印迹基因胰岛素样生长因子22在胎儿生长发育中的作用

1、546第18卷第6期2005年6月综述医学研究生学报JournalofMedicalPostgraduatesVol.18No.6Jun.2005印迹基因胰岛素样生长因子22在胎儿生长发育中的作用戴毅敏综述,胡娅莉审校(南京大学医学院附属鼓楼医院妇产科,江苏南京210008)摘要:基因组印迹是哺乳动物正常生长发育和行为的基础,一些遗传性疾病和肿瘤的形成与其异常表达相关。胰岛素样生长因子22(IGF22)是具有促进胎儿生长发育作用的印迹基因,通过调节胎盘营养转运控制胎儿生长。IGF22过度表达与新生儿低血糖、巨舌内脏肥大、脐膨出综合征(BWS)相关,父系单亲二倍体、部分三体、印迹丢失是引起IGF

2、22过度表达的分子机制。辅助生育相关技术可能会引起表遗传改变,影响胎儿发育及未来的成长。关键词:印迹基因;胰岛素样生长因子22;胎盘;胎儿中图分类号:R714.51文献标识码:A文章编号:100828199(2005)06205462043RoleofimprintedgeneInsulin2likegrowthfactor2infetalgrowthDAIYi2minreviewing,HUYa2lichecking(DepartmentofObstetricsandGynecology,GulouHospital,MedicalCollegeofNanjingUniversity,Nan2

3、jing210008,Jiangsu,China)Abstract:Genomicimprintingplaysafundamentalroleinmammalfetalgrowthandbehavior.Abnor2malexpressionofimprintedgenesisassociatedwithsomegeneticdiseasesandcancers.Imprintedinsu2lin2likegrowthfactor2(IGF22)controlsfetalgrowthbyregulatingnutrienttransportationinplacenta.Paternalun

4、iparentaldisomy,duplicationofpaternalalleleandlossofimprintingare3molecularmecha2nismsofIGF22overexpressionthatcancauseBeckwith2Weidemannssyndrome(BWS).Someassistedreproductivetechniquesmaycausesomeepigeneticchangesthataffectembryonicandpostnataldevelop2ment.Keywords:Imprintedgene;Insulin2likegrowth

5、factor2;Placenta;Fetal0引言乳动物正常生长发育和行为的基础,一些遗传性疾病和肿瘤的形成与其异常表达相关1。据估计人基因组印迹(genomicimprinting)是指在父母的配子形成过程中,某些基因被印上不同标记,根据父母来源的不同出现不同表达。这是与孟德尔经典遗传学的概念完全不同的表遗传方式。印迹基因是哺类印迹基因约有100200个,目前已发现近60个印迹基因。印迹基因本身的分子机制可能与DNA差异性甲基化、染色体组蛋白的修饰(如甲基化、乙酰化、磷酸化)有关。胰岛素样生长因子22(insulin23收稿日期:2005202206;修订日期:2005203209基金项目:

6、江苏省自然科学基金资助项目(批准号:BK2004008)作者简介:戴毅敏(19692),女,江苏扬州人,主治医生,医学硕士研究生,从事妇产科专业。第6期戴毅敏,等印迹基因胰岛素样生长因子22在胎儿生长发育中的作用547likegrowthfactor2,IGF22)是第一个被发现的印迹基因,为父系表达、母系印迹,其蛋白产物具有促进胎儿生长发育的作用。1IGF22基因的印迹调节机制印迹基因80%呈簇状分布在染色体上,IGF22定位的11P15.5(与小鼠7q有同源性)是最大的印迹基因簇之一,有4个父系和10个母系表达基因。IGF22下游100kb处是无蛋白产物的父系印迹基因H19,两者共同竞争H

7、19下游的增强子以获得转录,2。锌指结合蛋白CTCF具有绝缘子功能,能与母系染色体上非甲基化H19上游的重复结合位点结合,阻止H19下游的增强子与IGF22结合,抑制IGF22转录。但CTCF不能与甲基化的父系等位基因结合,这样IGF22就能与增强子接触起始转录3。差异性甲基化区域(differentiallymethylatedre2gion,DMR)即印迹中心,根据父母来源不同调节基因表达,该区域有大量的CG重复序列,常是基因的启动子,即所谓的CpG岛。小鼠IGF22有3个DMR,DMR0具有胎盘组织特异性,在母系等基因上呈高度甲基化4。父系甲基化的DMR1和DMR2分别位于IGF22的上

8、、下游,DMR1具有使基因沉寂的作用,DMR2则具有激活功能。在人类,IGF22DMR的功能尚在进一步研究中。应用酵母转录因子(GAL4)敲入的小鼠模型和染色体形态捕获技术证明5,IGF22和H19DMR间的相互作用是一种表遗传调节,通过形成增强子远距离调节模型的染色质环状结构产生作用,但父母双方等位基因的调节有所不同。在母系染色体上,非甲基化H19DMR可能通过CTCF和蛋白因子与IGF22DMR1接触,形成2个染色质功能区,H19增强子处于活化的功能区内,H19正常转录;IGF22远离增强子处于非活化的功能区,不能产生转录。在父系等位基因上,甲基化H19DMR通过蛋白因子与IGF22DMR

