表观遗传学研究进展资料下载.pdf
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PangChaoyou(CottonResearchInstitute,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Anyang455000)?
Abstrac:
t?
EpigeneticsreferstophenotypicchangescausedbymechanismsthatareunrelatedtochangesintheunderlyingDNAsequence,changesingeneexpressionalsocanoccurgenetically,resultinginheritablechangesinphenotype.EpigeneticsincludesDNAmethylation,histonemodification,chromatinremodeling,imprinting,randomchromosome(X)inactivation,RNAworld,etc.Epigenetics-relateddiseasesmainlyincludescancer,cardiovasculardisease,mentalillness,humanautoimmunediseases.Thispaperisanoverviewofepigeneticsanddiseases.Keywords:
Epigenetics?
Diseases?
DNAmethylation?
Histonemodification?
Cancer收稿日期:
2010-07-14基金项目:
国家高技术研究发展计划项目(?
863?
计划)(2009AA101104)作者简介:
李光雷,男,硕士研究生,研究方向:
分子育种;
E-mai:
lnxyzwswjslg通讯作者:
喻树迅,男,博士,研究员,研究方向:
短季棉育种;
lyu1?
表观遗传学的基本概念经典遗传学认为遗传的分子基础是核酸,生命的遗传信息储存在核酸的碱基序列上,碱基序列的改变会引起生物体表现型的改变,而这种改变可以从上一代传递到下一代。
然而,随着遗传学的发展,人们发现,DNA、组蛋白、染色质水平的修饰也会造成基因表达模式的变化,并且这种改变是可以遗传的。
这种基因结构没有变化,只是其表达发生改变的遗传变化叫表观遗传改变。
表观遗传学是一门研究生命有机体发育与分化过程中,导致基因发生表观遗传改变的新兴学科。
它的主要论点是,生命有机体的大部分性状是由DNA序列中编码蛋白质的基因传递的,但是DNA序列以外的化学标记编码的表观遗传密码,对于生命有机体的健康及其表型特征,同样也有深刻的影响。
鉴于表观遗传信息能够明显地影响生命有机体的健康及表型特征,其中有一部分甚至可以从亲代传给子代,而且它们基本的DNA序列也没有改变,所以人们也称表观遗传信息为表观遗传标记。
Epigenetics这一名词的中文译法有多种,常见的有?
、?
表现遗传学?
后生遗传学?
外因遗传学?
表遗传学?
外区遗传学?
等。
1939年,生物学家Waddington首先在?
现代遗传学导论?
中提出了epigenetics这一术语,1942年,他把表观遗传学描述为一个控制从基因型到表现型的机制。
随着遗传学的快速发展,这个词的意思越来越窄2。
1987年,Hollidy指出,可在两个层面上研究高等生物的基因属性:
第一个层面是基因的世代间传递的规律,这是遗传学;
第二个层面是生物从受精卵到成体的发育过程中基因活性变化的模式,2011年第1期?
李光雷等:
表观遗传学研究进展这是表观遗传学。
1994年,Hollidy又指出,基因表达活性的变化不仅发生在发育过程中,而且也发生在生物体已分化的细胞中;
基因表达的某种变化可通过有丝分裂的细胞遗传下去。
他进一步指出表观遗传学研究的是?
上代向下代传递的信息,而不是DNA序列本身?
是一种?
不以DNA序列的改变为基础的细胞核遗传?
。
1999年,Wollfe把表观遗传学定义为研究没有DNA序列变化的、可遗传的基因表达的改变。
最近在Allis等的一本书中可以找到两种定义,一种定义是表观遗传是与DNA突变无关的可遗传的表型变化;
另一种定义是染色质调节的基因转录水平的变化,这种变化不涉及DNA序列的改变3。
吴乃虎、黄美娟认为生命有机体遗传信息是有以下3个不同层次组成:
第一层次由编码蛋白质的基因组成,以人为例,此类DNA总量不到细胞全部DNA的2%;
第二层次由仅编码RNA的基因组成,这类基因隐藏在巨大的非编码的染色体DNA序列中;
第三层次为表观遗传信息层,它贮藏在围绕DNA分子周围并与DNA分子结合的蛋白质及化学物质。
针对表观遗传学的主要内容以及与其相关的疾病进行综述。
2?
