謝艷穎 胡雪峰

（1福建省福州第三中學(xué)濱海校區(qū) 福建福州 350207 2福建師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建省發(fā)育與神經(jīng)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 福建福州 350117）

表觀遺傳是指生物體的基因序列不改變，而基因的表達(dá)發(fā)生可遺傳變化的一種現(xiàn)象，普遍存在于生物體的生長發(fā)育過程中，印記基因是表觀遺傳現(xiàn)象的一種。本文概述了印記基因的結(jié)構(gòu)、表達(dá)機(jī)制及其表達(dá)異常與腫瘤的關(guān)系。

1 印記基因簡介

印記基因的發(fā)現(xiàn)起始于20世紀(jì)70年代報(bào)道的父源特異性染色體消除現(xiàn)象，90年代科學(xué)家鑒定出3種小鼠的印記基因。隨著研究深入，科學(xué)家逐步探明了印記基因的結(jié)構(gòu)及其表達(dá)機(jī)制。

1.1 印記基因的發(fā)現(xiàn) 1971年，在研究節(jié)肢動(dòng)物時(shí)，克勞斯（Crouse）發(fā)現(xiàn)決定性別的關(guān)鍵因素父源特異性染色體消除，提出“染色體印記”的概念[1]。同時(shí)，庫珀（Cooper）注意到有袋類哺乳動(dòng)物父源X染色體的特異性失活，也稱其為“染色體印記”。1974年，約翰遜（Johnson）在研究17號染色體突變的小鼠時(shí)發(fā)現(xiàn)，染色體印記不是X染色體特有的現(xiàn)象，而是廣泛存在于基因組中。

20世紀(jì)80年代，麥格拉斯（McGrath）和索特（Solter）等通過小鼠的細(xì)胞核移植實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，2個(gè)原核分別來自父方和母方時(shí)，胚胎能正常發(fā)育。若是單親二倍體（2個(gè)原核均來自父方或母方），胚胎死亡。后續(xù)的實(shí)驗(yàn)證明，在一種性別中發(fā)現(xiàn)的被標(biāo)記的許多基因在另一性別中未被標(biāo)記，因而只有來自父母雙方的基因同時(shí)存在，才能互補(bǔ)，使后代正常發(fā)育。但胚胎中存在2個(gè)相同的標(biāo)記基因時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致幼崽死亡，這為哺乳動(dòng)物基因組印記的存在提供了有力的證據(jù)。1991年，科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了小鼠的3種印記基因，通過定位克隆，鑒定出Igf2r（insulin-like growth factor type 2 receptor），通過基因敲除鑒定出Igf2（insulin-like growth factor type 2）與H19。

1.2 印記基因簇 迄今為止，約有150個(gè)印記基因被定位到17條小鼠染色體上，其中包括X染色體。經(jīng)鑒定，超過80%的印記基因聚集在16個(gè)基因組區(qū)域，稱為印記基因簇。已鑒定出7個(gè)印記基因簇，這7個(gè)印記基因簇都包含3個(gè)及以上的印記基因。每個(gè)印記基因簇都由一個(gè)印記控制中心（imprinted control center，ICR）控制，該區(qū)域具有親本特異性表觀遺傳修飾，例如，DNA甲基化和翻譯后組蛋白修飾等。DNA甲基化是公認(rèn)的一種賦予親本特異性的表觀遺傳修飾[2]。ICR中攜帶有甲基化印記的DNA序列，稱為差異性DNA甲基化區(qū)域（differentially DNA methylated region，DMR）。DNA甲基化印記發(fā)生在配子中，體細(xì)胞中僅存于一個(gè)親本染色體上。除了ICR和多個(gè)印記基因，大部分印記基因簇都至少含有一個(gè)長鏈非編碼RNA（long noncoding RNA，lncRNA）。lncRNA本身不編碼蛋白質(zhì)，卻能調(diào)控基因的表達(dá)。在印記基因簇中，ICR通常與lncRNA的啟動(dòng)子重疊。

1.3 印記基因的表達(dá)機(jī)制 印記基因簇的結(jié)構(gòu)各異，致使不同印記基因的表達(dá)受不同機(jī)制的調(diào)控。根據(jù)調(diào)控的結(jié)果，可將印記基因分為父源印記基因與母源印記基因兩大類。父源印記基因是指父源等位基因抑制而母源等位基因表達(dá)的基因，與抑制胚胎發(fā)育有關(guān)，例如，Igf2r、H19[3-4]。母源印記基因則是父源等位基因表達(dá)而母源等位基因受抑制的基因，與促進(jìn)胚胎發(fā)育有關(guān)，例如，Igf2。

