全 文 ：综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2011年第 1期
表观遗传学研究进展
李光雷 喻树迅 范术丽 宋美珍 庞朝友
(中国农业科学院棉花研究所,安阳 455000)
摘 要: 表观遗传学是在基因组 DNA序列不发生变化的条件下, 基因表达发生的改变也是可以遗传的 , 导致可遗传
的表现型变化。表观遗传学主要包括 DNA甲基化作用、组蛋白修饰作用、染色质重塑、遗传印记、随机染色体 ( X )失活及
RNA世界等。与表观遗传学相关的疾病主要有肿瘤、心血管病、精神病和自身免疫系统性病等。现就表观遗传学与疾病进
行综述。
关键词: 表观遗传学 疾病 DNA甲基化 组蛋白修饰 癌症
Advances of Research on Epigenetics
L iGuanglei Yu Shuxun Fan Shuli SongM eizhen Pang Chaoyou
(Cotton Research Institute, Chinese A cademy of Agricultural Sciences, A nyang 455000)
Abstrac:t Epigenetics refers to phenotyp ic changes caused by m echanism s that are unrelated to changes in the underly ing DNA
sequence, changes in gene expression a lso can occur genetica lly, resu lting in heritable changes in pheno type. Epig enetics includes DNA
m ethy lation, h istone m od ification, chrom atin rem ode ling, im printing, random chrom osom e ( X ) inactiv ation, RNA w or ld, etc. Ep igene tics
re lated d iseasesm a in ly includes cancer, cardiovascu lar disease, m ental illness, hum an auto imm une d iseases. Th is paper is an overv iew of
ep igene tics and d iseases.
Key words: Ep igenetics D iseases DNA m ethy lation H istone mod ification C ancer
收稿日期: 20100714
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; Em ai:l nxyzw sw js lg@l 126. com
通讯作者:喻树迅,男,博士,研究员,研究方向:短季棉育种; Em ai:l yu@ cricaas. com. cn
1 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。
Ep igenetics这一名词的中文译法有多种, 常见
的有 表观遗传学 、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 W add ing ton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, Ho llidy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, Ho llidy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, W o llfe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 A llis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 ( methy lase)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 G riffith和 Mah ler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: Dnm t1和 Dnm t3(还有一个 Dn
m t2,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 Dnm t3L。研究显示, Dn
mt3a和 Dnm t3b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 RNA i
的指导下的 DNA甲基化。甲基转移酶的结构如图
1所示。
Dnm t1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; Dnm t2主要为 tRNA甲基转
移酶; Dnm t3a和 Dnm t3b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
m t3L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 [ 10]
2. 2 组蛋白修饰作用
组蛋白包括主要的组蛋白 H1、H2A、H 2B、H3
