表观遗传学—基因组印记

表观遗传学—基因组印记作者：学号：单位：摘要：表观遗传学是指在基因的DNA序列不发生改变的情况下，基因的表达水平与功能发生改变，并产生可以遗传的表型。表观遗传学研究的重点是基因表达的调控机制，包括DNA甲基化、染色质重塑、基因组印记、组蛋白共价修饰和非编码RNA等。在哺乳动物中，有一部分特别的基因，它们由于受到印记而只表达单一亲本的基因，这种表遗传的修饰现象就是基因组印记。本文主要总结了表观遗传学中基因组印记的相关研究，包括印记基因标记，母源效应蛋白以及一些印记缺陷引起的疾病。关键词：表观遗传学，基因组印记，DNA甲基化，母源效应蛋白1.前言一直以来人们认为DNA的双螺旋结构决定着物种生命的表型，所以当完成人类的基因组测序之后，很多人认为人类疾病的治疗，控制人的样貌、性状等一切问题都解决了。但随着研究的深入，人们发现了越来越多的问题，人类离自己的期望还很远。越来越多的现象不能用经典遗传定律来解释，公驴和母马杂交会生下近似于马的马骡；而公马和母驴杂交，则会生下近似于驴的驴骡，这两种生物的性状有着很大的区别。同卵双生的双胞胎，在胚胎时期虽然其细胞核DNA序列完全一致，但是在生长发育过程中，却会培养出不同的性格，而且身体健康状况也不尽相同。由此现象，人们开始深入研究其背后隐藏的原因。探索为何在DNA碱基配对未变的情况下，生物体的表型却发生了差异。由此人们发现了遗传学中的另外一个范畴：表遗传学。它补充了孟德尔遗传学所不能解释的现象。1.1表观遗传学的发展历史1939年，生物学家WaddingtonCH首先在《现代遗传学导论》中提出了epigenetics这一术语。并于1942年定义表观遗传学为“生物学的分支，研究基因与决定表型的基因产物之间的因果关系”。1975年，Hollidy对表观遗传学进行了较为准确的描述。他认为表观遗传学不仅在发育过程，而且应在成体阶段研究可遗传的基因表达改变，这些信息能经过有丝分裂和减数分裂在细胞和个体世代间传递，而不借助于DNA序列的改变，也就是说表观遗传是非DNA序列差异的核遗传。所谓表观遗传学是指研究生物通过调控基因表达，而不改变基因序列，所导致的遗传现象的理论。即在基因的DNA序列不发生改变的情况下，基因的表达水平与功能发生改变，并产生可以遗传的表型。表观遗传学研究的重点是基因表达的调控机制，包括DNA甲基化、染色质重塑、基因组印记、组蛋白共价修饰和非编码RNA等等。1．2表观遗传学的特点1）可遗传，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）可逆性的基因表达调节，也有较少的学者描述为基因活性或功能的改变；3）没有DNA序列的改变或不能用DNA序列变化来解释。也就是说，表观遗传学信息是研究何时、何地、以何种方式去应用遗传信息。2.基因组印记2.1基因组印记简介基因组印记（Genomicimprinting），又称遗传印记，是指基因的表达与否取决于它们是在父源染色体上还是在母源染色体上。这些基因被称为印记基因(imprintinggene)。目前主要在高等生物如胎盘类哺乳动物中发现了基因组印记的现象[1]。有些印记基因只从母源染色体上表达，而有些则只从父源染色体上表达。根据孟德尔遗传定律,当一种性状从亲代传到子代,涉及这种性状的基因和染色体无论是来自父方或母方,传递所产生的表型效应都应该是完全相同的.但是这一普遍规律现已发现在哺乳动物某些组织和细胞中会出现例外,即控制某一表型的一对等位基因由于亲源不同而差异性表达,也就是说,机体只表达来自亲本一方的等位基因,而与其自身性别无关,属于非孟德尔遗传学的表观遗传学领域。人和小鼠的印记基因相类似，到2010年4月为止，已被证实的人类印记基因61个，小鼠印记基因和印记候选基因约有120多个(http：//．otago．ac．nz/IGC)。