表观遗传学的主要内容2.1?
DNA甲基化作用DNA甲基化是指甲基化酶(methylase)从诸如叶酸和维生素B12等基本营养成分中取得甲基后,转移到DNA序列中的碱基上,使之发生甲基化作用。
尽管从1948年开始就一直在研究DNA碱基的共价修饰,但直到1969年Griffith和Mahler才提出DNA碱基的共价修饰可以调节基因表达。
在人类DNA中,碱基的共价修饰占重要地位的是胞嘧啶甲基化,紧接着是腺嘌呤甲基化和鸟嘌呤甲基化。
一般情况下,DNA胞嘧啶的甲基化常在CpG岛处高发,也有证据表明,胞嘧啶在很多非CpG处也经常被甲基化。
启动子区的胞嘧啶甲基化通过阻止特异转录因子的结合或者促使核染色质重塑来抑制基因表达,比如组蛋白修饰酶或其他基因表达抑制子。
DNA甲基化主要是通过DNA甲基转移酶实现的。
一般认为在哺乳动物中DNA甲基转移酶主要有4种,分为两个家族:
Dnmt1和Dnmt3(还有一个Dn-mt2,主要为tRNA的甲基转移,该酶有微弱的DNA甲基转移酶活性)。
Dnmt1家族在DNA复制和修复中使其甲基化;
而Dnmt3家族则催化CpG从头甲基化。
Dnmt3包括了两个从头甲基转移酶Dnmt3a、Dnmt3b和一个调节蛋白Dnmt3L。
研究显示,Dn-mt3a和Dnmt3b根据细胞类型和不同的发育阶段对不同的位点甲基化修饰,它们可能直接作用于DNA序列或是其他的DNA结合蛋白所必须或者在RNAi的指导下的DNA甲基化。
甲基转移酶的结构如图1所示。
Dnmt1结构域包括N端与某些蛋白特异结合区,C端的酶活性区及其他未知区域;
Dnmt2主要为tRNA甲基转移酶;
Dnmt3a和Dnmt3b的结构域包括N端的可变区,PWWP结构域,半胱氨酸富集区,C端的酶活性区;
Dn-mt3L的半胱氨酸富集区,但C端不具单独的催化活性;
罗马数字表示酶结构中的一些保守区域图1?
甲基转移酶的结构102.2?
组蛋白修饰作用组蛋白包括主要的组蛋白H1、H2A、H2B、H3和H4,H2A、H2B、H3和H4组蛋白各两个分子形成一个八聚体,真核生物中的DNA缠绕在此八聚体上形成核小体,组蛋白H1起到连接的作用,把每个核小体连接到一起。
在5种组蛋白中,H1的N端富含疏水氨基酸,C端富含碱性氨基酸,H2A、H2B、H3和H4种都是N端富含碱性氨基酸(如精氨酸、赖氨酸),C端富含疏水氨基酸(如缬氨酸、异亮氨酸)。
在组蛋白中带有折叠基序(motif)的C端结构域与组蛋白分子间发生相互作用,并与DNA的缠绕有关。
而N端可同其他调节蛋白和DNA作用,且富含赖氨酸,具有高度精细的可变区。
组蛋白N端尾部的15-38个氨基酸残基是翻译后修饰的主要41生物技术通报Biotechnology?
Bulletin2011年第1期位点,调节DNA的生物学功能8。
组蛋白翻译后修饰包括乙酰化与去乙酰化、磷酸化与去磷酸化、甲基化与去甲基化、泛素化与去泛素化、ADP核糖基化等。
2.3?
