表观遗传改变的分子机制

表观遗传改变的分子机制

表观遗传是研究表观遗传变化的遗传分支。表观遗传变异(Epigeneticvariation)是指在基因的DNA序列没有发生改变的情况下,基因功能发生了可遗传的变化,并最终导致了表型的变化。它是不符合孟德尔遗传规律的核内遗传,由此可以认为,基因组含有2类遗传信息,一类是传统意义上的遗传信息,即DNA序列所提供的遗传信息,另一类是表观遗传学信息,它提供了何时、何地、以何种方式去应用遗传信息的指令。Epigenetics这一名词的中文译法有多种,通常被译为表观遗传学或表遗传学,Epigenetics的概念首先见于Waddington的“现代遗传学导论”一书(1939年),当时的Epigenetics是指研究基因产生表型的过程。近年来的发展已将Epigenetics定义为“基因功能的改变凡未牵涉到DNA序列,又可通过细胞的有丝分裂而遗传者”。表观遗传学有3层含义:①可遗传的,即这类改变通过有丝分裂或减数分裂,能在细胞或个体世代间遗传;②是基因表达的改变;③没有DNA序列的变化或不能用序列变化来解释。它和DNA的改变所不同的是,许多表观遗传的改变是可逆的,这就为疾病的治疗提供了乐观的前景。笔者就表观遗传改变涉及DNA的甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、非编码RNA等机制进行论述,并表观遗传学改变的特征及相关进展进行叙述。1表1中的遗传因素1.1dna甲基化和癌基因组学在哺乳动物细胞的基因组DNA中,3%~5%的胞嘧啶是以5-甲基胞嘧啶形式存在的。同时70%的5-甲基胞嘧啶参与了CpG序列的形成。而非甲基化的CpG序列则与管家基因以及组织特异性表达基因有关,这提示CpG的甲基化与否在基因的表达中起重要作用。甲基化是基因组DNA的一种主要表观遗传修饰形式,是调节基因组功能的重要手段。在脊椎动物中,CpG二核苷酸是DNA甲基化发生的主要位点。CpG常成簇存在,人们将基因组中富含CpG的一段DNA称为CpG岛(CpGisland),通常长度在1~2kb。CpG岛常位于转录调控区附近,DNA甲基化的研究与CpG岛的研究密不可分。在DNA甲基化过程中,胞嘧啶突出于DNA双螺旋并进入与胞嘧啶甲基转移酶结合部位的裂隙中,该酶将S-腺苷甲硫氨酸(SAM)的甲基转移到胞嘧啶的5′位,形成5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine,5MC)。体内甲基化状态有3种:持续的低甲基化状态,如持家基因;诱导的去甲基化状态,如发育阶段中的一些基因;高度甲基化状态,如女性的一条缢缩的X染色体。DNA甲基化主要是通过DNA甲基转移酶家族(DNAmethyltransferase,Dnmt)来催化。DNA甲基转移酶分2种:一种是维持甲基化酶Dnmtl;另一种是重新甲基化酶如Dnmt3a和Dnmt3b,它们使去甲基化的CpG位点重新甲基化。在细胞分化的过程中,基因的甲基化状态将遗传给后代细胞。但在哺乳动物的生殖细胞发育时期和植入前胚胎期,其基因组范围内的甲基化模式通过大规模的去甲基化和接下来的再甲基化过程发生重编程,从而产生具有发育潜能的细胞。DNA甲基化影响到基因的表达,与肿瘤的发生密切相关。甲基化状态的改变是致癌作用的一个关键因素,它包括基因组整体甲基化和CpG岛局部甲基化程度的异常升高,这将导致基因组的不稳定(如染色体的不稳定、可移动遗传因子的激活、原癌基因的表达)。把癌基因组学与表观遗传学的研究结合起来,是癌症研究的发展趋势。人类的一些癌症常出现整个基因组DNA的低甲基化,但人们并不清楚这种表观遗传变化是肿瘤产生的诱因还是结果。研究者构建了携带低表达水平Dnmtl基因的小鼠,对它的研究结果显示,DNA低甲基化可能通过提高染色体的不稳定性来促进肿瘤的形成。同时指出,通常使用DNA甲基转移酶抑制剂来治疗人和小鼠的癌症,其疗效可能是由于这些抑制剂恢复了肿瘤抑制基因的活性。但是这种导致DNA低甲基化的治疗方式,可能在防止一些癌症发生的同时,也会造成基因组的不稳定并增加其他组织易患癌症的风险。这些都是需要继续深入研究的问题。1.2组宝白色装饰1.2.1h3lys4甲基化它是继DNA甲基化之后提出的又一新概念。