人类疾病中的高级基因组改变研究进展

人类疾病中的高级基因组改变研究进展北京世纪体医院心内科杨水祥崔育夏摘要：基因组通过DNA折叠成染色质纤维、染色体域、和最终的染色体组成高级复杂的结构。这种高级基因组织对基因调节和基因表达的控制起着重要的作用。染色体在组成过程中的缺陷与生理和病理过程有关。一些基因组织的突变和转录的错误调节与人类疾病和染色质结构整体的改变是有一定关系的，染色质结构对基因稳定的维持、凋亡和癌细胞的转移起着关键作用。关键词：基因组，DNA，染色质，疾病基因组在原始状态下被折叠成更为高级复杂的结构。DNA不同等级的折叠形成了染色质纤维、染色体域和最终的染色体，在最低级的水平，DNA被包裹在八聚体和核心组蛋白的周围，它们是染色质形成核小体的重要结构成分。成倍核小体通过DNA的伸展连接在一起，并且经常被一种连接组蛋白占据，从而形成串珠状的直径大约10nm的纤维。这些初级的纤维通过进一步的相互压缩形成不同直径更为高级的纤维，虽然这些高级纤维在体内精确的几何结构仍不为人们所知。在更进一步的水平，染色质纤维折叠成大小约1Mb左右的亚染色体域，这些亚染色体域依次被折叠从而进入到染色体间期。在哺乳动物的细胞中，裸露的DNA压缩形成染色体纤维大概需要10000次折叠。在细胞间期，染色体是以染色体域的形式存在的。一个染色体域被定义为特定染色体的DNA占据在核中心的区域。这里所谓的“域”指的是被占据的空间是紧凑的，有特点的，直径大约2-3nm的粗糙圆形区域染色体域的内在结构虽然不太清楚，但它很可能是由环状染色质纤维之间形成的通路通过相互紧密连接和网状分岔组成的。这种相对开放的结构可以使基因调节因子进入到染色体域的内部。虽然染色体域在核仁内部是离散的结构，但相邻的染色体能大部分地重叠在一起，而且染色质环能从一个域很容易地进入到相邻的另一个域。目前认为这种由更高级结构的基因形成的染色质纤维和染色体对基因的调节起着精密的作用。因此这些高级染色质和染色体的结构缺陷导致疾病并不值得惊讶。目前已经证实组蛋白修饰的改变可导致越来越多的疾病，虽然我们并不清楚这些改变究竟是疾病进程中的一个原因还仅仅是其中的一个影响因素。而且，许多疾病相关的遗传改变被认为导致了高级染色质结构的改变，但这种显性疾病究竟是由于染色质结构的缺陷还是由于特定基因组蛋白修饰的改变引起基因表达的改变所导致，目前仍不太清楚。本文主要概述包括真正染色质结构缺陷在内疾病的发病机制进展。疾病中结构染色质蛋白染色质的高级结构是通过多数结构染色质蛋白调节的一些蛋白质，例如连接组蛋白、高迁移蛋白、异染色质蛋白1，广泛修饰着染色质纤维，另一些蛋白质则仅仅与纤维部分相连并且参与染色质环的形成。成环是一种基因调节的显著和强大的机制，因为环可以使相距很远的基因片段连接在一起，并通过这种方式导致调整序列和靶目标的自然相连。一些关键的结构染色质蛋白参与成环，并与许多疾病有关。SATB1SATB1（特殊富含AT的结合蛋白1）是一种胸腺细胞分泌的特殊的DNA结合蛋白。它最初表现出这种特性是因为相对于超螺旋的张力它可以伸展的姿态拥有对富含AT序列结合的倾向，这种独特的结合特性已经提示SATB1在高级基因结构中可能的结构作用，并通过在胸腺细胞的核仁内找到SATB1的矩阵表现形式“cagelike”得以证实。这一特性对固定、环的形成和T细胞分化过程中许多基因的精密调节起着一定的作用。一些T细胞分化基因的调节是由SATB1决定的，SATB1的缺失可导致巨大的分化缺陷。虽然一些效应很可能是因为SATB1补充组蛋白的修饰活动和染色质的复合物重塑，但SATB1的调节功能归因于它促进高级染色质环结构形成的能力。例如，T辅助细胞细胞因子的激活在T细胞的分化过程中位于2号基因座，需要基因座控制区上游（LCR）的启动子控制区的叠加。环事件需要SATB1，并且已发现SATB1与可能是环基点的基因座有关。SATB1是充当这些环的结构支架还是作为基本的结构成分的连接物目前还没有定论。