染色质重塑染色质是细胞核中由DNA、组蛋白、非组蛋白组合而成的一种物质。
染色质的基本组成单元是核小体,它是147bp的DNA缠绕在组蛋白八聚体上。
每个组蛋白包括两分子的H2A、H2B、H3和H4(图2),染色质核小体的这种结构能使DNA在细胞核中有组织的紧紧折叠。
复杂的重塑可以确保DNA很容易的进入转录机制。
长期以来,人们普遍认为染色质是静态的、抑制转录的结构,近年的研究结果表明,染色质是高度动态的,其丝状结构经常由于各种复合体的修饰而改变,染色质结构影响着DNA复制、重组、修复以及转录控制等诸多方面10。
真核生物正是通过一系列转录调节因子对染色质修饰的精确控制来感受各种细胞和环境刺激,从而使生物体表现出正确的时空发育。
图2?
核小体的结构图染色质重塑(chromatinremodeling)是基因表达调控过程中所出现的一系列染色质结构变化的总称。
染色质重塑已经成为目前生物学中最重要和前沿的研究领域之一,人们提出了与基因密码相对应的组蛋白密码来说明染色质重塑在基因表达调控中的作用。
目前,对染色质重塑的了解主要得益于人们在动物和微生物中的研究成果。
染色质重塑主要包括3个方面。
第一,通过对突出于核小体核心结构之外的组蛋白氨基端尾巴的修饰影响染色质的结构和基因表达。
组蛋白修饰包括位点特异的磷酸化、乙酰化、甲基化、泛素化以及相应修饰基团的去除。
第二,SWI/SNF和有关的染色质重塑复合体利用ATPase和解旋酶活性来改变核小体在DNA上的位置。
ATP依赖的染色质重塑可以使与核小体结合的DNA暴露出来,使核小体沿着DNA滑动并重新分布,在改变单个核小体结构的同时改变染色质的高级结构,从而在DNA修复、重组、复制及转录过程中调节全基因组的柔顺性和可接近性。
第三,DNA的甲基化,即对CpG中的胞嘧啶进行甲基化修饰。
DNA甲基化可以以表观遗传的方式标记顺式调控序列从而调节转录因子与DNA的相互作用,也有人说DNA甲基化是通过形成不活跃的染色质结构发挥其作用11。
2.4?
遗传印记遗传印记是一种不符合传统孟德尔遗传的表观遗传现象,它是指因某种外源基因而导致亲本基因发生的饰变是可以遗传给后代的,但它是否表达则取决于发生饰变的基因是来自母本还是父本,我们称这种现象为遗传印记。
它和生殖细胞发育过程中亲代特异性的DNA甲基化和某些亲代基因特异性的关闭相关,在配子的形成过程中,印记的基因修饰仅保留了双亲中的一份。
研究者在植物、昆虫和哺乳动物中都发现了遗传印记现象。
印记基因在发育过程中扮演重要的角色,它们一般在染色体上成簇分布。
在小鼠和人体中已知有80多种印记基因。
等位基因的抑制(allelicrepression)被印记控制区(ICRs)所调控,该区域在双亲中的一个等位基因是甲基化的。
ICR在不同区域中对印记的调控存在差异。
在一些区域中,未甲基化的ICR组成一个绝缘子阻止启动子和增强子间的相互作用;
在其他区域中,可能有非编RNA(non-codingRNAs)的参与,这种沉默机制与X染色体失活相似12。
2.5?
随机染色体(X)失活哺乳动物中的雌雄个体具有不同的X染色体的数目,这就需要有一种方式来解决X染色体剂量的差异21。
在雌性哺乳动物中,一条X染色体转录活性随机停止的现象叫X染色体失活。
例如,在正常的女性间期细胞核膜内侧边缘有一个巴氏小体,422011年第1期?
