王麗娟 劉家熙

(1首都師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100048; 2魯東大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 煙臺 264025)

從1928年格里菲思的肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)到1944年艾弗里的DNA提純和鑒定實(shí)驗(yàn)，再到1952年赫爾希和蔡斯的噬菌體侵染實(shí)驗(yàn)，前后共歷經(jīng)二十四年最終證明遺傳物質(zhì)是DNA。后來又發(fā)現(xiàn)RNA也是遺傳物質(zhì)。2013年，我國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)斑馬魚子代胚胎可繼承精子DNA甲基化模式，在世界上首次以實(shí)驗(yàn)證明精子的表觀遺傳信息也可以完整遺傳[1]。由于表觀遺傳與癌癥、衰老、干細(xì)胞以及克隆研究的密切關(guān)系，近年成為了研究熱點(diǎn)。什么是表觀遺傳？什么是表觀遺傳學(xué)？表觀遺傳的調(diào)控機(jī)制是什么？它的應(yīng)用前景怎樣？本文對此進(jìn)行概述。

1 從表觀遺傳現(xiàn)象到表觀遺傳學(xué)

1.1 表觀遺傳現(xiàn)象 經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為,基因是生物體的結(jié)構(gòu)和功能單位，一個(gè)基因決定著生命活動(dòng)所需要的一種蛋白質(zhì)。但是，隨著研究的深入,不但發(fā)現(xiàn)一個(gè)基因可以編碼多種蛋白質(zhì)，而且還發(fā)現(xiàn)大量隱藏在DNA序列之中或之外其他層次的遺傳信息，其中包括許多經(jīng)典遺傳學(xué)無法解釋的遺傳現(xiàn)象?，F(xiàn)今知道，這些現(xiàn)象主要受表觀遺傳的調(diào)控，稱為表觀遺傳現(xiàn)象。這方面的例子很多，舉例加以說明:①位置效應(yīng)花斑現(xiàn)象。1930年，著名的果蠅遺傳學(xué)家Muller[2]由X射線誘變發(fā)現(xiàn)一種果蠅的花斑眼表型，即果蠅眼睛的局部區(qū)域呈紅色，而其余的區(qū)域呈白色。這種表型不是因?yàn)镈NA序列改變，而是染色體倒位或重排，造成活躍表達(dá)的基因在部分細(xì)胞中沉默，沉默是由報(bào)告基因凝聚成異染色質(zhì)引起的。此現(xiàn)象也存在于包括酵母、哺乳動(dòng)物在內(nèi)的物種中。例如，啤酒酵母報(bào)告基因被插入到染色體的端粒處，它通過一種表觀遺傳的方式發(fā)生沉默。該報(bào)告基因的沉默或活躍狀態(tài)均可被繼承，導(dǎo)致在同一菌落中產(chǎn)生紅白相間的花斑效應(yīng)[3]。小鼠的花斑皮色也顯示出位置花斑效應(yīng)。皮色野生型基因常染色體區(qū)域插入到X染色體中，由于X染色體異染色質(zhì)化失活，野生型等位基因被沉默[4]。②遺傳印記現(xiàn)象。二倍體細(xì)胞中只有一個(gè)等位基因表達(dá)，且表達(dá)依賴于其親本來源。例如，馬騾是公驢與母馬雜交的后代,體大、耳小而尾部蓬松; 而驢騾是公馬與母驢雜交的后代,體小、耳大而尾毛較少。其原因是來自父本和母本的等位基因傳遞給子代時(shí)發(fā)生了某種修飾,使子代只表現(xiàn)出父方或母方的一種基因。③玉米副突變、哺乳動(dòng)物的X染色體失活和朊粒疾病等現(xiàn)象都是表觀遺傳現(xiàn)象中的重要事件。而同卵雙胞胎之間的微小差異、克隆貓基因組完全相同但毛皮顏色不同等現(xiàn)象，則是表觀遺傳修飾調(diào)控的結(jié)果。

