胚胎發育過程中表觀遺傳學研究進展

白紅梅 何金英 馬玉珍（通訊作者）

（1 內蒙古醫科大學 內蒙古 呼和浩特 010059）

（2 內蒙古自治區人民醫院生殖中心 內蒙古 呼和浩特 010000）

表觀遺傳學為英國著名的科學家沃丁頓于1942 年首次提出，是指在DNA 核苷酸序列不改變的情況下，基因表達改變的機制。表觀遺傳學主要與基因表達調控有關，包括：（1）DNA甲基化：即位于基因啟動子及印記基因印記控制兩個區域中Cp G二核苷酸上胞嘧啶殘端DNA 甲基化。（2）組蛋白修飾：指的是氨基酸尾部特殊性氨基酸殘端的組蛋白修飾。（3）非編碼RNA 表達沉默基因有關調控[1]。目前的研究表明表觀遺傳學對基因表達的調控作用是通過有絲分裂或減數分裂遺傳給后代的。其中組蛋白修飾和DNA 甲基化對胚胎發育和著床作用重大，不僅會對生長發育產生影響，同時還能影響到后代，部分甚至能隔代遺傳[2]。

1.胚胎發育和組蛋白修飾的關系

在真核生物當中，組蛋白、染色體DNA 結合進一步在染色質中可觀察到重復性的核小體單位，這是146 對堿基、8 個組蛋白纏繞之后卷曲和壓縮產生的[3]。主要的核蛋白有H2A、H2B、H3 以及H4，H1 及H5 為連接組蛋白，主要核蛋白是組蛋白核心部位，而連接組蛋白作用是連接DNA。組蛋白是上高度保守蛋白進行進化之后將翻譯后修飾作為自身特征，其轉錄后修飾種類較多[4]。組蛋白氨基酸的尾部暴露在核小體的表面，為進一步適應基因轉錄改變其自身結構，以此促進DNA 與轉錄因子結合進而對下一步的基因表達起到調控作用。轉錄調控是胚胎發育的關鍵事件，表觀遺傳機制如組蛋白修飾對介導穩定轉錄調控十分重要。

1.1 組蛋白甲基化和胚胎發育的關系

甲基化修飾體現在組蛋白H3、H4 賴氨酸與精氨酸這兩種殘基方面，其中組蛋白H3 甲基化和多種密切關系到發育、分化的基因表達調控相關[5]，Cosgrove 等研究認為組蛋白殘基的甲基化在調節基因轉錄促進基因的激活或沉默[6]方面H3K4me3、H3K36me3、3K9ac 為轉錄活性重要激活信標志之一[7]，而H3k9me3 和H3K27me3 與基因抑制有關[8]。此外，其他組蛋白修飾，如H3k4me2 和H3k9me2 也可以受到外界環境影響[9]，進而影響胚胎發育。

小鼠H3K4me3 和H3K27me3 在胚胎的基因轉錄活性中起著重要的作用[10]。編碼組蛋白H3K9 甲基化轉移酶G9a 喪失活性將會使早期胚胎停止生長停育[11]。由此可見，胚胎期間的組蛋白甲基化不可或缺。賴氨酸去甲基化酶KDM5B 是調節基因組穩定性的關鍵因子，可催化組蛋白H3K4 的二甲基化和三甲基化去甲基化至單甲基化狀態[12]。2014 年SUI，X 等研究發現KDM5B 的異位表達減少H3K9me3 可以大大促進胚胎發育，其潛在的分子調控機制仍沒有進行深入的研究。另外在胚胎發育過程中，敲除組蛋白去甲基化酶 KDM5A 后可使H3K4me3 和H3K27me3 喪失平衡性，使得Tet 家族成員的表達增加，Tet 家族對5-羥基尿嘧啶氧化狀態開展調解，能對小鼠胚胎的干細胞內部組蛋白修飾、DNA 甲基化起到調控作用[13]。敲除KDM5A 基因的小鼠在胚胎圍生期由于神經系統發育的缺陷而死亡[14]。2015 年Kawakami E 等經研究認為編碼組蛋白去甲基化酶的Fbxl11 基因敲除小鼠胚胎于第8.5d 產生生長阻滯，第9.5d 配套體積和對照組比較明顯較小，第10.5d 生長阻滯胚胎出現胚胎退化、神經管關閉缺陷等表現，第12.5d 產生形態學死亡，因此，我們推斷組蛋白甲基化對維持胚胎正常發育十分重要[15]。同時組蛋白甲基化能對胚胎發育產生影響，或造成胚胎停止發育甚至死亡。