表观遗传学研究进展而在正常男性中则没有,这种巴氏小体是随机失活的X染色体,染色物质的高度浓缩以及基因的失活形成了这种特异性的性染色质小体。
剂量补偿效应使得人类或其他动物的雌雄细胞中由X染色体基因编码产物的表达量一致。
X染色体失活的选择和起始发生在胚胎发育的早期,这个过程被X失活中心Xic(X-inactivation-center)所控制。
这个失活中心存在着X染色体失活特异性转录基因Xist(X-in-active-specifictranscript),当失活的命令下达时,这个基因就会产生一个17kb不翻译的RNA与X染色体结合,介导DNA甲基化和组蛋白修饰,引发并维持X染色体的失活。
另外,X失活中心还有?
记数?
的功能,即保持每个个体中仅有一条X染色体具有活性,其余全部失活。
2.6?
RNA世界早在20世纪90年代,研究人员就对两个小调控RNA(lin-4和le-t7)进行了描述,它们控制线虫幼体的发育时间。
这些最初被定义为lin-4和le-t7的RNA和在蠕虫、苍蝇与人类发现的一系列RNA一起定义为microRNA。
后来证明在植物、绿藻以及病毒等中同样发现了小分子调控RNA。
在动物、植物和真菌中也发现了其他类型的小RNAs,小干扰RNA(siRNA)和piw-iinteractingRNAs(piRNA)就是两个例子。
miRNAs和这些小类型的RNAs不同,形成于转录后,自身向后折叠形成发夹结构;
小RNAs形成于长发夹或者形成于缺乏双链结构的区域。
总的来说,由于这些小调节RNA分子在没有基因编码序列的改变下能够改变基因和蛋白的表达,所以它们在表观调节中有着重要作用9。
由于这些RNA不能翻译为功能性的RNA分子,所以叫做非编码RNA(non-codingRNAs)。
非编码RNA分为看家非编码RNA(housekeepingnon-codingRNA)和调控非编码RNA(regulatorynon-codingRNA),其中具有调控作用的非编码RNA按其大小主要分为两类:
短链非编码RNA(包括siRNA、miRNA、piRNA)和长链非编码RNA(longnon-codingRNA,ln-cRNA)(表1)。
大量研究表明,非编码RNA在表观遗传学修饰中扮演了重要的角色,能在基因组水平及染色体水平对基因表达进行调控,决定细胞分化的命运11。
表1?
表观遗传学中起主要调控作用的非编码RNA种类长度(nt)来源主要功能siRNA21-25长双链RNA转录基因沉默miRNA21-25含发卡结构的pr-imiRNA转录基因沉默piRNA24-31长单链前体或起始转录产物等多途径生殖细胞内转座子的沉默lncRNA200多种途径基因组印记和X染色体失活3?
表观遗传学与疾病3.1?
表观遗传学与肿瘤在癌症中,DNA甲基化发生了很大的变化,出现了大量甲基化缺失的现象,但在一些特殊的启动子区也出现了DNA甲基化的获得现象。
关于这个机制的原因目前还不是太清楚,但是已经验证至少一部分甲基化在肿瘤形成的早期发生了变化,并且,一些甲基化起始癌症的形成。
Knudson提出二次突变假说到现在已经有10多年了,假说中概述了异常的DNA甲基化是肿瘤抑制基因失活的机制。
在那个年代许多研究是关于启动子区甲基化是导致肿瘤抑制基因功能丧失的原因7。
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,常导致基因转录沉默,使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失调以及DNA损伤不能被及时修复,这在肿瘤的发生和发展过程中起到了不容忽视的作用。
如胃癌、结肠癌、乳腺癌和肺癌等众多恶性肿瘤都不同程度地存在一个或多个肿瘤抑制基因CpG岛甲基化。
以胃癌为例,与胃癌相关的基因有RB、VHL、BRCA1、p16/CDKN2A、E2cadherin/CDH1、hMLH1和RUNX3等。
此外胃癌中DNMT1的mRNA水平显著高于非癌黏膜。
在胃癌的发生过程中,不同基因的甲基化具有一定程度的差异,Kang等报道:
APC、CDH1和MGMT基因甲基化出现于胃癌早期且甲基化频率不随胃癌的发展而改变,而hMLH1、COX2和p16基因随胃癌的发展甲基化频率也随之增加,hMLH1、RASSF1A和GSTPi基因甲基化发生在胃癌晚期。
在胃癌的癌前病变中发现APC、COX-2、DAPK、E2cadherin、GSTP1、hMLH1、MGMT、p16、p14、RASSF1A、THBS1和TIMP3基因的CpG岛甲43生物技术通报Biotechnology?