和 H 4, H 2A、H 2B、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 H 4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
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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 147 bp的 DNA缠绕在组蛋白八聚体上。
每个组蛋白包括两分子的 H2A、H 2B、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 ( chromatin remodeling )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, SW I /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 ( allelic repression)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 ( noncod ing RNA s)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,
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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 X ic ( Xinactivationcenter)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 X ist( Xin
activespec ific transcript) , 当失活的命令下达时, 这
个基因就会产生一个 17 kb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 ( lin4和 let7)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 lin4和 let7
的 RNA和在蠕虫、苍蝇与人类发现的一系列 RNA
一起定义为 m icroRNA。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 iinteracting RNAs( p iRNA )就是
两个例子。m iRNA s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 RNA s
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 ( noncod ing RNA s)。非编码 RNA分为看家
非编码 RNA ( housekeep ing noncod ing RNA )和调
控非编码 RNA ( regu latory noncoding RNA ), 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、m iRNA、p iRNA )
和长链非 编码 RNA ( long noncoding RNA, 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
siRNA 21- 25 长双链 RNA 转录基因沉默
m iRNA 21- 25
含发卡结构的 p ri
m iRNA
转录基因沉默
piRNA 24- 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
lncRNA > 200 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、BRCA 1、p16 /CDK N2A、E2 cadherin /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、CDH 1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、COX2、
DAPK、E2 cadherin、GSTP1、hMLH1、MG MT、p16、
p14、RASSF1A、THBS1和 T IMP3基因的 CpG岛甲
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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 ( L INES)、A lu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 MSRDA ( methy lationsensitiverepresentational
difference analysis)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 [ 3H ]
dCTP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
