表观遗传学与基因表达调控

表观遗传学与基因表达调控

改变人体外在表型生物界存在着许多很难澄清的现象。例如，人体的每个细胞都有相同的基因，但不同的组织和器官反映了不同的生物功能。又如单卵孪生子分享相同的遗传基因组,却能够显示表型上的差异或对疾病具有不同的易感性。再如环境、饮食等外在因素可以改变人体或其他生物的外在表型,甚至可以遗传。还有,肿瘤研究中发现某些基因不表达可以导致或加速肿瘤发生,有些基因不表达属于基因突变的结果,但一些基因没改变却莫名其妙地不表达了。诸如此类现象,均属于表观遗传学(epigenetics)的研究范畴,它是生命科学中一个普遍而又十分重要的新的研究领域。1表观遗传机制生物遗传信息储存于DNA序列之中,传统遗传学研究基于DNA序列改变所致基因表达水平的变化,如基因突变、基因杂合丢失和微卫星不稳定等等。但是,在基因组中除了DNA和RNA序列以外,还存在许多调控基因的信息,虽然这些信息不改变基因序列,却可以通过基因修饰,蛋白质与蛋白质、DNA与其它分子的相互作用,去影响和调节遗传基因的功能和特性,并且能够通过发育和细胞增殖过程稳定传递,这就是表观遗传。表观遗传学是研究DNA序列没有变化但基因功能发生变化并且可以遗传的学科。表观遗传学也可理解为环境与遗传学之间的相互作用。对生物个体而言,遗传学信息提供了合成包括表观遗传学修饰在内的各种蛋白质的蓝图,而表观遗传学信息调控适当的一组表达基因及其表达的程度,即表观遗传学信息提供何时、何地和怎样地应用遗传学信息的指令。在整个生命过程中,表观遗传学机制能对激素、生长因子等调节分子传递的环境信息在不改变DNA序列的情况下做出反应。因此,遗传学和表观遗传学既相互区别,又相辅相成,共同确保生命过程的正常功能。表观遗传学是生命科学中最为活跃的研究领域之一,它不仅对生物基因表达调控、遗传有重要作用,还对肿瘤、免疫等许多疾病的发生和防治亦具有十分重要的意义,而且表观遗传学信息还可直接与药物、饮食、生活习惯和环境因素联系起来,具有十分广泛的应用前景。2a序列及表观遗传信息生物遗传信息表达正确与否,既受控于DNA序列,又受制于表观遗传学信息。表观遗传学主要通过DNA修饰、蛋白质修饰与非编码RNA调控3个层面上调控基因表达。2.1dna甲基化甲基化是指生物分子在特定的酶系统催化下加上甲基(-CH3)的生物化学反应,是普遍存在原核生物和真核生物中的DNA修饰作用。甲基化没有改变基因序列,但对基因表达起调控作用。在哺乳动物DNA分子中,甲基化一般发生在胞嘧啶(C)碱基上。在DNA甲基转移酶(DNAmethyltransferases,DNMTs)催化下,甲基从S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethione)转移至胞嘧啶5位上,形成5-甲基胞嘧啶(m5C)。在发生甲基化的胞嘧啶后通常紧跟着一个鸟嘌呤(G)碱基。因此,通常称胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤或CpG的甲基化。在基因组中富含CpG位点的区域称为CpG岛(CpGislands),人基因组序列约有29,000CpG岛,约60%的人基因与CpG岛关联。CpG岛通常与基因表达的启动序列区域(promoterregions)相关,CpG是否甲基化在基因表达中起重要作用。一般说来,DNA甲基化能关闭某些基因的活性,去甲基化则可诱导基因的重新活化和表达。