表观遗传学和人类疾病

表观遗传学与人类疾病张永彪，楚嘉祐(中国医学科学院中国协和医科大学医学生物学研究所遗传室，昆明650118 )GeneTex超过10年以上的老鼠单克隆杂交瘤技术，是国际领先的抗体生产线，请申请各种抗体的试制品表观遗传学是指DNA序列不变，但遗传基因表达发生了遗传变化。 这种变化是细胞内遗传信息以外的可遗传物质的变化，基因型不变，表型变化，这种变化在发育和细胞增殖过程中稳定传递。 表观遗传变化可以从三个层面调控基因的表达，即DNA共价键合，使具有相同序列的等位基因处于不同修饰状态。 DNA修饰蛋白修饰：通过特殊蛋白修饰或改变蛋白构象实现基因表达调控的未经编码RNA调控： RNA可通过某种机制实现基因转录调控和基因转录后调控，如RNA干扰(RNAi )等。 表观遗传学研究包括染色质重建、DNA甲基化、x染色体失活，非编码RNA控制着4个方面，任何一个方面的异常都影响染色质的结构和基因表达，引起复杂的综合征、多因素疾病和癌症。 与DNA的变化不同，许多表观遗传变化是可逆的，这为疾病的治疗提供了乐观的前景。 本文分析总结了表观遗传四个方面的研究进展和表观遗传疾病的发病机制。1染色质的重建与人类疾病核小体结构的存在便于染色质包装，但DNA与组蛋白八聚体紧密结合，对基因的表达造成障碍，为打破这一障碍获得有效的染色质结构，可通过染色质的重建来实现。 染色质的重建是指能量驱动下核小体的置换和重排。 它改变了核小体在基因启动子区的序列，增加了基础转录装置与启动子的接近性。 染色质重建的发生与组蛋白n端尾的修饰密切相关，尤其是组蛋白对H3和H4的修饰。 修饰直接影响核小体的结构，为其他蛋白质提供了与DNA作用结合的位点。 染色质的重建和组蛋白修饰分别通过特异的复合体实现，两者的发生顺序与启动子序列的特异性有关后与启动子结合的复合体有助于维持两个复合体和启动子的稳定结合，并且两个复合体增强了彼此的功能。 染色质重建复合体、组蛋白修饰酶突变与转录调控、DNA甲基化、DNA重组、细胞周期、DNA复制和修复异常有关，这些异常可引起生长发育畸形、智力发育迟缓，甚至癌症。1.1 ATP依赖的染色质重构与人类疾病染色质重组复合物可通过水解ATP提供能量来完成染色质结构的改变，通过水解ATP的亚基，将复合物分为SWI/SNF复合物、ISW复合物和其他类型的复合物。 这些复合体及相关蛋白与转录的激活和抑制、DNA甲基化、DNA修复及细胞周期有关。ATRX、ERCC6、SMARCAL1均编码与SWI/SNF复合物相关的ATP酶。 ATRX突变导致的DNA甲基化异常可导致遗传性智力迟钝的疾病，如x链-地中海贫血综合征、Juberg-Marsidi综合征、Carpenter-Waziri综合征、Sutherland-Haan综合征、Smith-Fineman-Myers综合征等ERCC6突变可引起cerebrooculofacioskeletal综合征和b型Cockayne综合征。 前者表现为出生后发育异常、神经退行性变化、进行性关节挛缩、早死后者表现为紫外线敏感性、骨骼畸形、侏儒症、神经退行性变化等症状。 这两种疾病对紫外诱导的DNA损伤修复能力不足，表明ERCC6蛋白在DNA修复中有重要作用。 SMarcMarc1突变引起Schimke免疫性骨发育异常，表现为多向t细胞免疫缺陷，临床表现为SMarcMarc1蛋白可能调控与细胞增殖相关的基因表达。 BRG1、SMARCB1和BRM编码SWI/SNF复合体的特异ATP酶，这些酶通过改变染色质的结构顺利调节细胞纤维瘤蛋白(Retinoblastoma protein，RB蛋白)的细胞周期，抑制生长发育，发挥维持基因失活状态的功能1.2组蛋白的乙酰化、脱乙酰化和人类疾病组蛋白乙酰化与基因激活和DNA复制有关，组蛋白乙酰化与基因失活有关。 乙酰转移酶(HATs )主要是在组蛋白H3、H4的n末端的赖氨酸中加入乙酰基，乙酰化酶(HDACs )相反，需要特定的酶才能根据位置进行修饰。 乙酰化酶家族作为辅助活性因子调控转录，调节细胞周期，参与DNA损伤修复，还可作为DNA结合蛋白。 