L in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 (P < 0. 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; m iRNA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. histone acetyltran sferase; SW I/SNF. sw itch /sucrose nonferm en tab le nu cleosom e remodel
ling com plex; M eCP2. m ethylCpGb ind ing p rotein 2; HDAC. h iston e d eacetylase
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
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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 m iRNA基因。可见,调节转移相关基因和
m iRNA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 m iRNA、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、NA c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 c2 fos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 c2 fos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 H 3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 H 3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( longt ime po tentiat ion )参与了突触可塑性的形
成, 在学习记忆中起着重要作用。 LTP经诱导后, 细
胞内 Ca2+激活 CaM依赖蛋白激酶 II( C aMKII)、蛋
白激酶 C( PKC)和蛋白激酶 A ( PKA),后者与 cAMP
结合进入细胞核, 使 cAMP 反应元件结合蛋白
( CREB )磷酸化, 调控基因的转录和新的蛋白质合
成。越来越多的证据表明此过程涉及组蛋白修饰和
DNA甲基化 [ 23]。 CREB结合蛋白 ( CREB binding
prote in, CBP)缺失, 导致大鼠在空间位置、条件性恐
惧记忆以及新事物认知试验测试中表现记忆缺失,
给予 HDA抑制剂处理后,又可形成正常的长时程记
忆,而且还可以增强正常大鼠的记忆。激活蛋白激
酶途径可以导致记忆的形成, 恐惧条件下细胞外信
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号调节蛋白激酶途径被激活, 增加了海马 CA I区的
组蛋白 H3磷酸乙酰化, 导致了记忆的形成。在这
个记忆模型中并没有观察到组蛋白 H4乙酰化, 另
一个引起染色质激活的标志, 表明组蛋白 H3乙酰
化标记了一个慢性的稳定的事件, 而 H4乙酰化标
记了一个比较急性的动态改变。而破坏乙酰化酶,
会降低大鼠在新事物认知、水迷宫中的空间记忆及
对恐惧环境感知测试中多种形式的学习和记忆能
力。相反,通过化学抑制剂阻断去乙酰化酶类可提
高学习和记忆行为的测试水平。这些研究共同表
明,依赖于神经传递的活动如经验等使组蛋白乙酰
化,是学习和记忆的必需条件。同样也发现 DNA甲
基化也参与学习与记忆的形成。 ( 2 ) R ett综合征。
Rett综合征是一种严重影响儿童精神运动发育的疾
病,临床特征为常见女孩得病 (发病率为 1 /10 000-
1 /15 000) ,呈进行性智力下降, 孤独症行为, 手的失
用,刻板动作及共济失调。R ett综合征是一种表观
遗传失调疾病,因为它是由编码 M eCP2转录因子的
基因的突变造成的。很多研究已经定义了 M eCP2
对 CNS的影响和 R ett综合征在行为、功能和分子层
次的病理。 ( 3)精神分裂症。现在已经有越来越多
的证据证明,表观遗传机制和精神分裂症的发病机
理相关。这方面的很多研究都是关于 reelin启动子
的表观遗传改变。 reelin是一种糖蛋白, 在成年人
GABA (包含神经元 )发育过程中表达, 在大脑的发
育过程中对对神经正确位置的确认起着重要作用。
在精神病人的验尸报告中显示。 reelin在一些大脑
相关区域表达下调。 ree lin的启动子还有大量的
CpG岛,这可以说明, DNA甲基化可能对这个基因
的表达有影响。组蛋白修饰可能也和精神分裂症有
关。精神分类药物氟哌丁苯和雷氯必利能够快速的
导致小鼠纹状体 H3的磷酸化,尤其是在 cFo基因
的启动子区 [ 20]。
3. 3 表观遗传学与产前诊断
疾病基因水平表观遗传的改变, 对早期产前诊
断,治疗及预后都有深远的影响。
3. 3. 1 宫内胎儿生长迟缓 ( IUGR) 大多数的小于
胎龄儿 ( SGA )是由于其胎盘的病态发育而影响胎儿
正常发育,使他们发生宫内胎儿生长迟缓 ( IUGR )、
出生时低体重和围产期死亡,儿童时期的神经系统
疾病的几率也增加了。有研究证明, 几种印记基因
的失调和 IUGR相关, Guo和 Choufani等推测表观
遗传控制机制的改变会导致位于 11p 15上的印记
基因的失调, 影响胎儿和胎盘的发育最终导致 IU
