表观遗传学进展

表观遗传学及其进展摘要本文概述了表观遗传学作为分子生物学的一个分支学科的基本内容，并着重讨论DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、非编码RNA调控在生物体分化发育期间引起基因表型效果与表达机制及影响因素。关键词 表观遗传、DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、非编码RNA调控基因组计划已经揭示出人类的全套基因组序列，但基因的DNA序列只是一个模板，高等生物的每个细胞都具有全套基因，即全能性(totipotency)。但构成生物体各组织的细胞类型却千差万别，这全能性的基因如何表达出如此多样性的细胞、组织？1939年Waddington1最先提出表观基因型(epigenotype)这个概念，指出了遗传和表观遗传的相对性，首次以有机体整体的观念解释整个生命过程中遗传物质的表达方式。而后Holliday2认为成熟的有机体有全套的来自母源和父源的基因型，同时也有了全套的表观基因型，能决定基因的表达，并且是稳定的可遗传的。一. 表观遗传学的定义及特点表观遗传学是研究不涉及DNA序列改变的基因表达和调控的可遗传变化的机制3，这种改变是细胞内除了遗传信息以外的其他可遗传物质发生的改变，即基因型未发生变化而表型却发生了改变，且这种改变在发育和细胞增殖过程中能稳定传递4, 5。或者说是研究从基因型演绎为表型的过程和机制的一门新兴的遗传学分支。表观遗传的异常会引起表型的改变、机体结构和功能的异常，甚至导致很多疾病。其主要特点是：可遗传性，即这类改变通过有丝分裂或减数分裂能在细胞或个体世代间遗传；可逆的基因表达调节，也描述为基因活性或功能的改变；没有DNA序列的改变或不能用DNA序列变化来解释。二. 表观遗传学的机制1. DNA甲基化DNA甲基化是表观遗传学的重要研究内容之一。DNA甲基化现象广泛存在于细菌、植物和哺乳动物中,是DNA的一种天然的修饰方式。在哺乳动物中,由DNA甲基转移酶(DN-MTl)催化，通常发生在双核苷酸CpG中的胞嘧啶，构成甲基化的CpG。在整个基因组中，CpG岛通常位于基因的启动子区域(promoter region)，在正常情况下，CpG岛是以非甲基化形式存在于基因的启动子内。DNA甲基化及去甲基化，再加上组蛋白修饰，直接制约基因的活化状态。因此，DNA甲基化有其重要的生物学上的意义。近年来许多研究已表明：DNA甲基转移酶的活性异常与人类的某些疾病有直接的关联，例如IGF综合征(immunodeficiency centromeric instability facial anomaliassyndrom)就是由于位于染色体20ql1.2上的DNMT3B基因发生突变而导致的6,7，DNA甲基转移酶的活性降低也会导致基因的突变增加8。DNA的甲基化与癌症发生的关系也越来越受重视。现代肿瘤理论认为癌症是由基因缺陷和基因的表遗传性改变引起的，在导致癌相关基因改变而致癌的六种可能性机制中有三种机制与DNA甲基化直接有关。因此甲基化研究在现代肿瘤学研究中有着不可忽视的作用。在基因的表观遗传性改变中，正常的DNA甲基化模式如果被破坏(例如基因启动子区域过度甲基化或过低甲基化)都会导致细胞的癌变9,10。如果在基因的启动子区域的CpG岛发生过度甲基化，那么该基因就可能失活。到目前为止，已发现在大量的肿瘤细胞中肿瘤抑制基因(tumor surpressor genes)的失活与该基因的启动子区域的过度甲基化有直接关联。基因的过低甲基化(hypom-ethylation)也与癌症的发生有一定的关系，过低甲基化导致一些在正常情况下受到抑制的一些基因如癌基因，或相关因子得到大量表达。