表观遗传学及其应用研究进展

引言

核酸作为生命大分子物质，其中的碱基序列贮存着大量的遗传信息。碱基序列的改变将会导致生物体表型性状的变化。随着生物技术的深入研究，研究者们还发现基因能否表达还可以通过DNA、组蛋白或染色体水平的修饰进行调控，最终导致生物体表型性状的改变，并且这种改变可遗传到下一代。这种非DNA序列所贮存的遗传信息能通过有丝分裂及减数分裂由亲代传递给下一代的现象称为表观遗传，而表观遗传修饰主要通过DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑以及非编码RNA这4种方式来调控基因表达。同一生物个体中不同类型细胞的基因型是相同的，而它们的表型性状差异却很大，这种差异可能由外界环境的变化引起表观遗传修饰的不同造成。目前学者们一般只是通过传统指标(体重、消化率等)对表观遗传学有所认识，其确切的分子机制有待进一步的揭示。研究发现，各种表观遗传学中某一修饰水平被打乱就可能导致基因的表达异常或沉寂，从而导致机体的功能障碍或疾病的发生。在环境因素相关的疾病(癌症、炎症、代谢性疾病和神经疾病等)中表观遗传机制发挥重要作用并参与了疾病的发生及进展程度。

现代研究表明，许多疾病的发生多与表观遗传修饰有关，同时表观遗传修饰下的基因表达调控也已成为阐述恶性肿瘤疾病发生与病理的一个基本途径对于表观遗传修饰如何借助环境因素变化来引起疾病的发生进行研究，将有助于推动表观遗传学的发展。因此，笔者就表观遗传学主要研究的内容及其在相关疾病中的应用进行了综合介绍并予以展望，旨在从分子水平上揭示表观遗传学修饰在生物体的生长发育及人类相关疾病等许多生命现象中的分子调控机制。

1表观遗传学主要研究内容

生物体的表型性状是由基因型和环境共同决定的。因此，环境因素的改变将会影响到后代性状的改变。环境因素的改变借助DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑以及非编码RNA等4种方式进行表观遗传修饰的调控，最终达到生物体表型性状的改变。

1.1DNA甲基化

DNA甲基化是指在DNA甲基转移酶(DNAmethyltransferase,DNMTs)的作用下，催化S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine,SAM)作为甲基供体，将CpG二核苷酸中的胞嘧啶(C)选择性添加甲基后转化为5-甲基胞嘧啶(5-mC)的一种反应。这种反应虽未改变核苷酸序列的构成，但通过引起DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，最终调控生物体的特定基因的表达。在脊椎动物中，甲基基团的变化只会发生在CpG岛区域，此区域的胞嘧啶(C)与鸟苷酸含量丰富。在DNA双链中5'-CpG-3'及其互补链中的3'-CpG-5'中的C是基因组中维持甲基化的位点。而催化该反应的DNMTs主要有4种：DNMT1、DNMT3A、DNMT3B和DNMT3L。DNMT1是维持甲基化酶，维持DNA的持续甲基化状态，可使半甲基化的双链DNA变成完全甲基化的双链DNA。DNMT3是重新甲基化酶，通过识别特异序列来识别DNA，DNMT3A和DNMT3B具有协同重新甲基化的作用，即催化非甲基化的DNA成为甲基化DNA。DNMT3L虽属于DNA甲基转移酶中的一种调节酶，但它并不具有甲基转移酶的活性，其主要作用是调节其他甲基转移酶的活性。持续的低甲基化状态、诱导的去甲基化状态和高度甲基化状态为真核细胞内3种甲基化状态。低甲基化状态可致使染色体发生重组，进而引起基因组的不稳定现象，如肿瘤的发生就是通过基因组不稳定现象(基因缺失、易位等)引起的。肿瘤组织中DNA持续的低甲基化状态加速了癌变进程。

表观遗传调控异常情况的出现首次是通过结肠癌患者的DNA总体水平处于低甲基化状态时发现的。原癌基因(c-Jun、c-Myc及c-Ha-Ras)的激活作用同样也可决定DNA甲基化状态。DNA去甲基化分为依赖复制的被动去甲基化和不依赖复制的主动去甲基化2种方式，而两者的作用机制不尽相同。此外，高度甲基化发生于特定的某一基因。细胞CpG岛通常处于非甲基化或者低甲基化状态，若发生高甲基化则会抑制某一基因的表达，随后导致蛋白表达的异常。而肿瘤抑癌基因发生高度甲基化时可导致基因表达沉默，最终使等位基因缺失或突变。

