表观遗传学研究进展概述.doc

生物技术 包钺 0911109 综述表观遗传学研究进展概述摘要：表观遗传学是指表观遗传学改变(DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA如miRNA)对表观基因组基因表达的调节,这种调节不依赖基因序列的改变且可遗传表观遗传学。因素如DNA甲基化、组蛋白修饰和miRNA是对环境刺激因素变化的反映，这些表观遗传学因素相互作用以调节基因表达，控制细胞表型，所有这些表观遗传学因素都是维持机体内环境稳定所必需的，有助于正常生理功能的发挥.目前表观遗传学的研究成果已经应用于一些疾病的研究特别是癌症的治疗上，可谓是前景光明.此外,近年来对ES细胞分化调控的研究也归结到表观遗传学领域.因此了解表观遗传学机制在人类疾病发生中的作用和表观遗传学调节剂对疾病治疗的价值将会迎来生物医学研究的表观遗传学时代。关键词：表观遗传学，microRNA,组蛋白修饰,表观遗传学(epigenetics)是传统遗传学的分支，由英国科学家Waddington最早提出，其涵义为在DNA序列不发生改变的情况下，基因的表达与功能发生改变，并产生可遗传的表型。表观遗传学是经典遗传学的补充与进一步的发展，涉及何时、何地以何种方式去应用遗传学信息的概念.我们认识到基因组包括两类遗传信息:即DNA序列遗传信息及表观遗传学信息。人体及细胞正常功能的维持是这两种信息互相作用、保持平衡的结果,如果这两种因素的任何一种表达失衡，都有可能导致疾病的发生。因此，表观遗传学研究是生命科学中一个普遍而又极其重要的新的研究领域，它不仅对基因的表达、调控、遗传有重要作用，而且在生命发育、肿瘤发生、炎症、衰老及再生医学、免疫、血管新生、变性性疾病的发生与防治中起着极其重要的作用.表观遗传学研究的重要性不亚于50年代沃森和克里克发现双螺旋结构所引发的关于染色体上基因的研究。表观遗传学的主要调节机制有：DNA甲基化，组蛋白甲基化及乙酰化，及非编码RNA几种调节机制。然而这些调节机制的改变与我们生活的环境密切相关，每个生物个体都有特定的基因组与表观基因组，表观基因组在不改变DNA序列的情况下激活或关闭基因的表达.达，而这种由表观基因组所调控的基因表达又受多种环境因素的影响也就是说，我们日常所吃的食物、饮用的水、呼吸的空气、所处的环境当中所带来的精神因素的影响均可对基因表达的激活或关闭产生影响。因此表观遗传学特别强调生活的环境对人体表观遗传因素的影响。表观遗传学对基因的表达调控可分为：(1）基因选择性表达的调控：包括DNA的甲基化和组蛋白的乙酰化与甲基化。(2）基因转录后的调控：包括小干扰RNA(smallinterferingRNA，siRNA)和微小RNA（microRNA，miRNA）。染色体重塑、基因印记、染色体失活亦属表观遗传学的范畴。1. DNA的甲基化：DNA甲基化是由DNA甲基转移酶催化S腺苷甲硫氯酸作为甲基供体，将胞嘧啶转化为5一甲基胞嘧啶的反应。甲基化能改变基因的构型，从而影响转录因子的转录，而影响该基因的表达.DNA甲基化一般与基因沉默有关，而去甲基化与基因活化有关.甲基化与去甲基化可由不同的酶来催化。2. 组蛋白的修饰:组蛋白是真核细胞染色体的结构蛋白，与DNA共同组成核小体，组蛋白共有5种，它们是H1、H2A、H2B、H3、H4,这些组蛋白带有正电荷，能与带负电荷的DNA磷酸基相互作用形成较紧密的结构，其中H2、H3、H4是功能性组蛋白,H1只在核小体间起连接作用。组蛋白修饰包括组蛋白的乙酰化与去乙酰化、甲基化与去甲基化、组蛋白的磷酸化及泛素化，这些修饰因素单一或共同作用来调节基因的表达与功能的发挥。