9、2相互作用,使IGF22进入活化的染色质功能区,其启动子和H19下游的增强子紧密相连,H19虽在活化区内,但由于DNA甲基化而沉寂。除了与H19的顺式作用机制外,IGF22还与其他印迹基因存在相互调控,尤其是11P15.5上的其他印迹基因CDKNIC(P57KIP2)、IPL(TSSC3)、KCNQ1OT1(LIT1)和IGF22间存在相互作用6,但其具体印迹机制并不十分清楚。位于6q26的父系印迹基因IGF22r是IGF22受体,与IGF22结合后进入溶酶体进行降解,在功能上产生拮抗作用7。2IGF22基因与胎盘发育基因组印迹现象造成的父母基因组差异是正常生长发育的必需条件。对利用核移植技术

10、产生的胚胎研究发现,雄核胚胎和雌核胚胎都不能存活,但雄核的产物中完全是胎外组织,胚胎不能发育;雌核的产物则是胚胎组织,胎盘不能发育8。这与人类中仅有母系染色体的畸胎瘤和仅有父系染色体的完全性葡萄胎情况是相同的,说明父系基因组上特异性基因表达是胎盘发育必不可少的。在解释印迹起源进化的众多假说中,“基因矛盾”学说被广为接受:父系表达基因促进胎儿生长,使自己的遗传物质尽可能地在后代中得到遗传;而母系表达的基因则限制胎儿无限生长,为以后各胎次的胎儿保留营养9。因而印迹基因的功能就在于通过调节胚胎的营养需求,以维持胎儿需求和母体供应间的平衡10。小鼠的IGF22有4个启动子,其中P0在迷路(labyri

11、nthine)滋养细胞中特异性表达11,是促进胎儿胎盘生长的重要调节因子。应用P0敲除的小鼠模型研究胎盘变化发现,胎盘生长受限,重量逐渐减至正常的68%,细胞形态和蜕膜滋养细胞等胎盘组成成分的体积比差异无显著性意义,而胎盘的营养转运功能出现变化。初期出现被动扩散能力下降,主动转运能力代偿性增强,胎儿生长得以基本维持;随着孕期延长,被动扩散能力进一步下降,主动转运能力代偿性增强减少,以致于不能维持正常胎儿发育12。转运能力下降协同胎盘减小,维持母儿间营养交换的表面积相应减小是胎儿生长受限的原因。但P0转录片段在胎盘中可能不到10%13,其他启动子的大量转录片段在胎盘发育中的功能目前尚不清楚。基因

12、组印迹异常可能是先兆子痫的病因之一,小鼠父系12号染色体单亲二倍体(uniparentaldis2omy,UPD)中出现的胎盘形态学改变与人类妊娠高血压综合征(简称妊高症)相似,葡萄胎患者也常出现较早、较重的先兆子痫。但IGF22P0敲除的胎盘除重量减轻外,形态上并未出现妊高症的相关改变。滋养细胞侵入蜕膜、肌层、血管,取代螺旋动脉内皮的“血管重铸”过程异常将导致不孕、流产、妊高症和滋养细胞疾病。IGF22在合体滋养层细胞、细胞548医学研究生学报滋养层细胞、羊膜、绒毛膜均有分布,其mRNA在侵袭力强的滋养细胞柱顶端表达水平最高,与滋养细胞的血管侵入有关14;重度先兆子痫的胎盘中IGF22mRN

13、A含量则明显减少15。说明IGF22异常与先兆子痫的胎盘血管病变有关,可能与印迹异常相关。3IGF22对胎儿生长的影响由于H19DMR在整个生长发育过程中,始终维持稳定的父系高、母系低的甲基化水平以及H19/IGF22的顺式调节,IGF22也始终呈现印迹的单等位基因表达,与某些组织中IGF22父系等位基因上DMRS的甲基化水平并不相关。在小鼠骨骼肌发育中,IGF22父系等位基因的DMR1、DMR2甲基化水平在出生前分别维持在37%和42%,出生后18天则上升至100%和86%,出现重新甲基化。同时,总IGF22转录相对数量明显下降50倍以上,在心、肝、肾等器官中并无相应变化,但大多数组织中出生

14、后都出现降调节。提示在同一组织不同发育阶段,DMRS甲基化水平是不同的,不同组织、不同发育阶段表达量也是不同的,DMRS甲基化水平与骨骼肌局部IGF22表达量的调节相关,与心、肝、肾等器官中表达量无关16。印迹基因IGF22相当于功能上的单倍体,即正常胎儿中只产生一个剂量的IGF22蛋白质,如果2个等位基因均出现表达,必将产生2个剂量的蛋白质,导致胎儿过度生长;相反,如果2个等位基因均不表达,将表现为生长受限。过度表达IGF22的细胞在组织器官中所占的比例和位置不同,会引起IGF22过度生长的表型不同17。如在一侧肾中过度表达,表现为一侧肾肥大;在半身组织中过度表达,出现半身肥大;在全身广泛过