1.2组蛋白修饰

组蛋白不仅作为真核生物染色质的基本结构蛋白，还能作为基因表达调控的主要枢纽。目前，组蛋白特定位点的甲基化/去甲基化、乙酰化/去乙酰化修饰属于研究最多的组蛋白翻译后表观遗传修饰类型。如组蛋白N端无序结构域中赖氨酸部位的乙酰基化、甲基化、泛素化和小分子泛素蛋白修饰、精氨酸残基部位的甲基化和去氨基修饰、脯氨酸的异构化和谷氨酸-聚-ADP的核糖基化修饰以及丝氨酸和苏氨酸残基上的磷酸化修饰均为组蛋白翻译后化学修饰。不同的组蛋白氨基端修饰的组合方式构成了“组蛋白密码”，极大扩增了遗传密码的信息量。组蛋白折叠基序常位于C端，而组蛋白尾常位于N端(但在组蛋白H2A则处于C端)并且约占全长的25%，它还能与DNA、调节蛋白和酶等相互作用，这个结构域的第15~38个氨基酸残基可以发生大部分的组蛋白翻译后修饰。此外，组蛋白尾在染色质组装及凝聚成高度有序结构的过程中发挥着重要作用，而DNA复制、重组和转录与染色质的凝集程度有关。

组蛋白修饰最直接的作用是调控基因表达，最终导致生物体表型性状的改变。如组蛋白甲基化多导致基因沉默，去甲基化则相反;乙酰化一般能激活转录，去乙酰化则相反。除此之外，在组蛋白的甲基化与乙酰化之间可产生复杂的生物学效应。如组蛋白去乙酰化酶HDACK对免疫系统可产生影响;H3K4me3、H3K9me2对调控记忆的形成具有重要作用，并且X染色体失活、基因组印记及异染色质的形成与H3K甲基化有关;H3乙酰化除了参与炎症反应外，还能对依赖ATP的染色质重塑通过多种机制调控进行调控。H2A、H2B泛素化对DNA损害有直接关联性;而H3S28磷酸化与H3K27乙酰化不仅能激活转录，还能拮抗聚梳基因polycomb沉默。此外，磷酸化作为信号转导通路中重要的部分，能与表观修饰互相作用，共同参与细胞分裂乃至影响到细胞周期。

1.3染色质重塑

导致染色质的结构和位置在整个细胞分裂周期中发生改变的过程，即染色质重塑。染色质重塑与部分依赖能量供给的组蛋白修饰相关联，导致许多蛋白-蛋白及蛋白-DNA之间的关联受到破坏。染色质重塑在发生时，在核小体连接处染色质丝由密集状态到染色质疏松状态，能使启动子区中的顺式作用元件得以暴露，为转录因子与顺式作用元件结合提供了尽可能接触的空间。2种蛋白复合体(ATP依赖型核小体重构复合体和组蛋白修饰复合体)介导染色质重塑过程，前者可以通过水解作用对核小体的构型产生影响，后者可以催化核心组蛋白N端尾部的共价修饰(赖氨酸和精氨酸的甲基化、赖氨酸的乙酰化及泛素化、谷氨酸的多聚ADP核糖基化等)。染色质重塑的发生还可以通过组蛋白修饰酶的作用破坏核小体之间以及组蛋白尾部与基因组DNA之间的相互作用而引起;另外，经过修饰的组蛋白作为染色质特异位点的标志，为高级染色质结构的组织者及与基因表达相关的蛋白提供识别位点。所有ATP依赖型核小体重构复合体都含有ATPase亚基，根据亚基的同源性可分为：SWI/SNF、ISWI、CHD、INO80、Rad54亚家族。酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)中发现的酵母交换型转换/蔗糖不发酵复合物(Yeastmating-typeswitching/sucrosenon-fermenting,SWI/SNF)是第一个被确认的ATP依赖的重塑复合体。

1.4非编码RNA

非编码RNA(noncodingRNA,ncRNA)定义为不能翻译为蛋白质的功能性RNA分子，有看家ncRNA和调控ncRNA之分。其中具有调控作用的ncRNA又可分为：短链ncRNA和长链ncRNA。研究发现基因在表达时输出的转录本中，蛋白的编码RNA数量不足1.5%，剩下的是ncRNA。可以看出，ncRNA在调控基因表达过程中发挥很大作用。miRNA是长约21~25核苷酸的单链RNA，其中50%定位于易发生结构改变的染色体区域。其生物合成过程中经历了3种形式的变化：pri-miRNA(长转录物)、pre-miRNA(约70nt)、成熟的miRNA，最终变为成熟miRNA而发挥功能。miRNA可能通过2种方式抑制mRNA翻译成蛋白质：一种是miRNA作为mRNA的直接补充序列，两者结合后通过RISC复合体将其降解：一种是miRNA与mRNA序列不相匹配，miRNA通过部分结合于mRNA的3'末端来抑制翻译不能进行。另外，miRNAs与肿瘤的表观遗传学进程密切相关，肿瘤细胞中miRNAs表达水平的异常变化可能直接影响肿瘤细胞的增殖与凋亡。siRNA来源于长的双链RNA分子，经Dicer酶剪切为21~25核苷酸的双链RNA片段，装载至AGO蛋白而发挥作用。近年来研究表明，在哺乳动物细胞中siRNA能介导DNA甲基化和组蛋白修饰，进而导致转录基因沉默。

