表观遗传学的研究内容及意义论文

表观遗传学是研究基因的核苷酸序列不发生改变的情况下，基因表达的可遗传的变化的一门遗传学分支学科。表观遗传的现象很多，已知的有DNA甲基化（DNA methylation），基因组印记（genomic imprinting），母体效应（maternal effects），基因沉默（gene silencing），核仁显性，休眠转座子激活和RNA编辑（RNA editing）等。表观遗传的研究进展：1 DNA甲基化 DNA甲基化是指在DNA序列的胞嘧啶核苷酸的特定位置共价加减甲基基团的一种变化。甲基化反应进行的程度受到DNA甲基转移酶（DNA methyltransferases，DNMTs）的控制。在脊椎动物中，甲基基团的共价加减反应只会发生于启动子区域的胞嘧啶与鸟苷酸含量丰富的区域，即所谓的CpG岛（CpG islands）[5]。 1.1 低甲基化 在机体正常的生理条件下，位于启动子区域外的大约80%的CpG二核苷酸结构处于甲基化状态。全基因组的甲基化程度降低或者处于低甲基化状态会导致信使RNA水平受到抑制。结肠癌患者的DNA总体水平处于低甲基化状态，是首次阐述的表观遗传调控的异常情况[6]。低甲基化状态通过促进有丝分裂导致染色体重组，引起基因组不稳定现象如基因缺失，易位等发生肿瘤。DNA低甲基化状态还与原癌基因如c-Jun、c-Myc及c-Ha-Ras的激活作用有关[7]。目前的研究证实，肿瘤组织的DNA大部分都处于低甲基化状态，低甲基化加速癌变进程[8-9]。 1.2 高甲基化 通常，高度甲基化发生于特定的某一基因。基因组启动子区域CpG岛的高度甲基化状态基因的转录沉默，随后导致蛋白表达的缺失。肿瘤抑癌基因的高甲基化被认为是基因沉默致等位基因缺失或突变的一种途径[10]。细胞周期、DNA修复、血管生成、致癌物质的代谢、细胞凋亡以及细胞间相互作用等生物事件都涉及基因的高甲基化。另一方面，基因的高甲基化同样会发生于正常的生理进程，例如，女性的第二X染色体巴氏小体（Barr body）失活期间存在基因的高甲基化。此外，基因的高甲基化还是一种与衰老以及抑制甲基化诱导的重复DNA序列转录以保持基因组稳定性的生理过程。 1.3 DNA甲基化的检测方法 组织标本DNA或外周血及机体其他分泌体液如胆汁等的甲基化程度的检测有几种不同的实验方法。这些方法充分利用DNA的稳定性检测甲基化的程度。在DNA甲基化测序方法发明之前，人们常常利用甲基化敏感的同裂酶检测DNA甲基化程度。这种方法的一个主要缺点是，少于5%的甲基化胞嘧啶被错估在给定的DNA序列中。20世纪90年代早期开始，一种高灵敏度检测甲基化程度的方法即对DNA亚硫酸盐修饰方法逐渐被人们所接受。经过亚硫酸盐修饰后，未甲基化的胞嘧啶转变为尿嘧啶，而发生甲基化的则不发生转变。随后，采用与甲基化DNA序列相匹配的特异性引物和探针，定性或定量的甲基化特异PCR方法（methylation-specific PCR，MSP）检测甲基化程度被广泛使用[11]。MSP法的优点在于积极显示甲基化的胞嘧啶，以及描绘出给定DNA序列的基因整体甲基化状态。结合了实时定量的MSP方法则能够给出测定样品甲基化等位基因的百分比。 DNA测序方法也常被应用于亚硫酸盐修饰处理的DNA检测中，目的是确定高度甲基化或低度甲基化的特定区域。这是一种检测不同程度甲基化特定区域特别有用的，且有助于特异性更高的MSP检测时引物及探设计的方法。现在人们熟知的焦磷酸测序是一种基于聚合原理的DNA测序（确定DNA中核苷酸的顺序）方法。它依赖于核苷酸掺入中焦磷酸盐的释放，而非双脱氧核苷三磷酸参与的链终止反应[12]。 PCR技术的一个缺陷是只针对目标候选基因进行实验。近来，高通量技术、全基因组及芯片平台技术应用于肿瘤组中特定的甲基化类型的检测。甲基化DNA免疫沉淀法（methylated DNA immunoprecipitation，MeDIP）是一种富集甲基化DNA的方法。