近年來(lái)關(guān)于維生素C對(duì)表觀遺傳層面的影響研究,醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)論文

近年來(lái)關(guān)于維生素C對(duì)表觀遺傳層面的影響研究,醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)論文在15世紀(jì)至18世紀(jì),遠(yuǎn)洋航行的水手們由于長(zhǎng)時(shí)間得不到新鮮蔬菜水果的供應(yīng),會(huì)出現(xiàn)牙齒松動(dòng)、牙齦出血、肌肉酸痛無(wú)力以及皮下出血等異常感覺(jué)和狀態(tài),嚴(yán)重的情況下會(huì)致人死亡,這種疾病被命名為壞血病.在人類幾百年來(lái)與壞血病對(duì)抗的經(jīng)過(guò)中,維生素C的存在逐步被證明.直到1928年,生化學(xué)家AlbertSzent-Gyorgyi初次成功分離維生素C.之后,Szent-Gyorgyi和化學(xué)家WalterH.Haworth通過(guò)對(duì)維生素C性質(zhì)及分子式的分析,將維生素C重新命名為抗壞血酸(ascorbicacid).根據(jù)手性的不同,抗壞血酸分為L(zhǎng)-和D-型(圖1(a)),維生素C為L(zhǎng)-抗壞血酸,天然存在于生物體內(nèi)的也為L(zhǎng)-抗壞血酸.固然維生素C對(duì)人類而言是必需的重要維生素之一,但除了硬骨魚(yú)類、某些鳥(niǎo)類、靈長(zhǎng)類、蝙蝠和豚鼠外,大多數(shù)的脊椎動(dòng)物具備自個(gè)合成維生素C的能力.人類無(wú)法合成維生素C,原因是人體合成維生素C最后一步的酶古洛糖酸內(nèi)酯氧化酶L-GulLO(L-gulonolactoneoxidase)缺失.在進(jìn)化經(jīng)過(guò)中,維生素C的合成部位經(jīng)歷了由腎臟到肝臟的轉(zhuǎn)變,華而不實(shí)魚(yú)類、兩棲類、爬行類和一部分的鳥(niǎo)類是在腎臟完成維生素C的合成;另外一部分的鳥(niǎo)類和哺乳類則是在肝臟中完成.植物能夠自個(gè)合成大量維生素C,這為很多動(dòng)物提供了體內(nèi)維生素C的來(lái)源;酵母也具有維生素C的合成能力,但是酵母、植物和動(dòng)物合成維生素C的途徑卻有所不同(圖1(c)).本文從介紹維生素C的生理功能開(kāi)場(chǎng),重點(diǎn)聚焦最近幾年來(lái)發(fā)現(xiàn)的維生素C對(duì)表觀遺傳層面的影響,討論維生素C怎樣通過(guò)影響細(xì)胞的表觀遺傳修飾進(jìn)而改變細(xì)胞命運(yùn).1、維生素C的生理功能維生素C在動(dòng)物體內(nèi)有著重要的生理功能.缺乏維生素C將導(dǎo)致壞血病,其原因之一是體內(nèi)膠原的合成和成熟受阻,膠原由重復(fù)的構(gòu)造Gly-X-Y組成,華而不實(shí)X和Y代表脯氨酸(Pro)與4-羥基脯氨酸(4-Hyp).4-Hyp是脯氨酸衍生物,它的缺乏會(huì)導(dǎo)致膠原無(wú)法維持正常構(gòu)造.體內(nèi)的脯氨酸羥化酶(prolyl-4-hydroxylase)需要維生素C存在的條件下才能正常發(fā)揮作用.維生素C還在合成神經(jīng)遞質(zhì)以及肉毒堿的合成中起作用.作為體內(nèi)的重要抗氧化劑之一,它也介入很多低氧反響.不同器官對(duì)維生素C的需求不同,維生素C的吸收和利用主要由其受體輔助進(jìn)行.當(dāng)前研究表示清楚,SVCT1(sodiumcoupledVcco-transporters1)和SVCT2是大鼠、小鼠以及人體中的維生素C受體,華而不實(shí)SVCT1主要是上皮細(xì)胞吸收維生素C的受體;SVCT2分布在神經(jīng)元、內(nèi)分泌系統(tǒng)以及骨組織等地方.