表观遗传修饰的作用机制

1、基因组印记 人们在研究中发现,来自双亲的某些等位基因,在子代的表达不同,有些只有父源的基因有转录活性,而母源的同一基因则始终处于沉默状态,另一些基因的情况则相反。这是由于源自某一亲本的等位基因或它所在染色体发生了表观遗传修饰,导致不同亲本来源的两个等位基因在子代细胞中表达不同。在基因组中的这类现象就是基因组印记(genomic imprinting) 。 表观遗传修饰的作用机制 在学习遗传学的时候，我们知道基因结构的改变会引起生物体表现型的改变，而这种改变可以从上代传到下代。然而，近年来的研究表明，现代生物包括人类在内从祖先基因组中所获得的生长、发育和进化信息并不仅仅是基因序列。在基因的序列不

2、发生变化的条件下，基因表达发生的改变也可以是遗传的，导致可遗传的表现型变化。这种表现型变化因没有直接涉及基因的序列信息，因而是“表观”的，称为表观遗传变异，又叫表观遗传修饰。于是，遗传学的研究又开辟了一个新的领域表观遗传学（epigenetics）。 表观遗传学是研究基因型不发生变更的情况下产生的基因表达的可遗传改变的学科。这种改变是细胞内遗传信息以外的其他可遗传物质发生的改变,且这种改变在发育和细胞增殖过程中能稳定传递。表观遗传学研究内容包括DNA甲基化表观遗传、染色质表现遗传、表观遗传基因表达调控、表观遗传基因沉默、细菌的限制性基因修饰等。广义上，DNA甲基化、基因沉默、基因组印记、染色质

3、重塑、 RNA剪接、RNA编辑、RNA干扰、X染色体失活、组蛋白乙酰化等都可以归入表观遗传学范畴,而其中任一过程的异常都将影响基因结构以及基因表达,导致某些复杂综合症、多因素疾病或癌症。与DNA序列的改变不同的是,许多表观遗传的改变是可逆的,这使表观遗传疾病的治愈较为乐观。 现就将简要介绍一下表观遗传修饰的作用机制： 1 DNA甲基化 真核生物基因组中存在广泛的甲基化。DNA甲基化是由DNA甲基转移酶催化S-腺苷甲硫氨酸作为甲基供体，将胞嘧啶转变为S-甲基胞嘧啶(mC)的反应（如图1）。CG(即CpG)二核苷酸是最主要是甲基化位点。它在基因组中呈不均匀分布并广泛存在。DNA甲基化对维持染色体的

4、结构具有重要作用，并且与X染色体的失活、基因印记和肿瘤的发生和发展密切相关。在某些区域CpG序列的密度比平均密度高出许多，其长度大于200个碱基,这些区域命名为CpG岛。CpG岛位于基因上游调控区的启动子,这些基因为管家基因或组织特异表达 基因。 图1 甲基化敏感性单链构象分析（MS-SSCA）示意图 基因启动子区的CpG岛在正常状态下一般是非甲基化的,当其发生甲基化时，常导致基因转录沉寂,使一些重要基因如抑癌基因、DNA修复基因等丧失功能,从而导致正常细胞的生长分化调控失常以及DNA损伤不能被及时修复,这与多种肿瘤形成密切相关。相反,整个基因组中普遍存在低甲基化,主要发生在DNA 重复序列中

5、，如微卫星DNA、长散步元件(LINES) 、中度重复顺序、Alu顺序等，这种广泛的低甲基化会造成基因不稳定,与多种肿瘤如肝细胞癌、尿道上皮细胞癌、宫颈癌等的发生有关。DNA的低甲基化也可能在异常组蛋白修饰的协同下引起某些T细胞基因的异常活化、导致狼疮等自身免疫疾病的发生。越来越多证据表明伴随衰老有很多细胞的发生CpG岛异常甲基化,从而导致许多与衰老相关的生理和病理改变,包括导致肿瘤。DNA甲基化技术的进展也可将其应用领域扩大到非创伤性产前诊断。甲基化特性PCR可快速、灵敏地根据胎儿和母亲之间DNA甲基化的差异从母亲血浆中检测胎儿DNA。 2 组蛋白修饰 组蛋白是真核生物染色体的结构蛋白,是一

6、类小分子碱性蛋白质，分为H1、H2A、H2B、H3及H4五种类型（如图2）,它们富含带正电荷的碱性氨基酸,能够同DNA中带负电荷的磷基酸基团相互作用。只有改变组蛋白的修饰状态，使DNA和组蛋白的结合变松,才能使相关基因表达,因此组蛋白是重要的 染色体结构维持单位和基因表达的负控制因子。 图2 核小体结构示意图 组蛋白修饰主要以共价键形式发生,包括乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化。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,通过组蛋白的乙酰化与去乙酰化,会使与组蛋白结合的基因表达受到精确的调控。甲基化修饰可使染色体的结构发生变化,也可以通过其他转录因子来调控基因的表

7、达。而组蛋白的磷酸化则通过改变组蛋白的电荷、修饰组蛋白的结合表面,在基因转录、DNA修复、细胞凋亡及染色质凝聚等过程中起调控作用。泛素化主要通过对被降解组蛋白连接上泛素标记,使部分蛋白启动基因表达来实现。 3 染色质重塑 在基因表达的复制和重组过程中,对应基因尤其是基因的调控区的染色质的包装状态,核小体和组蛋白以及对应的DNA分子会发生一系列的改变,这就是染色质重塑。染色质重塑的发生和组蛋白N端末尾的修饰密切相关,尤其是对组蛋白H3和H4的修饰。修饰直接影响核小体的结构,并为其他蛋白质提供了和DNA作用的结合位点。染色质重塑主要包括2种类型:一是依赖ATP的物理修饰;另一种是依赖共价结合反应的

8、化学修饰。依赖ATP的物理修饰主要是利用ATP水解释放的能量,使DNA超螺旋旋矩和旋相发生变化,使转录因子更易接近并结合核小体DNA,从而调控基因的转录过程。染色质重塑复合物、组蛋白修饰酶的突变均和转录调控、DNA甲基化、DNA重组、细胞周期、DNA的复制和修复的异常相关,这些异常可以引起生长发育畸形,智力发育迟缓,甚至导致癌症。 4 遗传印记 基因组印记也是一种表观遗传现象,即来自父亲和母亲的等位基因在传递给子代时发生了某种修饰,使子代只表现出父方或者母方的一种基因,这种现象即为基因印记。基因印记遍布基因组,其内含子比较小,并且能在组织中特异性表达。印记基因在发育过程中扮演着重要角色,研究发现许多的印记基因对胚胎和胎儿出身后的生长发育有着重要调节作用,对行为和大脑的功能也有着重要影响,印记基因的异常同样可以诱发癌症,此外,一些环境因素,比如食物中的巨舌-基因组印记的病变是脐疝但目前对印记机制知之甚少。,叶酸也会破坏印记-巨人综合征(BW