GR, 并证明了 H19 DMR( IC1)和 KvDMR ( IC2)调节
11p 15染色体上印记的主要的两种差异性甲基化
基因组区域 ( DMR s),它们在 IUGR中的表观遗传发
生畸变,进而使其表达状态异常。这种因畸变而导
致的基因表达失调会影响胎盘的发育,使胎儿在子
宫内多方面的成长和发育受限, 并造成出生后的多
种疾病的发生。
3. 3. 2 儿科综合症 除了表观遗传改变外, 特异性
突变会影响表观遗传通路上的元件, 导致一些综合
征的发生,如 ICF综合征的 DNMT3B、Rett综合征的
MECP2、ATRX综合征的 ATR。以 R ett综合征为
例, MECP2编码了与甲基化的 DNA结合的蛋白, 这
种蛋白的突变会在出生后一年发生异常的基因表达
构型。患有 Rett综合征的女孩, 其大脑发育迟缓,
失去阶段性的发育特征, 并有精神障碍。类似的,
ATRX综合征因为失去了一种能维持 DNA浓聚和
失活状态的 ATRX的蛋白,而表现出发育上的缺陷。
MECP2和 ATRX缺失和突变, 使正常的表观遗传模
式受到影响,以至其基因表达失调,产生多种不同的
负面临床结果。
3. 4 表观遗传学与心血管病
3. 4. 1 动脉粥样硬化与 DNA甲基化异常 冠心病
心绞痛等主要心血管疾病的病理始动原因是动脉粥
样硬化 ( atherosc lerosis, AS)。 1980年就有关于高胆
固醇血症对染色质结构影响的研究, 1999年才出现
关于 AS脱氧核糖核酸 ( deoxyribonucle ic acid, DNA )
异常甲基化的报道。该研究认为, 高半胱氨酸抑制
了甲基化供体赖以产生的叶酸和维生素 B依赖的
甲硫丁氨酸 S腺蛋氨酸 ( Sadenosy lmethion ine,
SAM )转化过程, 从而影响了 DNA的甲基化反应。
DNA低甲基化对 AS的恶化作用是促使血管平滑肌
细胞 ( smoo th muscle cells, SMC s)增殖及纤维沉积,
同样外部损伤也会引起新生血管内膜组织 DNA低
甲基化。
3. 4. 2 SMCs和心肌细胞的表观遗传学 生长发育
期的胚胎干细胞 ( embryon ic stemcells, ESCs)分化出
46
2011年第 1期 李光雷等:表观遗传学研究进展
血管平滑肌主要依赖于血管平滑肌肌动蛋白 ac
t in、SM相关肌球蛋白重链 ( SM myosin heavy chain,
MHC )等蛋白的合成。这些蛋白都是 SMC受限型
并受成年以后的血压等生理条件限制。但不同于心
肌细胞的永久性分化,成年动物 SMC表型极易受外
环境的影响。例如,正常情况下血管 SMC表达高水
平 SMC特异性可收缩蛋白, 且不具有增殖、迁移和
分泌大量胞外基质的现象, 但是随着胞外信号从血
管损伤或 AS等部位释放, 这一现象呈负相发展。
随着疾病的好转呈现可逆过程。SMC s在适应环境
变化的过程中体现了典型的表观可塑性。例如,血
管 SMC在新生血管内膜结构表现型会因为包括 AS
的血管损伤而发生改变。血清反应元素 ( serum re
sponse factor, SRF)及其辅助因子与 SMC染色质启
动子区的 CArG box DNA序列相互反应, 是引起
SMC在生长发育或疾病过程中分化的信号通路关
键环节。在生长发育期,翻译后组蛋白修饰的 SMC
限制性位点位于 SMC基因染色质的 CA rG box序
列。组蛋白修饰通过调控 SRF及其辅助因子与染
色质模板的结合,编码 SMC特异性的表观遗传学程
序,从而在胞外环境变化影响 SMC分化的过程中发
挥重要作用。
3. 4. 3 血液流变学对血管内皮细胞表观遗传学变
化的影响 血管内皮细胞 ( endothelial cel,l EC)覆盖
血管内表面,是血管与血流之间的界面。而血流的
剪切力 ( shear stress, SS)则对 EC的功能与血栓形成
有不容忽视的影响。血液流变可通过表观遗传学机
制影响心脏构建, SS不足会导致心室和瓣膜畸形。
进一步研究证实, SS影响了小鼠及斑马鱼胚胎心脏
发育期的形态发生。 SS通过引发组蛋白的表观遗
传学修饰和激活转录复合物诱导的乙酰转移酶调节
基因表达, 并进而影响 ESCs分化。 SS可影响赖氨
酸 H3组蛋白的乙酰化、丝氨酸的磷酸化和赖氨酸
的甲基化,并可促进血管内皮生长因子受体 2( vas
cular endothelial grow th factor 2, VEGFR2)启动子的
转录, 从而引起心血管特有蛋白包括平滑肌肌动蛋
白、平滑肌蛋白 22、血小板―内皮细胞黏附分子、
VEGFR2等的早期表达。血液流变通过表观遗传
机制影响心脏构建的研究充分表明了遗传和环境相
互作用影响子代发育的规律。
3. 5 表观遗传学与代谢综合征
代谢综合征是多种代谢成分异常聚集的病理状
态, 包括: ( 1)腹部肥胖或超重; ( 2)动脉粥样硬化血
脂异常 (高甘油三酯 ( TG )、血症及高密度脂蛋白胆
固醇 ( HDLC )低下 ) ; ( 3)高血压; ( 4)胰岛素抗性
及 /或葡萄糖耐量异常, 有些标准中还包括微量白蛋
白尿、高尿酸血症及促炎症状态 ( C反应蛋白 CRP)
增高及促血栓状态 (纤维蛋白原增高和纤溶酶原抑
制物 1, PA I1)增高。这些成分聚集出现在同一个
体中,使患心血管疾病的风险大为增加。在代谢综
合征的发展过程中表观遗传程序具有重要作用。表
观遗传机制对于环境或营养影响是易感的, 妊娠期
间限制蛋白质会增加在小鼠后代中胰腺细胞凋亡的
速率,导致胰腺 B细胞量降低和影响下一代胰腺的
发育。在成年动物中,一些基因甲基化方式的改变
