DNA甲基化与基因组印迹的研究进展

1、基因组印迹的研究进展摘要基因纟r印迹(genomic imprinting)是指在配了或合了发生期间， 来自亲本的等位基因或染色体发育过程中产生专一性的加工修饰，导 致后代体细胞中两个亲本来源的等位基因有不同的表达活性。为一种 后生论修饰。目前在人类和小鼠中坚定的印迹基因已超过25个，它们 具有一些共同的特点，如印迹基因分布的群集性，复制的不同步性， 表达的时空特异性，遗传的保守性及编码rnas等。基因组卬迹的分 子机理与印迹基因的甲基化尤其是cpg岛甲基化密切相关，特界性甲 基化区域在印迹基因的表达中具有重要作用。基因组印迹基因与胎儿 和胎盘的牛:长发育及细胞增值有关，正常印迹的改变可引起包

2、括肿瘤 在内的多种遗传性疾病。关键词基因组卬迹印迹基因甲基化cpg岛基因组印迹是一种非孟徳尔遗传现象，经典孟徳尔遗传学认为所有父 系及母系等位基因有同等表达，但随着对遗传学研究的深入，人们发 现了 一种被称为基因组印迹的非孟德尔遗传现象，它是指在配子和合 子发生期间，来口亲本的等位基因或染色体在发育过程中产生专一性 的加工修饰，导致后代体细胞屮的两个亲本来源的棊因有不同的表达 活性，又称遗传卬迹或亲代卬迹或配了卬迹。它是一种伴有基因组改 变的非孟徳尔遗传形式，可遗传给子代细胞，但并不包括dna序列 的改变， 至今，在人类和小鼠中鉴定的印迹基因已超过25个，它们 具有一些共同的特征，印迹基因的甲

3、基化可能是基因组印迹的分子机 制，特异性甲基化区(dmrs)是控制印迹表达得的重要因素门。卬迹基 因中大多数在生长和分化中起重要作用，而且nj*引起一些人类遗传性 疾病和肿瘤发生。我想从基因印迹的发现，印迹基因的特征及其生物 学意义上谈一下我的认识。1基因组印迹基因的发现基因组印迹基因的发现最初开始于对全基因组的研究，接着是对 个别染色体和染色体区域的研究，最终到鉴定特界的印迹基因。1989 年，swain和lende等人发现了一个特异的印迹基因，但它并不是一 个内源性基因。他们发现融合了免疫球蛋白增强了的c-myc转基因如 來自父本，则在一些组织中表达，如果來自母木则表现为转录沉默， 而尺这

4、些母源拷贝被甲慕化。目前还发现了一些父源转基因甲基化的 现象，但转录沉默现象比较少dechiara efstradiatis等人通过基因剔除技术破坏小鼠胰岛素样 生长因了( igf2 )基因发现了第一个内源性印迹基因，若被剔除的等 位基因源于父本，则动物表现为侏儒，相反如为母源则无特殊表型， 这些木身剔除了等位基因的雌鼠，其子代人小正常，原位杂交及rnase 保护试验均证明剔除了父本等位基因的小鼠其组织中不表达igf2,这 些实验表明igf2被印迹而且仅父源等位基因正常表达。这是一个里程 性的研究，因为它们不仅表明基因组印迹可影响正常内源性基因，而 且表明印迹具有组织特界性调节作用在igf2基

5、因发现的同时，人们发现小鼠甘露糖6 磷酸/胰岛素 样生长因了 2型受体(m6p/igf2r)基因也为印迹基因，其母源棊因表达 。有趣的是，lgf2和 m6p/igf2r在生化水平上相互作用，当小鼠 m6p/iigf2r基因突变后，母源杂合子或纯合子胎鼠生长增加约30 %, 这些表明，igf2和m6p/igf2r印迹基因在胚胎发育和胎儿生长中都有 重要作用目前在人类和小鼠屮已鉴定了 25个印迹基因，而且新的 印迹基因仍在不断的鉴定，如最近乂发现了 iac/plagll和tih 1等新 基因2印迹基因的特点2.1印迹基因分布的群集性目前已知的一些卬迹基因在基因组屮的分布不是单一基因分散分 布，而具