固然大多數(shù)的哺乳動(dòng)物能夠合成維生素C,但是受體的缺乏也會(huì)帶來(lái)重要的影響.Sotiria等人的研究表示清楚,Slc23a1(編碼SVCT2的基因)缺失會(huì)導(dǎo)致新生小鼠立即死亡,死亡的原由于呼吸系統(tǒng)衰竭以及腦部出血.Slc23a1/的小鼠具有合成維生素C的能力,但由于受體的缺失,無(wú)法在組織器官里正常富集,因此表現(xiàn)出嚴(yán)重異常感覺(jué)和狀態(tài).維生素C在動(dòng)物體內(nèi)的重要性,從它依靠金屬離子以及a-酮戊二酸(-ketoglutarate,2OG)的雙加氧酶類(dioxygenases)的輔酶作用便能夠窺見(jiàn)一斑,前文提及的脯氨酸羥化酶便屬于該類酶.在雙加氧酶的反響中,維生素C是維持酶活必不可少的因素,它負(fù)責(zé)電子傳遞,及時(shí)將反響生成的Fe4+復(fù)原構(gòu)成Fe2+,而其本身被氧化構(gòu)成脫氫抗壞血酸(dehydroascorbate,DHA)(圖2(a)).這類酶中,很多都是通過(guò)雙加氧的途徑完成去甲基化經(jīng)過(guò),之中又有很大一部分和表觀遺傳調(diào)控直接相關(guān),如組蛋白賴氨酸去甲基化酶(lysinedemethylases,KDMs)和DNA去甲基化酶(圖2(b)),因而維生素C對(duì)于生命活動(dòng)的影響可能有愈加廣泛的生物學(xué)意義.維生素C還是一種重要的細(xì)胞培養(yǎng)的添加成分,在胚胎干細(xì)胞(embryonicstemcells,ESCs)的培養(yǎng)中,一種代替血清的培養(yǎng)基KOSR(knockoutserumreplacement)中,含有較高的L-抗壞血酸;用添加了維生素C的培養(yǎng)基培養(yǎng)細(xì)胞,細(xì)胞的DNA去甲基化水平會(huì)提高.在誘導(dǎo)體細(xì)胞重編程經(jīng)過(guò)中添加維生素C,能夠提高重編程效率,并且能夠提高得到的iPSC克隆質(zhì)量.2、維生素C與組蛋白/DNA去甲基化酶前文提到維生素C會(huì)影響表觀遺傳修飾相關(guān)的組蛋白賴氨酸去甲基化酶和DNA去甲基化酶,因此介入細(xì)胞的表觀遺傳調(diào)控經(jīng)過(guò),這是維生素C值得注意的一個(gè)新功能.在多細(xì)胞生物中,同一套遺傳物質(zhì)能夠表現(xiàn)為多種表示出形式或細(xì)胞類型,這種調(diào)控一般是通過(guò)組蛋白、DNA等遺傳物質(zhì)上的共價(jià)修飾來(lái)實(shí)現(xiàn)的,這種調(diào)控稱之為表觀遺傳調(diào)控,是決定細(xì)胞功能的重要開(kāi)關(guān).在這些修飾中,組蛋白上賴氨酸殘基的甲基化及DNA胞嘧啶的5位甲基化,扮演著重要的角色.例如,常見(jiàn)的組蛋白H3賴氨酸修飾有K4,K9和K27等,華而不實(shí)H3K4me3被作為轉(zhuǎn)錄激活的標(biāo)志,H3K9me3和H3K27me3則與基因表示出沉默、X染色體失活等相關(guān).DNA胞嘧啶5位的甲基化同樣在基因表示出調(diào)控中起到重要作用,如基因組DNA上存在一些區(qū)域,富含胞嘧啶(C)和鳥(niǎo)嘌呤(G),這段區(qū)域被稱為CpG島(CpGislands),哺乳動(dòng)物基因的啟動(dòng)子區(qū)域經(jīng)常存在CpG島,它們的胞嘧啶的甲基化程度往往與該基因表示出的活潑踴躍程度成反比.已經(jīng)知道的組蛋白賴氨酸去甲基化酶能夠分為依靠于黃素(flavin)的組蛋白去甲基化酶和依靠于Fe2+和2OG、含有JumonjiC(JmjC)構(gòu)造域的雙加氧酶.前一種酶主要包括H3K4me1/2和H3K9me1/2的去甲基化酶LSD1和LSD2;而后一種酶則包括了大多數(shù)的H3K4/9/27的去甲基化酶,這些酶不僅能夠催化單甲基化和二甲基化,三甲基化可以以作為它們的反響底物.