表觀遺傳調(diào)控

1、表觀遺傳學(xué)對基因表達的調(diào)控及其機制生物遺傳信息表達正確與否，既受控于DNA序列，又受制于表觀遺傳 學(xué)信息。表觀遺傳學(xué)主要通過DNA修飾、蛋白質(zhì)修飾與非編碼RNA調(diào) 控3個層面上調(diào)控基因表達。1 DNA 甲基化(DNA methylation )甲基化是指生物分子在特定的酶系統(tǒng)催化下加上甲基(-CH3)的生物化學(xué)反應(yīng)，是普遍存在原核生物和真核生物中的 DNA修飾作用。甲基 化沒有改變基因序列，但對基因表達起調(diào)控作用。在哺乳動物DNA分 子中，甲基化一般發(fā)生在胞嘧啶(C)堿基上。在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferasesQNMTs )催化下，甲基從 S-腺苷甲硫氨酸(S-ad

2、enosylmethione )轉(zhuǎn)移至胞嘧啶5位上，形成5-甲基胞嘧啶(m5C。在發(fā)生甲基化的胞嘧啶后通常緊跟著一個鳥嘌呤( G堿基。 因此，通常稱胞嘧啶-磷酸-鳥嘌呤或CpG的甲基化。在基因組中富 含CpG位點的區(qū)域稱為 CpG島(CpG islands )，人基因組序列約有 29,000 CpG島，約60%勺人基因與 CpG島關(guān)聯(lián)。CpG島通常與基因表 達的啟動序列區(qū)域(promoter regio ns )相關(guān)，CpG是否甲基化在基 因表達中起重要作用。一般說來，DNA甲基化能關(guān)閉某些基因的活性， 去甲基化則可誘導(dǎo)基因的重新活化和表達。 脊椎動物基因的甲基化狀 態(tài)有三種：(1)高度甲基化

3、狀態(tài)，如女性兩條X染色體中的一條處于 失活狀態(tài)；(2)持續(xù)的低甲基化狀態(tài)，如細胞存活所需的一直處于活 性轉(zhuǎn)錄狀態(tài)的管家基因；(3)去甲基化狀態(tài)，如生物發(fā)育的某一階段或細胞分化的某種狀態(tài)下， 原先處于甲基化狀態(tài)的基因， 也可以被誘 導(dǎo)去除甲基化，而出現(xiàn)轉(zhuǎn)錄活性。健康人基因組中，CpG島中的CpG位點通常是處于非甲基化狀態(tài)，而在CpG島外的CpG位點則通常是甲 基化的。這種甲基化的形式在細胞分裂的過程中能夠穩(wěn)定的保留。 當(dāng) 腫瘤發(fā)生時，抑癌基因CpG島以外的CpG序列非甲基化程度增加，而 CpG島中的CpG則呈高度甲基化狀態(tài)，以致于染色體螺旋程度增加及 抑癌基因表達的丟失。DNA甲基化不僅影響細胞

4、基因的表達，而且這 種影響還可隨細胞分裂而遺傳并持續(xù)下去。哺乳動物一生中DNA甲基化水平經(jīng)歷 2 次顯著變化， 第一次發(fā)生在受精卵最初幾次卵裂中， 去 甲基化酶清除了 DNA分子上幾乎所有從親代遺傳來的甲基化標志； 第 二次發(fā)生在胚胎植入子宮時， 一種新的甲基化遍布整個基因組， 甲基 化酶使DNA重新建立一個新的甲基化模式。細胞內(nèi)新的甲基化模式一 旦建成，即可通過甲基化以“甲基化維持”的形式將新的 DNA甲基化 傳遞給所有子細胞DNA分子。2 組蛋白修飾( histone modification)組蛋白是一類小分子堿性蛋白質(zhì)， 作為真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)蛋 白質(zhì)。組蛋白的共價修飾包括賴氨酸

5、殘基乙?；?、 絲氨酸殘基和蘇氨 酸殘基的磷酸化、谷氨酸殘基的 ADP核糖基化、賴氨酸殘基的泛素 化與類泛素化(sumolyation )、賴氨酸殘基和精氨酸殘基的甲基化等。 賴氨酸殘基的 -氨基可形成一甲基化、二甲基化或三甲基化物，精氨 酸殘基可形成一甲基化或二甲基化物。這些修飾成為組蛋白印記( histone imprints )，現(xiàn)在也稱為“組蛋白密碼” (histone code)。 組蛋白密碼可被一系列特定的蛋白質(zhì)所識別， 并將其轉(zhuǎn)譯成一種特定 的染色質(zhì)狀態(tài)， 以實現(xiàn)對特定基因表達的調(diào)節(jié)， 擴大了遺傳密碼的信 息儲存量。3 染色質(zhì)重塑( chromatin remodeling )真核

6、生物染色質(zhì)是一切遺傳學(xué)過程的物質(zhì)基礎(chǔ)， 染色質(zhì)構(gòu)型局部和整 體的動態(tài)改變， 是基因功能調(diào)控的關(guān)鍵因素。 染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位 是核小體(nucleosome)，每個核小體是由5種組蛋白和 DNA鏈200bp 組成，其核心顆粒是由H2A H2B H3和H4四種組蛋白各兩個分子的 八聚體和繞1.8圈的147bp組成。當(dāng)DNA繞到兩圈時，約用165bp, 并結(jié)合上一個 H1 組蛋白分子。染色質(zhì)重塑是指染色質(zhì)位置和結(jié)構(gòu)的 變化，主要涉及核小體的置換或重新排列， 改變了核小體在基因啟動 序列區(qū)域的排列， 增加了基因轉(zhuǎn)錄裝置和啟動序列的可接近性。 染色 質(zhì)重塑與組蛋白N端尾巴修飾密切相關(guān)，尤其是對組蛋白H

7、3和H4的 修飾。通過修飾直接影響核小體的結(jié)構(gòu)，并為其他蛋白質(zhì)提供了與 DNA乍用的結(jié)合位點。染色質(zhì)重塑修飾方式主要包括兩種：一種是含 有組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶和脫乙酰酶的化學(xué)修飾；另一種是依賴ATP水解釋放能量解開組蛋白與DNA的結(jié)合，使轉(zhuǎn)錄得以進行。通常，DNA甲基化與染色質(zhì)的壓縮狀態(tài)、DNA的不可接近性，以及與 基因沉默(gene silencing )狀態(tài)相關(guān)；而DNA去甲基化、組蛋白的 乙酰化和染色質(zhì)去壓縮狀態(tài)， 則與轉(zhuǎn)錄的啟動、 基因活化和行使功能有關(guān)。這意味著，不改變基因結(jié)構(gòu)，而改變基因轉(zhuǎn)錄的微環(huán)境條件就 可以令其沉默，或使其激活4非編碼微小 RNA( MicroRNA, miRNA的調(diào)節(jié)長期認為RNA僅僅從DNA獲取遺傳信息，并將信息轉(zhuǎn)換成蛋白質(zhì)。上 世紀九十年代初期發(fā)現(xiàn)2128個核苷酸的miRNA能抑制植物基因表 達。隨后又發(fā)現(xiàn) 雙鏈RNA(dsRNA注入線蟲能誘導(dǎo)基因表達沉默。這種現(xiàn)象稱為 RNA干擾(RNA interfe