它依据的原理为基因组DNA可以被超声波裂解而随意地进行修剪，同时被特异性5-甲基胞苷的抗体免疫沉淀。这种技术可以用来测定整体基因组甲基化程度以及鉴别异常甲基化的基因[13]。甲基化CpG岛扩增（methylated CpG island amplification，MCA）是基于在甲基化敏感性限制性酶如仅在未甲基化位点进行剪切，在胞嘧啶于鸟苷酸间留下平端SmaⅠ酶对基因组DNA的消化作用的一种方法[14]。 2 染色质修饰 染色质是由组蛋白与DNA组成的。组蛋白是染色质的蛋白组分，DNA分子与其紧密结合，构成核小体。组蛋白翻译后有多种修饰的方式，包括甲基化、乙酰化、磷酸化以及泛素化等。这些修饰反应会影响组蛋白与DNA分子的相互作用，从而导致基因转录、DNA修复与复制、染色体的重排生理过程发生改变。 目前，对于赖氨酸残基乙酰化修饰是研究的比较透彻的组蛋白修饰反应。总体上，组蛋白乙酰化与转录激活相关联，而去乙酰化则与转录抑制有关。乙酰化作用可中和位于组蛋白尾部的赖氨酸残基电荷，减少组蛋白尾部与DNA结合键的长度。这种现象表明核小体更加容易接近转录因子而发挥生物学作用。组蛋白的甲基化作用对转录过程起到积极地或消极地影响。伴随着DNA的甲基化作用与组蛋白不同类型的修饰同时发生，染色质的修饰效果将会发生明显改变。这一领域是目前研究的热点[15-16]。对于染色质修饰的检测手段目前有质谱分析方法与DNA测序技术。质谱分析方法可以很方便且准确地对染色质的修饰程度进行检测。但是，这些技术仅局限于实验室使用，而且对仪器设备的要求较高。为了阐述组蛋白修饰的真正生物学意义，DNA序列的详细信息也是必需的。最佳的检测技术为染色质免疫沉淀反应（chromatin immunoprecipitation，ChIP）联合特异地与组蛋白修饰变化反应的抗体DNA测序技术[17-18]。 3 印记基因丢失 基因组印迹是一种在基因组DNA水平上对双亲等位基因特异性的修饰作用，这种作用发生在胚胎发育早期，具有不包括DNA序列变化，但影响基因调控以及引起两个等位基因不同表达的特性。它是一个基因的特定亲本等位基因或其所在染色体在配子或受精卵中发生的基因外遗传学修饰[19]，与该等位基因的表达或不表达密切相关。绝大多数印记基因成簇地分布在很大的染色体区域，在发育过程中起着十分重要的作用。印记基因具有单等位基因表达的特点，即仅从亲代中的一方获取拷贝体。常染色体基因中大约1%的基因为印记基因。由于基因表达仅仅取决于亲代中的一方，所以子代基因的表达在很大程度生依赖于亲代生活的环境条件。研究表明，一些疾病如自闭症、精神分裂症、Angelman综合征、隐睾-侏儒-肥胖-低智能综合征（Prader-Willi syndrome）以及Beckwith-Wiedemann综合征与印记基因丢失关系密切[20]。 4 非编码RNA 在非编码RNA的研究中，microRNA的研究最为清楚。microRNA长度大约为22个核苷酸片段，受长片段的非编码RNA或基因内含子所编码。microRNA在核内转录，再经历一系列变化最终成为成熟体发挥生物学功能[21-22]。microRNA可能通过两种方式抑制mRNA翻译成为蛋白质。若microRNA是mRNA的直接补充序列，那么microRNA则与mRNA结合同时通过RISC复合体将其降解。若microRNA的序列不能与mRNA进行很好的匹配，则microRNA部分结合于mRNA的3′末端，从而抑制转运RNA的活性，导致翻译不能进行[23]。常见的短链RNA为小干涉RNA（shot interfering RNA， siRNA）和微小RNA（MicroRNA， miRNA）。RNA无论以反义转录本存在的、非编码的RNAs，或RNAi均能导致异染色质形成，并且在有丝分裂中可以遗传的转录沉默。