在催化反響經(jīng)過(guò)中,維生素C作為輔酶,將Fe4+復(fù)原構(gòu)成Fe2+(圖2).含有Jumonji構(gòu)造域的蛋白被分成了很多亞類,不同的亞類具有不同的辨別和催化位點(diǎn).一般來(lái)講,JmjC構(gòu)造域具有保守的2個(gè)組蛋白殘基和1個(gè)谷氨酸殘基,它們負(fù)責(zé)螯合金屬離子;具有JmjC構(gòu)造域的蛋白通常含有其他的構(gòu)造域,如能夠辨別組蛋白修飾的PHD,Tudor構(gòu)造域以及能夠辨別DNA的ARID和CXXC構(gòu)造域,這兩者互相配合,不同的組蛋白去甲基化酶就展現(xiàn)出了各自的特性.在對(duì)DNA胞嘧啶甲基化的探尋求索中,早期的研究表示清楚DNMT家族的蛋白催化DNA胞嘧啶的甲基化反響,而對(duì)于去甲基化經(jīng)過(guò)的認(rèn)識(shí)卻停留在通過(guò)DNA復(fù)制引發(fā)的被動(dòng)去甲基化.2018年,Tahiliani等人通過(guò)對(duì)錐蟲(chóng)中JBP蛋白的比擬,發(fā)如今哺乳動(dòng)物中存在TET1,TET2和TET3三種同源蛋白(paralogousproteins),這3種蛋白的構(gòu)造類似,都具有半胱氨酸富集區(qū)(Cys-rich)以及DSBH構(gòu)造域,是一類依靠于Fe2+和2OG的雙加氧酶.它們能夠?qū)⒓?xì)胞中的5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine,5mC)氧化構(gòu)成5-羥甲基胞嘧啶(5-hydroxymethylcytosine,5hmC).進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),TET(ten-eleventranslocation)家族蛋白能夠?qū)?hmC繼續(xù)氧化構(gòu)成5-甲?；奏?5-formylcy-tosine,5fC)和5-羧基胞嘧啶(5-carboxylcytosine,5caC),最后在糖基化酶TDG(thymineDNAgly-cosylase)的作用下,利用堿基切除修復(fù)(base-excisionrepair,BER)途徑完成DNA的主動(dòng)去甲基化.TET蛋白介導(dǎo)的主動(dòng)去甲基化在哺乳動(dòng)物個(gè)體的繁衍和發(fā)育經(jīng)過(guò)中有重要作用.Gu等人的研究表示清楚,TET3介入到受精經(jīng)過(guò)中精子的主動(dòng)去甲基化;Hackett等人的研究發(fā)現(xiàn),生殖細(xì)胞的去甲基化和印記基因的擦除是依靠于TET1與TET2產(chǎn)生的5-羥甲基胞嘧啶.除此之外,TET家族蛋白在胚胎干細(xì)胞中的作用也得到研究人員的關(guān)注.當(dāng)前研究證明,維生素C能夠促進(jìn)TET介導(dǎo)的5-甲基胞嘧啶的氧化.在Yin等人的研究中,通過(guò)提高維生素C的濃度,能夠促進(jìn)TET體外以及細(xì)胞內(nèi)的酶活,增加5hmC和5fC的產(chǎn)生量;該研究還證明了維生素C能夠與TET的催化域結(jié)合.在小鼠胚胎干細(xì)胞(mESCs)的培養(yǎng)經(jīng)過(guò)中添加維生素C,同樣能夠檢測(cè)到5hmC水平的升高,但是Tet1/Tet2/的mESCs卻基本檢測(cè)不到5hmC的存在,暗示mESCs中5mC的去甲基化是由TET1和TET2完成,而表示出量較少的TET3可能對(duì)mESCs的影響較小.早期Chung等人對(duì)人胚胎干細(xì)胞(hESCs)的研究中發(fā)現(xiàn),在培養(yǎng)經(jīng)過(guò)中添加維生素C,會(huì)特異性的提高1847種基因的去甲基化,華而不實(shí)一部分基因CpG島的甲基化水平的降低導(dǎo)致基因表示出的變化.