Bulletin2011年第1期基化,且甲基化程度随胃癌发展呈累积性增加22。
第二个是细胞的大量去甲基化影响染色体的稳定性。
整个基因组中很多区域普遍存在低甲基化现象(图3)19,主要发生在DNA重复序列中,如微卫星DNA、长散布元件(LINES)、Alu顺序等,这种广泛的低甲基化会造成基因组不稳定,并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。
以肝癌为例,1997年日本国家肿瘤研究所Ushijima等利用MS-RDA(methylation-sensitive-representationaldifferenceanalysis)技术分析致癌剂诱导小鼠肝癌的研究中发现,肝癌的基因组甲基化水平比正常小鼠肝组织明显低;
2007年美国Thorgeirsson利用3HdCTP掺入技术检测6例正常肝组织和30对肝癌和癌旁组织基因组甲基化水平后发现,肝癌组织DNA甲基化水平明显低于癌旁和正常肝组织。
2001年Lin等21分析了17对肝癌和癌旁组织中的全基因组5-甲基胞嘧啶的含量,结果表明,肝癌组织的5-甲基胞嘧啶的含量明显低于癌旁组织(P0.001),并且DNA甲基化水平降低的程度与肝癌的分级(P=0.005)和肿瘤大小(P=0.079)呈正相关;
而在正常肝组织、非肝硬化组和肝硬化组之间的全基因组5-甲基胞嘧啶含量无统计学差异。
该研究提示,肝癌整体低甲基化水平可能与肝癌发生发展的进程密切相关。
另外,当甲基化对印记基因修饰紊乱时会造成印记丢失、抑制和刺激生长的信号失衡,这也会造成多种肿瘤的发生;
miRNA的表达水平的改变也和癌症有关。
正常细胞中,在常染色之中活跃的转录基因未发生甲基化,异染色质和被甲基化基因的表达被抑制;
在癌症中,抑制被解除,导致正常的沉默基因抑制基因的不正常表达;
HAT.histoneacetyltransferase;
SWI/SNF.switch/sucrosenonfermentablenucleosomeremode-llingcomplex;
MeCP2.methy-lCpGbindingprotein2;
HDAC.histonedeacetylase图3?
肿瘤细胞DNA和染色体变化的关系19表观遗传学对肿瘤的作用不仅限于肿瘤早期转化,也影响到肿瘤转移,而且转移是实体瘤患者死亡的首要原因。
转移过程由相互关联的步骤组成,包括原发性肿瘤细胞获得侵袭相邻组织的能力、进入全身循环(intravasate)、通过脉管系统易位、远端毛细血管滞留、离开循环到周围间质组织,最后从微转移灶增殖为肉眼可见的继发性肿瘤。
为此,肿瘤细胞需获得某种基因型和表型,从而播散原发肿瘤,或在播散的组织部位存活、增殖。
因此,转移也是一种遗传学与表观遗传学疾病。
一方面,转移具有复杂的基因标记特征,这些标记有可能反映转移的潜能,例如,可以确定转移细胞个体在特异的继发组织部442011年第1期?
表观遗传学研究进展位的存活能力。
另一方面,DNA甲基化和组蛋白修饰的表观遗传学模式的破坏可解释部分转移相关基因表达的改变。
基因表达的变化可能是由于表观遗传学修饰直接或通过影响染色质间接改变了基因转录水平。
此外,表观遗传学机制不仅调节?
经典?