15、度表达,引起全身性过度生长;在局部组织中过度表达则与肿瘤生长相关18。引起IGF22过度表达的分子机制包括:父系UPD。减数分裂中染色体不能正常分离,形成单亲同源二倍体配子,与正常配子结合后形成三体合子。在以后的细胞分裂中通过“三体自救”,1/3的细胞成为UPD。通常卵子形成中产生染色体不分离的机会较多,父系UPD则可能是正常合子形成后发生常染色体重组造成的。完全性UPD11P15.5不能存活,但部分性父系同源染色体的嵌合体是存在的,由于2个IGF22均来源于父系,导致IGF22过度表达,出现胎儿过度生长19。父系等位基因的复制形成部分三体。胎儿正确地从父母那里遗传了112005年6月第18卷

16、号染色体,这时,父系染色体上发生结构性错误,使11P15.5产生复制,相当于部分性的三倍体。这种结构异常在染色体核型分析中可以发现20。印迹丢失(lossofimprinting,LOI)。当LOI发生于通常不表达的母系等位基因时,该基因将不再沉寂,出现双等位基因表达。IGF22LOI可由表遗传突变造成,也可能由于11P15.5的印迹调控的调节异常。H19发生突变或缺损时,不仅会影响H19的产物,也会影响IGF22的表达,即H19依赖性的IGF22LOI。临床上IGF22引起的胎儿过度生长常常以新生儿低血糖、巨舌内脏肥大、脐膨出综合征(Beckwith2Wiedemann,BWS)的形式表现。

17、BWS是一种多基因疾病,定位于11P15.5印迹基因簇异常,以躯体过度生长、先天畸形和肿瘤易发为特点。临床表现为舌膨出、腹壁缺损、脐疝、出生体重或产后生长速度大于第90百分位,半身肥大、肾肥大、早产、羊水过多、唇腭裂,儿童期易患肾母细胞瘤、肝胚窦瘤、横纹肌肉瘤等,90%为散发病例。约50%的患者有IGF22双等位基因表达,2%3%的患者伴H19印迹丢失,父系UPD占20%21。BWS有的表型与IGF22无关,如腹壁缺损、脐疝、唇腭裂等可能是细胞周期蛋白依赖性激酶抑制物(CDKNIC)功能丢失的结果22,与该基因簇印迹基因间的相互调节相关。4印迹重建对辅助生育技术(ART)和胚胎发育的影响配子形

18、成过程中,需将其从性别相反的亲本遗传来的印迹基因的印迹抹除,并重新标上自己的标记才能使相同的基因在其所有的后代中表达。这一过程中表遗传发生巨大变化,发生二次去甲基化和重新甲基化过程。胎儿原始生殖细胞发育早期,基因组发生广泛的第一次去甲基化,印迹位点标记同时抹除,随后,配子成熟前第一次基因组重新甲基化完成,印迹也同时形成。合子形成至胚囊种植前的数天内发生第二次基因组去甲基化和重新甲基化过程,但在此阶段,印迹基因似乎被某种机制保护,并不发生第二次去甲基化而维持印迹状态23,对正常的生长发育具有重要作用。ART中体外受精、胚胎培养、移植操作、细胞质内单精受精、相对不成熟配子受精均发生在基因组甲基化巨

19、变过程中,不同的胚胎培养条件、不同质量、不同成熟度的配子24都会影响印迹状态,使表遗传突变概率增加,导致罕见的表遗传疾病。目前第6期戴毅敏,等印迹基因胰岛素样生长因子22在胎儿生长发育中的作用549也有文献报道,ART技术与某些表遗传疾病如BWS、Angelman综合征的发生率升高有关25。但是,绝大多数BWS都是散发病例,由遗传、表遗传突变造成,是与胚胎体外操作无关的自然妊娠的结果。各种环境因素如营养、温度、pH值都有可能影响DNA差异性甲基化和染色质修饰,造成表遗传改变。因而,需要进一步评估围孕期各种外界环境因素,包括ART对生殖细胞发育、胚胎生长可能产生的改变,以及对儿童未来成长中生理、

20、行为发育、肿瘤发病等方面的影响。参考文献:1许哲,刘福坤,祁晓平等.胰岛素样生长因子表达与结直肠癌细胞的增殖和凋亡J.医学研究生学报,2002,15(6):5022504.2CharalambousM,MenheniottTR,BennettWRetal.Anenhan2cerelementattheIgf2/H19locusdrivesgeneexpressioninbothimprintedandnon2imprintedtissuesJ.DevBiol,2004,271(2):4882497.3HarkAT,SchoenherrCJ,KatzDJetal.CTCFmediatesmeth

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