2023表观遗传学基础和围产医学发展.docx

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1、2023表观遗传学基础和围产医学发展遗传学的经典原理已为临床医师所熟悉并得到广泛应用;分子遗传学的核心是生命过程中所需要的各种蛋白质由基因决定,并因此决定生命体的表型。随着医学的发展,特别是遗传学和病理生理学的发展,许多临床现象和疾病机制难以用经典的遗传学原理加以解释,如源于分化的成熟体细胞的克隆动物未老先衰;具有相同DNA序列的同卵双生双胞胎在表型和疾病易感性方面表现出明显的差异;组织特异性基因在不同受体、组织的表达不同,以及复杂疾病的发生机制与遗传学理论不一致,等等。上述现象用分子遗传学机制难以释其所以然。其实在1942年,Waddington就首先提出了表观遗传学(epigenentic

2、s)一词,并指出遗传与表观遗传的相对性,即基因型和表型的相对关系。几十年后,Holiday针对表观遗传学提出了更新的系统的释义;以后又有研究者不断推测并提出生物体内可能在基因的碱基序列未发生变化时,表型发生了改变，一个亲本基因决定了子代的某些特征,而另一个亲本基因则保持沉默,因此出现包括同卵双生双胞胎表型不同的现象,提示在基因组外存在对遗传学信息和对基因进行调控的表达机制1这就是表观遗传学产生的背景。一、表观遗传学的定义遗传学是基于基因(即遗传密码、核甘酸序列)由于任但I原因发生改变,如基因突变、基因杂合丢失和微卫星不稳定等,并因此造成子代的表型发生改变而进行研究的学科;而表观遗传学研究的是在

3、基因的核苜酸序列不发生改变的情况下,基因表达发生的可遗传变化,即子代表型的改变,也就是对非基因序列改变所致基因表达水平变化进行研究的学科口表观遗传学的发展到目前已不限于此,基于基因组水平对表观遗传学改变的研究已经有了很多结果,并形成了表观基因组学(epigenomics)。二、表观遗传学的主要现象和调控基因的原理表观遗传的现象很多,比较重要的包括DNA甲基化、组蛋白修饰、基因组印迹、非编码RNA调节和X染色体剂量补偿等,这些现象可使子代表型发生改变。1 .DNA甲基化:基因组中CpG(鸟膘吟-胞I!定二核苗酸)含量大于50%的一段DNA称为CpG岛(CPGiSland),其长度通常为12kbC

4、PG岛常位于转录调控区附近的启动子区域。人类基因组序列草图分析结果表明,人类基因组CpG岛约28890个,其数目与基因密度有良好的对应关系;大部分染色体每1Mb就有515个CpG岛,平均每IMb含10.5个CpG岛;其中Ioo1000bp且富含CpG二核昔酸的CpG岛总是处于未甲基化状态,并且与56%的人类基因组编码基因相关。DNA甲基化是指在甲基化酶的作用下,将一个甲基添加在DNA分子的碱基上,即在基因组CpG二核苗酸的胞喀碇5碳位共价键上结合一个甲基基团。在DNA甲基化过程中,胞哪D定突出于DNA双螺旋,并进入与胞口密咤甲基转移酶结合部位的裂隙中,该酶将S-腺昔甲硫氨酸(S-adenosy

5、l-L-methionine,SAM)的甲基转移到胞嗜咤的5位形成5-甲基胞喀陡2。DNA甲基化修饰可决定基因表达的模式,决定从亲代到子代可遗传的基因表达状态。CpG岛的甲基化会稳定核小体之间的紧密结合而抑制基因的表达;当一个基因的启动子序列中的CpG岛被甲基化以后,尽管基因序列没有发生改变,但基因不能启动转录,也就不能发挥功能,导致生物表型的改变。并且QNA甲基化模式可以在DNA复制后被保持,在细胞分化过程中,基因的甲基化状态将遗传给后代细胞。2006年Dolinoy等发表的孕鼠的进食对子代毛色和预防肥胖影响的研究,是典型的通过孕期食物对基因甲基化的作用产生对子代可遗传影响的例子。该小鼠的a

