营养与表观遗传学基因组印记关系的研究进展.doc

营养与表观遗传学基因组印记关系的研究进展摘 要：生物活性食品成分和营养可以改变表观遗传现象，例如DNA甲基化和组蛋白修饰，因此通过对相关的关键性基因的表达修饰，可以控制其生理、病理、胚胎发育、老化和癌症形成。显然，营养和功能性食品可能可以直接抑制或者激活催化DNA 甲基化的酶，或者通过组蛋白修饰作用，从而影响表观遗传表现型。从这个意义上说，食品和营养的表观遗传作用可以作为一个防止过度营养、代谢疾病和癌症的有吸引力的手段。本文概括了肥胖的表观遗传作用，详述食物营养与表观遗传学基因组印记的关系及研究技术，并对其未来的研究方向进行预测。关键词：表观遗传学；基因组印记；肥胖；食物营养表观遗传学定义为：在不改变DNA序列的情况下，生物表现型发生改变、保持相对稳定和遗传。所以， 表观遗传变化主要是来自染色体的构建、组蛋白和DNA的修饰。这些变化包括：DNA的甲基化、组蛋白的甲基化、泛素化、乙酰化、磷酸化修饰或去修饰作用， 由于近年来的大量研究证明表观遗传性状，特别是数量性状的确是可遗传的，而这些性状往往都是和营养、发育、分化、进化与各种疾病的病因学密切相关，所以表观遗传学已经成为目前国际上最热门的研究领域。过去10年中，表观遗传研究主要集中在胚胎发育、老化和癌症，但是近年来， 表观遗传学研究已经深入到很多领域， 例如炎症、肥胖、胰岛素抗性、2型糖尿病、心脑血管疾病、神经失常、以及免疫调节失常等众多领域。最新报道， 在澳大利亚、美国、英国等国家已经有半数以上的人超重或肥胖， 其中也包含育龄妇女1。而且Coursiere等2研究发现，超重或肥胖的妇女怀孕在1991 2001年从25 增加到35，而这种超重或肥胖妇女往往会造成新生儿的超重(生殖期婴儿体质量4000g)3。超重和肥胖的确已经成为全球性问题，据预测，到2030年，世界上将有216亿人超重，112亿人肥胖4。而且，超重和肥胖往往伴随2型糖尿病、心脑血管疾病、高血压和癌症的发生和发展5。人们早就意识到这些问题虽然与饮食和锻炼有关，但是不同的人的确有不同的遗传基础。双胞胎研究结果表明， 体质量指数的遗传率达到40706， 腰围和臀围也具有相似的遗传率。肥胖问题也与种族、民族习惯，特别是饮食结构和习惯密切相关7，游牧饮食明显高于农耕饮食民族，这可能与其营养和饮食的长期适应有关。20年以来， 科学家一直在努力寻找控制肥胖的基因，在“人类肥胖基因图”中， 对此进行了总结：有11个单基因突变，50个位点与肥胖有关，244个敲除基因和转基因动物模型，127个候选基因，但是经过研究表明，其相关性小于20 ， 和肥胖表型相关的数量性状位点(QTL)达到253个，但是从16个连锁群基因组扫描结果表明， 只有约2 0 得到证实8。HapMap计划的实施，使得科学家可以对人类基因组进行精细的多达50万个SNP(Sing1e nu c1eotidepolymorphism)连锁不平衡性的扫描9， 结果证明有50个位点与肥胖相关。第一个与肥胖有关的重要基因是FTO(fat mass and obesity associated)10，该基因开始被鉴定与2型糖尿病有关，研究发现该基因编码2-酮戊二酸依赖性核酸脱甲基化酶， 并与营养吸收有关，可见控制肥胖的基因与表观遗传密切相关。1 肥胖的表观遗传作用 Cardozo等11对现代代谢综合征的表观遗传学问题进行了综述。在美国大概有1/4的人受代谢综合征的困扰，而且日趋上升。代谢综合征与冠心病和糖尿病有很大关系。