印记基因主要具有以下几个特点：1）单等位表达，即性别特异性；2）很少单独存在，约有80％以上是呈簇排列，印记区域联系紧密且相互依赖；3）含有一个或几个差异甲基化区(differentialmethylationdomain/region，DMD/DMR)，又称印记调控区(imprintingcontrolregions，ICR)。印记调控区(Imprintingcontrolregions,ICRs)是印记基因表达的关键调控序列，来源于双亲等位基因中的一个ICR会被DNA甲基化标记，这些区域的差异性甲基化(Differentiallymethylatedregions,DMRs)使双亲等位基因出现差异表达；4）在印记基因的ICR内富含胞嘧啶鸟嘌呤的CpG岛，容易被甲基化修饰；5）可逆转。以上这些特点，在一定的程度上揭示了印记基因的一些可能作用机制[2]。2.2基因印记机制与DNA甲基化调控印记基因表达的表遗传修饰的方式主要有DNA甲基化、组蛋白甲基化／乙酰化及反义RNA表达等。在脊椎动物中，DNA甲基化是产生基因组印记的主要调控机制，而甲基化的部位就在CpG岛。DNA甲基化是指DNA双螺旋胞嘧啶突出，并插入与胞嘧啶甲基转移酶结合部位的缝隙中，在胞嘧啶甲基转移酶的作用下，S—腺苷甲硫氨酸的甲基转移至胞嘧啶环5’位使其发生甲基化[3]，并与其3’端的鸟嘌呤形成CpG。CpG岛与转录调控区位置相近，因此CpG岛的甲基化会对一些转录因子与基因调控区的结合产生干扰，此外也可能会直接影响RNA聚合酶活性从而影响了基因的表达。甲基化修饰对于印记状态的保持有重要作用，大量的研究资料表明，基因组印记与DNA甲基化有着非常密切的关系。在胚胎时期，原始生殖细胞(primordialgermcell，PGC）形成期间，细胞中的印记被擦除(去甲基化)；当原始生殖细胞发育至成熟的配子这一阶段，又重新建立起基因组印记(重新甲基化)[3]；甲基化的重建决定了细胞分化的命运，形成的印记，在体细胞分裂中稳定遗传。在早期胚胎形成过程中，大部分基因组序列都经历了一个去甲基化和重新甲基化的过程，但大多数的印记基因并不参与，在印记控制区，仍然维持着等位基因差异甲基化的状态，这一状态一直维持到成年，称为印记的维持(甲基化维持)[4]。有研究者对全基因组的甲基化状态进行了检测，结果证明在受精前父母双方的DNA均成高度甲基化状态，卵母细胞的甲基化程度较低于精子的甲基化程度[5]。正是由于在配子形成时期，雄性和雌性配子甲基化程度有着明显差异导致了基因组印记现象的产生[6]。2.3母源效应蛋白在卵母细胞成熟过程中，母源基因组转录本会不断累积。大多会消失，但是仍然还有一些母源转录本在合子中起作用，为早期胚胎正常发育所必需。在胚胎基因激活前，植入前期的早期胚胎发育很大程度上依赖于母源转录因子、多能因子和染色质重塑因子等母源效应蛋白。在配子发生和早期胚胎发育过程中，基因组印记甲基化经历一个去除、重建和维持的复杂过程。这个过程中的任何环节被干扰都将导致印记紊乱，造成胚胎发生、胎盘形成及出生后发育异常。近来研究表明，早期胚胎发育过程中一些母源效应蛋白在印记基因表观调控中起重要作用。研究的比较清楚的母源效应蛋白是DPPA3、ZFP57、TRIM28和DNMT1，他们可以保护印记基因的甲基化位点，在保护胚胎的发育的过程中起着重要的作用。ZFP57通过结合甲基化DNA的六聚核苷酸序列TGCCGC，抑制基因表达[7]。TRIM28是一种转录中介因子，是许多基因转录调控复合体中的桥梁分子[8]。DNMT1属于DNA甲基化转移酶家族，既能催化重头甲基化又能维持甲基化DNA[9]。因此，母源和胚胎DNMT1提供保护，使印记基因抵御植入前早期胚胎被动去甲基化的影响，这个作用得以实现，可能是通过ZFP57识别并结合ICR中甲基化的TGCCGC序列，TRIM28与ZFP57结合，这样ZFP57/KAP1复合物再招募与其相关的染色质修饰因子如DNMT1、SETDB1、HP1及NP95等，从而阻止了ICR的完全去甲基化，但是确切的机制仍然不清楚[10]。