6、gouti基因编码一种旁分泌信号蛋白,调节毛囊黑色素细胞从产生黑色素转换为产生黄棕色素,agoUti信号蛋白表达水平直接影响着小鼠毛发的颜色。隐性等位基因a不具有agouti功能,纯合子a/a基因型小鼠不合成agoUti信号蛋白,使黄棕色素水平降低,黑色素水平升高，皮毛呈现纯黑色5。纯合子a/a基因型雌鼠在妊娠810周与具有ZJVIa基因的雄性小鼠交配启交配前2周至哺乳21d,给雌性小鼠喂饲含或不含三羟异黄酮(genistein)的膳食,250mg(kgd).结果在同一窝AvyCpG基因相同的5组Avy/a小鼠中,基因完全相同的Avy/a小鼠显示出5种不同的表现型,AvyCpG甲基化的程度(8

7、%76%)与毛色从黄至棕黑程度完全一致,棕黑色小鼠AvyCpG甲基化的程度最高4-5,说明甲基化抑制了agouti基因的表达。2 .组蛋白修饰:组蛋白为染色体的结构蛋白，是一类小分子碱性蛋白质,富含带正电荷的碱性氨基酸,能够同DNA中带负电荷的磷酸基团相互作用。染色体折叠过程中DNA与组蛋白（特别是和H3、H4、H2A、H2B和HI）结合在一起组成核小体,其中的组蛋白可被多种化合物所修饰,这类结构修饰使染色质的构型发生改变。组蛋白在翻译后的修饰中发生改变而形成组蛋白密码（histoneCOde）,后者是一种动态转录调控成分,为染色质提供一种识别的标志,即其他蛋白可与DNA结合而产生协同或拮抗效

8、应6o组蛋白修饰发生的部位和方式:主要是组蛋白氨基端的甲基化修饰和（或）乙酰化修饰使DNA和组蛋白的结合变松,才能使相关基因表达。组蛋白乙酰化与基因活化以及DNA复制相关,而组蛋白的去乙酰化和基因的失活相关.如图2所示,核小体由DNA（黑线）包绕组蛋白八聚体（紫色）组成。甲基化、磷酸化或者乙酰化修饰的转录后组蛋白能够改变压缩紧密的核小体结构。三磷酸腺苜（adenosinetriphosphate,ATP）依赖的染色质重组复合物（黄色圆柱体）,以及作用相反的组蛋白乙酰化转移酶和组蛋白去乙酰化酶,产生乙酰基结合蛋白,或甲基化-CPG-结合蛋白,以及甲基化DNA（黄色）对核小体结构进行调节7。组蛋白

9、修饰也可以通过其竣基端的泛素化发生。泛素为一种高度保守的蛋白质油76个氨基酸残基组成,已发现的差别不超过2个氨基酸。当细胞需要控制其自身蛋白的降解,以确保只废弃那些不再需要的蛋白时,泛素则在其中扮演了重要的角色。当泛素粘贴在靶蛋白分子上时,细胞就做好了降解靶蛋白的准备。因此组蛋白的泛素化影响了蛋白质的降解过程,也因此参与调节基因的表达。组蛋白修饰与CpG岛的甲基化密切相关。组蛋白修饰是基因正常表达的表观遗传学条件,即组蛋白修饰处于激活状态。组蛋白不同氨基酸残基的乙酰化一般与活化的染色质构型和常染色质(euchromatin)具有表达活性的基因相关联;乙酰化修饰大多在组蛋白H3的LyS9、14、

10、18、23和H4的LyS5、8、12、16等位点。而组蛋白甲基化可以与基因抑制有关,也可以与基因的激活相关,这往往取决于被修饰的赖氨酸处于什么位置:如H3Lys9甲基化最终导致了基因的沉默;而位于H3Lys4的甲基化则与基因的活化相关联。大部分情况下组蛋白的甲基化与浓缩的异染色质(heteroChromatin)和表达受抑的基因相关联。同时组蛋白修饰为某些蛋白提供了对染色质的识别信息,通过蛋白质和染色质的相互作用改变染色质结构,从而调控基因表达6-7。组蛋白修饰特别是其中的DNA甲基化异常将导致遗传性智力障碍疾病,也与核小体重新定位异常引起基因表达抑制有关的先天性遗传病发生相关,如X连锁-地中