患有代谢综合征的育龄妇女则和肥胖病以及多囊卵巢综合征(PCOS)有重叠性，这两种病又往往伴随不孕或不育。因此，探讨代谢综合征和生殖紊乱之间的关系已经成为科学家关注和研究的焦点。肥胖受环境和遗传的双重影响，对于通常的非系统性肥胖， 其遗传率在4070 。基因组水平上的相关研究已经极大程度地改变了科学家对这些变化的遗传上的认识。到目前为止，已经有40多个遗传变异与肥胖和脂肪分布有关，但是，由于这些变异不能完全解释肥胖的遗传性，另外的变异形式，例如表观遗传标记一定是存在的，我们必须认识到这一点。表观遗传标志，或者印记，在不改变DNA序列的情况下改变基因的表达。虽然在基因印记方面尚不了解机体到底如何形成极端的肥胖(例如：PraderWilli综合征)，但是它对肥胖的控制作用还是令人信服的。而且， 动物发育关键时期的环境应激显然对肥胖起关键作用，而且可能正是这些表观遗传标记导致了肥胖。Herrera等12对肥胖与发育的关系，特别是其表观遗传机制进行了综述， 认为，我们只有从表观遗传学的角度来认识肥胖及其形成机制，特别要从代谢过程的控制进行系统研究，才能真正把握肥胖的真正原因，也才能进行实际操作，避免肥胖的发生和发展。 表观遗传变化主要是在早期发育中诱导形成， 但是会造成后来患肥胖病的风险。虽然生殖体质量是一个并不完美的生长指数， 但是，它已经被广泛地用于衡量胎儿营养及其在子宫内的生长情况。而且运用这个指数的确可以预期成年人患肥胖病的趋势。已经有很多关于早期环境如何引起表观遗传变异，从而永久性地作用于代谢和慢性疾病， 并影响其患病风险的假说。特别是对于肥胖， 已经证明肥胖的母亲更倾向于生出肥胖的孩子13，而且在临床上通过母亲减肥的确对其减少生育肥胖后代具有明显的效果。像这种早期营养造成后期患病风险的机制目前还知之甚少。但是， 已经有证据表明表观基因组(epigenome)可能在关键性发育时期起到了关键性作用14。在胎儿发育时期缺少甲基供体营养成分可能会提高其甲基化的不平衡性。环境和表观遗传之问的相互作用可能通过介导相关基因的表达而影响肥胖的形成，也有可能正像已经提出的，FTO基因本身就是一种DNA-脱甲基化酶，MC4R基因，它也可以减少长期高脂营养大鼠的甲基化15，PPAR蛋白可以在脂肪生成、营养的甲基化和瘦素等的作用过程中与组蛋白酰基转移酶相互作用。 最近有关肥胖的流行病学研究显示， 不仅仅是遗传本身，而是不适宜的环境改变了生活方式(也就是肥胖的表观遗传环境)发挥了决定性的作用。致胖环境对不同个体在相同环境中具有不同的作用，所反映的是个体对肥胖和脂肪分布的遗传敏感性。10多年来，关于形成肥胖的遗传机制已经形成了很好的遗传理论基础， 虽然其表观遗传作用的贡献尚未详细了解，但是通过对稀有的肥胖综合征和动物模型的研究，我们仍然可以总结出：似乎遗传和环境共同作用于表观遗传从而造成肥胖。科学家已经开始鉴定肥胖的中枢神经作用模式，表明：个体对肥胖性环境的应答部分是由神经行为的驱使。也有证据表明外周脂肪组织也有一定的作用。值得注意的是，尽管我们已经在基因治疗方面取得了举世瞩目的研究进展，但是通过基因治疗来降低肥胖的风险或者进行治疗显然只能停留在研究阶段，而表观遗传，特别是对这些数量形状，也就是由复杂的代谢途径所决定的形状的表观遗传学研究却能为我们找到一条避免肥胖的行之有效的健康之路。2 食物营养与表观遗传学基因组印记研究2.1 胚胎早期营养与印记基因的表观遗传缺失 早期营养可能改变基因印记的调节，大量啮齿类动物实验数据和部分令人担忧的观察结果支持这一假说。