3与印记异常的相关疾病印记的基因只占人类基因组中的少数，但在胎儿的生长和行为发育中起着至关重要的作用。印记的异常表达，通常带来伴有复杂突变和表型缺陷的疾病主要表现为过度生长、生长迟缓、智力障碍、行为异常。目前在肿瘤的研究中认为印记缺失是引起肿瘤最常见的遗传学因素之一。3.1BWS综合征该病是由于11号染色体上两个印记基因的错误表达引发的。患者存在印记丢失的现象，被印记的等位基因被重新激活，基因过度表达。患者主要表现为巨舌、脐凸出或其他脐异常、躯体巨大、肝大、一过性低血糖、上颌发育不良等症状[11]。3.2快乐木偶综合症(AngelmanSyndrome，简称AS)该病是母源15号染色体q11-q13缺失所致。患者主要表现为双手举高，挥舞，脚下不稳，就像被人牵线的木偶;经常发笑，很快乐的样子[12]。4结语与展望基因组印记与动物的生长发育、人类疾病的发生都有着密切的关系。由于印记基因对环境变化十分敏感，任何表遗传上的改变都会影响印记基因的表达，人们可以通过研究印记基因对胚胎发育的影响，进一步发展动物的体细胞克隆技术，提高效率。同时也可以为人类表遗传相关疾病的诊断和预防提供宝贵的参考资料。参考文献[1]KanedaM.Genomicimprintinginmammals—epigeneticparentalmemories．Differentiation，2011，82：51—56．[2]BartolomeiMS，Ferguson-SmithAC．Mammaliangenomicimprinting．Advance-May，2011，16：a002592．[3]杨明升,柳红林,陈杰.印记基因的印记机制及其表达调控.生物化学,2002,22(1):1-3.[4]ReikW，WalterJ．Evolutionofimprintingmechanisms：thebattleofthesexesbeginsintheZygote．NatGenet，2001，27：255—256．[5]RougierN，Bourn’hisD，GomesDM，eta1．Chromosomemethylationpatternsduringmammalianpredimplantationdevelopment．GenesDev，1998，12：2108-2113．[6]TraslerJM．Gameteimprinting：settingepigeneticpatternsforthenextgeneration．ReprodFeailDev，2006，18：63·69．[7]QuennevilleS,VerdeG,CorsinottiA,KapopoulouA,JakobssonJ,OffnerS,BaglivoI,PedonePV,GrimaldiG,RiccioA,TronoD.Inembryonicstemcells,ZFP57/KAP1recognizeamethylatedhexanucleotidetoaffectchromatinandDNAmethylationofimprintingcontrolregions.MolCell,2011,44(3):361–372.[8]IyengarS,IvanovAV,JinVX,RauscherFJ,FarnhamPJ.FunctionalanalysisofKAP1genomicrecruitment.MolCellBiol,2011,31(9):1833–1847.[9]Bourc'hisD,XuGL,LinCS,BollmanB,BestorTH.Dnmt3Landtheestablishmentofmaternalgenomicimprints.Science,2001,294(5551):2536–2539.[10]马馨,张胜,杨树宝等.母源效应蛋白在基因组印记维持中的作用.Hereditas(Beijing),2014,36(10):959―964.[11]张峰锐,何小兵,王基平.基因