1.2 表觀遺傳學(xué)的形成和發(fā)展 1958年，Waddington首先使用表觀遺傳學(xué)(epigenetics)這一名詞。同年，Nanney用表觀遺傳學(xué)解釋為何具有相同基因型的細(xì)胞可以有不同的表型，且這一現(xiàn)象可以持續(xù)許多代。在過去的五十多年間，隨著人們對真核基因表達(dá)調(diào)控分子機(jī)制研究的深入，表觀遺傳學(xué)的定義不斷更新。目前對表觀遺傳學(xué)內(nèi)容的通行定義為：研究在有絲分裂及減數(shù)分裂過程中無法用DNA序列改變來解釋的基因功能的可繼承性改變的科學(xué)[5]。從分子角度，表觀遺傳學(xué)的定義則為：“在同一基因組上建立，并將不同基因表達(dá)(轉(zhuǎn)錄)模式和基因沉默傳遞下去的染色質(zhì)模板變化的總和”?？傮w來說，表觀遺傳有3個(gè)特點(diǎn)，即可遺傳性、可逆性的基因表達(dá)調(diào)節(jié)以及不涉及DNA序列的變化。

隨著研究的深入，表觀遺傳學(xué)受到了越來越多的關(guān)注。1998年，歐盟啟動(dòng)“表觀基因組學(xué)計(jì)劃”和“基因組的表觀遺傳可塑性”研究計(jì)劃。2001年，國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志專門開設(shè)一期來討論表觀遺傳學(xué)。2004年夏,表觀遺傳學(xué)第一次作為主題呈現(xiàn)在第69屆冷泉港定量生物學(xué)會議上，表明表觀遺傳學(xué)最終匯聚成具有鮮明特色的生物學(xué)研究領(lǐng)域。國際人類表觀遺傳學(xué)合作組織(IHEC)于2010年在巴黎成立，并計(jì)劃在第一階段10年內(nèi)標(biāo)記出1000個(gè)參考表觀基因組。德國于2012年啟動(dòng)人類表觀遺傳學(xué)研究計(jì)劃(DEP)，其發(fā)展目標(biāo)是標(biāo)記測量健康細(xì)胞和疾病細(xì)胞的表觀遺傳基因開關(guān)。我國科技部也于2005年啟動(dòng)了“腫瘤和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的表觀遺傳機(jī)制”的“973”重大專項(xiàng)研究。

2 表觀遺傳的調(diào)控機(jī)制

2.1 DNA甲基化 DNA甲基化是最早被發(fā)現(xiàn)的與基因抑制相關(guān)的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制，是指 DNA 序列中腺嘌呤(A)或胞嘧啶(C)在甲基化轉(zhuǎn)移酶的催化下與甲基發(fā)生共價(jià)結(jié)合, 并在細(xì)胞分裂過程中傳遞給子細(xì)胞的遺傳現(xiàn)象。DNA 甲基化在細(xì)胞分化、胚胎發(fā)育、環(huán)境適應(yīng)和疾病發(fā)生發(fā)展上扮演重要的角色, 是當(dāng)前表觀遺傳學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。

例如，Rashi Halder等[6]以小鼠為模型開展兩個(gè)腦區(qū)、兩種細(xì)胞和三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的染色質(zhì)修飾的檢測，發(fā)現(xiàn)記憶的形成和維持伴隨著DNA甲基化，即DNA甲基化是構(gòu)成長時(shí)記憶的重要修飾。中科院凌宏清等[7]發(fā)現(xiàn)，植物擬南芥調(diào)控鐵離子吸收是蛋白精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶對組蛋白對稱性雙甲基化修飾的結(jié)果。對于蜜蜂或螞蟻等群居性昆蟲，DNA甲基化的表觀遺傳調(diào)控與其社會等級分化之間存在一定的關(guān)系[8，9]。

2.2 組蛋白修飾 組蛋白修飾主要包括組蛋白甲基化、磷酸化、乙?；头核鼗?。關(guān)于組蛋白多樣性修飾及其潛藏信息的機(jī)理存在著“組蛋白密碼假說”(histone code hypothesis)。組蛋白修飾可影響組蛋白與DNA雙鏈的親和性，從而改變?nèi)旧|(zhì)的疏松和凝集狀態(tài)，同時(shí)影響與染色質(zhì)結(jié)合的蛋白質(zhì)因子的親和性，還可影響識別特異DNA 序列的轉(zhuǎn)錄因子與之結(jié)合的能力，從而間接地影響基因表達(dá)，導(dǎo)致表型改變。例如，植物組蛋白去甲基化酶可通過調(diào)節(jié)植物基因表達(dá)，參與植物開花時(shí)間調(diào)控、花和葉片的發(fā)育和油菜素內(nèi)酯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑等[10]。