1.3.1 lncRNA模型 lncRNA介導(dǎo)的表達(dá)模型適用于Igf2r印記基因簇。Igf2r位于小鼠17號染色體，是父源印記基因。作為Igf2的一種受體，與其結(jié)合后被溶酶體降解，起到抑制生長的作用。在母本染色體上，甲基化的ICR含有l(wèi)ncRNA的啟動(dòng)子，致使lncRNA無法表達(dá)，但不影響其他印記基因的表達(dá)。而父本染色體ICR未甲基化，lncRNA可表達(dá)，使同側(cè)的印記基因沉默。這種機(jī)制可能是lncRNA與啟動(dòng)子重疊，導(dǎo)致某種形式的轉(zhuǎn)錄干擾或通過覆蓋局部染色體區(qū)域而招募抑制性組蛋白。

1.3.2 絕緣子模型 絕緣子介導(dǎo)的表達(dá)模型適用于Igf2/H19印記基因簇。Igf2與H19位于小鼠17號染色體遠(yuǎn)端，其中Igf2是母源印記基因，H19位于Igf2下游，是父源印記基因。Igf2/H19受H19上游DMR調(diào)控，共用一個(gè)增強(qiáng)子，增強(qiáng)子位于H19下游。在母本染色體中，DMR未甲基化，DMR區(qū)域有潛在的CCCTC結(jié)合位點(diǎn)，可結(jié)合絕緣子CTCF因子，形成絕緣子，以阻斷增強(qiáng)子和Igf2啟動(dòng)子的作用，但不影響其與H19啟動(dòng)子的作用，使得H19能順利表達(dá)。在父本染色體中，H19的啟動(dòng)子區(qū)域甲基化，H19沉默，不形成絕緣子，增強(qiáng)子作用于Igf2啟動(dòng)子，Igf2表達(dá)。

2 印記基因與腫瘤的發(fā)生

印記基因的正常表達(dá)使生物體能正常發(fā)育，而印記基因中雙親等位基因若同時(shí)表達(dá)或同時(shí)沉默會(huì)導(dǎo)致腫瘤的發(fā)生。

2.1 IGF2/H19與腫瘤的發(fā)生 IGF2與IGF1R結(jié)合后激活酪氨酸激酶受體，通過PI3K/AKT通路抑制細(xì)胞凋亡，通過RAS/MAP激酶通路促進(jìn)細(xì)胞增殖[5]。母本染色體DMR失調(diào)導(dǎo)致IGF2印記丟失（loss of imprinting，LOI），促進(jìn)IGF2雙等位基因表達(dá)，致使細(xì)胞過度增殖。在多種腫瘤中發(fā)現(xiàn)，IGF2過表達(dá)與腫瘤發(fā)生相關(guān)。LOI最初是在Wilms腫瘤中發(fā)現(xiàn)的，隨后發(fā)現(xiàn)，IGF2的LOI現(xiàn)象普遍存在于腫瘤中。IGF2的LOI在結(jié)腸癌表現(xiàn)為近端和遠(yuǎn)端結(jié)腸的彌漫性異常，一些結(jié)腸癌患者的正常結(jié)腸組織可檢測出IGF2的LOI[6]。Sakatani等[7]構(gòu)建IGF2印記缺失型小鼠，發(fā)現(xiàn)結(jié)腸癌的發(fā)生率提高了2倍，并觀察到癌前病變現(xiàn)象。

H19能被折疊成一個(gè)特殊的二級結(jié)構(gòu)，這使其能與RNA結(jié)合蛋白和DNA/染色質(zhì)修飾因子等相關(guān)蛋白結(jié)合，調(diào)節(jié)相關(guān)生理過程。H19于胚胎期高表達(dá)，出生后在多數(shù)組織中沉默，但腫瘤發(fā)生過程中可重新激活。在許多腫瘤中發(fā)現(xiàn)，H19能通過不同的機(jī)制發(fā)揮致癌作用。H19能促進(jìn)癌細(xì)胞增殖并抑制癌細(xì)胞死亡。在乳腺癌細(xì)胞中，H19促進(jìn)G1/S轉(zhuǎn)變[8]。高表達(dá)的H19可促進(jìn)EZH2與促凋亡因子BIK啟動(dòng)子的結(jié)合，抑制BIK的表達(dá)。H19也可降低抑癌因子的水平。在膀胱癌細(xì)胞中，H19通過miR-675抑制p53表達(dá)。在胃癌中，H19導(dǎo)致p53部分失活。H19還能促進(jìn)癌細(xì)胞的遷移、侵襲和轉(zhuǎn)移。上皮-間質(zhì)轉(zhuǎn)化（epithelialmesenchymal transition，EMT）是腫瘤擴(kuò)散的重要機(jī)制，在膀胱癌中，H19與EZH2結(jié)合，促進(jìn)wnt/βcatenin的激活，致使上皮標(biāo)記E-cadherin表達(dá)下降，促進(jìn) EMT[9]。