另外，DNA过低甲基化抑制了基因组中重复子(reetitive dements)的同源性重组，因而导致整个基因组的不稳定性增加。Narayan等11报道：在细胞染色体的中心粒周围具有高度的甲基化区域，如果这种甲基化DNA失去致密的甲基，就会导致基因的损伤。2. 组蛋白修饰染色质的基本单位为核小体，核小体中部是由四种组蛋白(H2A、H2B、H3、H4)各两个分子构成的八聚体核心，N端尾部为单一的H1。组蛋白可以共价修饰而发生乙酰化、甲基化和磷酸化，由此构成多种多样的组蛋白密码。组蛋白乙酰化与基因活化以及DNA复制相关，组蛋白的去乙酰化和基因的失活相关。乙酰化转移酶(HATs)主要是在组蛋白H3、H4的N端尾上的赖氨酸加上乙酰基，去乙酰化酶(HDACs)则相反，不同位置的修饰均需要特定的酶来完成12。乙酰化酶家族可作为辅激活因子调控转录，调节细胞周期，参与DNA损伤修复，还可作为DNA结合蛋白13,14。去乙酰化酶家族则和染色体易位、转录调控、基因沉默、细胞周期、细胞分化和增殖以及细胞凋亡相关13。3染色质重塑染色质重塑(remodeling)指染色质位置和结构的变化。主要涉及密集的染色质丝在核小体连接处发生松解造成染色质解压缩，从而暴露基因转录启动子区中的顺式作用元件，为反式作用蛋白(转录因子)与之结合提供了一种称为可接近性(ac-cesibility)的状态。染色体重塑过程由两类结构介导：ATP依赖型核小体重塑复合体和组蛋白修饰复合体。前者通过水解作用改变核小体构型；后者对核心组蛋白N端尾部的共价修饰进行催化。修饰直接影响核小体的结构，并为其他蛋白提供了和DNA作用的结合位点15。三表观遗传学的运用1. 肿瘤的诊断肿瘤表观遗传学在肿瘤的诊断中具有相当重要的意义。许多CGI甲基化事件已被当作肿瘤的生物学标志，可能是一个非常有前途的肿瘤早期诊断标志。甲基化特异性PCR(MS-PCR)是极为敏感的甲基化测定方法之一，可检测微量DNA样品。MS-PCR分析样本中与肿瘤相关的基因的甲基化状态，显示每种肿瘤独特的甲基化谱，与非甲基化模板相比，甲基化模板检测敏感性提高，可用于肿瘤的辅助诊断。某些死亡的肿瘤细胞释放的基因片段也能作为肿瘤诊断的生物标志物；血液和体液中的甲基化基因与原发肿瘤的甲基化基因的量高度相关，这些都可以通过MS-PCR进行检测。2. 肿瘤的治疗目前肿瘤表观遗传方面研究的方向包括DNMT和靶向诱导DNA甲基化及HDAC抑制剂的研究等。CGI高甲基化导致的抑癌基因转录失活可以逆转，利用去甲基化剂使甲基化的基因去甲基化并重新表达，抑癌基因的功能可以直接恢复，该领域的研究可能为临床提供肿瘤治疗的新手段。DNMT的作用是催化DNA甲基化，在CGI异常甲基化的肿瘤细胞中常过度表达，该酶已成为DNA去甲基化，恢复抑癌基因功能的靶分子之一。5-阿扎胞苷（5-azacytidine）是美国FDA第一个批准用于骨髓增生异常综合征(MDS)治疗的DNMT抑制剂，随后上市的是5-脱氧杂氮胞苷即地西他滨（decitabine）。虽然5-阿扎胞苷及其衍生物的作用机制现在还不完全清楚，但它们能使DNA去甲基化，重新诱导沉寂的肿瘤相关基因表达的作用非常明确，尤其与其他药物联合用于抗肿瘤治疗，5-阿扎胞苷能增强多种化疗药的敏感性，尤其在治疗血液肿瘤如慢性粒细胞白血病（CML）和急性粒细胞白血病(AML)等癌症方面为去甲基化剂的应用提供了有力的证据。将HDAC抑制剂和其他类型抗肿瘤药如DNMT抑制剂合用，可重新激活抑癌基因，促进肿瘤细胞凋亡。Karam等16报道以FK228和5-阿扎胞苷联合应用于膀胱移行细胞癌体外和膀胱癌异种移植瘤体内实验，试验结果提示，其均具有不同的抑制生长作用，且该作用具有时效和量效关系。联合用药能明显将细胞阻滞在G2/M期，并能诱导肿瘤细胞凋亡。众多研究显示，表观遗传学改变在肿瘤发展的