6、有一定的群集性倾向，在这些群集区，父源和母源印迹基因 均可找到。最大的印迹基因群集区z 位于小鼠7号染色体末端和人 类llpl5.5处，在约1 . 5 mb的群集区内有6个印迹基因，在群集区 的末端有3个母源表达基因:p57klp2, kvlqtl和mash2,中间为两个父 源表达基因insulin-2( ins-2)和igf2,在下游90 kb处为一母源表达基 因 h194, 5另1个研究较多的印迹基因群集区位于人类1 5号染色体，由于该 区与pws和as两种人类遗传疾病冇关，因此人们对这一群集区很感 兴趣， 目前已发现在此群集区至少包括 znf127,vbe3a,snrpn,par-sn、

7、par5、pari、ndn(nccdin)、ipw、 gabrg3、gabrb3,gabra5和 fnzi27等12个印迹基因，小鼠2号 染色体远端gnas位点处也有一印迹群，包括4个印迹基因:nesp, nespas, gnasxl, gnas ,它们可形成一个印迹转录单位|6' 71 <>最大的印迹基因群集区为x染色体本身，在真兽亚纲ll|j乳动物中 雄性动物所有体细胞中两条染色体屮的一条失活形成x连锁基因的剂 量互补效应m。虽然x染色体失活nj-在胚胎细胞中父源和母源x染色 体间白由选择，但在胚胎发生时胚外细胞的胎盘滋养层和卵黄囊内胚 层细胞屮，这种选择由父系决定，也

8、就是说父系x染色体优先失活， 且父源基因沉 默。以下几个群集区有以下几个共同特点：在一个很大的区域中群集分 布着印迹基因，这些棊因包含父源和母源表达基因，并且无编码rnao 这些共同特点表明印迹可能不是一个或几个印迹基因。2.2印迹基因dna复制的不同步性印迹基因的第2个特点是复制的不同步性。复制的不同步性首先 做为x染色体失活的标记而发现，在细胞周期中失活x染色体的复制 比有活性x染色体复制晚。kitsberg等人首先发现印迹基因复制的不 同步性，他们用fish技术通过对含有一个或两个杂交斑细胞所占的 比例来分析复制的不同步性，结果发现igf2r, igf2、h 1 9和snrpn的 两个亲

9、源等位基因的复制不同步，它们的父源等位基因复制较早。细 胞周期+的复制时间常与基因表达水平有 关，一旱复制的基因有活性，但卬迹基因不遵循这一原则，h19和igf2 基因为母源表达基因，但其父源基因复制早。还有少数基因不管哪个 等位基因表达，其父源基因总是一早复制。kawame等人用5-滉脱氧 尿核昔肓接脉冲标记细胞的方法来测定dna复制的不同步性，结果 发现，在人类淋巴细胞和原始淋巴细胞系'i' igf2和h 1 9的两个等位基 因复制均晚，阳这此细胞中不表达igf2或和h19。23基因组印迹基因表达的时空特异性人们己发现了很多印迹基因表达的空间特界性的例子。如小鼠 ins-2

10、基因仅在小鼠胚胎的胚外组织中印迹，但在胰岛细胞中双等位基 因均表达i9io,】丨】；人类kvlqt 1基因在人多数组织屮为母源表达，但 在心脏中无印迹，这可能是少该基因有关的长qt综合征无亲本遗传 倾向的原因。印迹基因表达的时间特界性的例子也很多：例如小鼠胚胎 屮的igf2和mash2开始为双等位基因表达，但在胚胎形成的后期则表 现为母源等位基因表达。人类印迹基因中igf2基因的表达电有时间改 变，在个体发育期，igf2基因由3个独立的启动子启动父源染色体上 的等位基因表达，出生后，肝脏中igf2基因远端的启动子在两条染色 体上均有活性，结果导致成人中双等位基因的表达。与上述例子相反， 小鼠h

