表觀遺傳學相關研究概述

劉瑋清

【摘 要】表觀遺傳學表示基因中的核苷酸序列在沒有變化的情況下，產生表型明顯變化，這種改變可在生物體發育和細胞增殖的過程中穩定遺傳給后代。其主要分子機制有：DNA甲基化、非編碼RNA調控、組蛋白修飾、染色質重塑等。隨著表觀遺傳學的深入研究，與其相關的疾病得以了解甚至解決，此外，其對于生物體生長發育及揭露生命現象本質的相關研究提供了理論依據。

【關鍵詞】表觀遺傳學；DNA甲基化；組蛋白修飾；非編碼RNA；染色質重塑

【中圖分類號】R395 【文獻標志碼】B 【文章編號】1005-0019（2018）10-015-01

1 表觀遺傳學簡介

眾所周知，遺傳學一詞起源于孟德爾的豌豆雜交實驗，通過研究豌豆的相對性狀發現了遺傳規律：基因的分離定律及基因的自由組合定律，自此打開了人類遺傳學的大門。隨著人們對遺傳學研究的深入，發現許多分離定律與自由組合定律所不能解釋的遺傳現象，將這兩種定律歸類于經典遺傳學，以表明基因中核苷酸序列發生改變必定導致生物體表型改變。例而同卵雙胞胎，他們之間的遺傳信息一致，但在表型上有較明顯的區別，此現象并不符合經典的遺傳學理論。在相應的基因核苷酸序列未發生改變的情況下，部分生物體的性狀發生了明顯變化。對于這些現象，人們用表觀遺傳學解答這類問題。在生物學領域中，表觀遺傳學指的是基因表達中的多種變化。這類變化在細胞分裂的過程中保持穩定，甚至在隔代的遺傳中保持穩定，現代研究表明，在生物體有絲分裂和減數分裂的過程中，基因表達發生改變，進而產生生物體表型的改變，并且這種改變會隨著親代穩定遺傳給子代[1]，但不涉及到原本基因的核苷酸序列的改變。這意味著即使環境的因素會導致生物的基因表達不同，但基因本身不會發生改變。

1942年，waddingtong在Endeavour雜志上第一次提出表觀遺傳學，他在研究基因型及表現型之間的關系時指出，基因型的遺傳屬于經典遺傳學的范疇，而基因型產生表型的遺傳，屬于表觀遺傳學的研究范圍。R Holiday在1987年提出可在基因在世代間傳承的規律和生物體在發育過程中基因表達模式的改變兩個層面上研究高等生物的基因屬性，即經典遺傳學和表觀遺傳學[2]。R Holiday在1994年再次指出基因表達模式的變化即發生在生物體發育的整個過程中，也發生在已高度分化的細胞中，此變化可通過細胞的有絲分裂遺傳下去[3]。

表觀遺傳學與經典遺傳學是對應的。表觀遺傳學是指基因序列在未發生變化的情況下，基因的表達發生了可遺傳的變化。其具有以下特點：1.具有遺傳性，指此改變可通過減數分裂或有絲分裂，在細胞或個體間世代遺傳；2.基因表達的可逆性；3.基因的核苷酸序列未發生改變或其發生的變化不能解釋。經典遺傳學是指基因序列發生改變引起基因表達的改變，如基因突變及雜合性缺失、染色體異構等。兩者的不同之處就在于一個遺傳信息發生了改變而一個沒有發生改變。

2 表觀遺傳學的分子機制

表觀遺傳學的主要內容包括兩部分，一個是基因轉錄過程中的調控，主要研究作用于親代的環境因素對后代基因表達產生影響的原因，分子機制主要包括組蛋白的共價修飾、DNA甲基化、染色質重塑等；另一個是基因轉錄后的調控，主要研究RNA的調控機制，如非編碼RNA調控，以上提到的機制也是目前研究較多的分子機制。

2.1 DNA甲基化 DNA甲基化是指具有遺傳效應的DNA序列在不改變的情況下，遺傳表型發生改變，DNA化學修飾的最常見的一種形式。

易形成DNA甲基化的基因核苷酸序列中含有較多CpG結構，2CpG和2GpC這兩種結構中的兩個胞嘧啶的5'碳原子在甲基轉移酶的催化作用下被甲基化，形成5-mC，兩個甲基集團在DNA雙鏈大溝中呈現特定的空間結構。大部分的脊椎動物基因組的DNA中都有少量的此類結構，它主要集中出現在基因的5'端非編碼區，并成簇出現。DNA甲基化主要產生5-甲基胞嘧啶和較少的N6-甲基腺嘌呤和7-甲基鳥嘌呤。基因組中的CpG結構60%-90%都會發生甲基化，未被甲基化的CpG結構成簇地結合形成CpG島，位于結構基因轉錄啟始點和啟動子的核心序列。DNA的甲基化能導致基因的失活，導致某些區域DNA構象的改變，從而影響DNA與蛋白質的相互作用，甲基化達到一定程度后常規的B-DNA會轉化成Z-DNA，而Z-DNA結構收縮，螺旋加深，導致許多蛋白質因子所需的元件縮入大溝，因而不利于轉錄的起始，導致基因失活。DNA的甲基化位點可以伴隨DNA的復制而復制，DNA復制后，DNA甲基轉移酶會將新合成的未甲基化的相同位點進行甲基化。若在細胞分裂過程中不被糾正，可引起遺傳病或癌癥等對生物體生長發育不利的癥狀發生。