SATB1似乎在癌症中发挥着重要的作用。SATB1的表达水平与乳腺癌的预后不良有关。在体外动物模型中，SATB1的表达可以促进乳腺癌细胞的浸润生长，而它的损耗则阻碍了癌细胞的转移。在转移的乳腺癌细胞中，SATB1调控着许多主要参与细胞黏附、细胞信号通路和细胞周期调节中的基因。SATB1结合附近许多这些基因，而且它的损耗导致了这些基因遗传组成的改变。一个很具有吸引力但目前还未经证实的模型是SATB1作为一个结构平台可以为染色质环提供基地，并且指引着它的靶基因进入到共同的监管环境中。SATB1在胸腺组织中只相对低水平的表达，测定该蛋白在其他癌组织中是否发挥着相同的作用和是否在其他癌组织中影响着一系列相同的基因，将是一项有趣的工作。目前没有报道说明癌症患者的SATB1发生了突变，它将对揭开SATB1在癌症中被错误调节的机制起着重要的作用。CTCFCTCF(CCCTC结合因子)是一种锌指蛋白，它保留着重要的、高度进化的DNA结合域。这种蛋白被广泛表达，虽然它在细胞核中的水平和定位具有组织和细胞特异性。CTCF的缺失和它的过度表达对基因表达谱起着普遍重要的作用，并可引起生长和分化过程中的生理缺陷。越来越多的证据表明，CTCF作为一种绝缘体蛋白阻碍着基因靶向运动的增强子，也可以对相邻调控序列的基因起缓冲作用。各种各样的观察数据表明CTCF通过染色质成环发挥着绝缘体作用。CTCF形成染色质的同型二聚体和多聚体，CTCF介导的染色质环已经在各种各样的基因包括鼠的球蛋白b，人的MHC-II，基因印迹H19/Igf2中显露出来，因为它容易成环的特性和CTCF在基因组中广泛被介于15000-25000结合位点结合的原因，使它成为担任整体基因组组织者的强大的候选者，并且通过发现CTCF也可以介导染色体间的相互作用，强有力地支持了这一点。基因组广泛的研究表明，位于人类11号染色体上的基因印迹H19/Ig2与其他染色体上的调控元件相互作用，这些染色体间的相互作用是有效印记的关键。CTCF优先与有DNA甲基化依赖性的母系抑制等位基因H19/Ig2联合，而且大多数染色体间的相互作用出现在母系等位基因并依赖于CTCF，这些提示该蛋白在抑制过程中发挥着关键的作用，也因此证明了CTCF在染色体外的成环作用和染色体内的相互作用中所发挥的整体基因组织者的作用。CTCF与多种疾病有关。密码子重复扩增疾病包括亨廷顿氏病、脆性X智力低下和强直性肌营养不良症都是由微卫星重复序列的过度延长引起的。例如，一个健康人的HTT基因上只有不到27个CAG重复序列，而一个亨廷顿氏病病人却有超过35个，这种重复扩增的触发机制尚不明确。最近的证据表明CTCF在重复序列中有助于产生脆性位点，因此促进了它们的扩增。邻近重复序列的CTCF结合位点的突变导致基因组不稳定性的增加和重复长度的增加，就像我们在疾病中所看到的类似的情况。虽然没有测试，但它有可能干扰与CTCF的结合，目标位点的突变，或相互作用的两者之间的突变，都可以导致密码子重复疾病。CTCF和其他基因组组织者的缺陷对其他密码子重复疾病中的微卫星重复序列的不稳定扩增发挥着关键的作用。CTCF已经被认为在Silver-Russell综合征(SRS)和Beckwith-Wiedeman综合征(BWS)这两种人类综合征中起着一定的作用。BWS是一种临床症状随时间变化的发育障碍，包括发生肿瘤的频率增加、巨舌和生长过度，它是由11号染色体上的正常母系基因印迹H19/Igf2的异常活化引起的，在H19/Igf2区域上一些零星和家族的突变导致了CTCF结合位点的缺失，直接导致了疾病。同样，SRS是一种以严重生长迟缓和身体不对称为特点的发育障碍，已经被证实是由父系等位基因Igf2的活化和CTCF结合位点的突变引起的。CTCF也与癌症有关。肿瘤抑制基因p16在癌细胞中往往起着正调节作用。这种正调节与位点周围活化的染色质边界缺失和邻近位点染色质结构的缺失一致。CTCF与p16基因转录活性边界有关，而不是它的非活性形式，p16基因的活性与CTCF结合有关。