11、 1 9和snrpn基因在发育的全过程屮均卬迹；人类h 1 9基因仅在 发育早期胎盘滋养层的少数细胞中无印迹，但在后期阶段完全印迹 12o24真兽亚纲哺乳动物中印迹基因的保守性人们对小鼠和人类基因组印迹基因研究发现人类和小鼠的印迹基 因既有相似又有不同点，例如，小鼠印迹基因h19, igf2,p57klp2在人 类也存在；相反，在小鼠中印迹的igf2r基因在人类大部分为双等位 基因表达，与此相同，拼接因子相关蛋白v2afbps基因在小鼠中印 迹而在人类屮不印迹。至今还没有发现真曽亚纲以外的动物有基因组 印迹现象的报道，但有袋类动物的x染色体上有印迹现象，它的失活 不是随机的，在胚胎和胚外组织中

12、均为父源x染色体优先失活,4,o 2.5印迹基因编码rnas人们发现很多印迹基因根木不编码蛋白质，但编码rnaso h 1 9基 因是笫一个被发现的该类基因在比较人类和小鼠h 19基因吋发现，小 鼠和人h19基因有保守的一级结构和部阅读框，因此认为h19尽编码 rna而不编码蛋白质。在胎儿发育期来自中胚层和内胚层的组织屮聚 积厂人量的h19 rna,很难使这种不重要的转录假基因消失：第二个 发现的编码rna的印迹基因为小鼠的xist和人的xist基因，定位于 x染色体的失活中心，该区域为x染色体失活所需的顺式作用区，表 明这些rnas在印迹形成中有一定作用。上述两个编码rna的基因 具有一些共

13、同特点：这些基因的第一个和最后一个外显子均大，中间含 有多个小的外显了 ；在真兽亚纲动物中两个基因编码的rna 一级结构 均很保守，虽然那此保守的核昔分布并不完全一致，但在每个基因中 其岀现具有周期性。根据潜在的基一环结构上互补碱基变化方式推 测hi rna的二级结构其保守性更加显著。这些特点表明卬迹基因编码 的rna在进化选择中有一定的生物学功能在人类染色体pw区发现了第3个编码rna的ipw印迹基因， 其父源等位棊因表达，在小鼠屮该棊因-u snrpn基因连锁，也为父本 等位基因表达。与h 1 9和xist所不同的是，ipw的基因结构及一级顺 序在小鼠和人类之间几乎无前述的保守性，人和小鼠

14、之间仅有一 5()()bp的同源区，在人类为一段外显了区域，在小鼠为外显了与内含 子的连接区。3表观遗传修饰与基因组印迹表遗传修饰(epigenetic reprogramming)是一种不改变 dna 序 列的可逆性化学修饰，且具有可遗传性。表遗传修饰的方式主要有 dna 甲基化(denovomethylation)/去甲基化(demethylation)、组蛋 口 乙 酰化和rna干扰(rnai)等。在很多情况下，表遗传改变对以调控细 胞z间或者亲代和子代z间的基因表达。f1前，被最广泛研究的表遗 传学现象是dna甲基化。dna甲基化是一种发生在cpg二核廿酸 的胞喘喘上的共价修饰，甲基化

15、受dna-5-甲酰基转移猶催化，能导 致染色质结构的变化，并几通常与基因的沉默表达有关i，61o甲基化是 新发甲基化和去甲基化作用之间复杂的相互作用的结果。基因组印迹 是一种表遗传现象，即一个基因的表达由其亲代来源决定。印迹基因 中，只有一个等位基因被表达。dna甲基化是一种具有遗传性且可逆 的表遗传标记，并nj'以在dna复制后稳定地增殖和影响基因表达。 印迹由dna甲基化控制，一对分別来自父方和母方的等位基因由于 其不同的甲基化改变，则会产生不同的表达。印迹基因的功能和性别 特异性的差异解释了单亲胚胎发育衰竭的现象，并证明，来自双亲的 基因在正常发育过程中都起着不可缺少的作用。小鼠