DNA甲基化為目前研究較充分的表觀遺傳修飾形式。正常的甲基化對于生物體維持細胞的生長及代謝是必需的，而異常的DNA甲基化可能使抑癌基因無法正常轉錄或導致基因組不穩定，進而引發腫瘤或遺傳病。因此，研究DNA的甲基化對于了解生物體的生長發育及疾病的治療具有重大意義。

2.2 非編碼RNA調控 非編碼RNA是具有調控作用的一類功能性RNA分子。它不能翻譯為蛋白質，但在調控基因的表達過程中起重要作用。非編碼RNA調控通過某些機制對基因轉錄進行調控，如RNA干擾（在生物體的進化過程中高度保守并由dsRNA引發的同源mRNA高特異性降解，誘發基因沉默的現象）。非編碼RNA按長度可分為長鏈非編碼RNA（lncRNA）和短鏈非編碼RNA。兩者的作用不同：lncRNA主要發揮順式調節作用；短鏈非編碼RNA則在基因組水平調控基因的表達并介導mRNA的降解，還包括誘導染色質結構的改變、決定細胞分化的方向、降解外源的核苷酸序列以保護本身的基因組等[4]。

lncRNA與能夠翻譯為蛋白質的mRNA相比，大多數的lncRNA都是由RNA聚合酶Ⅱ催化轉錄形成，但其序列的保守性與表達的豐度比較低，表現出很強的特異性。起初，lncRNA被認為無生物學功能，隨著科研人員對lncRNA的深入研究，其作用機制逐漸被探知。

短鏈非編碼RNA比長鏈非編碼RNA研究得更為透徹，常見的短鏈非編碼RNA為siRNA和miRNA。siRNA來源于長的dsRNA分子，這種dsRNA一般為外源核苷酸序列，長鏈的dsRNA經在Dicer酶的剪切下產生21-25nt的dsRNA片段，裝載到AGO蛋白復合體上發揮作用。siRNA是RNA干擾的主要執行者，還能夠介導DNA的甲基化及組蛋白的修飾，從而誘發基因沉默。miRNA則為約21-25nt的單鏈RNA，其主要是生物體內源異常RNA經剪切產生，也參與RNA干擾但有其獨立的作用機制。一般情況下，只有很少量的miRNA能與其靶標mRNA完全互補，從而經內切酶直接降解mRNA，及大量的miRNA與其靶標mRNA只能部分互補，此部分在與靶標mRNA的結合過程中起至關重要的作用，是miRNA篩選靶標時特異性的決定因素[5]。這兩種短鏈非編碼RNA的作用有利于生物體自身的遺傳穩定。

非編碼RNA是目前研究最熱的表觀遺傳機制之一，它對于人類疾病研究、了解免疫系統的調控機制、改善現代生物技術等都有重要意義。

2.3 組蛋白修飾 組蛋白修飾是一種重要的表觀遺傳修飾方式，是組蛋白在相關酶的催化作用下發生磷酸化、乙酰化泛素化、甲基化、腺苷酸化、糖基化等化學修飾的過程[6]。細胞中的DNA大多存在于細胞核中，主要以染色質的形式存在。染色質是指細胞分裂過程中間期時細胞核內的線性復合結構，它由DNA、組蛋白、非組蛋白及少量RNA組成，是細胞分裂間期細胞遺傳物質的存在形式，其基本單位是核小體。核小體是由145-147bp 的DNA纏繞由組蛋白組成的八聚體而形成的，八聚體中有各兩個單位的組蛋白H2A、H2B、H3、H4。核小體之間由結合了組蛋白H1的DNA接頭連接。組蛋白的碳端有折疊基序，與DNA的纏繞有關，能與組蛋白分子之間發生相互作用，組蛋白的氮端富含賴氨酸，具有高度精細的可變區，可與調節蛋白、酶、DNA及其他蛋白發生相互作用，大多數組蛋白翻譯后的修飾都發生在該結構內的第15-38個氨基酸殘基上。

