白紅梅 何金英 馬玉珍（通訊作者）

（1 內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué) 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010059）

（2 內(nèi)蒙古自治區(qū)人民醫(yī)院生殖中心 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000）

表觀遺傳學(xué)為英國(guó)著名的科學(xué)家沃丁頓于1942 年首次提出，是指在DNA 核苷酸序列不改變的情況下，基因表達(dá)改變的機(jī)制。表觀遺傳學(xué)主要與基因表達(dá)調(diào)控有關(guān)，包括：（1）DNA甲基化：即位于基因啟動(dòng)子及印記基因印記控制兩個(gè)區(qū)域中Cp G二核苷酸上胞嘧啶殘端DNA 甲基化。（2）組蛋白修飾：指的是氨基酸尾部特殊性氨基酸殘端的組蛋白修飾。（3）非編碼RNA 表達(dá)沉默基因有關(guān)調(diào)控[1]。目前的研究表明表觀遺傳學(xué)對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控作用是通過(guò)有絲分裂或減數(shù)分裂遺傳給后代的。其中組蛋白修飾和DNA 甲基化對(duì)胚胎發(fā)育和著床作用重大，不僅會(huì)對(duì)生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生影響，同時(shí)還能影響到后代，部分甚至能隔代遺傳[2]。

1.胚胎發(fā)育和組蛋白修飾的關(guān)系

在真核生物當(dāng)中，組蛋白、染色體DNA 結(jié)合進(jìn)一步在染色質(zhì)中可觀察到重復(fù)性的核小體單位，這是146 對(duì)堿基、8 個(gè)組蛋白纏繞之后卷曲和壓縮產(chǎn)生的[3]。主要的核蛋白有H2A、H2B、H3 以及H4，H1 及H5 為連接組蛋白，主要核蛋白是組蛋白核心部位，而連接組蛋白作用是連接DNA。組蛋白是上高度保守蛋白進(jìn)行進(jìn)化之后將翻譯后修飾作為自身特征，其轉(zhuǎn)錄后修飾種類(lèi)較多[4]。組蛋白氨基酸的尾部暴露在核小體的表面，為進(jìn)一步適應(yīng)基因轉(zhuǎn)錄改變其自身結(jié)構(gòu)，以此促進(jìn)DNA 與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合進(jìn)而對(duì)下一步的基因表達(dá)起到調(diào)控作用。轉(zhuǎn)錄調(diào)控是胚胎發(fā)育的關(guān)鍵事件，表觀遺傳機(jī)制如組蛋白修飾對(duì)介導(dǎo)穩(wěn)定轉(zhuǎn)錄調(diào)控十分重要。

1.1 組蛋白甲基化和胚胎發(fā)育的關(guān)系

甲基化修飾體現(xiàn)在組蛋白H3、H4 賴(lài)氨酸與精氨酸這兩種殘基方面，其中組蛋白H3 甲基化和多種密切關(guān)系到發(fā)育、分化的基因表達(dá)調(diào)控相關(guān)[5]，Cosgrove 等研究認(rèn)為組蛋白殘基的甲基化在調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄促進(jìn)基因的激活或沉默[6]方面H3K4me3、H3K36me3、3K9ac 為轉(zhuǎn)錄活性重要激活信標(biāo)志之一[7]，而H3k9me3 和H3K27me3 與基因抑制有關(guān)[8]。此外，其他組蛋白修飾，如H3k4me2 和H3k9me2 也可以受到外界環(huán)境影響[9]，進(jìn)而影響胚胎發(fā)育。