相反，CTCF的减少几乎切断了p16基因的表达。有趣的是，癌细胞中CTCF结合的范围被它结合位点的甲基化物所调节，而且癌细胞也知道整个甲基化作用的缺陷。虽然这些研究有力的指出了CTCF在肿瘤抑制基因p16调节中的作用，但其他与肿瘤相关的基因看起来也以类似的方式调节，因为沉默的肿瘤抑制基因RASSF1A和CDH1也与CTCF结合有关。这些观察数据考虑到了这样一种可能性，那就是CTCF在p16基因和其他肿瘤抑制基因周围的高级染色质结构的建立和维持上起着关键作用，了解这种方式有助于肿瘤的预防，无论CTCF的突变是否致癌仍不清楚。黏连蛋白黏连蛋白是一种多蛋白复合体，参与建立和维持DNA复制和有丝分裂过程中姐妹染色单体的配对。这种进化上保守的复合体包括4个核心蛋白，可以在复制的染色单体周围形成圆环，并将它们结合在一起，一些辅助蛋白参与复合体的加载和维护。虽然黏连蛋白传统的角色是把染色单体结合在一起，但这一传统的角色正在改变。黏连蛋白在有丝分裂后期的细胞中有着高水平的表达，并且不再是染色单体结合在一起的必要条件。此外，一些物种的全基因组图谱研究显示黏连蛋白和基因组非随机结合、黏连蛋白的分布针对于正在进行的基因转录，这些都表明黏连蛋白参与着高级染色体组织。在酿酒酵母中，黏连蛋白主要与基因间区相关并且与附近比较集中的转录基因结合，就像它在裂殖酵母中所发挥的作用那样。在哺乳动物的细胞中，黏连蛋白与CTCF在绝缘子区域共同定位，并且在果蝇中，发现这种复合体位于基因高转录区域的附近。进一步的证据发现在基因组组织黏合作用中，黏合亚基Smc1的突变导致酵母中沉默的交配型位点分界功能的缺失。Scc2/Nipped-B亚基的突变导致果蝇中启动子增强缺陷。黏连蛋白成分的突变是引起CorneliadeLange综合征(CLS)和Roberts综合征(RS)这两种以多系统发育障碍为主的疾病的原因。CLS是以严重的生长缺陷和智力低下为主的显性遗传病，RS是一种以产前和产后生长不足和智力低下为特点的罕见的隐性遗传病。但病人的细胞不显示染色质黏连和隔离缺陷，提示这种疾病的症状与黏连蛋白的非黏连功能有关。一种可能的情况是黏连蛋白成分的突变削弱了复合体与整个基因组目标位点的联系，并且干扰了它通过与CTCF合作产生的边界和绝缘功能。未能正确定义的基因边界可能导致广泛基因的错误表达，人类细胞中黏连蛋白的损耗则确实可以改变几百个基因的表达。有趣的是，黏连蛋白在生长过程中越来越多地受到一些生长调节基因的控制，这也就解释了CLS和RS都是以产前和产后生长和发育不足为特点的疾病。C-MYCC-MYC是一种典型的致癌基因。它编码一个基本的螺旋-环-螺旋拉链转录因子，在肿瘤的许多重要事件包括增殖、细胞周期的调控和细胞调亡中扮演着重要的角色。一般认为C-MYC是靠一些选定的靶基因发挥作用的，它们的错误调节在很大程度上解释了致癌基因的有害作用。然而，C-MYC结合位点的全基因组图谱显示C-MYC可与多达15%的人类基因结合，而不是与一些靶基因结合，并且可以和基因间的区域联系在一起，从而暗示C-MYC的其他一些功能。一些其他的观察资料也显示C-MYC在高级染色质结构中可能有更多的功能。在分离的细胞中，神经干细胞显示在核骨架和染色质组织中有着巨大的缺陷，包括细胞核的缩小、细胞核形态异常和染色质的广泛浓缩。重要的是，这些变化似乎与细胞增殖和凋亡的功能缺陷无关，表明它们并不是继发的，C-MYC的严重破坏概括了染色质的缺陷并进一步支持了这个事实。在分子水平，C-MYC的缺失导致了H3和H4组蛋白的乙酰化，但组蛋白3和赖氨酸9中三甲基的显著增长与这些细胞中异染色质的增长是一致的。这些资料强有力地证明C-MYC调节着整个染色质结构，并且有助于维持常染色质处于一个开放、易被诱导的状态。C-MYC在高级染色质组织中的作用机制还不是很清楚。一种模型是说这种蛋白质吸引组蛋白的修饰活动，染色质重塑机制使它的许多结合位点分布在整个基因组，因此，基因组的很