例如，乙酰化及去乙酰化与调节转录、细胞周期、细胞分化、增生、凋亡、衰老、DNA修复有关。近年来发现组蛋白乙酰化去乙酰化的失常也与多种人类肿瘤的发生有关.不仅如此，血管新生、特发性肺部纤维化、变性性疾病、炎症反应均与组蛋白的乙酰化去乙酰化密切相关。3. 非编码的RNA：非编码RNA包括siRNA和miRNA,这是两种序列特异性转录后基因表达的调节因子。siRNA可在体外合成，然后导入细胞使特异性基因沉默，现已成为强有力的生物医学研究工具，它既可用于某种疾病发病机制的研究,又可用于疾病的治疗，其作用如同特异性生物导弹.miRNA及其长短与siRNA相似，为22bp左右，多数miRNA具有高度的保守性、基因表达时序性和组织特异性.miRNA的研究已成为生物医学研究的前沿热点之一，尤其是肿瘤与miRNA的关联更是人们关注的重点.如果某一肿瘤特异性表达某一miRNA，就可用于肿瘤的早期预测，也可特异性敲除某一miRNA或特异性导入某一miRNA用于肿瘤的治疗。除此之外，miRNA与DNA甲基化、组蛋白乙酰化等方面也有交互影响,因而构成了细胞的基因调控系统极复杂的网络.自从沃森和克里克对DNA结构进行了完美的阐释后，生命科学进入了基因时代。直到人类基因组计划(HGP）公布成果，几十年来全世界的目光都聚焦在以中心法则为核心的染色体基因组学上。表观遗传的提出无疑是位基因组学开拓了一个新的领域，成为目前最新最炙手可热的概念。它可以从更微观的视角、深层次的解释许多目前基因组学无法解释的难题，例如环境究竟如何影响性状，同卵双生的兄弟日后为何产生如此大的差异等等。目前短暂的研究，人类已经取得了一定的成就.l 解开癌症的密码:是什么导致细胞发生癌变呢？自1989年癌基因发现以来，盛行的理论是突变的基因推动了这一过程：癌症的倾向是以某种方式写进我们遗传密码里的。这令人沮丧的描写可能会使癌症预测得早一些，但是阻碍了预防癌症的努力。幸运的是，这一情况变得更加复杂。位于马里兰州巴尔的摩市的约翰霍普金斯大学的遗传学家伯特沃格斯坦阐明了第一个癌基因以及随后发现的几个癌基因的作用，他是“癌症是一种遗传性疾病这个理念的发起人之一。最近，在对卵巢癌患者进行切片检查时,他发现超过一半的肿瘤样品在ARID1A基因上都存在变异。然而，ARID1A基因并不直接刺激肿瘤的形成。沃格斯坦说：“我们没有想到的是,这一基因涉及到确定能导致肿瘤的表观遗传的变化。”即ARID1A基因的致癌作用是通过在基因表达水平上刺激变化而发生的,并不在DNA序列中。然而，沃格斯坦的发现只是冰山一角。癌症的根本原因比遗传或后天的基因突变更加复杂.1994年获得了确凿的证据。贝林和他的同事、肿瘤学家詹姆斯赫尔曼(JamesHerman）研究了肾细胞癌（RCC），这是成人中最普通的一种肾癌。大约60的RCC是由VHL(vonHippelLindau）肿瘤抑制基因的遗传变异引起的这阻碍了基因表达肿瘤抑制蛋白的能力.第二年，贝林、赫尔曼和西德兰斯基实验室共同表明,人类癌症一般现于一个特殊的肿瘤抑制基凶p16被高度甲基化的时候此外存包括RCC在内的许多癌症中，表观遗传和基因突变通常是联合作用的：肿瘤抑制基凶巾两个拷贝中的一个是受基冈突变灭活的，而另一个是高度甲基化的。这一发现“使我们相信表观遗传异常在癌症中起到重要的推动作用。表观遗传学也提供了与癌基因变化相关的环境因素的线索.甲基化方面的变化能在未患癌症个体的血液中检测到，但这些个体吸烟并有高脂肪饮食，显示这些变化先于基因突变。世界上一半的人口受到引起癌症的幽门螺旋杆菌的感染,然而受胃癌折磨的只是这其中的003。在环境和遗传学的联系点中，首选的是慢性炎症，它的发展早于多种类型的癌前期病变和特定的癌症本身，包括食道癌、肝癌和结肠癌。