2表观遗传学与相关疾病

生物个体的表现型不仅取决于基因本身，还取决于外界环境改变条件下的表观遗传修饰。而表观修饰过程中基因错误地表达，会引起生物体代谢功能异常和各种疾病的发生，如癌症、阿尔兹海默病、动脉粥样硬化、糖尿病等。因此，适当的对表观遗传修饰进行调节将对于不同疾病的及时诊断和治疗提供重要的理论支撑。随着表观遗传学研究不断深入，正确认识各种疾病与外界环境变化所引起的表观修饰之间的联系具有深远影响。

2.1表观遗传学与肿瘤

研究发现，由原癌基因的活化和抑癌基因的灭活所引起的细胞恶性的改变是肿瘤发生的核心生物学过程。其中，DNA甲基化异常、组蛋白修饰、非编码RNAs、染色质重塑均与肿瘤的发生有关。DNA甲基化时导致的基因转录沉默会使抑癌基因、DNA修复基因等功能丧失，最终导致生长的细胞正常分化失调以及DNA损伤不能修复改善，这在肿瘤的发生和发展过程中起到了不容忽视的作用，如众多恶性肿瘤(胃癌、结肠癌、乳腺癌和肺癌等)都不同程度地至少存在一个肿瘤抑制基因CpG岛发生甲基化。当然，也不排除DNA甲基化在一些特殊的启动子里能获得。在正常生物体中，甲基化的缺失或者获得，均不同程度上影响到基因功能的丧失，最终导致细胞生长过程中功能的失调和失衡。Schulz等发现转移性前列腺癌与基因组低甲基化有关，并且染色体的不稳定性也与基因组低甲基化相关。肿瘤的发生发展与组蛋白修饰的异常也密切相关。目前，组蛋白H3、H4的乙酰化和甲基化修饰研究较为集中。Lee等报道称，在胃癌中抑癌基因Runx相关的转录因子3基因的表达抑制是由组蛋白位H3第9位赖氨酸残基高甲基化和组蛋白H3的低乙酰化导致的。林刚等报道提高组蛋白H3第3位精氨酸残基甲基化水平可抑制抑癌基因表达，进而导致肺癌的发生。Widschwendter等报道DNA甲基化对恶性肿瘤的转移和预后监测影响较大。因此，深入研究肿瘤形成过程中发生的表观修饰变化，将对肿瘤的发生及早期诊断意义重大。同时肿瘤发生前期可表现DNA的高度甲基化，利用先进的甲基化状态检测技术对肿瘤的早期诊断颇有意义。

2.2表观遗传学与阿尔兹海默病

阿尔茨海默病(Alzheimer'sdisease,AD)是一种神经退行性疾病，以神经元减少、老年斑形成及神经原纤维缠结等为特征，是老年痴呆症的最常见原因。遗传和环境等因素的相互作用会改变基因的表达以及上调多种信号传递过程中的变化，如β淀粉样肽(β-amyloidpeptide,Aβ)的沉积、Tau蛋白过度磷酸化、炎症、氧化应激、血管因素及细胞凋亡周期异常等，均是导致AD病因和发病机制复杂多变的因素。现代研究表明，基因与环境之间的相互作用在引起AD发生及病理变化中起到了关键性作用。营养物质改变、毒素产生、周围环境变化及人类的生活行为，均可以在不改变基因组序列的前提下使基因表达发生改变，即表观遗传修饰水平的改变导致生物体表型性状的改变。DNA甲基化在阿尔兹海默病的发病中扮演重要的角色。叶酸作为重要的甲基供体，对表观遗传中DNA甲基化修饰具有重要作用。叶酸的缺乏将会降低生物体基因组中DNA甲基化水平，而叶酸的适当添加则会提高部分DNA甲基化水平。