一些研究已经证明了如下假说：营养，以多种不同的培养基形式应用于早期小鼠胚胎的体外处理，可改变等位基因的甲基化和印记基因的表达。 Doherty等16用Whitten氏培养基或加氨基酸的KSOM培养基(KSOM-AA)比较了2-细胞期和胚泡期的小鼠胚胎发现，用Whitten培养会导致H19双等位基因表达，其和上游调节区甲基化丢失有关。相反，用KSOM-AA-培养则会导致胚泡产生与体内胚胎发育相似的适宜单等位基因表达和甲基化。Khosla等17用与之稍微不同的模型调查了此诱导表观遗传改变实验的稳定性。他们在一个化学物质确定的培养基(M16)包括/未包括胎牛血清上培养前植入小鼠胚胎，将合成的胚泡转移至雌性受体，作为对照的胚泡从交配4 d后的雌性获取并转移至受体雌性子宫内。在妊娠第14 d，M16培养的胎儿发育和对照胎儿相似；而加了胎牛血清的M16和对照比，会导致胎儿14 d成活率下降，且成活胎儿低体重，H19和IGF2减少表达，H19印记控制区的DNA甲基化增加表达。综合这些数据表明，在早期胚胎诱导的表观遗传改变可被保持至随后的发育时期。尽管诱导这些改变是由不同培养基的特殊成分决定的，但明确的一点是早期胚胎营养的细微差别对印记基因的表达有深刻和持久的影响。2.2 产后微量营养因素与基因组印记 来自动物模型的数据显示，印记基因的表观遗传缺失并不局限于胚胎早期。Hu等18用5-氮(杂)胞苷处理出生后11、14 d的小鼠发现，IGF2等位基因表达发生了巨大的改变。Waterland等19通过对哺乳幼仔大鼠的胰岛功能和基因表达的早期和持续影响的评价，最早回答了产后微量营养因素是否会对基因组印记产生影响这一问题。来自断奶后不久和成年小幼仔的离体胰岛显示，葡萄糖刺激的胰岛素分泌与体内其葡萄糖耐量血清胰岛素水平相关。用DNA微阵列法已确定出1O个基因，其在对照和断乳后不久和成年小幼仔的胰岛中显示不同的表达；这些基因的组间表达差异的定量发育稳定性显示：出生后早期饮食诱导了胰岛细胞的表观遗传改变;10个基因中有2个(insulin2和Neuronatin)是印记基因。因为少于0.5的噬齿类基因是目前所知的印记基因，这些数据和如下假说相一致：即印记基因对于早期营养因素有增强的表观遗传不稳定作用。 对小鼠的研究发现，甚至在断乳后期，短暂的营养暴露可持续改变印记基因的等位基因的表达。C57/Castaneus F1杂种小鼠断乳后，暴露于自然成分的噬齿类饮食，即一种氨基酸确定的饮食或缺乏甲硫氨酸、胆碱、维生素B12和叶酸的氨基酸确定的饮食。断乳60 d后，氨基酸饮食比缺陷饮食引起Igr2正常状态下处于静息的母系等位基因在肾脏表达的增加。在所有动物被提供另外100d的自然成分饮食后，这种差异性释放仍保持着。因为氨基酸饮食被认为是营养全面的饮食，所以这些数据显示在断乳后期饮食中甚至微量的差异也可诱导基因组印记基因调节的持续改变。值得注意的是，如果早期营养在发育的种系中诱导相似的印记基因的表观遗传学改变，那么其有可能被传递至下一代。在发育过程中，营养和其他环境刺激物可能会诱导基因组印记基因表观遗传修饰的持续改变，Waterland等20的研究第1次在活体内证实了这一现象。用于培养早期小鼠胚胎的培养基，可影响印记基因的甲基化和等位基因的表达，但并不知道在体外这些营养效应是否会持续至胎儿发育期后。通过对出生后小鼠注射5-氮(杂)胞苷，已经诱导出低甲基化和Igf2的LOI21，在高同型半胱氨酸成年人中H19 LOI可通过口服叶酸疗法得以改善，但这些效应的持续性还未被报道过。