的學(xué)科在分子水平揭示了復(fù)雜的臨床現(xiàn)象,為解開生命奧秘及征服疾病帶來了希望。目