表觀遺傳修飾的作用機制

1、基因組印記人們在研究中發(fā)現(xiàn),來自雙親的某些等位基因,在子代的表達不同,有些只有父源的基因有轉(zhuǎn)錄活性,而母源的同一基因則始終處于沉默狀態(tài),另一些基因的情況則相反。這是由于源自某一親本的等位基因或它所在染色體發(fā)生了表觀遺傳修飾,導致不同親本來源的兩個等位基因在子代細胞中表達不同。在基因組中的這類現(xiàn)象就是基因組印記(genomicimprinting)。表觀遺傳修飾的作用機制在學習遺傳學的時候，我們知道基因結(jié)構(gòu)的改變會引起生物體表現(xiàn)型的改變，而這種改變可以從上代傳到下代。然而，近年來的研究表明，現(xiàn)代生物包括人類在內(nèi)從祖先基因組中所獲得的生長、發(fā)育和進化信息并不僅僅是基因序列。在基因的序列不發(fā)生變化的

2、條件下，基因表達發(fā)生的改變也可以是遺傳的，導致可遺傳的表現(xiàn)型變化。這種表現(xiàn)型變化因沒有直接涉及基因的序列信息，因而是“表觀”的，稱為表觀遺傳變異，又叫表觀遺傳修飾。于是，遺傳學的研究又開辟了一個新的領(lǐng)域表觀遺傳學(epigenetics)。表觀遺傳學是研究基因型不發(fā)生變更的情況下產(chǎn)生的基因表達的可遺傳改變的學科。這種改變是細胞內(nèi)遺傳信息以外的其他可遺傳物質(zhì)發(fā)生的改變,且這種改變在發(fā)育和細胞增殖過程中能穩(wěn)定傳遞。表觀遺傳學研究內(nèi)容包括DNA甲基化表觀遺傳、染色質(zhì)表現(xiàn)遺傳、表觀遺傳基因表達調(diào)控、表觀遺傳基因沉默、細菌的限制性基因修飾等。廣義上，DNA甲基化、基因沉默、基因組印記、染色質(zhì)重塑、RNA

3、剪接、RNA編輯、RNA干擾、X染色體失活、組蛋白乙酰化等都可以歸入表觀遺傳學范疇,而其中任一過程的異常都將影響基因結(jié)構(gòu)以及基因表達,導致某些復雜綜合癥、多因素疾病或癌癥。與DNA序列的改變不同的是，許多表觀遺傳的改變是可逆的,這使表觀遺傳疾病的治愈較為樂觀?，F(xiàn)就將簡要介紹一下表觀遺傳修飾的作用機制：1DNA甲基化真核生物基因組中存在廣泛的甲基化。DNA甲基化是由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶催化S-腺苷甲硫氨酸作為甲基供體，將胞嘧啶轉(zhuǎn)變?yōu)镾-甲基胞嘧啶(mC)的反應(如圖1)。CG(即CpG)二核苷酸是最主要是甲基化位點。它在基因組中呈不均勻分布并廣泛存在。DNA甲基化對維持染色體的結(jié)構(gòu)具有重要作用，并且

4、與X染色體的失活、基因印記和腫瘤的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)。在某些區(qū)域CpG序列的密度比平均密度高出許多，其長度大于200個堿基，這些區(qū)域命名為CpG島。CpG島位于基因上游調(diào)控區(qū)的啟動子，這些基因為管家基因或組織特異表達基因。5'3.一CG-"-CG“-,GC-GCCGCG/-7/-CG-CG-CG（碁W*HDN）CGCG忌入引物TG*1、TGyAC-AC3£圖1甲基化敏感性單鏈構(gòu)象分析（MS-SSCA）示意圖基因啟動子區(qū)的CpG島在正常狀態(tài)下一般是非甲基化的，當其發(fā)生甲基化時，常導致基因轉(zhuǎn)錄沉寂，使一些重要基因如抑癌基因、DNA修復基因等喪失功能，從而導致正常細胞的生