1.2 組蛋白的乙酰化和胚胎發育

組蛋白的乙酰化在胚胎發育中起到重要作用，如染色體濃縮，DNA 雙鏈斷裂修復和轉錄等。H3 不同殘基的乙酰化會在胚胎發育期間出現多種改變，包含胚胎卵裂時H3K64ac，H3K56ac表達十分豐富，然而H3K122ac 表達微弱，提示胚胎發育期間不同種類的組蛋白修飾作用存在一定差異。乙酰化后的組蛋白、DNA 相結合，對DNA、轉錄因子之間的結合能起到一定幫助，但組蛋白的去乙酰化使得組蛋白、DNA 緊密連接，可對基因轉錄產生不良影響，兩類情況屬于組蛋白的乙酰化轉移酶（HAT）、組蛋白去乙酰化酶（HDAC）相互產生作用進而維持生物學上的平衡。組蛋白的乙酰化對DNA 復制和轉錄可以產生誘導作用，其中HDAC1 能對小鼠胚胎發育產生影響，若早期胚胎發育時就已缺乏HDAC1，會導致胚胎發育落后甚至停止。

組蛋白修飾在環境方面的影響因素包含營養素、重金屬、神經活性物質與病毒等。已有較多學者對非正常性組蛋白修飾給胚胎發育帶來的影響進行了研究。Painter 等經研究發現，處在孕期的大鼠予以低蛋白飲食能使IUGR 胎鼠肝膽固醇7α-羥化酶的表達下降，隨啟動子區的組蛋白乙酰化的修飾降低與H3K9甲基化修飾的提升，胎鼠的發育會出現異常。Aagaard-Tillery等[16]予以孕期日本獼猴高脂飲食，結果顯示，子代肝組織中的組蛋白H3 乙酰化的修飾出現變化，會對胚胎基因表達產生影響，和多種成年疾病出現關系重大。GCN5 屬于首個得到鑒定組蛋白乙酰化酶，除去GCN5 小鼠胚胎能存活至胚胎期7.5d，但胚胎期 7.5d ～8.5d 的胚胎發育明顯受到阻礙，最終多數胚胎于胚胎期 10.5d 喪失生命。HDAC1 等位基因丟失也能使得胎鼠于胚胎期 10.5d 之前死亡，同時死因為細胞增殖嚴重缺陷與神經發育重度阻滯[17]。WDR82 屬于HMT 復合體亞基之一，如果小鼠在胚胎早期WDR82 基因表達沉默，將會使得轉錄因子POU5F1 的轉錄起始點H3K4me3 的修飾缺乏，同時隨胚胎細胞數量下降，胚胎細胞死亡，胚胎生長緩慢或者死亡等[18]。

2.DNA 甲基化與胚胎發育

DNA 甲基化是指在DNA 甲基轉移酶影響下，單一甲基轉移至胞嘧啶5′碳中，造成5′胞嘧啶變為5′甲基胞嘧啶，該過程多見于CpG 胞嘧啶。屬于基因組DNA 表觀遺傳修飾的主要形式之一，對基因組功能調控作用重大。哺乳動物中DNA 甲基化的模式大多被刪除，然后在子代間重新建立，每次胚胎發育早期都會發生去甲基化和再甲基化過程。應該注意的是，個體基因組區域的DNA 甲基化是受營養，環境和其它因素影響的動態模式。這些表觀遺傳過程發生在胚胎發育的特定階段，并在生命周期中發生動態變化。

DNA 甲基化不僅能對轉錄水平起到調控作用，同時還和維持染色體結構的穩定性、X 染色體活性喪失、基因印記等關系密切。脊椎動物的胚胎在發育期間，需將DNA 甲基化狀態及水平維持在正常狀態，進而滿足胚胎發育和組織的特異性分化需求。研究發現：斑馬魚胚胎在發育期間，部分器官尾部分化是在DNA 甲基轉移酶、組蛋白甲基轉移酶二者共同作用下進行。對于Dnmt3缺失一類斑馬魚，其腦部與視網膜發育均存在缺陷，且神經發生時調節因子lef1 啟動子區的甲基化程度下降，而基因表達上升，提示lef1 會受到Dnmt3 調控。深入研究顯示Dnmt3 與 H3K9甲基轉移酶G9a 會對lef1 表達一同起到調控作用，進而對胚胎發育過程中神經系統的發生產生影響。

3.展望

在表觀遺傳學中，DNA 甲基化與組蛋白修飾屬于一個熱點話題，胚胎發育期間能起到重要作用，當前表觀遺傳學給生殖帶來的影響除開展廣泛研究之外，還應對其DNA 甲基化、組蛋白修飾怎樣進行轉錄調控及動態調節、采取哪種類型的信號通路對下游事件出現產生作用等多種過程開展深入探索，能將表觀遺傳學有關科研成果和臨床實際運用有效結合，對胚胎發育過程中表觀遺傳學修飾這一生物學過程具有更加重要的意義。