許敏，呂述彥

(南京醫(yī)科大學附屬淮安第一醫(yī)院，江蘇淮安223300)

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印記基因與胎兒生長發(fā)育關系的研究進展

許敏，呂述彥

(南京醫(yī)科大學附屬淮安第一醫(yī)院，江蘇淮安223300)

摘要：基因組印記是種表觀遺傳學現(xiàn)象，通過沉默親本一方的等位基因，導致單等位基因表達。印記主要存在于哺乳動物胎盤中，平衡親本向下一代的資源分配。因此，遺傳和表觀遺傳損害導致的特定基因的劑量改變可以導致多種發(fā)育疾病，這些疾病通常與胎兒生長和神經系統(tǒng)異常有關。常見的印記基因有H19、胰島素樣生長因子2(IGF2)、生長因子受體結合蛋白10(GRB10)、δ樣蛋白1同源物(DLK1)。印記基因不僅影響胎兒出生前的發(fā)育和胎盤起源，在胎兒出生后同樣發(fā)揮重要作用。

關鍵詞：印記基因；胎兒；胎盤

基因組印記是種表觀遺傳學現(xiàn)象，通過沉默親本一方的等位基因，導致單等位基因的表達。胎兒生長受限(FGR)顯著增加圍生期圍產兒的死亡率，且易導致成人時期心血管疾病和糖尿病的發(fā)生。FGR的發(fā)生與多種因素有關，如感染、染色體異常等。遺傳和表觀遺傳損害導致的特定基因的劑量改變可以導致多種發(fā)育疾病，這些疾病通常與胎兒生長有關。近年來，許多研究發(fā)現(xiàn)印記基因不僅影響胎兒出生前的發(fā)育和胎盤起源，在胎兒出生后同樣發(fā)揮重要作用。本文綜述了與生長發(fā)育相關的印記基因，旨在揭示印記基因與生長發(fā)育的相關性，從而更為有效地預防及治療生長發(fā)育相關疾病，更好地改善妊娠結局和圍產兒的預后。

1基因組印記

基因組印記是基因組學的一種表觀遺傳修飾過程，是指根據(jù)其親本來源沉默一個等位基因，使其單等位基因表達，而不發(fā)生DNA序列的改變?；蚪M印記主要發(fā)生在哺乳動物中，胎盤是印記調控的主要部位。印記基因的起源有兩種理論：親屬理論和相互適應理論。親屬理論或親本“沖突理論”認為印記可能是親本雙方基因組對母方的營養(yǎng)供給進行競爭造成的結果。父方的基因組從母方獲得營養(yǎng)促進胎兒生長，母方基因組則限制對后代的供給，以保證自己存活和后代間的營養(yǎng)均衡[1]。雙方都是為了使攜帶有自身基因的后代能夠最大化的存活。沖突理論能夠解釋小鼠中敲除父系表達基因胰島素樣生長因子2(IGF2)、中胚層特異轉錄基因(Mest)后胎兒生長受限(FGR)和敲除母系表達基因胰島素樣生長因子2受體(IGF2R)、H19和生長因子受體結合蛋白10(GRB10)后小鼠過度增長[2]的發(fā)生。

相互適應理論認為,印記基因通過相互適應以達到胎兒生長發(fā)育和營養(yǎng)攝取的最大化。相互適應理論可以解釋一部分在胎盤和下丘腦表達的父系基因。哺乳動物在發(fā)育過程中，胎兒、胎盤和母親的下丘腦發(fā)生復雜的相互作用，并影響胎兒生長、腦部發(fā)育、圍生期母體營養(yǎng)供給和產后護理。父系表達基因3(Peg3)即是該理論適用的一個例子[3]。

1.1印記基因簇對小鼠的研究得知印記基因中80%以上都是成簇存在的。至少有13簇集中在8條染色體上，這些簇包含2~15個基因，大小從幾個堿基對到100 kb不等[4]?；虼丶劝赶岛透赶当磉_的基因，也包括編碼和不編碼蛋白的RNA。除了GRB10不同時期不同親本表達外(胚胎發(fā)育期間母系表達，出生后腦內父系表達)，其他印記基因均只呈母系或父系一種親本表達。小鼠中代表性的印記基因簇有鳥嘌呤核苷酸結合蛋白α刺激素基因簇、核內小分子核糖核蛋白N簇。