的肿瘤和转移相关基因,而且调节参与肿瘤发生与发展相关的miRNA基因。
可见,调节转移相关基因和miRNA的表观遗传学机制可以阐明转移。
随着对转移表观遗传学改变的深入理解,我们可以进一步识别新的转移相关基因和miRNA、发现有助于转移诊断的新型表观遗传学生物标记、制定基于表观遗传学药物的新的肿瘤治疗方案14。
3.2?
表观遗传学与精神病3.2.1?
抑郁的表观遗传机制?
抑郁是种普遍的、长期的、容易使人衰弱的疾病,目前通过抗抑郁治疗、电刺激疗法和心理疗法等对这种精神病的治疗已经取得一定的效果,但是只有不到一半的抑郁症患者得到缓解,这说明需要更有效的药物。
产生抑郁的分子机制,如压力等尚不清楚。
此疾病的持久性和对抗抑郁治疗的滞后反应是治疗的瓶颈。
因此,表明此过程可能涉及长期稳定的表观遗传改变。
很多研究已证明,表观遗传修饰包括长期的组蛋白乙酰化、组蛋白甲基化和DNA甲基化,在模式动物的压力形成、抑郁和抗抑郁的治疗中起着重要的作用,如Bdnf和GR基因在海马中的变化,但是现在还需要研究和抑郁相关的所有的大脑区域。
3.2.2?
成瘾中的表观遗传研究?
滥用的药物通过劫持大脑的天然奖赏区域来控制人的行为,包括中脑边缘多巴胺系统。
这个过程包括VTA的多巴胺神经元,它直接决定NAc?
腹侧纹状体的一部分。
在过去的几十年中,已经做了很多关于大脑奖赏支路以及药物滥用是如何影响其功能的研究,但是成瘾的行为可以持续到停药后几个月甚至几年的原因仍然没有搞明白。
很多研究已经确定在药物诱导下能使VTA、NAc等大脑相关区域的mRNA的表达发生变化,这种表达的变化在停药几个月后仍然能够持续,这些长期的变化是在组蛋白修饰的驱使下导致。
急性可卡因处理可以诱导纹状体c2fos和FosB基因的表达,这与组蛋白H4乙酰化瞬间增加有关。
CBP具有组蛋白乙酰转移酶活性,在FosB基因区域,对可卡因诱导的组蛋白乙酰化起到重要的作用,同时对其他基因也起到相同作用。
在蛋白激酶MSK1参与下,急性可卡因处理还可以引起c2fos基因启动区域组蛋白H4磷酸乙酰化。
慢性可卡因注射引起FosB基因启动区组蛋白H3乙酰化,也可引起Cdk5和Bdnf基因相关区域组蛋白H3乙酰化。
在海马区域,由急性电刺激变为慢性电刺激后,也观察到相似的由组蛋白H4到H3乙酰化的转变。
由此得出,H3乙酰化可能标记了一个由染色质改变介导的长期反复的基因激活。
由急性处理变为慢性处理后,是否通过募集不同的HATs或HDACs,选择性地催化组蛋白H4和H3特异的氨基酸残基末段乙酰化来调控基因的表达,其机制还不清楚。
转录因子FosB也参与了物质成瘾的形成。
FosB基因直接引起Cdk5基因的表达,但并不直接引起Bdnf基因表达。
慢性可卡因成瘾引起的Cdk5基因的表达使伏核的树突发生变化。
这些证明,在特异的启动区域,积聚FosB基因与染色质重塑因子相互作用,调控基因表达,对成瘾的维持起到重要的作用。
有研究表明,急性酒精处理使HDAC活性增高,抑制组蛋白乙酰化;
由急性变为慢性酒精处理后,HDAC活性降低,可以引起组蛋白乙酰化和DNA甲基化,从而导致染色质结构的改变,使染色质由异染色质变为常染色质。
3.2.3?
其他神经错乱的表观遗传研究
(1)学习和记忆。
各种类型的学习记忆可诱发与学习记忆相关脑区(如海马)产生明显的神经可塑性的变化。
LTP(long-timepotentiation)参与了突触可塑性的形成
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