表觀遺傳學相關(guān)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(chǎn)生表型明顯變化，這種改變可在生物體發(fā)育和細胞增殖的過程中穩(wěn)定遺傳給后代。其主要分子機制有：DNA甲基化、非編碼RNA調(diào)控、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑等。隨著表觀遺傳學的深入研究，與其相關(guān)的疾病得以了解甚至解決，此外，其對于生物體生長發(fā)育及揭露生命現(xiàn)象本質(zhì)的相關(guān)研究提供了理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】表觀遺傳學；DNA甲基化；組蛋白修飾；非編碼RNA；染色質(zhì)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(fā)現(xiàn)了遺傳規(guī)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(fā)現(xiàn)許多分離定律與自由組合定律所不能解釋的遺傳現(xiàn)象，將這兩種定律歸類于經(jīng)典遺傳學，以表明基因中核苷酸序列發(fā)生改變必定導(dǎo)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(qū)別，此現(xiàn)象并不符合經(jīng)典的遺傳學理論。在相應(yīng)的基因核苷酸序列未發(fā)生改變的情況下，部分生物體的性狀發(fā)生了明顯變化。對于這些現(xiàn)象，人們用表觀遺傳學解答這類問題。在生物學領(lǐng)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(wěn)定，甚至在隔代的遺傳中保持穩(wěn)定，現(xiàn)代研究表明，在生物體有絲分裂和減數(shù)分裂的過程中，基因表達發(fā)生改變，進而產(chǎn)生生物體表型的改變，并且這種改變會隨著親代穩(wěn)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(huán)境的因素會導(dǎo)致生物的基因表達不同，但基因本身不會發(fā)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(xiàn)型之間的關(guān)系時指出，基因型的遺傳屬于經(jīng)典遺傳學的范疇，而基因型產(chǎn)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(guī)律和生物體在發(fā)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?qū)傩裕唇?jīng)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(fā)生在生物體發(fā)育的整個過程中，也發(fā)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(jīng)典遺傳學是對應(yīng)的。表觀遺傳學是指基因序列在未發(fā)生變化的情況下，基因的表達發(fā)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(shù)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(fā)生改變或其發(fā)生的變化不能解釋。經(jīng)典遺傳學是指基因序列發(fā)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(gòu)等。兩者的不同之處就在于一個遺傳信息發(fā)生了改變而一個沒有發(fā)生改變。

2 表觀遺傳學的分子機制

表觀遺傳學的主要內(nèi)容包括兩部分，一個是基因轉(zhuǎn)錄過程中的調(diào)控，主要研究作用于親代的環(huán)境因素對后代基因表達產(chǎn)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(zhì)重塑等；另一個是基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控，主要研究RNA的調(diào)控機制，如非編碼RNA調(diào)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(yīng)的DNA序列在不改變的情況下，遺傳表型發(fā)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(jié)構(gòu)，2CpG和2GpC這兩種結(jié)構(gòu)中的兩個胞嘧啶的5'碳原子在甲基轉(zhuǎn)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(xiàn)特定的空間結(jié)構(gòu)。大部分的脊椎動物基因組的DNA中都有少量的此類結(jié)構(gòu)，它主要集中出現(xiàn)在基因的5'端非編碼區(qū)，并成簇出現(xiàn)。DNA甲基化主要產(chǎn)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(jié)構(gòu)60%-90%都會發(fā)生甲基化，未被甲基化的CpG結(jié)構(gòu)成簇地結(jié)合形成CpG島，位于結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄啟始點和啟動子的核心序列。DNA的甲基化能導(dǎo)致基因的失活，導(dǎo)致某些區(qū)域DNA構(gòu)象的改變，從而影響DNA與蛋白質(zhì)的相互作用，甲基化達到一定程度后常規(guī)的B-DNA會轉(zhuǎn)化成Z-DNA，而Z-DNA結(jié)構(gòu)收縮，螺旋加深，導(dǎo)致許多蛋白質(zhì)因子所需的元件縮入大溝，因而不利于轉(zhuǎn)錄的起始，導(dǎo)致基因失活。DNA的甲基化位點可以伴隨DNA的復(fù)制而復(fù)制，DNA復(fù)制后，DNA甲基轉(zhuǎn)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(fā)育不利的癥狀發(fā)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(zhuǎn)錄或?qū)е禄蚪M不穩(wěn)定，進而引發(fā)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(fā)育及疾病的治療具有重大意義。