1.2印記控制區(qū)域單個簇內的印記基因受印記控制區(qū)域(ICR)的原位調控[4]，該區(qū)域表現(xiàn)出親本等位基因特異性的甲基化和染色質修飾。ICR的甲基化在父方或母方生殖細胞內通過轉錄獲得。ICR非甲基化時激活，甲基化時失活。非甲基化的ICR調控印記基因表達的機制涉及長鏈非編碼RNA(lncRNA)和絕緣體兩種模式。lncRNA沉默印記基因是個研究熱點，有研究表明lncRNA的產物[5]和lncRNA的轉錄[6]均參與沉默印記基因的表達。絕緣體模式適用于IGF2-H19簇，激活的ICR通過綁定鋅指蛋白CCCTC結合因子(CTCF)形成絕緣體，阻斷下游增強子到IGF2啟動子之間的通路，繼而沉默IGF2。

2印記基因與胎兒生長

FGR影響全球3%~8%的妊娠。盡管多數(shù)FGR的嬰兒會追趕性生長，但宮內生長不良伴隨兒童期加速生長會增加對許多成人期疾病的易感性，如2型糖尿病、高血壓、冠心病等。印記基因對胎兒生長發(fā)育至關重要，如前文所述，多數(shù)母系基因抑制胎兒生長、父系基因促進胎兒生長。來自父系的多形性腺癌基因樣1(PLAGL1)，有鋅指蛋白的作用，敲除PLAGL1的小鼠表現(xiàn)為FGR、骨形成不良。人類則表現(xiàn)為新生兒暫時性糖尿病[7]。來自母系的普列克底物同源域家族A成員2基因(PHLDA2)在FGR和低出生體質量兒中顯著高表達，其啟動區(qū)變異與體質量明顯相關；敲除PHLDA2的小鼠則表現(xiàn)為胎盤過度生長。

2.1H19/IGF2胰島素(INS)/IGF生長因子軸包括INS，胰島素樣生長因子1(IGF1)，IGF2及相應的受體IR，IGF1R、IGF2R和6個綁定蛋白IGFBP1、IGFBP2、IGFBP3、IGFBP4、IGFBP5、IGFBP6, 對胎兒生長有內分泌調控因子的作用。IGF2R位于染色體6q25.3，只在10%的人類胎盤和絨毛膜中表現(xiàn)為母系表達。IGF2R的主要功能是溶酶體靶向降解IGF2，抑制生長。IGF2和H19位于人類染色體11p15上，是研究最多的印記基因簇，其印記由ICR1的甲基化狀態(tài)決定。大約50%銀羅素綜合征(SRS)生長受限的表型與ICR1的甲基化丟失有關。如上所述，絕緣體模式參與IGF2-H19簇的印記。

H19/IGF2與SRS、韋-伯綜合征有關。H19的外顯子編碼兩種微小RNA(miRNA)：miR-675-3p和miR-675-5p。Keniry等[8]發(fā)現(xiàn)，H19敲除后胎盤miR-675增多，過表達miR-675后細胞增殖降低。MiR-675也受壓力反應性RNA結合蛋白HuR的動態(tài)調控。Moore等[2]發(fā)現(xiàn)，早期絨毛中IGF2、IGF2R和IGF2/IGF2R與頂臀長及體質量明顯相關，足月胎盤中不相關。因此，H19可能通過miR-675調控妊娠早期的胎兒生長和胎盤發(fā)育，并能對細胞應激和腫瘤信號作出反應。CTCF是個高度保守的鋅指蛋白，是基因組空間結構的主要組織者，參與多種基因調控過程。許多研究表明，CTCF通過組織IGF2和H19基因座上的染色質調控IGF2和H19。Liu等[9]通過酵母雙雜交和共沉淀實驗發(fā)現(xiàn)，RNA結合蛋白vigili能夠與CTCF相互作用從而調控IGF2和H19的表達。敲除vigili并不影響CTCF的結合，而敲除CTCF能夠明顯減少vigili與H19 ICR的綁定。在多種細胞系中過表達vigili 均能夠顯著下調IGF2、上調H19表達，敲除vigili 能夠明顯上調IGF2、降低H19表達。該研究表明CTCF-vigili復合體參與IGF2/H19的調控。