組蛋白甲基化是在組蛋白甲基化轉移酶的催化作用下而形成的。甲基化多發生在組蛋白的精氨酸和賴氨酸殘基上。甲基化有不同的程度，因此極大得提高了組蛋白修飾及調節基因表達的復雜程度，甲基化個數與基因沉默、激活的程度相關。在許多組蛋白修飾方式中，組蛋白甲基化是其中較為穩定的，適合用于穩定的表觀遺傳信息研究。而其他的修飾方式因其不確定性，能夠更為靈活地影響染色質的結構與功能，通過這些修飾方式的不同組合發揮著調控作用。

不同的組蛋白修飾的組合方式形成了“組蛋白密碼”[4]，根據這些不同的組合信息，大幅度增加了遺傳密碼的信息量，這有利于生物體表型的多樣性。

2.4 染色質重塑 染色質重塑是一個重要的表觀遺傳分子機制，指由相關復合物介導的一系列變化過程，這些變化的基本特征為染色質上核小體的變化。在基因的重組和復制等的過程中，染色質的組裝形態、核小體組蛋白及其所對應的DNA分子發生了變化。

在染色質水平上DNA會進行復制、轉錄、修復、重組等過程，染色質重塑可能會導致核小體的空間位置或形態的改變，進而引起染色質空間結構的變化。這些變化主要包括兩種，一種是處于緊縮狀態的染色質絲中核小體之間位置發生變化（即松動），導致染色質解壓縮，暴露出基因轉錄啟動子區中的順式作用元件，為反式作用因子與其結合提供了可能，對基因的轉錄產生影響；另一種是引起染色質特定區域對核酶穩定性的改變。相關研究發現在基因啟動子的區域內存在染色質結構重塑，重塑因子和TF（轉錄因子）都能與啟動子上特定的位點結合，令特定的核小體位置或空間結構發生變化，從而導致染色質對核酶的敏感性發生改變。具有ATP酶活性的染色質重塑因子能對核小體重新進行定位，導致核小體結構的改變，組蛋白共價修飾。

總的來說，染色質重塑后使染色質或核小體發生變化，改變了基因與有關轉錄的酶的接觸概率，從而控制基因的轉錄，影響基因表達。

3 生物學意義及展望

表觀遺傳學能夠解釋許多經典遺傳學所不能解釋的現象，它的迅速發展有利于在分子水平上揭示比較復雜的臨床現象，幫助人們進一步了解生物體并征服相關疾病。在人類疾病研究中，腫瘤的形成和發展分別取決于遺傳信息和表觀遺傳機制對其基因的修飾（即對基因表達的影響）。表觀遺傳可通過各分子機制調控基因的表達，這意味著非正常的表觀遺傳修飾可能是導致腫瘤產生的原因。這些分子機制出現在腫瘤發生到發展的整個過程，具有一定的組織特異性和廣泛性。因此，人們對表觀遺傳學的深入研究，對腫瘤的預防和臨床診斷、治療都具有較重要的指導意義[7]。

此外，表觀遺傳的調控在有關生物學的其他領域中也被進行了廣泛地研究。如基因工程中，外源基因表達的穩定；非編碼RNA對有關學習記憶的機制的調控及其與免疫系統調控之間的關系等。人類研究表觀遺傳的路程尚未停止，在發現新的現象后，又有著一系列與之有關的問題出現，例如：在表觀遺傳的眾多分子機制中，各分子機制之間是否存在相互作用；基因的表達與環境變化之間的關系是什么；是否還存在其他的表觀遺傳分子機制；“番茄--土豆”的雜交植株是否可以真的實現？這還需要我們對其進行更深入的研究。總而言之，現代生命科學研究向表觀遺傳學聚焦，探索其中的奧秘以彌補經典遺傳學中的不足。表觀遺傳學為人類提供了研究遺傳學的新道路，或許進一步地了解它將有利于滿足人們對生產生活的需求。

參考文獻

[1] Egger G.， Liang G.， Aparicio A.， Jones PA.， Epigenetics in human disease and prospects for epigenetic therapy[J]. Nature， 2004 （6990）： 457-463.

[2] R Holiday， The inheritance of epigenetic defects[J]. Science， 1987 （4824）： 163-170.

[3] R Holiday， Epigenetics： an overview[J]. Developmental Genetics， 1994（15）： 453-457.

[4] 尤媛媛， 郝長付， 姚武， 表觀遺傳學及其應用研究進展[J]. 現代預防醫學， 2012（3）： 715-717.

[5] 于紅， 表觀遺傳學：生物細胞非編碼RNA調控的研究進展[J]. 遺傳， 2009（11）： 1077-1086.

[6] 錢巖， 王先良， 呂占祿， 王菲菲， 朋玲龍， 表觀遺傳學修飾及其相互調控[J]. 毒理學雜志， 2013（6）： 475-478.

[7] 孫樹漢， 腫瘤的表觀遺傳學研究[J]. 中國腫瘤生物治療雜志， 2008（1）： 8-13.