近期,Blaschke等人的研究發(fā)現(xiàn),維生素C能夠影響小鼠胚胎干細(xì)胞中TET蛋白的活性,提高mESCs基因組整體5hmC水平,以及一些生殖系相關(guān)的基因如Asz1,Dazl等基因啟動(dòng)子的hmC水平,并促進(jìn)這些基因的表示出,使胚胎干細(xì)胞表現(xiàn)出囊胚樣的狀態(tài).另外有研究報(bào)道,維生素C能夠通過(guò)促進(jìn)JAK/STAT2信號(hào)通路中STAT2的磷酸化程度,促進(jìn)Nanog表示出,維持胚胎干細(xì)胞的多能性網(wǎng)絡(luò).另一方面,維生素C還能夠幫助胚胎干細(xì)胞抵抗RA引起的分化,以及L-Pro引起的間充質(zhì)樣細(xì)胞轉(zhuǎn)變的經(jīng)過(guò).維生素C對(duì)細(xì)胞的影響,不僅僅表如今對(duì)胚胎干細(xì)胞上.Mi-nor等人在小鼠胚胎成纖維(MEF)的培養(yǎng)經(jīng)過(guò)中添加維生素C,可以以觀察到5hmC水平的提高.由于MEF中TET1與TET2表示出量比擬低,這個(gè)羥甲基化的經(jīng)過(guò)很有可能是由TET3介導(dǎo)的.除了上面介紹的這2種酶,AlkB蛋白家族作為一種重要的依靠于Fe2+和2OG的雙加氧酶,在表觀遺傳調(diào)控中也有重要作用.AlkB蛋白在細(xì)菌的DNA損傷修復(fù)中發(fā)揮作用,在人體內(nèi)至少有9種AlkB蛋白家族的成員,分別是ALKBH1-8(又名ABH1-8)和FTO.華而不實(shí)E.coli中的AlkB蛋白、人的ALKBH2蛋白以及TET2蛋白的蛋白構(gòu)造已經(jīng)知道.AlkBH家族能夠介入到多種DNA以及RNA的修飾修復(fù)中,如1mA,3mC,1mG,以及3mT;FTO是這個(gè)家族中有趣的成員,據(jù)報(bào)道與人類的肥胖有關(guān),而且除了能夠介入3mT的修復(fù)外,還是一種RNAm6A的去甲基化酶.固然當(dāng)前維生素C對(duì)AlkBH家族的影響尚未知曉,但是從維生素C在雙加氧酶發(fā)揮酶活作用中舉足輕重的地位能夠揣測(cè),這將會(huì)是個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容.3、維生素C與重編程近年來(lái),維生素C在細(xì)胞重編程,十分是誘導(dǎo)多能性干細(xì)胞(inducedpluripotentstemcells,iPSCs)方面(圖3),給我們帶來(lái)了很多新的驚喜和疑問(wèn).iPSCs技術(shù)出現(xiàn)初期因誘導(dǎo)效率低(~0.001%~0.0001%)和使用了原癌基因c-Myc而遭到很多質(zhì)疑,因而尋找愈加安全、高效的誘導(dǎo)方式成為很多科學(xué)家研究的方向.在諸多的提高iPSCs誘導(dǎo)效率的方式方法中,在誘導(dǎo)培養(yǎng)基中添加維生素C的方式方法嶄露頭角.2018年,Esteban等人在研究中發(fā)現(xiàn),維生素C能夠提高OCT4/SOX2/KLF4/c-Myc(OSKM)以及OCT4/SOX2/KLF4(OSK)的重編程效率.維生素C起初被以為作為一種抗氧化劑而起到了促進(jìn)重編程的效率,但是其他的抗氧化劑如復(fù)原型谷胱甘肽、維生素B1和亞硒酸鈉等并沒(méi)有顯著促進(jìn)重編程的效果,表示清楚維生素C對(duì)重編程的促進(jìn)作用遠(yuǎn)非是通過(guò)減少細(xì)胞ROS起作用.