小鼠H3K4me3 和H3K27me3 在胚胎的基因轉(zhuǎn)錄活性中起著重要的作用[10]。編碼組蛋白H3K9 甲基化轉(zhuǎn)移酶G9a 喪失活性將會(huì)使早期胚胎停止生長(zhǎng)停育[11]。由此可見(jiàn)，胚胎期間的組蛋白甲基化不可或缺。賴(lài)氨酸去甲基化酶KDM5B 是調(diào)節(jié)基因組穩(wěn)定性的關(guān)鍵因子，可催化組蛋白H3K4 的二甲基化和三甲基化去甲基化至單甲基化狀態(tài)[12]。2014 年SUI，X 等研究發(fā)現(xiàn)KDM5B 的異位表達(dá)減少H3K9me3 可以大大促進(jìn)胚胎發(fā)育，其潛在的分子調(diào)控機(jī)制仍沒(méi)有進(jìn)行深入的研究。另外在胚胎發(fā)育過(guò)程中，敲除組蛋白去甲基化酶 KDM5A 后可使H3K4me3 和H3K27me3 喪失平衡性，使得Tet 家族成員的表達(dá)增加，Tet 家族對(duì)5-羥基尿嘧啶氧化狀態(tài)開(kāi)展調(diào)解，能對(duì)小鼠胚胎的干細(xì)胞內(nèi)部組蛋白修飾、DNA 甲基化起到調(diào)控作用[13]。敲除KDM5A 基因的小鼠在胚胎圍生期由于神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的缺陷而死亡[14]。2015 年Kawakami E 等經(jīng)研究認(rèn)為編碼組蛋白去甲基化酶的Fbxl11 基因敲除小鼠胚胎于第8.5d 產(chǎn)生生長(zhǎng)阻滯，第9.5d 配套體積和對(duì)照組比較明顯較小，第10.5d 生長(zhǎng)阻滯胚胎出現(xiàn)胚胎退化、神經(jīng)管關(guān)閉缺陷等表現(xiàn)，第12.5d 產(chǎn)生形態(tài)學(xué)死亡，因此，我們推斷組蛋白甲基化對(duì)維持胚胎正常發(fā)育十分重要[15]。同時(shí)組蛋白甲基化能對(duì)胚胎發(fā)育產(chǎn)生影響，或造成胚胎停止發(fā)育甚至死亡。

1.2 組蛋白的乙?；团咛グl(fā)育

組蛋白的乙酰化在胚胎發(fā)育中起到重要作用，如染色體濃縮，DNA 雙鏈斷裂修復(fù)和轉(zhuǎn)錄等。H3 不同殘基的乙酰化會(huì)在胚胎發(fā)育期間出現(xiàn)多種改變，包含胚胎卵裂時(shí)H3K64ac，H3K56ac表達(dá)十分豐富，然而H3K122ac 表達(dá)微弱，提示胚胎發(fā)育期間不同種類(lèi)的組蛋白修飾作用存在一定差異。乙?；蟮慕M蛋白、DNA 相結(jié)合，對(duì)DNA、轉(zhuǎn)錄因子之間的結(jié)合能起到一定幫助，但組蛋白的去乙?；沟媒M蛋白、DNA 緊密連接，可對(duì)基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生不良影響，兩類(lèi)情況屬于組蛋白的乙?；D(zhuǎn)移酶（HAT）、組蛋白去乙酰化酶（HDAC）相互產(chǎn)生作用進(jìn)而維持生物學(xué)上的平衡。組蛋白的乙酰化對(duì)DNA 復(fù)制和轉(zhuǎn)錄可以產(chǎn)生誘導(dǎo)作用，其中HDAC1 能對(duì)小鼠胚胎發(fā)育產(chǎn)生影響，若早期胚胎發(fā)育時(shí)就已缺乏HDAC1，會(huì)導(dǎo)致胚胎發(fā)育落后甚至停止。

組蛋白修飾在環(huán)境方面的影響因素包含營(yíng)養(yǎng)素、重金屬、神經(jīng)活性物質(zhì)與病毒等。已有較多學(xué)者對(duì)非正常性組蛋白修飾給胚胎發(fā)育帶來(lái)的影響進(jìn)行了研究。Painter 等經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，處在孕期的大鼠予以低蛋白飲食能使IUGR 胎鼠肝膽固醇7α-羥化酶的表達(dá)下降，隨啟動(dòng)子區(qū)的組蛋白乙?；男揎椊档团cH3K9甲基化修飾的提升，胎鼠的發(fā)育會(huì)出現(xiàn)異常。Aagaard-Tillery等[16]予以孕期日本獼猴高脂飲食，結(jié)果顯示，子代肝組織中的組蛋白H3 乙?；男揎棾霈F(xiàn)變化，會(huì)對(duì)胚胎基因表達(dá)產(chǎn)生影響，和多種成年疾病出現(xiàn)關(guān)系重大。GCN5 屬于首個(gè)得到鑒定組蛋白乙酰化酶，除去GCN5 小鼠胚胎能存活至胚胎期7.5d，但胚胎期 7.5d ～8.5d 的胚胎發(fā)育明顯受到阻礙，最終多數(shù)胚胎于胚胎期 10.5d 喪失生命。HDAC1 等位基因丟失也能使得胎鼠于胚胎期 10.5d 之前死亡，同時(shí)死因?yàn)榧?xì)胞增殖嚴(yán)重缺陷與神經(jīng)發(fā)育重度阻滯[17]。WDR82 屬于HMT 復(fù)合體亞基之一，如果小鼠在胚胎早期WDR82 基因表達(dá)沉默，將會(huì)使得轉(zhuǎn)錄因子POU5F1 的轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)H3K4me3 的修飾缺乏，同時(shí)隨胚胎細(xì)胞數(shù)量下降，胚胎細(xì)胞死亡，胚胎生長(zhǎng)緩慢或者死亡等[18]。