16、的雄性单性生殖 模型是通过激活敲除母系遗传物质后的两个由雄原核组成的受精卵而 建立的，在这个模型中，胚胎外组织快速增长，但胚胎组织却增长不 足。相反，如果单亲生殖激活卵母细胞将引起在早期体节形成阶段相 应正常的胚胎组织存活而胚胎外结构却形成不完全。这些现象表明， 父系基因的表达将通过影响胚胎外组织來促进胚胎的牛长，而母系基 因的表达则可以直接促进胚胎的发育。基因组印迹与配子形成和胚胎 早期发育小鼠实验表明，亲代來源的基因组印迹在每一次生殖循环中 都首先被消除，然后在早期胚胎细胞中重新建立，并只在植入前期和 植入后的生长过程中得到维持。配子成熟至受精是父系基因组和母系 基因组分离的惟一阶段，该阶

17、段很可能是印迹的发牛阶段。母系h19 基因表达，而父系h 1 9基因被印迹是一种较为典型的印迹现彖。在距 离h19基因的复制起始点上游约2-4 kb的区域存在一个2 kb跨 度的差异甲基化区（dmd）,这个区域在成熟雄性的生殖细胞中发生甲 基化，甲基化是在前梢原细胞吋期获得，并且在减数分裂的粗线期完 成。而在卵母细胞中该区域却不发生甲基化。一些研究表明在雌性生 殖系中，印迹获得发生在iii生后，此时期卵母细胞停止在第一次减数 分裂前期的双线期。父系表达基因snrpn的甲基化印迹的获得就在这 个时期，而igf2, pegl和peg3基因上的母系甲基化的建立则是在 卵母细胞第二次分裂中期。在胚胎早

18、期发育过程中，配了中己经建立 的印迹必须维持，而未被印迹基因的甲慕化状态则经历了动态变化。小鼠实验中，受精4 h的雄性原核细胞经历了迅速的主动去甲基化 改变。而母系基因组却耒参与此过程，并可能发生被动去甲基化。新 发甲基化发生之后，囊胚阶段的非印迹基因的甲基化达到最低水平。在植入前胚胎的基因组广泛去甲基化时期，卬迹基因维持了来自配了 的遗传标记。4基因组印迹与人类疾病20世纪50年代后，就有报道两种不同的病症 angelman综合 征（as）和prader-willi综合征（pws）。示来认为这两种疾病都与15qll -13区域的缺失有关。这个区域存在一个包括snrpn, ube3a, znf

19、127,ipw和ndn基因的印迹基因簇。与其相似的基因组在小鼠 体内则位于7号染色体。as是由母系等位基因功能缺失或者父系等 位基因的ube3a发生重叠而引起的。是以共济失调，张力减弱，严 重的智力障碍，癫痫发作和语言障碍为特征的一类疾病。与as相关 的甲基化缺陷包括snrpn印迹中心的卬基化丢火，及随后表现iii的 父系(甲基化不足)表型。pws与父系等位基因功能缺失或母系等位 基因snrpn重叠冇关。其位置也是15ql 1 13区域。pws患者通常 表现岀肥胖，轻度智力障碍，身材矮小，肌肉张力减退，牛:殖腺功能 低下和特征性的胎动减少。另外一种与印迹冇关的疾病 是 beckwith-wie

20、demann综合征(bws), bws的发生与母系等位基因 在1 lp!5部位发生功能丧失有关。bws是一种过度生长性疾病，其 主要特征包括：脐疝，巨舌，内脏肥大，新生儿时期低血糖，脐和腹 壁异常及耳部的特殊纹理。bws的儿童具有高度的发牛胚胎性和儿 童期肿瘤的风险。silver-russell综合征(srs)是以低出生体质最、侏 儒症和各种畸形为特征的一类疾病。可能与一类还未明确的印迹基因 簇中的某个(些)基因的缺陷有关。【参考文献】f 1 de chiara t m, robertson e j, efstratiadis a. parental imprinting of the mou

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