2.2GRB10GRB10位于人類染色體7q12的印記區(qū)域。FGR是SRS的特征性表型之一，SRS發(fā)生FGR的原因可以是母系基因的過表達，也可以是父系基因的丟失。GRB10編碼一種生長因子受體結合蛋白，該蛋白可與多種胞內信號分子，特別是能夠與受體酪氨酸激酶和mTOR[10]相互作用，共同調控胎兒生長。GRB10的印記具有種型和組織特異性，它在人類大多數(shù)組織中表現(xiàn)出雙等位基因表達，在腦內表現(xiàn)出種型特異性的父系表達，在胎盤絨毛滋養(yǎng)層則限于母系表達；在小鼠，GRB10在腦內呈父系表達，在其他組織中則呈母系表達。這與IGF2相反，IGF2在小鼠腦內呈母系表達，在其他組織中呈父系表達[11]。因此，一個基因可通過不同親本的組織特異性表達來實現(xiàn)多種功能，這也反映了印記的適應能力。

Moore等[2]發(fā)現(xiàn)，GRB10的表達與頭圍明顯負相關，與胎兒、胎盤體質量不相關。 Cowley等[12]發(fā)現(xiàn)，GRB10是小鼠中影響發(fā)育的關鍵基因，可作為中介調節(jié)小鼠出生后的營養(yǎng)供給與需求。母親體內的GRB10控制供給，后代體內的GRB10控制需求，共同調節(jié)后代生長。GRB10還能夠決定發(fā)育中瘦肉與脂肪的比例，影響成年的能量穩(wěn)態(tài)。

2.3PHLDA2PHLDA2基因位于染色體11p15.5上，含有兩個外顯子和一個內含子，受印記控制區(qū)域2(IC2或KvDMR1)調控。母系表達的印記基因PHLDA2，能夠編碼普列克底物同源域家族A成員2蛋白，該蛋白內含一個高度保守的底物同源(PH)區(qū)域。PHLDA2的PH區(qū)域能夠與PIPs結合，參與胞內運輸、細胞信號傳導和胞膜與細胞骨架之間的相互作用。PHLDA2在人類胎盤中高表達，且主要集中在細胞滋養(yǎng)層。多個研究均證實，PHLDA2表達升高與FGR有關[13,14]。有研究表明，PHLDA2在絨毛中與體質量不相關，而在足月胎盤中呈負相關[15]，有后期生長效應的作用。PHLDA2敲除后小鼠胎盤變大，且PHLDA2對胎盤的作用不受IGF2通路或同一簇內其他印記基因的影響。外源性轉入PHLDA2基因后，小鼠胎盤萎縮，同時胎兒體質量降低[16]。利用小鼠模型，Jensen等[17]認為，PHLDA2在胎盤中的高表達不是FGR的結果而是導致FGR的原因之一。PHLDA2可能是通過對胎兒的直接效應或是影響胎盤發(fā)育實現(xiàn)胎兒生長的負調控的。而胎兒生長不僅受限于胎盤的生長發(fā)育，也可能取決于胎盤中印記基因對營養(yǎng)運輸?shù)恼{控，還可能受胎盤糖原儲備減少的影響。

2.4DLK1DLK1(亦名為PREF1或FA1)是位于人類染色體14q32印記簇的父系表達的印記基因，距離母系表達的非編碼RNA基因母系表達3(MEG3，也稱為GTL2)相隔僅90 kb。DLK1編碼帶有6個表皮生長因子樣受體的跨膜糖蛋白，參與脂肪形成。敲除GRB10的小鼠表現(xiàn)出高圍生期致死率及產前、產后生長受限。DLK1和GRB10作用的拮抗性使得Madon-Simon等[18]提出DLK1和GRB10可能是哺乳動物調控生長并獨立于IGF通路的另一個軸。這是繼IGF2和IGF2R之后，第二對有拮抗功能的印記基因。GRB10在胰島細胞中高表達，并參與胰島β細胞分化。DLK1-MEG3印記區(qū)域被認為是T1D的易感區(qū)域，父系遺傳的G等位基因的rs941576 SNP位點與T1D風險降低有關[2]。DLK1-脫碘酶類型3(Dio3)印記區(qū)域內含3個父系表達的印記基因DLK1，逆轉錄轉座子1(Rtl1)、Dio3和幾個非編碼轉錄本，包括Gtl2、很多核內小RNA和miRNA。這些miRNA基因被分為兩類，來自Rtl1轉錄本反義鏈的miR-127/miR-136簇和miR-379/miR-410簇(在人類也稱為C14MC)。miR-127/miR-136簇通過siRNA樣機制沉默父系表達的Rtl1；C14MC在哺乳動物出生時的代謝轉變中發(fā)揮重要作用[19]。

3展望

基因組印記通過沉默一方親本的等位基因，使得單等位基因表達，調控生長發(fā)育。胎兒宮內生長不良或生長過度將增加圍生期發(fā)病率和致死率，也提高了成年期的患病風險。從基因水平發(fā)現(xiàn)調控胎兒生長的基因將為胎兒宮內生長調控提供更為精確的監(jiān)測手段，進一步優(yōu)化妊娠結局。

參考文獻：

[1] Moore T, Haig D. Genomic imprinting in mammalian development: a parental tug-of-war[J]. Trends Genet, 1991,7(2):45-49.