影响代谢综合征发展。瘦素 ( lept in)启动子去甲基
化与脂肪细胞前体分化为脂肪细胞紧密相关。在衰
老过程中随着时间不断累积的 DNA甲基化错误可
能会通过降低某些基因的反应度而加速 型糖尿病
发展。此外,研究发现, 糖尿病和肥胖是与遗传印记
变化密切相关的疾病。在营养物质代谢调节和出生
后发育中,印记基因可能具有不同的作用。剔除鸟
嘌呤核苷酸结合蛋白 Gsa亚基的父系与母系等位基
因对能量代谢产生相反的影响。父系功能的丢失表
现肥胖倾向的降低、代谢功能亢进、血糖过低、运动
能力下降以及对甲状旁腺素拮抗, 而母系功能的丢
失表现更严重的肥胖倾向。
3. 6 表观遗传与自身免疫性疾病
表观遗传机制对免疫系统的正常发育和功能有
重要的作用。如果外界因素影响使表观遗传在免疫
反应中出现不平衡会导致基因异常表达,使免疫系
统紊乱,在有些情况下可以导致自身的先天性免疫
疾病的发生。T淋巴细胞在生命的不同时期是不同
的, 表观遗传在调控特定基因的表达中起着重要作
用。一些基因的表达,比如 Th1细胞中的 IL4、Th2
细胞中的 IFN和 CD4+细胞中的穿孔蛋白, 都涉
及到 DNA甲基化的改变, 药理学的去甲基化会导致
这些基因的表达。一些基因的表达水平, 如 ITGAL
和 TNFSF7,是靠启动子区侧面的甲基化修饰。当前
观点认为,不保持那些甲基化方式会改变 T细胞基
47
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2011年第 1期
因表达和免疫功能, 从而会使一些自身免疫性疾病
像狼疮、皮肤病等的发生 [ 18 ]。DNA甲基化是 DNA
甲基化酶 ( DNMT s)在 CpG岛上的胞嘧啶残基上加
一个甲基。DNMTs的突变会导致先天性免疫缺陷
综合征,即 ICF综合征, 它的 3个主要特征是: 着丝
点不稳定、面部畸形以及轻度智力落后。
免疫系统作为人类的防御屏障, 在人类与环境
的斗争中留下了诸多痕迹。所以免疫系统可作为研
究表观遗传的模式材料, 研究环境变化造成的表观
遗传修饰改变,从而阐明表观遗传修饰在生物体生
长发育中的调节作用,为免疫学研究开拓新领域。
3. 7 表观遗传与内分泌干扰物
环境中有些外源化学物与激素相关肿瘤、子宫
内膜异位症以及不良生殖效应 (如男人精子数减少
与不育症 )有关系。由于这些外源化学物到体内后
呈激素的作用,干扰内分泌系统, 引起健康效应,故
统称为激素类似物, 也可称为内分泌干扰物 ( endo
crinedisrupting chem icals或 EDC s)。激素类似物包
括天然存在的 (如植物性激素 )和人工合成的 (如农
药硫丹 )。在植物性食物中含有植物雌激素 ( phy
toestrogens)。黄豆中有丰富的异黄酮类, 如金雀异
黄素 ( genistein)、黄豆甙原 ( da idzein )。人类从食物
中摄入的植物雌激素量比从环境中获得的合成雌激
素多 4 000倍。激素类似物是雌激素受体和雄激素
受体的激活剂或抗激活剂。激素类似物在体内与激
素一样,进入靶细胞后相互竞争甾类受体 (或结合
蛋白 )结合, 形成激素 - 受体复合物, 再进入细胞
核,与 DNA结合, 从而改变细胞功能。每种激素类
似物可以同时影响多个甾类信号通路, 而多种激素
类似物可以对雌激素有关基因呈协同作用。 EDCs
像内源激素一样能控制基因的表达过程, 改变表型,
现在猜测这些表型变化的机制可能就是表观遗传;
换句话说,它们在没有改变 DNA序列的情况下却导
致可遗传的表型变化,并且没有发生突变。事实上,
EDC s不仅仅作用于基因,还作用于发育过程机制,
把遗传和表观遗传联系起来共同导致表现型变化。
EDC s其中的一个导致表观遗传变化的是 DNA甲基
化,现在一系列研究已经说明了 EDCs的表观遗传
机制和 DNA甲基化。当这些变化发生在发育的某
一阶段时能够长久的遗传给后代 [ 15]。
3. 8 表观遗传学与衰老
表观遗传和衰老的关系在很多年前就有人提出
来了, Berdysheveta l( 1967年 )指出全基因组 DNA甲
基化在驼背大马哈鱼中随着年龄的增加而减少, 接
着 Vanyush ineta l( 1973年 )指出大脑和心脏中的胞
嘧啶甲基化随着年龄的增加而减少, W ilsoneta l
( 1987年 )指出变异的老鼠组织和人的支气管上皮
细胞的甲基化随着年龄的增加逐渐减少,同样, Fu
keetal( 2004年 )发现人的白细胞的甲基化水平也随
着年龄的增加而减少。最后,通过对连续 10多年收
集的 100多人 DNA样品的长期研究, DNA甲基化
的模式在人体内部的表观遗传变化也提出来了
( B jornssoneta,l 2008年 )。除了全基因组 DNA甲基
化,一些特异位点也会随着衰老而出现甲基化。因
此, 随着衰老会出现两种甲基化变化, 一个是全局
5胞嘧啶甲基化的减少, 另一个是特异位点的甲基
化。其他的表观遗传现象, 如组蛋白修饰也随着衰
老而变化。
表观遗传与人类健康密切相关, 当人们一旦明
确疾病发生的机制后,就可运用表观遗传学的技术
来设计药物和提出措施, 以改变或调整基因表达的
状态和活性。这就可以解决很多利用传统的药物治
疗和基因治疗行不能治愈的疾病, 如表观遗传学已
在癌症、自身免疫缺陷综合征等方面开展了治疗研
究, 并且有些药物已经进行了临床试验。
致谢:这篇综述是在吴乃虎老师、黄美娟老师的悉心指导和
大力支持下完成的,在此对两位老师表示真心地感谢!
参 考 文 献
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