炎症与DNA甲基化的增加有关。伊萨将慢性炎症称为“一个真正的表观遗传现象”。长期的炎症可能是幽门螺旋杆菌或丙型肝炎病毒感染的结果,或者来自一些自身免疫性疾病例如溃疡性结肠炎。患有溃疡性结肠炎的病人通常在低龄阶段发展为结肠癌,例如比起平均年龄为60或70岁，50岁即为低龄阶段。所有发生在结肠癌中的表观遗传变化，特别是DNA的高度甲基化或基因沉默都是加速的，并且在发展为真正的癌症之前就在发炎组织中发现了。l 表观遗传修饰调控胚胎干细胞定向分化：胚胎干细胞（embryonicstemcells，ES)来源于囊胚内胚层细胞团，是一种能分化为各种组织细胞的全能细胞,它们具有自我复制并保持多向分化的潜能。Es细胞有强的转录活性,其分化时伴随着不同数目不同类型的转录因子变化，一些基因转录活性上调或下调会影响其它基因的表达，进而影响其增殖分化.近年来，ES细胞的研究主要集中在表观遗传机制对其分化的调控上。目前，研究最多的表观遗传修饰机制是胚胎干细胞DNA甲基化，其主要方式是对称的CpG二磷酸吡啶核苷酸得到或失去甲基基团。研究发现，在胚胎发育过程中，DNA甲基化对细胞增殖或分化起重要作用。受精之后,小鼠的精原核表现出较高的甲基化水平，而来源于雌性小鼠的染色质会发生脱甲基化，受精卵植入子宫内膜时，胚芽的DNA出现广泛的脱甲基化。与甲基化或脱甲基化相关的DNA甲基化转移酶(Dnmts）。小鼠ES细胞中Dnmt3a及Dnmt3b失活会直接导致具有重复序列的基因和单拷贝基因甲基化水平迅速降低，；去除Dnmt3a和Dnmt3b会导致甲基化水平不足，这也致使胚胎发育过程中OCT4及NANOG表达失调。除了DNA甲基化之外还有组蛋白的修饰是表观遗传的一种重要方式。研究发现，几乎所有的活性启动子都与多个组蛋白修饰，如:H3K4me3(histoneH3tifmethylatedatlysine4；组蛋白H3上4位赖氨酸三甲基化，一种组蛋白修饰）和H3K4me2相联系，而H3K36me3也定位于活性转录区域；另外，H3K9me3和H4K20me3也与转座子及重复序列有密切的联系,深入探索多种组蛋自修饰的作用机制及不同修饰方式间的关系，是分析Es细胞定向分化的分子基础，之前的研究也揭示H3K4me3是活性启动子的一种标志,在胚胎干细胞中，现在发现的80启动子都有它的存在，然而具有这种标志的启动子并不是参与转录的全过程，有些只在转录的起始发挥作用，另一些启动子参与mRNA的延长,目前还不清楚具体的作用机制，可能存在另一种启动子沉默修饰。组蛋白修饰也调控其它因子,如：增强子；增强子位于转录的起始位置，拥有特殊的序列，并且在启动子的上游或下游，进而远离启动子.总之，对于表观遗传的认识和研究已经使人类在基因的道路上迈上了新的台阶，表观遗传作为新的有力的武器，将对一些重大和难以攻克的医学、遗传学难题做出解答.尤其表观遗传学与干细胞的分化与组织再生、衰老、DNA的损伤与修复、肿瘤发生的关系，表观遗传信号的建立、维持、传递，表观遗传信号与细胞信号的互相影响,表观遗传与生长发育与生活环境的关系等将会进而取得突破。在不久的将来，人类将完成对于遗传天书的完全解密，也许,人类将遇到更多的未解之谜。参考文献1 罗定远、黎洪浩。表观遗传修饰调控胚胎干细胞定向分化的研究进展。中国病理生理杂志2010。262 傅佑丽/编译.表观遗传学:解开癌症密码3 李晓华.表观遗传学简介。中华实验眼科杂志2011年7月第29卷第7期4 宋博研、朱卫国.组蛋白甲基化修饰效应分子的研究进展.遗传2011年4月,33（4）：2852925 张媛媛（综述）、沈建箴（审校）.MicroRNA参与的表观遗传学调控在白血病中的研究进展.医学综述 2011年3月第l7卷第5期