脊椎动物基因的甲基化状态有三种:(1)高度甲基化状态,如女性两条X染色体中的一条处于失活状态;(2)持续的低甲基化状态,如细胞存活所需的一直处于活性转录状态的管家基因;(3)去甲基化状态,如生物发育的某一阶段或细胞分化的某种状态下,原先处于甲基化状态的基因,也可以被诱导去除甲基化,而出现转录活性。健康人基因组中,CpG岛中的CpG位点通常是处于非甲基化状态,而在CpG岛外的CpG位点则通常是甲基化的。这种甲基化的形式在细胞分裂的过程中能够稳定的保留。当肿瘤发生时,抑癌基因CpG岛以外的CpG序列非甲基化程度增加,而CpG岛中的CpG则呈高度甲基化状态,以致于染色体螺旋程度增加及抑癌基因表达的丢失。DNA甲基化不仅影响细胞基因的表达,而且这种影响还可随细胞分裂而遗传并持续下去。哺乳动物一生中DNA甲基化水平经历2次显著变化,第一次发生在受精卵最初几次卵裂中,去甲基化酶清除了DNA分子上几乎所有从亲代遗传来的甲基化标志;第二次发生在胚胎植入子宫时,一种新的甲基化遍布整个基因组,甲基化酶使DNA重新建立一个新的甲基化模式。细胞内新的甲基化模式一旦建成,即可通过甲基化以“甲基化维持”的形式将新的DNA甲基化传递给所有子细胞DNA分子。2.2adp-核糖基的修饰组蛋白是一类小分子碱性蛋白质,作为真核生物染色体的基本结构蛋白质。组蛋白的共价修饰包括赖氨酸残基乙酰化、丝氨酸残基和苏氨酸残基的磷酸化、谷氨酸残基的ADP-核糖基化、赖氨酸残基的泛素化与类泛素化(sumolyation)、赖氨酸残基和精氨酸残基的甲基化等。赖氨酸残基的-氨基可形成一甲基化、二甲基化或三甲基化物,精氨酸残基可形成一甲基化或二甲基化物.。这些修饰成为组蛋白印记(histoneimprints),现在也称为“组蛋白密码”(histonecode)。组蛋白密码可被一系列特定的蛋白质所识别,并将其转译成一种特定的染色质状态,以实现对特定基因表达的调节,扩大了遗传密码的信息储存量。2.3染色质重塑修饰真核生物染色质是一切遗传学过程的物质基础,染色质构型局部和整体的动态改变,是基因功能调控的关键因素。染色质的基本结构单位是核小体(nucleosome),每个核小体是由5种组蛋白和DNA链200bp组成,其核心颗粒是由H2A、H2B、H3和H4四种组蛋白各两个分子的八聚体和绕1.8圈的147bp组成。当DNA绕到两圈时,约用165bp,并结合上一个H1组蛋白分子。染色质重塑是指染色质位置和结构的变化,主要涉及核小体的置换或重新排列,改变了核小体在基因启动序列区域的排列,增加了基因转录装置和启动序列的可接近性。染色质重塑与组蛋白N端尾巴修饰密切相关,尤其是对组蛋白H3和H4的修饰。通过修饰直接影响核小体的结构,并为其他蛋白质提供了与DNA作用的结合位点。染色质重塑修饰方式主要包括两种:一种是含有组蛋白乙酰转移酶和脱乙酰酶的化学修饰;另一种是依赖ATP水解释放能量解开组蛋白与DNA的结合,使转录得以进行。通常,DNA甲基化与染色质的压缩状态、DNA的不可接近性,以及与基因沉默(genesilencing)状态相关;而DNA去甲基化、组蛋白的乙酰化和染色质去压缩状态,则与转录的启动、基因活化和行使功能有关。这意味着,不改变基因结构,而改变基因转录的微环境条件就可以令其沉默,或使其激活。2.4rna干扰技术长期认为RNA仅仅从DNA获取遗传信息,并将信息转换成蛋白质。上世纪九十年代初期发现21~28个核苷酸的miRNA能抑制植物基因表达。随后又发现双链RNA(dsRNA)注入线虫能诱导基因表达沉默。这种现象称为RNA干扰(RNAinterference,RNAi),利用dsRNA使目的基因沉默的技术即为RNA干扰技术(RNAi技术)。现在认为,哺乳动物体内非编码的miRNA分子能通过染色质构建、RNA编辑