2.2 CDKN1C位點(diǎn)與腫瘤的發(fā)生 CDKN1C位點(diǎn)位于人類1號染色體上，包含父源印記基因KCNQ1、CDKN1C及母源印記基因KCNQ1OT1，由位于KCNQ1內(nèi)含子中的KvDMR1調(diào)控。

CDKN1C編碼p57kip2蛋白，其氨基端含有一個(gè)CDK抑制結(jié)構(gòu)域[10]，可與細(xì)胞周期蛋白CDK復(fù)合物結(jié)合并抑制細(xì)胞周期進(jìn)程。CDKN1C可促進(jìn)細(xì)胞分化，在橫紋肌肉瘤細(xì)胞中，轉(zhuǎn)錄因子MyoD受損，致使p57kip2轉(zhuǎn)錄減少，成肌細(xì)胞分化受阻。CDKN1C可調(diào)節(jié)細(xì)胞死亡，促進(jìn)HeLa細(xì)胞線粒體凋亡途徑，激活caspase 9和caspase 3。CDKN1C還能抑制膠質(zhì)瘤細(xì)胞遷移和侵襲的能力。

KCNQ1編碼電壓門控鉀離子通道的一個(gè)亞基。鉀離子通道參與許多類型細(xì)胞的增殖，在結(jié)、直腸癌與肝細(xì)胞性肝癌中，KCNQ1過表達(dá)抑制細(xì)胞的增殖與侵襲。KCNQ1是wnt/β-catenin通路的靶基因與調(diào)控因子，在結(jié)、直腸癌細(xì)胞中，活化的wnt/β-catenin通過直接結(jié)合TCF4復(fù)合物抑制KCNQ1蛋白的表達(dá)，KCNQ1抑制劑引起β-catenin重新進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，刺激結(jié)、直腸癌細(xì)胞增殖[11]。

KCNQ1OT1編碼一個(gè)lncRNA，能負(fù)性調(diào)節(jié)KCNQ1的表達(dá)。在結(jié)、直腸癌細(xì)胞中，β-catenin與KCNQ1OT1啟動(dòng)子直接結(jié)合，使KCNQ1OT1基因的表達(dá)顯著提高。在肝細(xì)胞性肝癌中，KCNQ1OT1基因敲除降低了GSK3β的磷酸化水平，下調(diào)β-catenin，抑制抗凋亡基因Bcl-2的表達(dá)[12]。

2.3 DLK1/MEG3與腫瘤的發(fā)生 DLK1/MEG3位于人類14號染色體上，其中DLK1是母源印記基因，MEG3是父源印記基因，DLK1由IG-DMR調(diào)控，MEG3由MEG3-DMR調(diào)控。

DLK1編碼DLK1蛋白，在胎盤組織高表達(dá)，在正常組織中沉默，但在多種腫瘤中異常表達(dá)。IG-DMR的甲基化異常與肝母細(xì)胞瘤、垂體瘤、腎細(xì)胞癌等相關(guān)。Yin等[13]發(fā)現(xiàn)高表達(dá)的DLK1蛋白可使神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的增殖能力明顯增強(qiáng)，上調(diào)細(xì)胞周期蛋白Cyclin D1、CDK2和E2F4的表達(dá)。

MEG3編碼lncRNA，在許多正常組織中表達(dá)，但在腫瘤中表達(dá)受抑制。在許多類型的腫瘤中，例如，垂體瘤、成神經(jīng)細(xì)胞瘤、腦膜瘤、肝細(xì)胞性肝癌等，均可觀察到MEG3-DMR的高甲基化與MEG3的沉默或表達(dá)降低。Braconi等[14]發(fā)現(xiàn)MEG3在肝細(xì)胞性肝癌細(xì)胞中的表達(dá)增強(qiáng)，顯著抑制腫瘤細(xì)胞的生長，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。

3 總結(jié)

印記基因在生物生長發(fā)育過程中起至關(guān)重要的作用。通常，印記基因與胚胎發(fā)育有關(guān)，表現(xiàn)為促進(jìn)或抑制胚胎發(fā)育。若印記基因同時(shí)表達(dá)或沉默，可造成細(xì)胞過度增殖或誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，導(dǎo)致腫瘤發(fā)生。正是印記基因上攜帶的特異性表觀遺傳標(biāo)記，使雙親等位基因的表達(dá)受到嚴(yán)格的調(diào)控，才使生物體的各項(xiàng)生命活動(dòng)正常進(jìn)行。