研究显示,甲基化主要发生在H3和H4的赖氨酸和精氨酸残基上,由精氨酸介导的组蛋白甲基转移酶能选择性地甲基化H2和H3的精氨酸尾位点,并协同诱导转录活性。而赖氨酸残基上的甲基化存在单甲基、双甲基和三甲基3种状态,其中H3Lys3处发生的双甲基化是处于有活性的染色质区域。H3Lys4甲基化则与活性基因的表达有关,它除发生甲基化外,还可以发生乙酰化。该位点的竞争性修饰或许就是常、异染色质改型的分子开关,调控相关酶及其活性,从而达到精密调控复杂的生物学过程。染色质免疫沉淀分析也证明,H3Lys9的甲基化与失活基因的启动子有关,而Lys4的甲基化则与X染色体的活性基因有关。这表明H3氨基末端不同位点的甲基化分别与基因的失活与激活相关。这也可能是确立和维持特异性染色质的“组蛋白密码”的部分分子机制。1.2.2去除乙酰化促进rna聚合酶催化的鉴定组蛋白乙酰化时,染色质呈疏松状态,有利于基因的表达。体外研究表明,在组蛋白H3主要的乙酰化位点中,Lys14最容易发生乙酰化,这也许与Lys14以外的氨基酸序列有关。Hanse等认为,核小体中的组蛋白不必完全乙酰化,仅40%乙酰化就足以防止染色质折叠,促进RNA聚合酶Ⅲ催化转录。同时,组蛋白乙酰化高度保守,具有调节染色质的功能。Turner等发现,H4尾部Lys5和Lys12去乙酰化可促进染色质组装,并为转录因子和染色质修饰酶的结合和发挥作用提供条件。组蛋白的乙酰化和去乙酰化分别由乙酰基转移酶(HAT)和去乙酰基转移酶(HDAC)催化完成。前者将乙酰辅酶A的乙酰基转移至核心蛋白氨基末端中特定的赖氨酸残基上,中和其电荷,使核小体DNA易于接近转录因子,则HAT充当了转录的辅激活因子。它还可以通过与各种反式激酶的蛋白质相互作用,被募激到染色质的特定位点上以便其调节基因转录的作用。已知HAT和HDAC对乙酰化位点有严密的特异性,他们不仅参与整个基因组的乙酰化和去乙酰化,还参与修饰其他因子。1.2.3泛酸酶体降解蛋白质的主要作用组蛋白氨基末端的多样性共价修饰,除甲基化和乙酰化外,还有泛素化、磷酸化和ADP核糖基化等。泛素是一种有76个氨基酸残基的多肽,相对分子质量约为8.5kD,高度保守,存在于所有真核细胞内,因其存在丰富而广泛得名。它的主要作用是以多聚泛酸链的形式与需降解的底物蛋白结合,从而标记底物蛋白,以便通过泛酸-蛋白酶体途径对蛋白质进行降解。这种降解有着重要的生理功能,如在细胞周期的调控、抗原提呈、转录调控和细胞周期凋亡等方面发挥重要作用。研究发现,泛酸-蛋白酶体途径是至今为止人们所知的最精细的蛋白降解途径。对这个途径的分子机制的深入研究,将有助于对机体各种生理功能和疾病的认识。Yamamoto等对组蛋白磷酸化的研究发现,被IKK(IKBKinase)-α磷酸化的组蛋白H3在细胞因子诱导的基因表达中起重要作用,IKK-α与CREB结合蛋白反应。与RelA结合后被招募至NF-κB的启动子区,介导细胞因子诱导的组蛋白H3的磷酸化和随即发生的特异性残基的乙酰化。1.3基因转录启动子区染色质重塑(Remodeling)指染色质位置和结构的变化。主要涉及密集的染色质丝在核小体连接处发生松解造成染色质解压缩,从而暴露基因转录启动子区中的顺式作用元件,为反式作用蛋白(转录因子)与其结合提供了一种称为可接近性(Accesibility)的状态。染色质重塑过程由2类结构介导:ATP依赖型核小体重塑复合体和组蛋白修饰复合体。前者通过水解作用改变核小体构型;后者对核心组蛋白N端尾部的共价修饰进行催化。修饰直接影响核小体结构,并为其他蛋白提供了和DNA作用的结合位点。1.4短链rna促进基因表达功能性非编码RNA在基因表达中发挥重要作用,按照它们的大小可分为长链非编码RNA和短链非编码RNA。长链非编码RNA在基因簇以至于整个染色体水平发挥顺式调节作用,短链RNA在基因组水平对基因表达进行调控,其可介导mRNA的降解,诱导染色质结构的改变,决定着细胞的分化命运,还对外源的核酸有降解作用以保护本身的基因组。常见的短链RNA为小干涉RNA(ShotinterferingRNA,siRNA)和微小RNA(MicroRNA,miRNA)。RNA无论以反义转录本存在的、非编码的RNAs,或RNAi均能导致异染色质形成,并且在有丝分裂中可以遗传的转录沉默。