基因表达调控与人类疾病

1、基因表达调控与人类疾病摘要：DNA甲基化、组蛋白修饰及RNA分子的作用可在不同层面影响DNA分子的表达，其中任何环节出现错误都 会导致不同的表达错误，从而引发人类疾病。如果我们能控制DNA的表达，将可以使癌症、病毒引发的疾病(如肝炎、 艾滋病)、血液疾病等得到治愈。这篇文章中我们将涉及到小分子RNA，核糖开关，假基因，DNA组蛋白的修饰及DNA 的甲基化对基因表达的调控。关键词：miRNA； siRNA； RNAi；核糖开关；假基因；DNA甲基化；组蛋白修饰一， RNA 的调控1，小分子 RNA小分子RNA包括miRNA、siRNA和piRNA等。miRNA与siRNA具有较多的相似之处。1)

2、,miRNA人们经过对基因组的分析发现大于50%的miRNA位于癌症相关序列处或易碎片段，这说明在基因的复杂调控网络中 miRNA可能扮演者癌基因和/或抑癌基因的角色，并以此来调控肿瘤的发生发展。miRNA对癌症的作用可能比人们之前 设想的重要得多。miRNA 将对癌症的治疗起到重要的推动作用。2),siRNAsiRNA是small interfering RNA的简称，可以通过对靶mRNA的降解具有高度特异性、高成功率等特点的RNAi反应 维持基因组的稳定。近来研究表明， siRNA 可以通过对 colony-stimulating factor (CSF)-1 或 CSF-1 受体表达的抑

3、制而抑制肿瘤的生长。在 肿瘤生长过程中，血管的生成及肿瘤的生长需要癌细胞、基质细胞及细胞外基质(ECM)共同作用。而由巨噬细胞分泌的 metalloproteases (MMPs)分子可以重塑细胞外基质，从而使其更利于肿瘤的生长。siRNA通过对CSF-1或CSF-1受体表 达的抑制对巨噬细胞进行下调，最终可以抑制肿瘤的生长。利用同样的方法，siRNA可以通过对Signal Transducers and Activators of Transcription 3 (Stat3)信号通路的阻断而抑制 肿瘤的生长。另外人们发现注入siRNA或重组质粒可以防止小鼠的自身免疫性疾病和病毒性肝炎。大家

4、认为经过更进一步的研究， siRNA 一定可以提供令人兴奋的能够抑制治疗感染、癌症、神经系统疾病、病毒疾 病及血液病的药剂学特征，有助于人们对多种疾病的研究与治疗。再此之外，PiRNA也是一种参与基因表达调控的重要小RNA，曾被人们由小鼠的睾丸中提取出。PiRNA与Piwi蛋 白和RecQ1蛋白结合，形成复合体PiRC(Piwi-interacting RNA complex),这个复合体可以在DNA水平、组蛋白水平上或 转录后水平上进行对基因表达的调控，从而影响配子的发育。但piRNA与人类疾病的研究还有待于进一步研究。 2，核糖开关2002年，Breaker用实验证明了这种RNA分子的存在

5、，并于当年命名之为“核糖开关” Breaker成功合成了多个被 称作“核糖开关”的由编码端和非编码端组成的RNA分子。当这类RNA处于折叠状态时，它的非编码端便成了某特异 蛋白分子的结合部位。当非编码端与此蛋白结合时，整个RNA分子的构象将会发生改变，从而调节蛋白质的合成。而 这整个过程都是以其与蛋白分子的特异性结合为前提的。核糖开关在分子水平上由适体结构域(aptamer domain,AD )和 表达结构域(expression domain,EPD)组成。AD序列保守，能高度特异性识别相应配体，直接和小分子代谢物结合后形 成的二级结构高度相似。与配体结合后，AD发生构象变化，将调控信息传

6、至EDP，通过形成选择性茎环结构，直接调 节基因的表达。最近研究发现，某些真核生物也存在代谢物结合结构域，说明在真核生物中也存在核糖开关。经过统计， 100多种细 菌及古细菌中的TTP (硫胺素焦磷酸)核糖开关中的TTP结合域存在共有序列，其中90%以上的碱基保守，二级结构相 似。而在植物中TTP核糖开关的结合结构域大多位于polyA尾部的上游，说明植物中的TTP核糖开关可能影响RNA的 剪切。3，假基因假基因指的是在基因组中存在的有缺陷的拷贝，其广泛存在于真核生物中。根据其中是否很有内含子，假基因可以 被分为两类：重复型假基因(duplicated pseudogenes)和经过加工的假基因

7、(processed pseudogenes )。人们通过对人类核糖体蛋白假基因的染色体定位，发现虽然个别染色体片断上假基因的出现频率稍高，但总体而言 假基因的分布是随机的。而这些片断只可以说是在人类的进化中更有利于假基因的储存，就像某些特定的地理化学环境 更有利于化石的保存一样。假基因可以反映物种之间的进化关系。人们将灵长类动物和小鼠的基因组进行了比较。小鼠的Gulo在灵长类中变成 了假基因。Gulo基因的产物在维生素C的合成中起到重要的作用，使最后一步所需要的关键酶。灵长类动物的Gulo基 因在40,000,000年前就变成了假基因，这就是为什么灵长类动物只能通过对外界事物的摄取来补充维生