2.3 非編碼 RNA的作用 非編碼RNA 是不參與蛋白質(zhì)編碼的RNA的總稱。除rRNA、tRNA等外，近年來還發(fā)現(xiàn)了小干擾RNA(siRNA)、微小RNA(miRNA)以及piRNA等調(diào)控型的小分子非編碼RNA。幾乎所有表觀遺傳行為，如DNA甲基化、印跡、轉(zhuǎn)位、位置效應(yīng)花斑等，都受反式作用RNA介導(dǎo)。中科院周琪等[11]發(fā)現(xiàn)，被飼喂高脂食物的雄鼠的后代，表現(xiàn)出葡萄糖攝入異常和胰島素耐受的癥狀。這種癥狀與新型的遺傳物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)RNA(tsRNAs)相關(guān),精子tsRNAs對介導(dǎo)獲得性性狀的跨代傳遞至關(guān)重要。

2.4 染色質(zhì)重塑 染色質(zhì)重塑是在基因表達(dá)的復(fù)制和重組過程中,對應(yīng)基因尤其是基因調(diào)控區(qū)的染色質(zhì)包裝狀態(tài)、核小體和組蛋白以及對應(yīng)的DNA分子會發(fā)生一系列的改變,造成基因表達(dá)調(diào)節(jié)所伴隨的這類染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和位置改變的現(xiàn)象。染色質(zhì)重塑模式包括核小體滑動(dòng)、核小體移除、置換組蛋白、改變核小體構(gòu)象和組蛋白尾巴的作用等。以小鼠應(yīng)激應(yīng)答為例，交配之前通過更換籠盒等處理而處于應(yīng)激狀態(tài)的雄性小鼠，其后代對應(yīng)激的應(yīng)答情況會存在障礙，并且在應(yīng)激小鼠精子中有9種miRNA的表達(dá)升高。Rodgers等[12]對幾種microRNA靶向mRNA的分析表明，miRNAs攻擊了母親卵細(xì)胞的mRNA 。受影響的mRNA主要編碼參與染色質(zhì)重塑的蛋白分子去乙?；?sirtuin 1)和泛素蛋白連接酶(ubiquitin protein ligase E3a )。

3 表觀遺傳學(xué)的應(yīng)用前景

越來越多的證據(jù)表明，DNA并不是親代將遺傳信息傳遞到子代的唯一載體。剖析 DNA甲基化等表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象，能夠在疾病發(fā)生發(fā)展、環(huán)境因素安全評價(jià)、農(nóng)作物增產(chǎn)和抗病研究等領(lǐng)域，挖掘表觀遺傳學(xué)的應(yīng)用價(jià)值。

3.1 疾病預(yù)測和治療 近年，隨著人們飲食習(xí)慣改變、環(huán)境污染和工作與生活壓力的增高，癌癥、糖尿病、老年癡呆癥(阿爾茨海默病)、精神疾病等的患者日益增多。科研人員在表觀遺傳學(xué)方面對疾病發(fā)生機(jī)理的探索和發(fā)現(xiàn)，有利于相應(yīng)疾病的預(yù)測與治療。以糖尿病為例，研究發(fā)現(xiàn)II-型糖尿病的形成和胰島β-細(xì)胞的凋亡與miRNA-200家族有很大關(guān)聯(lián)。miRNA-200的過表達(dá)能明顯誘導(dǎo)II-型糖尿病的形成和胰島β-細(xì)胞的凋亡[13]，或許抑制miRNA-200家族的表達(dá)可能成為一種維持胰島細(xì)胞存活和治療糖尿病的策略。

另外，Rashi Halder等[8]發(fā)現(xiàn)，記憶形成可能伴隨著DNA甲基化的表觀遺傳修飾，研究結(jié)果也許可以為找到對抗阿爾茨海默病潛在靶向目標(biāo)和預(yù)防、治療阿爾茨海默病提供依據(jù)。