11、海贫血等,某些则和乙酰化转移酶突变有关,如RubinsteinTaybi综合征,表现为智力低下、面部畸形、拇指粗大、身材矮小。3 .基因组印迹(genomicimprinting):来自父方和母方的等位基因在传递给子代时发生了修饰，使带有亲代印迹的等位基因在子代细胞中具有不同的表达特性。这种源自某一亲本等位基因或其所在染色体的修饰,包括DNA甲基化、组蛋白乙酰化和甲基化修饰,可导致不同亲本来源的2个等位基因在子代表达不同;有些只有父源的基因有转录活性，而母源的同一基因则始终处于沉默状态,另一些基因的情况则相反。印迹基因在发育过程中扮演着重要的角色,其在染色体上约80%为成簇分布,并被位于该同条

12、DNA链上的印迹中心(imprintingcenter,IC)或印迹控制区(imprintingcontrolregions,ICRs)所调控。印迹基因的异常表达可引发伴有复杂突变和表型缺陷的多种人类疾病。研究发现许多印迹基因对胚胎和胎儿出生后的生长发育有重要调节作用,对行为和大脑的功能也有很大影响,印迹基因的异常同样可诱发癌症。如Prader-Willi综合征是由于突变导致父本印迹基因,如SNPNP基因,在大脑中高表达所致,个体表现为肥胖、矮小、中度智力低下。Angelman综合征是由于母本的UBE3A基因的缺失或受到抑制所致,表现为共济失调、过度活跃、严重智障、少语、表情愉悦。而Beckw

13、ith-Wiedemann综合征为染色体11p15.5区段的多种能造成该区段印迹基因表达失衡和表观遗传学调节机制异常所致,主要原因是父本单亲二体型(UniParemaldisomies,UPDs),即胰岛素样生长因子2(insulinlikegrowthfactor2,IGF2)基因，双倍表达,母本CDKN1C基因不表达或发生突变；表现为过度生长综合征,常伴有肥胖和先天性脐疝，并在儿童期有易患肿瘤倾向。4 .非编码RNA调节:在RNA分类中有一种为功能性非编码RNAmOn-COdingRNA,ncRNA),包括长链非编码RNA(longchainncRNA,LCnCRNA)和短链非编码RNA(

14、shortchainncRNA,SCncRNA),非编码RNA不仅能对整个染色体进行活性调节,也可对单个基因活性进行调节。事实上在基因调控过程中无论是DNA修饰还是组蛋白修饰,都是基因活性调节的中间参与者。LCncRNA在基因簇以至整个染色体水平发挥顺式调节作用,甚至可以介导单条染色体的失活；SCncRNA主要在转录后水平对基因表达进行调控6。因此真正诱导基因活性改变的是ncRNA;并且这种对基因活性的诱导过程对防止疾病发生有重要的作用。5 .X染色体失活:X染色体在女性为2条而男性1条;为了保持平衡,女性的2条X染色体有1条是失活的,也称为X染色体的剂量补偿(dosagecompensati

15、on),X染色体失活的选择和起始发生在胚胎发育的早期,这个过程由X失活中心(X-inactivationCenter,Xic)控制,是一种反义转录调控模式。Xic存在X染色体失活特异性转录基因(X-inactive-specifictranscript,Xist),当失活命令下达时,该基因产生一个17kb不翻译的RNA与X染色体结合而引发失活;并且Xic还有记数功能,即保持每个二倍体中通过有丝或减数分裂仅使1条X染色体有活性,其余全部失活6。X染色体的失活状态需要表观遗传修饰,如DNA甲基化等来维持。X染色体失活是表观遗传学研究的很好范例,它能帮助人们认识基因沉默是如何建立的,以及如何通过遗传

16、而保持的。和X染色体失活相关的疾病多是由X染色体的不对称失活,使携带有突变等位基因的X染色体在多数细胞中具有活性所致；如WiSkott-AIdriCh综合征,表现为免疫缺陷、湿疹、伴血小板缺乏症。三、与围产医学有关的表观遗传学研究进展网2010年5月在英国举行了表观遗传学与发育程序化的国际会议（EpigeneticandDevelopmentProgrammingConferenCe），许多作者报告了该方面的研究进展。现将其中与围产医学有关的部分内容简述如下。来自剑桥大学代谢科学研究院的OZanne做了营养程序化对基因表达的影响是否为表观遗传学的作用的主题报告,概括了早期生长方式和将来发生的疾病,如2型糖尿病、心血管疾病和代谢综合征等的关系,总结了现有的关于早期程序化的确切证据和可能机制:即在发育关键时期因某些重要因子的水平改变而导致某器官结构的永久改变；氧化应激增加所致大分子（包括DNA损害造成细胞老化调控）的持久作用;表