研究发现，β淀粉样蛋白前体(APP)基因、β-分泌酶(BACE)基因和早老素1(PS1)基因均存在可以调控的CpG甲基化位点，这将对AD疾病的发生发展有影响。活体试验表明，在APP过表达的转基因小鼠饮食中缺乏叶酸，会使BACE及PS1基因表达上调，同时Aβ沉淀增加，最终导致认知性缺陷[69]。在AD病理过程中，Aβ可以介导组蛋白乙酰化。神经元细胞经Aβ处理后，H3乙酰化水平增加明显。

2.3表观遗传学与动脉粥样硬化

动脉粥样硬化(Atherosclerosis,AS)是因体内脂质代谢异常所引发的心血管疾病。研究表明，DNA甲基化修饰、组蛋白翻译后修饰和非编码RNA的行为都会影响AS的病程。DNA低甲基化不仅能促进血管平滑肌细胞增殖及纤维沉积，还能使参加免疫和炎性反应的外周血细胞快速增殖，最终导致了AS的发生。在AS发生过程除导致整体基因组的甲基化水平降低外，异常的高甲基化可存在于部分特定基因启动子区CpG岛。如血管内物质(超氧化物歧化酶、雌激素受体α和内皮一氧化氮合成酶)的基因启动子区能出现高度甲基化状态，这些“好”基因的启动子附近的CpG高度甲基化与相应基因编码产物表达水平降低有关。Leader等研究表明，重度AS患者ERA基因甲基化程度较健康对照组明显升高，进而使血管平滑肌细胞的异常增殖及ERA蛋白表达降低，最终形成动脉硬化。组蛋白修饰酶的抑制性物质存在于部分天然食物中，如在花椰菜中的萝卜硫素起到组蛋白去乙酰化转移酶抑制剂的作用。另外，萝卜硫素能作为抗氧化剂对Nrf2途径间接进行表观遗传修饰的调控，类似的还有姜黄素及原儿茶醛。其中，给予小鼠0.4%的姜黄素，经4个月后发现，姜黄素不仅能减少动脉粥样硬化的损伤，还能诱导细胞黏附、内皮细胞转移等有关基因的表达调控。

2.4表观遗传学与糖尿病

糖尿病是由遗传和环境因素相互作用而引起的以高血糖为特征的糖代谢性紊乱性疾病。临床上，常见I型糖尿病和II型糖尿病(typeIIdiabctesmellitus,T2DM)，前者患者需要定期注射胰岛素来降低体内血糖水平;后者特点是有更明显的遗传基础，成年人发病率较高、发病机制主要表现为胰岛素抵抗和胰岛素分泌缺陷。研究发现T2DM的组织细胞中胰岛细胞的分化发育、胰岛细胞程序化死亡的减缓以及胰岛素基因表达的调控等诸多方面均与表观遗传修饰改变有关。生物体DNA甲基化的发生易受食物中甲基供体(蛋氨酸、叶酸及胆碱等)的影响;甲基供体的缺乏可能诱导生物体内肝脏脂肪沉积及胰岛素抵抗的发生。Ling等报道，在T2DM患者胰岛中PPARGC1A基因启动子的DNA高甲基化将会导致PPARGC1A基因mRNA表达量降低及胰岛素分泌减少，说明表观遗传修饰因素在胰岛中PPARGC1A基因的表达调控中发挥作用。同样，组蛋白修饰在胰岛分泌过程中也参与调控作用。Chakrabarti等研究发现组蛋白修饰能参与胰岛素基因表达的调控。Francis等曾报道称胰腺-十二指肠同源盒因子1(pancreaticduodenalhomeobox-1,PDX-1)可以对胰岛素基因启动子区的H3、H4乙酰化和H3K4甲基化水平具有维持作用。

3总结与展望

综上所述，表观遗传学不仅丰富了“中心法则”，还成为联系基因和表型之间的一个纽带。目前，表观遗传修饰水平的改变主要通过DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑以及非编码RNA等4种方式来调控生物体的基因表达，最终影响到表型性状的改变。虽然对这4种主要因素将如何影响表观遗传修饰有了一定的认识，但它们之间是否是独立影响还是互作影响研究的还不深入，还需要更进一步的研究。

此外，当外界环境发生改变时将会对表观遗传修饰水平发生改变，进而引起疾病的发生发展。表观遗传学的研究对复杂疾病发生虽有一定认识，但疾病的发生是综合作用的过程，表观遗传修饰作用与其他致病因素协同作用仍需进一步研究，其具体作用机理也有待于深入研究。因此，表观遗传对于生物表型整体的影响是不可忽视的，系统和深入地研究表观遗传学有利于揭示生物的生长、发育和人类疾病等许多生命现象的本质。