23 营养与基因组印记研究技术及进展 除了应用基因组方法来确定哪一个基因表达被早期营养持续改变外，表观基因组有同时检测许多DNA甲基化的基因独特性改变的潜能。通过应用表观遗传学技术，才能最终在动物模型中确定作为早期营养影响表观遗传学基因调节目标的基因组印记基因的特异性和宽度。Waterland等22研究证明 Igf2 LOI起因予父系等位基因的下调，从而引起Igf2整体表达减少.检验Igf2 LOI的研究不能作出如下假设：即母系/父系表达比例的增加反映母系等位基因表达的上调。只有同时检测等位基因的表达比例和同一样本的Igf2 总的表达量，才能对LOI和Igf2表达之间的关系作出推断。他们的发现为检测肌H19和Igf2等位基因甲基化和Igf2 LOI之间的联系提供了一个临界(状态)评价标准。其所有的数据及目前的研究结果显示，在已知的DMRs没有可评估的DNA甲基化改变的情况下，Igf2等位基因表达的事实上的改变是可以发生的。因此这里描述的小鼠模型可以产生深入到Igf2 LO1分子机制的见解，例如，特异的组蛋白修饰可能在饮食间接诱导的等位基因表达的改变中起主要作用。将来的研究需要用决定是否有相似的机制为人类Igf2 LOI的表面异质现象提供基础并加以统一的临界点来解释这些改变。3 未来研究方向及展望 Waterland等23认为未来的研究需要指出，在引起Igf2 LOI和DMR2超甲基化的SC饮食(以前曾被认为是天然成分饮食的一种足够的替代品)中，什么是特别缺乏的或存在的重要成分。这个问题对婴幼儿营养课题尤为重要：就像这里用到的合成SC饮食一样，婴儿配方本质上是人乳的半合成替代品。因此，配方喂养和人乳喂养的个体之间观察到的持久差异，有可能是由于人乳和婴儿配方之间细微的营养差异导致的表观遗传改变引起的。另外环境对Igf2 LOI的影响，其有可能首次显示了与近来人类流行病学研究(即Igf2 LOI的发生不依赖于像饮食和吸烟之类的环境因素相矛盾的地方。产后发育期的营养可对印记基因的表观遗传修饰有持久的影响，这个基于发展可塑性的表观遗传学说可能包含了连结早期营养和人类健康的一个机制。参考文献：1 吴南，桂建芳组蛋白变体及组蛋白替换J遗传，2006，28(4)：493-5002 张永彪，褚嘉祜表观遗传学与人类疾病J遗传，2005，27(3)：466-4723 Reik W，Walter JGenomic imprinting：parental influence onthe genomeJNat Rev Genet，2001，2(1)：21-324 程姗印记控制区(ICR)的调控机制J生命的化学，2004，24(5)：383-3865 Toren A，Rechavi G，Ramot BGenetic and epigenetic resistanceof SLNi mice to lymphomasJPediatr Hematol Oncol，1996，13(4)：319-316 滕朝，戴冬秋胃癌表观遗传学研究进展J世界华人消化杂志，2005，13(19)：2 289-2 2937 Wu MS，Wang HP，Lin CC，et a1Loss of imputing andoverexpmsion of IGF2 gene in gastricadenocarcinomaJCancer Lett，1997，12o(1)：9-148 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