表觀遺傳調(diào)控

1、表觀遺傳學對基因表達的調(diào)控及其機制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(diào)控3個層面上調(diào)控基因表達。1 DNA甲基化（DNA methylation）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(diào)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（DNA methyltransferases,DNMTs）催化下，甲基從S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylme

2、thione）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（CpG islands），人基因組序列約有29,000 CpG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（promoter regions）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

3、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)

4、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(nèi)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組蛋白修飾（histone modification）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酰化、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

5、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（histone imprints），現(xiàn)在也稱為“組蛋白密碼”（histone code）。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(diào)節(jié)，擴大了遺傳密碼的信息儲存量。3染色質重塑（chromatin remodeling）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(diào)控的關鍵因素。染色質的基本結構單位是核小體（

6、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

7、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（gene silencing）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。4非編碼微小RNA（MicroRNA，miRNA）的調(diào)節(jié)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)2128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（RNA interference