接下來(lái)的研究發(fā)現(xiàn),維生素C能夠抑制重編程經(jīng)過(guò)中P53和P21蛋白的表示出,進(jìn)而幫助細(xì)胞繞過(guò)衰老的路障.Wang等人之后的研究發(fā)現(xiàn),維生素C能夠影響組蛋白H3K36me2/3的去甲基化酶Jhdm1a/1b.Jhdm1b能夠抑制Ink4/Arf位點(diǎn),進(jìn)而抑制細(xì)胞衰老并且促進(jìn)細(xì)胞增殖;另一方面,JHDM1b通過(guò)與OCT4的互相作用,激活了介入干細(xì)胞多能性調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的mircoRNA302/367基因簇.維生素C通過(guò)影響組蛋白去甲基化酶活性,對(duì)重編程造成了影響.另一方面,Stadtfeld等人在研究B細(xì)胞重編程時(shí)發(fā)現(xiàn),誘導(dǎo)重編程培養(yǎng)基中參加維生素C能夠防止印記基因位點(diǎn)Dlk1-Dio3印記的丟失.Dlk1-Dio3位點(diǎn)是位于小鼠第12條染色體的父本印記位點(diǎn),之前的研究表示清楚,該位點(diǎn)印記丟失的小鼠iPS細(xì)胞無(wú)法構(gòu)成具有四倍體互補(bǔ)能力的all-iPS細(xì)胞.維生素C參加之后,促進(jìn)該位點(diǎn)的IG-DMR構(gòu)成H3K4me3,進(jìn)而阻止了Dnmt3a對(duì)該位點(diǎn)的甲基化修飾,保衛(wèi)了Meg3(又名Glt2)的正常表示出.在小鼠重編程的經(jīng)過(guò)中,會(huì)產(chǎn)生一種形態(tài)類似iPS細(xì)胞,但是內(nèi)源多能調(diào)控網(wǎng)絡(luò)并未激活的細(xì)胞,這種細(xì)胞能夠在外源基因沒(méi)有沉默的情況下進(jìn)行自我更新,并且能夠穩(wěn)定傳代建立細(xì)胞系,這一類被阻滯在重編程道路上的細(xì)胞,被稱為pre-iPSCs.Esteban等人的研究發(fā)現(xiàn),維生素C能夠促進(jìn)pre-iPSCs向iPSCs的轉(zhuǎn)變,但是其作用機(jī)理并不清楚.近期,Chen等人的研究發(fā)現(xiàn),組蛋白H3K9的甲基化是造成pre-iPSCs構(gòu)成的主要原因.在重編程的誘導(dǎo)經(jīng)過(guò)中,血清中含有的骨構(gòu)成蛋白家族(BMPs),能夠作用于其下游的H3K9甲基轉(zhuǎn)移酶,進(jìn)而阻礙了重編程的進(jìn)行;另一方面,假如在培養(yǎng)基中添加維生素C,則能夠通過(guò)激活KDM3/4等H3K9的去甲基化酶來(lái)重新激發(fā)重編程經(jīng)過(guò).固然不同的pre-iPSCs具有很大的異質(zhì)性,但是在培養(yǎng)經(jīng)過(guò)中參加維生素C,對(duì)于激活pre-iPSCs中的多能調(diào)控網(wǎng)絡(luò),將其重新引向重編程的道路是特別行之有效的方式方法.綜上所述,維生素C通過(guò)影響組蛋白的修飾,進(jìn)而影響重編程的經(jīng)過(guò)讓我們對(duì)維生素C在細(xì)胞命運(yùn)中所起到的作用有了全新的認(rèn)識(shí);而近期在研究DNA去甲基化酶TET蛋白在重編程經(jīng)過(guò)中的作用,維生素C又為我們帶了戲劇性的一幕.研究表示清楚,TET1和TET2能夠促進(jìn)體細(xì)胞重編程,TET1甚至能夠取代OCT4,構(gòu)成TET1/SOX2/KLF4/C-MYC(TSKM)的iPSCs.然而,當(dāng)誘導(dǎo)培養(yǎng)基中添加了生理濃度的維生素C(~76.5mol/L,小鼠血漿濃度)之后,TET1對(duì)重編程的作用由促進(jìn)變成了抑制.造成這種轉(zhuǎn)變的原因是由于TET1酶活的加強(qiáng),抑制了重編程早期的間充質(zhì)-上皮轉(zhuǎn)化(MET)經(jīng)過(guò);由于TET1酶活加強(qiáng)而帶來(lái)的TET1催化位點(diǎn)能否發(fā)生了改變,還有待進(jìn)一步的研究.4、討論與瞻望維生素C在維持生物個(gè)體健康與細(xì)胞正常培養(yǎng)狀