8、素 C。同时，假基因在保证功能基因正常表达方面也起着非常重要的作用。这是在一次偶然的实验中发现的。当人们把果 蝇sex-lethal基因转入小鼠体内时，多数的小鼠都能正常存活，然而只有一个品系的小鼠全部因患有多囊肾和骨骼畸形 而死亡。经过科学家的研究，发现在这一品系中果蝇基因插入了假基因makorinlpl (Ch5)中，从而使得此假基因结构 发生了改变。Makorinl基因是小鼠的远古基因，存在于果蝇及线虫中。虽然科学家不知道makorinl基因的功能，但他 们知道小鼠体内 makorinl的所有假基因都是不能合成蛋白质的。但是如果假基因没有任何功能，为什么假基因 makorinlpl被插入

9、sex-lethal对小鼠是致命的？人们发现假基因的5端与功能基因的5端有700nt的相同序列，其转 录产物可以与功能基因所转录合成的mRNA共同竞争RNase，从而保护了 mRNA不受RNase的降解。4，反义 RNA反义RNA是由DNA互补链转录合成的且与蛋白编译RNA互补的一类RNA。反义RNA可以与mRNA结合从而阻 止mRNA的翻译，最终抑制蛋白的合成。反义RNA在细菌和植物中多见，而在哺乳动物中较少，所以其对人类疾病的 研究贡献不是很明显。二，DNA组蛋白的修饰及DNA的甲基化1,DNA 组蛋白的修饰组蛋广泛存在于人体染色体中，与DNA分子结合以维持DNA分子的三维结构。DNA分子

10、可以水解出氢离子，带负 电，组蛋白由于含有赖氨酸残基，水解带正点。组蛋白与DNA分子具有相反电性，可互相吸引，形成较稳定的复合物。 当组蛋白被修饰时，其带电性也会发生改变，从而影响其与DNA分子间的结合。当组蛋白的正电性增强时，DNA分子 与之结合将变得更紧密，从而DNA分子凝集化加强，不宜进行转录，反之则可增进DNA分子的转录。当组蛋白被乙酰化时，染色质经常处于转录状态，RNA合成可以顺利进行。而当组蛋白被甲基化或是磷酸化时，DNA 则经常处于非转录状态。组蛋白的修饰包括甲基化、乙酰化以及磷酸化等，可发生于H3或H4亚基的赖氨酸、精氨酸及 色氨酸位点。由于在DNA的复制过程中，组蛋白八聚体并

11、不完全解体，H3-H4四聚体仍然与DNA结合，其修饰方式能 够保留至子代DNA旧链。而在子代DNA中，H3-H4四聚体能够募集相应的酶类对新链中的H3-H4四聚体进行相同的 修饰，使得组蛋白的修饰方法得以完全传至子代。2，DNA的甲基化甲基化的DNA机可以避免被限制性内切酶降解、保持DNA的非转录活性，也可以对染色体的保护作用。人类在配子形成过程中，发生去甲基化和甲基化。去甲基化过程中DNA上的所有甲基化修饰几乎全部去除，当再次 甲基化时则按照特定的模式对DNA进行再次的修饰。甲基化过程有10%的差错率，但大部分都位于不重要的基因位点， 不会对个体造成较大影响。但今年相关研究发现，40%的结肠

12、癌患者伴有IGF2(insulin growth factor2)基因的未甲基化。 这只是一个巧合吗？虽然现阶段人们还没有完全搞清其分子机制，但很有可能两者之间有着密不可分的关系。在对表观遗传的研究中，人们利用 DNA 微探针和 Western blot 技术对经过化学诱导的肝脏进行分析，将分析结果与 正常肝脏作比较，发现有多种表观遗传调控因子的非正常表达。多种疾病是与表观遗传有关的，包括癌症、智力障碍、神经功能疾病、遗传印记疾病等多种威胁人类生命的疾病。 其中癌症主要包括肝癌、肺癌、肾癌、胃癌等。基因的异常甲基化与癌症发生有密切的关系。抑癌基因得过甲基化会导致癌基因的过量表达。而 DNA 的

13、低甲基化 则会降低基因的稳定性。胃癌与幽门螺旋杆菌的感染关系密切是我们早已熟知的。近年来人们发现幽门螺旋杆菌的感染 可以导致胃粘膜细胞中特定基因发生甲基化。人们发现人类前列腺癌中GSTpi, APC, MDR1, GPX3 and 14-3-3sigma等多种基因发生高度甲基化并失活，同时也伴有 组蛋白修饰。组蛋白修饰主要为乙酰化和甲基化，这种修饰影响了多种基因的功能，包括编码雄性激素受体的基因。而 这种两种修饰是可以逆转的。人们利用选择性DNA转甲基酶可以去除DNA的甲基化，同时利用组蛋白去乙酰化酶抑制 剂恢复组蛋白的乙酰化，从而使基因功能得到恢复。基于表观遗传与人类疾病的密切关系，人们利用全基因组分析技术进行表观遗传测定，从而对人类疾病进行早期 诊断、预知疾病的复发、对肿瘤进行精确分期以及分析不同基因在生理疾病理学上的不同表达。三，展望随着人们对基因调控的了解，各种复杂疾病的发病机制将会越来越清晰地展现在人们面前，我们也将得到更加有效 的防治方法。作者单位：中国协和医科大学(清华大学医学部)参考文献：1) Hussain, S P.Schwank, J.Staib,