5、長分化調(diào)控失常以及DNA損傷不能被及時修復，這與多種腫瘤形成密切相關(guān)。相反，整個基因組中普遍存在低甲基化，主要發(fā)生在DNA重復序列中，如微衛(wèi)星DNA、長散步元件（LINES）、中度重復順序、Alu順序等，這種廣泛的低甲基化會造成基因不穩(wěn)定，與多種腫瘤如肝細胞癌、尿道上皮細胞癌、宮頸癌等的發(fā)生有關(guān)。DNA的低甲基化也可能在異常組蛋白修飾的協(xié)同下引起某些T細胞基因的異常活化、導致狼瘡等自身免疫疾病的發(fā)生。越來越多證據(jù)表明伴隨衰老有很多細胞的發(fā)生CpG島異常甲基化，從而導致許多與衰老相關(guān)的生理和病理改變，包括導致腫瘤。DNA甲基化技術(shù)的進展也可將其應用領(lǐng)域擴大到非創(chuàng)傷性產(chǎn)前診斷。甲基化特性PCR可快

6、速、靈敏地根據(jù)胎兒和母親之間DNA甲基化的差異從母親血漿中檢測胎兒DNA。2組蛋白修飾組蛋白是真核生物染色體的結(jié)構(gòu)蛋白，是一類小分子堿性蛋白質(zhì)，分為H1、H2A、H2B、H3及H4五種類型（如圖2）,它們富含帶正電荷的堿性氨基酸,能夠同DNA中帶負電荷的磷基酸基團相互作用。只有改變組蛋白的修飾狀態(tài)，使DNA和組蛋白的結(jié)合變松，才能使相關(guān)基因表達,因此組蛋白是重要的染色體結(jié)構(gòu)維持單位和基因表達的負控制因子。：lDMAHIFai«toii：Coreor8HistoneMoiecni£<圖2核小體結(jié)構(gòu)示意圖組蛋白修飾主要以共價鍵形式發(fā)生，包括乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化。

7、組蛋白乙?；c基因活化以及DNA復制相關(guān)，組蛋白的去乙?；突虻氖Щ钕嚓P(guān),通過組蛋白的乙?；c去乙?；瑫古c組蛋白結(jié)合的基因表達受到精確的調(diào)控。甲基化修飾可使染色體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，也可以通過其他轉(zhuǎn)錄因子來調(diào)控基因的表達。而組蛋白的磷酸化則通過改變組蛋白的電荷、修飾組蛋白的結(jié)合表面，在基因轉(zhuǎn)錄、DNA修復、細胞凋亡及染色質(zhì)凝聚等過程中起調(diào)控作用。泛素化主要通過對被降解組蛋白連接上泛素標記,使部分蛋白啟動基因表達來實現(xiàn)。3染色質(zhì)重塑在基因表達的復制和重組過程中，對應基因尤其是基因的調(diào)控區(qū)的染色質(zhì)的包裝狀態(tài)，核小體和組蛋白以及對應的DNA分子會發(fā)生一系列的改變,這就是染色質(zhì)重塑。染色質(zhì)重塑的發(fā)生

8、和組蛋白N端末尾的修飾密切相關(guān)，尤其是對組蛋白H3和H4的修飾。修飾直接影響核小體的結(jié)構(gòu),并為其他蛋白質(zhì)提供了和DNA作用的結(jié)合位點。染色質(zhì)重塑主要包括2種類型:一是依賴ATP的物理修飾;另一種是依賴共價結(jié)合反應的化學修飾。依賴ATP的物理修飾主要是利用ATP水解釋放的能量，使DNA超螺旋旋矩和旋相發(fā)生變化，使轉(zhuǎn)錄因子更易接近并結(jié)合核小體DNA，從而調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄過程。染色質(zhì)重塑復合物、組蛋白修飾酶的突變均和轉(zhuǎn)錄調(diào)控、DNA甲基化、DNA重組、細胞周期、DNA的復制和修復的異常相關(guān)，這些異?？梢砸鹕L發(fā)育畸形，智力發(fā)育遲緩，甚至導致癌癥。4遺傳印記基因組印記也是一種表觀遺傳現(xiàn)象，即來自父親和母親的等位基因在傳遞給子代時發(fā)生了某種修飾,使子代只表現(xiàn)出父方或者母方的一種基因，這種現(xiàn)象即為基因印記?；蛴∮洷椴蓟蚪M，其內(nèi)含子比較小，并且能在組織中特異性表達。印記基因在發(fā)育過程中扮演著重要角色，研究發(fā)現(xiàn)許多的印記基因?qū)ε咛ズ吞撼錾砗蟮纳L發(fā)育有著重要調(diào)節(jié)作用，對行為和大腦的功能也有著重要影響，印記基因的異常同樣可以誘發(fā)癌癥，此外，一些環(huán)境因素，比如食物中的葉酸也會破壞印記,但目前對印記機制知之甚少?；蚪M印記的病變是臍疝-巨舌-巨