脱乙酰酶家族与染色体易位、转录调控、基因沉默、细胞周期、细胞分化和增殖、细胞凋亡有关。CREB结合蛋白(CREB binding protein，CBP )、E1A结合蛋白p300(E1A binding protein p300，EP300 )和锌指蛋白220(zinc finger 220，ZNF220 )均为乙酰化老虎CBP是cAMP应答元件结合蛋白的辅助激活蛋白，乙酰化组蛋白开始转录与cAMP应答元件作用的启动子，其变异引起Rubinstein Taybi综合征，患者智力低下，面部畸形，拇指和拇指粗大，体型小。 CBP和EP300抑制肿瘤的形成，用小鼠肿瘤细胞确定CBP的突变，用结肠和乳房肿瘤细胞系确定EP300的突变，并且ZNF220的异常与人的急性进行性骨髓性白血病有关。突变错误地激活脱乙酰化酶，或错误地与脱乙酰化酶相互作用，可能引起疾病。 甲基化CpG-结合蛋白2 (methylcytosinebindingprotein-2，MeCP2)在甲基化DNA区域招募脱乙酰化酶，组蛋白脱乙酰化浓缩染色质，MeCP2突变引起Rett综合征，患者生病发病如果抑制脱乙酰化酶的功能，可抑制癌细胞的增殖和分化，用于急性早幼粒性白血病、急性淋巴细胞白血病和非霍奇金淋巴瘤的治疗。染色质重建异常引起的人类疾病，重建复合体中的重要蛋白发生突变，染色质重建失败，即核小体不能正确定位，修复了DNA损伤的复合体、基础转录装置等不能接近DNA，影响基因的正常表达。 突变导致抑癌基因和调节细胞周期的蛋白质异常时，就会发生癌症。 乙酰化酶的变异不能表达正常的基因，由于乙酰化酶的变异和乙酰化酶相关蛋白的变异，导致乙酰化酶的错误募集引起肿瘤等疾病。2基因组印记和人类疾病基因组印记是指来自母体和母体的等位基因通过精子和卵子传递给子代时修饰的，通过使具有母体印记的等位基因具有不同的表达特性，这种修饰一直是DNA甲基化修饰，也包括组蛋白的乙酰化、甲基化等修饰。 生殖细胞形成初期，母侧和母侧的标记全部消失，母侧等位基因在精母细胞形成精子时产生新的甲基化模式，但受精时该甲基化模式发生变化，母侧等位基因的甲基化模式在卵子发生时形成，因此与受精前母侧等位基因不同目前发现的压印基因约80%被聚类化，这些聚类化的基因由同一链上的顺式作用部位控制，该部位称为压印中心(imprinting center，IC )。 印记基因的存在反映了性的竞争，从目前发现的印记基因来看，父母加速胚胎的发育，父母限制胚胎的发育速度，父母通过印记基因影响其后代，使其具有性行为特异性，保证自己基因的遗传优势。印记基因的异常表达可引起多种伴有复杂突变和表型缺陷的人类疾病。 研究表明，许多印记基因对胚胎和胎儿出生后生长发育有重要的调节作用，对行为和脑功能也有很大影响，印记基因异常同样诱发癌症。2.1基因组印记和脐疝巨大舌巨人症综合征(BWS )BWS患者胚胎和胎盘过度增殖，巨大舌头、巨大发育，儿童期易发生肿瘤。 该病主要由11号染色体上IGF2和CDKN1C两个印记基因的误表达引起，IGF2是父本表达的等位基因，CDKN1C是母本表达的等位基因。 父本单亲双体型(uniparental disomies，UPDs )是诱发BWS的主要原因，IGF2基因表达两倍，CDKN1C基因不表达的次要原因是母本的CDKN1C等位基因变异22。 极少数病例的母本染色体发生位移，CDKN1C基因失活，母本IGF2基因表达。 其他印记基因在胚胎发育过程中的过度或缺失表达也可能引起类似于BWS的综合征，如母本IPL基因的不表达或母本ASCL2基因逃避印记可导致胚胎过度发育。 这说明父本表达的等位基因对胚胎生长有促进作用，而母本表达的等位基因对胚胎发育有限制作用。2.2基因组印记和Prader-Willi/Angelman综合征(PWS/AS )PWS表现为肥胖、矮小、轻度智力发育迟缓的AS表现为共济失调、过度活跃、重度智力障碍、少语、表情愉快，这两种疾病与神经功能失调有关。 PWS因突变在大脑中高表达父亲印记基因，如SNPNP基因高表达的AS因母亲UBE3A基因缺失或抑制，该基因编码泛素蛋白连接酶在大脑中表达。 