[2] Moore GE, Miho I, Charalambos D, et al. The role and interaction of imprinted genes in human fetal growth[J]. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci， 2015，370(1663):20140074.

[3] Peters J. The role of genomic imprinting in biology and disease: an expanding view[J]. Nat Rev Genet, 2014,15(8):517-530.

[4] Barlow DP. Genomic imprinting: a mammalian epigenetic discovery model[J]. Annu Rev Genet, 2011,45:379-403.

[5] Lee JT, Bartolomei MS. X-inactivation, imprinting, and long noncoding RNAs in health and disease[J]. Cell, 2013,152(6):1308-1323.

[6] Santoro F, Mayer D, Klement RM, et al. Imprinted Igf2r silencing depends on continuous Airn lncRNA expression and is not restricted to a developmental window[J]. Development, 2013,140(6):1184-1195.

[7] Mackay DJ, Temple IK. Transient neonatal diabetes mellitus type 1[J]. Am J Med Genet C Semin Med Genet, 2010,154C(3):335-342.

[8] Keniry A, Oxley D, Monnier P, et al. The H19 lincRNA is a developmental reservoir of miR-675 that suppresses growth and Igf1r[J]. Nat Cell Biol, 2012,14(7):659-665.

[9] Liu Q, Yang B, Xie X, et al. Vigilin interacts with CCCTC-binding factor (CTCF) and is involved in CTCF-dependent regulation of the imprinted genes Igf2 and H19[J]. FEBS J, 2014,281(12):2713-2725.

[10] Hsu PP, Kang SA, Jonathan R, et al. The mTOR-regulated phosphoproteome reveals a mechanism of mTORC1-mediated inhibition of growth factor signaling[J]. Science, 2011,332(6035):1317-1322.

[11] Gregg C, Zhang J, Weissbourd B, et al. High-resolution analysis of parent-of-origin allelic expression in the mouse brain[J]. Science, 2010,329(5992):643-648.

[12] Cowley M, Garfield AS, Madon-Simon M, et al. Developmental programming mediated by complementary roles of imprinted Grb10 in mother and pup[J]. PLoS Biol, 2014,12(2):e1001799.

[13] Lim AL, Ng S, Leow SC, et al. Epigenetic state and expression of imprinted genes in umbilical cord correlates with growth parameters in human pregnancy[J]. J Med Genet, 2012,49(11):689-697.

[14] Apostolidou S, Abu-Amero S, O'Donoghue K, et al. Elevated placental expression of the imprinted PHLDA2 gene is associated with low birth weight[J]. J Mol Med, 2007,85(4):379-387.

[15] Demetriou C, Abu-Amero S, Thomas AC, et al. Paternally expressed, imprinted insulin-like growth factor-2 in chorionic villi correlates significantly with birth weight[J]. PLoS ONE, 2014,9(1):e85454.

[16] Tunster SJ, Tycko B, John RM. The imprinted Phlda2 gene regulates extraembryonic energy stores[J]. Mol Cell Biol, 2010,30(1):295-306.

[17] Jensen AB, Tunster SJ, John RM. The significance of elevated placental PHLDA2 in human growth restricted pregnancies[J]. Placenta, 2014,35(8):528-532.

[18] Madon-Simon M, Cowley M, Garfield AS, et al. Antagonistic roles in fetal development and adult physiology for the oppositely imprinted Grb10 and Dlk1 genes[J]. BMC Biol, 2014,12:771.

[19] Labialle S, Marty V, Bortolin-Cavaillé ML, et al. The miR-379/miR-410 cluster at the imprinted Dlk1-Dio3 domain controls neonatal metabolic adaptation[J]. EMBO J, 2014,33(19):2216-2230.

(收稿日期：2015-06-25)

中圖分類號：R596

文獻標志碼：A

文章編號：1002-266X(2016)01-0102-03

doi：10.3969/j.issn.1002-266X.2016.01.040