2.DNA 甲基化與胚胎發(fā)育

DNA 甲基化是指在DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶影響下，單一甲基轉(zhuǎn)移至胞嘧啶5′碳中，造成5′胞嘧啶變?yōu)?′甲基胞嘧啶，該過(guò)程多見(jiàn)于CpG 胞嘧啶。屬于基因組DNA 表觀遺傳修飾的主要形式之一，對(duì)基因組功能調(diào)控作用重大。哺乳動(dòng)物中DNA 甲基化的模式大多被刪除，然后在子代間重新建立，每次胚胎發(fā)育早期都會(huì)發(fā)生去甲基化和再甲基化過(guò)程。應(yīng)該注意的是，個(gè)體基因組區(qū)域的DNA 甲基化是受營(yíng)養(yǎng)，環(huán)境和其它因素影響的動(dòng)態(tài)模式。這些表觀遺傳過(guò)程發(fā)生在胚胎發(fā)育的特定階段，并在生命周期中發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。

DNA 甲基化不僅能對(duì)轉(zhuǎn)錄水平起到調(diào)控作用，同時(shí)還和維持染色體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、X 染色體活性喪失、基因印記等關(guān)系密切。脊椎動(dòng)物的胚胎在發(fā)育期間，需將DNA 甲基化狀態(tài)及水平維持在正常狀態(tài)，進(jìn)而滿(mǎn)足胚胎發(fā)育和組織的特異性分化需求。研究發(fā)現(xiàn)：斑馬魚(yú)胚胎在發(fā)育期間，部分器官尾部分化是在DNA 甲基轉(zhuǎn)移酶、組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶二者共同作用下進(jìn)行。對(duì)于Dnmt3缺失一類(lèi)斑馬魚(yú)，其腦部與視網(wǎng)膜發(fā)育均存在缺陷，且神經(jīng)發(fā)生時(shí)調(diào)節(jié)因子lef1 啟動(dòng)子區(qū)的甲基化程度下降，而基因表達(dá)上升，提示lef1 會(huì)受到Dnmt3 調(diào)控。深入研究顯示Dnmt3 與 H3K9甲基轉(zhuǎn)移酶G9a 會(huì)對(duì)lef1 表達(dá)一同起到調(diào)控作用，進(jìn)而對(duì)胚胎發(fā)育過(guò)程中神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)生產(chǎn)生影響。

3.展望

在表觀遺傳學(xué)中，DNA 甲基化與組蛋白修飾屬于一個(gè)熱點(diǎn)話題，胚胎發(fā)育期間能起到重要作用，當(dāng)前表觀遺傳學(xué)給生殖帶來(lái)的影響除開(kāi)展廣泛研究之外，還應(yīng)對(duì)其DNA 甲基化、組蛋白修飾怎樣進(jìn)行轉(zhuǎn)錄調(diào)控及動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)、采取哪種類(lèi)型的信號(hào)通路對(duì)下游事件出現(xiàn)產(chǎn)生作用等多種過(guò)程開(kāi)展深入探索，能將表觀遺傳學(xué)有關(guān)科研成果和臨床實(shí)際運(yùn)用有效結(jié)合，對(duì)胚胎發(fā)育過(guò)程中表觀遺傳學(xué)修飾這一生物學(xué)過(guò)程具有更加重要的意義。