在癌癥的預(yù)測與治療方面，表觀遺傳機(jī)制的研究也發(fā)揮了一定的作用。例如，Pathania等[14]發(fā)現(xiàn)，乳腺腫瘤DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMT1)的靶基因ISL1會發(fā)生高度甲基化，并且其表達(dá)水平在乳腺腫瘤和癌癥干細(xì)胞中顯著下調(diào)。在乳腺癌細(xì)胞中抑制DNMT 1或過表達(dá)ISL1會限制癌癥干細(xì)胞群體生長。DNMT1-ISL1途徑作為乳腺癌治療的潛在治療靶點(diǎn)，可能具有重要應(yīng)用價(jià)值。另外，阻止癌癥產(chǎn)生的腫瘤抑制基因CACNA2D3的甲基化，與體內(nèi)乳腺癌的擴(kuò)散相關(guān)聯(lián)。腫瘤抑制基因的甲基化或許能夠被用來預(yù)測乳腺癌患者發(fā)生癌癥擴(kuò)散的可能性，從而有助于決定哪些治療策略最為有效。

3.2 衰老的預(yù)測及延緩 衰老是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，闡明衰老相關(guān)的表觀遺傳機(jī)制有助于人們設(shè)計(jì)更加有效的抗衰老策略。Osamu Hashizume等[15]比較了年輕人和老年人的成纖維細(xì)胞系線粒體呼吸和DNA損傷情況后發(fā)現(xiàn)，線粒體的衰老不是線粒體的DNA突變積累，而是由表觀遺傳調(diào)控。研究還確認(rèn)了兩個(gè)調(diào)節(jié)線粒體甘氨酸生產(chǎn)的特殊基因CGAT和SHMT2，通過甘氨酸治療可能逆轉(zhuǎn)老年人成纖維細(xì)胞年齡相關(guān)的線粒體呼吸缺陷。甘氨酸補(bǔ)充劑或?qū)⒛芨淖兝夏耆说纳?。另外，測量全基因組甲基化標(biāo)記物能夠精確量化實(shí)際老齡速率，預(yù)測機(jī)體衰老程度。對骨質(zhì)疏松模型的表觀遺傳研究表明，通過抑制DNA甲基化能夠有效減少骨質(zhì)疏松[16]，將來或許可為治療骨相關(guān)疾病尤其是衰老引起的骨質(zhì)疏松的治療策略提供新的啟發(fā)。

3.3 環(huán)境因素安全評價(jià) 對1958～2012年經(jīng)典雙胞胎研究的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，環(huán)境和遺傳因素對于個(gè)體特性差異的影響各占一半。有些特性甚至更多地由環(huán)境影響，例如，我們的社會價(jià)值觀就有70%受環(huán)境影響[17]。環(huán)境中的化學(xué)因素、物理因素、生物因素和精神心理、營養(yǎng)飲食等表觀遺傳學(xué)改變，已被證實(shí)與疾病密切相關(guān)。以營養(yǎng)飲食與表觀遺傳現(xiàn)象的關(guān)系為例，2015年12月《細(xì)胞代謝》期刊在線發(fā)表了一篇文章，證實(shí)男性的體重會影響精子的表觀遺傳，從而將父親的飲食信息傳遞給后代，甚至影響后代的肥胖幾率。2015年12月發(fā)表在《科學(xué)》雜志的成果進(jìn)一步證實(shí)，雄性老鼠的飲食習(xí)慣以RNA片段的形式通過精子傳遞給后代，并影響后代的基因表達(dá)[18]。如果父親的確可以影響后代健康的話，就可以考慮給予男性一些飲食和環(huán)境等方面合理的建議。

最新研究還發(fā)現(xiàn)，X染色體失活可能是試管嬰兒男孩多于女孩的真正原因,研究人員通過在胚胎植入前的培養(yǎng)環(huán)境中添加視黃酸有效扭轉(zhuǎn)了體外受精小鼠的性別比例[19]。該研究也許表明,可以通過改變胚胎植入前體外受精胚胎的生長環(huán)境，來逆轉(zhuǎn)人口性別比例失調(diào)的現(xiàn)象。

此外，對動(dòng)植物發(fā)育、多能干細(xì)胞自我更新和多能分化等的表觀遺傳學(xué)調(diào)控研究，有望能夠?yàn)槿祟愡M(jìn)行農(nóng)作物改良、提高生產(chǎn)能力和疾病治療提供指導(dǎo)?？傊?，表觀遺傳學(xué)研究逐步深入，其應(yīng)用前景越來越廣泛，與人類的關(guān)系也逐漸密切?？茖W(xué)的發(fā)展是無止境的，更多的表觀遺傳學(xué)奧秘有待發(fā)現(xiàn)。