microRNA完全有能力如通过调节组蛋白去乙酰化酶分子从而控制核染色质结构的表观遗传途径方式，调控靶基因表达。 此外，microRNAs与肿瘤的表观遗传学进程密切相关，其可能通过协同肿瘤细胞内相关经典的致癌基因或者下调肿瘤抑制基因的表达，来影响肿瘤的进程。肿瘤细胞系中microRNAs表达水平的变化可能直接影响肿瘤细胞的某些基本行为方式，如肿瘤细胞的增殖与凋亡[24]。microRNAs除了在肿瘤抑制及肿瘤诱发中发挥作用，其还被认为是肿瘤相关药物抗性主要基因的调节因子。目前认为microRNAs作为肿瘤相关药物抗性主要基因的调节因子存在两种机制：一种是遗传学机制，另一种为表观遗传学机制。虽然关于化疗后基因改变的证据是有限的，但是已有大量研究揭示耐药肿瘤细胞在化疗后发生显著地表观遗传学改变[25-27]。同时，还表现在microRNAs表达的变化方面[28]。如Lujambio等[29]研究指出，miR-148的高度甲基化状态导致其自身的表达向下调节，可能的机制为miR-148可以加强乳腺癌细胞中DNMTs的超表达的正反馈。若给予乳腺癌患者DNA脱甲基化药物制剂治疗，则会减弱乳腺癌肿瘤的生长及抑制肿瘤转移。 5 环境对表观遗传影响 越来越多的研究表明，环境因素如二手烟、酗酒、病毒性肝炎、工业污染以及碳排放等在疾病发生的早期阶段扮演一个重要的角色。表观遗传能够对这一现象做出合理解释[30]。据文献资料记载，二战期间（1945～1945年），占领区的荷兰被德军实行严格的食物供给限制政策，每日的食物仅仅为2个土豆、2片面包及1片甜菜根。60年后，与他们同性别的兄弟姐妹相比较，饥荒时期怀孕母亲遗传给后代的基因依然包括印记基因IGFR2。据推测造成这一变化的原因可能为饥荒时期怀孕母亲的叶酸摄入不足导致。另外一份针对单卵双胞胎生命的不同时期进行基因甲基化与组蛋白修饰研究表明，年轻时期双胞胎的表观遗传机制几乎一致。但是，到了50岁时，两者表现为显著的差异，提示环境因素可以改变表观基因组的表达[31]。 6 表观遗传在医疗实践中的应用 表观遗传调节基因表达的事件已经作为解释发育生物学以及人类疾病病因的研究机制。例如，癌组织的高度甲基化使得许多细胞通路的多基因被沉默[32]。通过研究这些基因，可以了解癌症的产生及发展。目前，相关研究的大部分主要集中于单个基因，而没有深入进行相关基因沉默的功能研究。随着人类全基因组基因芯片平台技术的发展，DNA甲基化将被更深入的阐明其生物学功能。从表观遗传连同其他遗传信息共同获得的分子信息来看，可以对肿瘤及疾病形成一种全新的分类体系。这个理论上的分类系统目的是用来阐述患者总体的预后情况、术后病情复发风险、化疗的反应等信息的肿瘤生物学内容。 随着人们对疾病发病原因相关知识的积累，有希望掀起高效治疗疾病的新药物制剂的新时代。对DNA的表观遗传修改具有潜在的可预防或者可逆转的作用。例如，通过抑制DNA甲基化转移酶（DNMTs）的作用就可以阻断DNA甲基化发生，结果导致子代细胞启动子区域CpG岛的脱甲基化，随后引起肿瘤抑制基因的持续表达以及肿瘤生长因子的表达受到抑制。目前，一些DNA脱甲基化化合物如5-氮杂胞苷（5-azacytidine）、5-氮杂-2′-脱氧胞苷、普鲁卡因胺，已经被人们深入研究。但是，毒副作用限制这些药物的广泛使用，使其仅仅被用于骨髓增生异常综合征的患者治疗中。有研究预测，脱甲基制剂可能被用来加强传统化疗方式的效力[33]。此外，还有相当一部分组蛋白乙酰化抑制剂（HDAC），如曲古抑菌素、丙戊酸、丁酸钠等被用来治疗癌症。这些药物通过阻塞多重HDACs的作用导致组蛋白乙酰化的增加。 总之，表观遗传学是遗传与环境相互作用的重要纽带。对表观遗传中各种因子突变导致疾病的研究的复杂程度令人难以置信，表观遗传学对基因信息是如何转录、翻译成蛋白质和表型的调节具有深远的影响，将为人类疾病的治疗指引方向，为设计新方案、研制新药提供科学依据。