2表观遗产学导致基因表达的变化表观遗传学是与遗传学相对应的概念,遗传学主要是指基因序列改变所致基因表达水平的变化,而表观遗传学是指非基因序列所致的可遗传的变化,是在基因组层次上调控基因的表达,即通过控制基因的表达时间、空间位置和表达方式来调控发育工程及各种生理反应。同传统的遗传学特征性改变相比,表观遗产学的不同之处在于它是渐变的遗传过程而非突变的过程。如在哺乳动物中随着细胞的衰老,基因组中胞嘧啶5位的甲基化会逐渐减少,随着这种总体甲基化水平的降低,可能导致一些异常基因的激活。在这种胞嘧啶5位甲基化减少的同时,也会有一些基因启动子区CpG岛的高甲基化。这种启动子区域的甲基化就像一个可变电阻器一样逐渐导致基因的沉默而非突然的沉默。目前,尽管人们对表观遗传学知之甚少,仍然具有充分的条件对控制年龄异常的基因进行调控。3表观遗传的科学研究3.1cpg岛异常甲基化CpG甲基化导致肿瘤抑制基因转录失活是肿瘤发生的重要机制之一。研究发现,DNA甲基化模式的改变,尤其是某些抑癌基因局部甲基化水平的异常增高,在肿瘤的发生和发展过程中起到了不容忽视的作用。众多恶性肿瘤不同程度地存在一个或多个肿瘤抑制基因CpG岛甲基化,这些相关的肿瘤抑制基因失活涉及多个环节,从而导致肿瘤的发生和进展。研究发现,p15、p16基因对肝癌细胞生长有抑制作用,其表达失活与肝癌发生相关。CpG岛异常甲基化关闭p15、p16基因转录表达,导致细胞增殖周期失调,其在肿瘤发生发展中的重要作用已得到了较为广泛的认同。在正常人的造血干细胞中,p15基因很少呈现高甲基化的状态,而在急性白血病中基因失活的主要原因是启动子区的异常高甲化。在家族性和散发性胃癌中均有启动子CpG甲基化引起的E-cadherin静止。对胸腺及前列腺肿瘤细胞的研究发现,E-cadherin基因停止表达的原因可能是异常甲基化,即E-cadherin基因表达与甲基化呈紧密相关。Temple大学Sbarro癌症研究所和分子医学研究所以及意大利锡耶纳大学的研究人员发现,将甲基或其他化学集基团连接到肿瘤抑制基因Rb2/p130的DNA序列上,能够使这个基因失去在非小肺癌细胞(NSLC)和眼癌细胞中抑制肿瘤的功能,进一步对这种基因进行研究,发现它被甲基化了,并因此终止了功能。这些发现为人们通过检测Rb2/p130基因的甲基化与否来确定癌变和前癌变状况提供了重要的信息,这些癌变或前癌变状况能够利用具有脱去Rb2/p130基因的甲基的药物或试剂来治疗,一旦这些药物或试剂脱去了Rb2/p130上的甲基,这个基因就会再次开始表达或正常行使功能了。总之,对肿瘤表观遗传学的研究,将有助于新的癌基因和抑癌基因的发现,有利于从临床的角度促进以靶点为治疗目标的抗肿瘤新药的研制和开发。3.2dna的修饰作用双胞胎拥有同一套遗传物质,本来应该长得一模一样,而且在小的时候双胞胎的确让人难以区分,但是长大以后很多就会明显不同,这种差异到底是如何来的一直不十分清楚。西班牙国家癌症中心的Fraga等通过对160名3~74岁的双胞胎进行分析,结果表明,在外界影响下基因组在表达水平上的不同导致了双胞胎出现差异。他们对基因组上的2种修饰作用进行了检测,将双胞胎的检测结果进行比对,结果发现,DNA的甲基化和组蛋白的乙酰化作用可以让基因的表达增强或者减弱。在小的时候双胞胎基因的表达形式几乎是一样的,但是年龄在28岁以上的双胞胎基因表达特征就会出现明显的不同。虽然这些修饰作用可能只是改变了一点点,但是造成的影响,特别是在疾病方面是十分明显的。3.3x染色体失活中心在哺乳动物中,雌雄性个体X染色体数目不同,这类动物需要以一种方式来解决X染色体剂量的差异。在雌性哺乳动物中,2条X染色体有一条是失活的,称为X染色体的剂量补偿(dosagecompensation)。X染色体失活的选择和起始发生在胚胎发育早期,这个过程被X失活中心(X-inactivationcenter,Xic)所控制,是一种反义转录调控模式。这个失活中心存在着X染色体失活特异性转录基因Xist(X-inactive-specifictranscript),当失活的命令下达时,这个基因就会产生一个17kb不翻译的RNA与X染色体结合,引发失活。X失活中心还有“记数”的功能,即保持每个二倍体中仅有一条X染色体有活性,其余全部失活。X染色体的失活状态需要表观遗传修饰如DNA甲基化来维持。这种失活可以通过有丝或减数分裂遗传给后代。X染色体失活是表观遗传学研究的很好范例,它能