2.2 非編碼RNA調(diào)控 非編碼RNA是具有調(diào)控作用的一類功能性RNA分子。它不能翻譯為蛋白質(zhì)，但在調(diào)控基因的表達過程中起重要作用。非編碼RNA調(diào)控通過某些機制對基因轉(zhuǎn)錄進行調(diào)控，如RNA干擾（在生物體的進化過程中高度保守并由dsRNA引發(fā)的同源mRNA高特異性降解，誘發(fā)基因沉默的現(xiàn)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(fā)揮順式調(diào)節(jié)作用；短鏈非編碼RNA則在基因組水平調(diào)控基因的表達并介導(dǎo)mRNA的降解，還包括誘導(dǎo)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)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(zhì)的mRNA相比，大多數(shù)的lncRNA都是由RNA聚合酶Ⅱ催化轉(zhuǎn)錄形成，但其序列的保守性與表達的豐度比較低，表現(xiàn)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(jīng)在Dicer酶的剪切下產(chǎn)生21-25nt的dsRNA片段，裝載到AGO蛋白復(fù)合體上發(fā)揮作用。siRNA是RNA干擾的主要執(zhí)行者，還能夠介導(dǎo)DNA的甲基化及組蛋白的修飾，從而誘發(fā)基因沉默。miRNA則為約21-25nt的單鏈RNA，其主要是生物體內(nèi)源異常RNA經(jīng)剪切產(chǎn)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(jīng)內(nèi)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(jié)合過程中起至關(guān)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(wěn)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(tǒng)的調(diào)控機制、改善現(xiàn)代生物技術(shù)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(guān)酶的催化作用下發(fā)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(zhì)的形式存在。染色質(zhì)是指細胞分裂過程中間期時細胞核內(nèi)的線性復(fù)合結(jié)構(gòu)，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(zhì)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(jié)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(guān)，能與組蛋白分子之間發(fā)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(qū)，可與調(diào)節(jié)蛋白、酶、DNA及其他蛋白發(fā)生相互作用，大多數(shù)組蛋白翻譯后的修飾都發(fā)生在該結(jié)構(gòu)內(nèi)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(zhuǎn)移酶的催化作用下而形成的。甲基化多發(fā)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(diào)節(jié)基因表達的復(fù)雜程度，甲基化個數(shù)與基因沉默、激活的程度相關(guān)。在許多組蛋白修飾方式中，組蛋白甲基化是其中較為穩(wěn)定的，適合用于穩(wěn)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(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能，通過這些修飾方式的不同組合發(fā)揮著調(diào)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(jù)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(zhì)重塑 染色質(zhì)重塑是一個重要的表觀遺傳分子機制，指由相關(guān)復(fù)合物介導(dǎo)的一系列變化過程，這些變化的基本特征為染色質(zhì)上核小體的變化。在基因的重組和復(fù)制等的過程中，染色質(zhì)的組裝形態(tài)、核小體組蛋白及其所對應(yīng)的DNA分子發(fā)生了變化。

在染色質(zhì)水平上DNA會進行復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、修復(fù)、重組等過程，染色質(zhì)重塑可能會導(dǎo)致核小體的空間位置或形態(tài)的改變，進而引起染色質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的變化。這些變化主要包括兩種，一種是處于緊縮狀態(tài)的染色質(zhì)絲中核小體之間位置發(fā)生變化（即松動），導(dǎo)致染色質(zhì)解壓縮，暴露出基因轉(zhuǎn)錄啟動子區(qū)中的順式作用元件，為反式作用因子與其結(jié)合提供了可能，對基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生影響；另一種是引起染色質(zhì)特定區(qū)域?qū)嗣阜€(wěn)定性的改變。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)在基因啟動子的區(qū)域內(nèi)存在染色質(zhì)結(jié)構(gòu)重塑，重塑因子和TF（轉(zhuǎn)錄因子）都能與啟動子上特定的位點結(jié)合，令特定的核小體位置或空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致染色質(zhì)對核酶的敏感性發(fā)生改變。具有ATP酶活性的染色質(zhì)重塑因子能對核小體重新進行定位，導(dǎo)致核小體結(jié)構(gòu)的改變，組蛋白共價修飾。

總的來說，染色質(zhì)重塑后使染色質(zhì)或核小體發(fā)生變化，改變了基因與有關(guān)轉(zhuǎn)錄的酶的接觸概率，從而控制基因的轉(zhuǎn)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(jīng)典遺傳學所不能解釋的現(xiàn)象，它的迅速發(fā)展有利于在分子水平上揭示比較復(fù)雜的臨床現(xiàn)象，幫助人們進一步了解生物體并征服相關(guān)疾病。在人類疾病研究中，腫瘤的形成和發(fā)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(diào)控基因的表達，這意味著非正常的表觀遺傳修飾可能是導(dǎo)致腫瘤產(chǎn)生的原因。這些分子機制出現(xiàn)在腫瘤發(fā)生到發(fā)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(yù)防和臨床診斷、治療都具有較重要的指導(dǎo)意義[7]。

此外，表觀遺傳的調(diào)控在有關(guān)生物學的其他領(lǐng)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(wěn)定；非編碼RNA對有關(guān)學習記憶的機制的調(diào)控及其與免疫系統(tǒng)調(diào)控之間的關(guān)系等。人類研究表觀遺傳的路程尚未停止，在發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象后，又有著一系列與之有關(guān)的問題出現(xiàn)，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(huán)境變化之間的關(guān)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(xiàn)？這還需要我們對其進行更深入的研究。總而言之，現(xiàn)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(jīng)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(chǎn)生活的需求。

參考文獻

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