父本表达的SNRNP基因的少量缺失会引起PWS，但在其上游进一步缺失则可引起AS，表明这两个区域位于标记的中心。 如果缺少父本染色体上的PWS标记的中心，SNRNP基因和附近的父本表达的等位基因就会受到抑制，如果缺少父本染色体上的AS标记的中心就没有变化，但是母本染色体上的AS标记的中心缺少的话，UBE3A就会受到抑制，变为AS。2.3基因组印记和癌症印记的丧失不仅影响胚胎的发育，还会诱发出生后的发育异常，引起癌的发生。 抑癌基因活性等位基因失活时，发生癌变的概率增高，例如IGF2基因失踪会引起许多肿瘤，如wilms肿瘤。 与刻印丧失相关的疾病有神经母细胞瘤、急性早期幼颗粒性白血病、横纹肌肉瘤、散发骨肉瘤等。与基因组标记相关的疾病常常失去标记，两个等位基因同时表达，或者突变使活性等位基因失活。 当控制基因簇的标记中心发生突变时，一系列基因就不再表达，从而引起复杂综合征。 由于基因组印记的本质仍然是DNA修饰和蛋白修饰，印记相关蛋白的突变也会引起表观遗传疾病。3 X染色体失活与人类疾病3.1 X染色体失活女性有两条x染色体，而男性只有一条x染色体，为了保持平衡，女性的一条x染色体永久失活，这就是“剂量补偿”效果。 哺乳动物雌个体的x染色体失活遵循n-1定律，无论x染色体的数量如何，最终只随机保留一条活性。 多x染色体个体研究表明，活性染色体先于非活性染色体复制，复制的异步性和LINE-1元件的非随机分布可以揭示染色体失活的本质27。 哺乳动物受精后，x染色体发生系统变化。 首先父本x染色体(paternal X chromosome，Xp )在所有早期胚胎细胞中失活，染色体整体组蛋白改变，表达具有抑制细胞分裂作用的Pc-G蛋白(Polycomb group proteins，Pc-G )，然后Xp在细胞群中选择性恢复活性，最后x染色体的随机失活由x失活中心(XIICC )控制。 Xic是顺式作用部位，含有鉴别x染色体数量的信息和Xist基因，前者可以保证只有一个染色体是活性的，但机制不明，后者的缺失导致x染色体失活。 x染色体失活过程是由Xist基因编码Xist RNA，Xist RNA包裹在合成的x染色体中，随着诱发x染色体失活的Xist RNA向x染色体的扩张，DNA甲基化和组蛋白的修饰很快发生， 对x染色体失活的建立和维持有重要作用的失活染色体仍继续合成Xist RNA，维持其自身失活状态，但活性x染色体如何阻止Xist RNA结合尚不清楚。3.2与染色体失活相关的疾病许多与x染色体失活相关的疾病是由于x染色体的不对称失活使具有突变等位基因的x染色体在多个细胞中活化而引起的。 Wiskott-Aldrich综合征是由WASP基因突变引起的，伴有免疫缺陷、湿疹、血小板缺乏症。 由于染色体随机失活，女性为嵌合体，拥有正常基因的50%，通常不会出现症状，该患者多为男性。 女性疾病的原因是不对称x染色体失活，即具有正常WASP基因的染色体过度失活。 但是，女性体内还存在另一种使大部分具有突变基因的x染色体失活的机制。 Pelizaeus-Merzbacher病的研究表明，该机制倾向于使具有突变PLP基因的x染色体失活。 RTT综合征也与非对称x染色体的失活有关，具有MeCP2变异基因的女性有使具有x染色体失活时引起变异的等位基因的染色体失活的倾向。即使是失活的x染色体，也有一部分基因避免失活而存在2个活性等位基因，但避免失活的等位基因的表达水平有很大差异。 从失活中逃脱，抑癌基因的功能容易丧失，是引起女性癌症的重要原因之一。 通过逃避失活基因的过度表达，也可以提高某种疾病的感受性。 例如TIMP1基因随年龄增长表达量增加，引起迟发性疾病。 女性感受性的自身免疫性疾病也与x染色体失活有关。 由于女性是嵌合体，如果自身免疫性t细胞不能承受2个x染色体编码的抗原，就会引起红斑狼疮等自身免疫缺陷性疾病。4未编码的RNA与人类疾病4.1非编码RNA在表观遗传学中的作用功能性非编码RNA在基因表达中起着重要作用，根据其大小可分为长链非编码RNA和短链非编码RNA。 长链非编码RNA在基因聚类中染色体水平整体发挥顺式调控作用。 果蝇调节“剂量补偿”的是roX RNA，该RNA具有逆调节作用，与其他