1、表觀遺傳學進展LT表觀遺傳學及其進展摘 要 本文概述了表觀遺傳學作為分子生物學的一個分支學科的基本內容，并著重討論DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質重塑、非編碼RNA調控在生物體分化發育期間引起基因表型效果與表 達機制及影響因素。表觀遺傳、DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質重塑、非編碼RNA調控基因組計劃已經揭示出人類的全套基因組序列，但基因的DNA 序列只是一個模板，高等生物的每個細胞都具有全套基因，即全能性 (totipotency)o但構成生物體各組織的細胞類型卻千差萬別，這全能 性的基因如何表達出如此多樣性的細胞、組織？ 1939年Waddington川 最先提出表觀基因型(epigeno

2、type)這個概念，指出了遺傳和表觀遺傳 的相對性,首次以有機體整體的觀念解釋整個生命過程中遺傳物質的 表達方式。而后Holliday0認為成熟的有機體有全套的來自母源和父 源的基因型，同時也有了全套的表觀基因型，能決定基因的表達，并 且是穩定的可遺傳的。一.表觀遺傳學的定義及特點表觀遺傳學是研究不涉及DNA序列改變的基因表達和調控的可 遺傳變化的機制叫 這種改變是細胞內除了遺傳信息以外的其他可遺 傳物質發生的改變，即基因型未發生變化而表型卻發生了改變，且這 種改變在發育和細胞增殖過程中能穩定傳遞HI或者說是研究從基 因型演繹為表型的過程和機制的一門新興的遺傳學分支。表觀遺傳的 異常會引起表型

3、的改變、機體結構和功能的異常,甚至導致很多疾病。其主要特點是：可遺傳性，即這類改變通過有絲分裂或減數分 裂能在細胞或個體世代間遺傳；可逆的基因表達調節，也描述為基 因活性或功能的改變；沒有DNA序列的改變或不能用DNA序列 變化來解釋。二.表觀遺傳學的機制1 .DNA甲基化DNA甲基化是表觀遺傳學的重要研究內容之一。DNA甲基化現 象廣泛存在于細菌、植物和哺乳動物中，是DNA的一種天然的修飾方 式。在哺乳動物中，由DNA甲基轉移酶(DN-MT1)催化，通常發生在 雙核昔酸CpG中的胞喀咤，構成甲基化的CpG。在整個基因組中， CpG島通常位于基因的啟動子區域(promoter region),

4、在正常情況 下，CpG島是以非甲基化形式存在于基因的啟動子內。DNA甲基化 及去甲基化，再加上組蛋白修飾，直接制約基因的活化狀態。因此, DNA甲基化有其重要的生物學上的意義。近年來許多研究已表明： DNA甲基轉移酶的活性異常與人類的某些疾病有直接的關聯，例如IGF 綜合征(immunodeficiency centromeric instability facial anomaliassyndrom)就是由于位于染色體20ql1.2上的DNMT3B基因 發生突變而導致的7, DNA甲基轉移酶的活性降低也會導致基因的 突變增加8。DNA的甲基化與癌癥發生的關系也越來越受重視。現 代腫瘤理論認為

5、癌癥是由基因缺陷和基因的表遺傳性改變引起的，在導致癌相關基因改變而致癌的六種可能性機制中有三種機制與DNA甲基化直接有關。因此甲基化研究在現代腫瘤學研究中有著不可忽視 的作用。在基因的表觀遺傳性改變中，正常的 DNA甲基化模式如果 被破壞(例如基因啟動子區域過度甲基化或過低甲基化)都會導致細胞的癌變身10。如果在基因的啟動子區域的 CpG島發生過度甲基化， 那么該基因就可能失活。到目前為止，已發現在大量的腫瘤細胞中腫 瘤抑制基因(tumor surpressor genesR勺失活與該基因的啟動子區域 的過度甲基化有直接關聯。基因的過低甲基化(hypom-ethylation)也與癌癥的發生有

6、一定的關系，過低甲基化導致一些在正常情況下受到 抑制的一些基因如癌基因，或相關因子得到大量表達。另外， DNA 過低甲基化抑制了基因組中重復子(reetitive dements)的同源性重組， 因而導致整個基因組的不穩定性增加。Narayan等11報道：在細胞染 色體的中心粒周圍具有高度的甲基化區域，如果這種甲基化DNA失去致密的甲基，就會導致基因的損傷。2 .組蛋白修飾染色質的基本單位為核小體，核小體中部是由四種組蛋白(H2A、H2B、H3、H4)各兩個分子構成的八聚體核心，N端尾部為單一的H1。組蛋白可以共價修飾而發生乙酰化、甲基化和磷酸化，由此構成多種多樣的組蛋白密碼。組蛋白乙酰化與基

7、因活化以及DNA復制相關，組蛋白的去乙酰化和基因的失活相關。乙酰化轉移酶(HATs)主要是在組蛋白H3、H4的N端尾上的賴氨酸加上乙酰基，去乙酰 化酶(HDACs)則相反，不同位置的修飾均需要特定的酶來完成12。乙酰化酶家族可作為輔激活因子調控轉錄，調節細胞周期，參與DNA損傷修復，還可作為DNA結合蛋白13,14。去乙酰化酶家族則和染色 體易位、轉錄調控、基因沉默、細胞周期、細胞分化和增殖以及細胞 凋亡相關13。3 .染色質重塑染色質重塑(remodeling)指染色質位置和結構的變化。主要涉及 密集的染色質絲在核小體連接處發生松解造成染色質解壓縮，從而暴露基因轉錄啟動子區中的順式作用元件，

8、為反式作用蛋白(轉錄因子) 與之結合提供了一種稱為可接近性(ac-cesibility)的狀態。染色體重塑 過程由兩類結構介導：ATP依賴型核小體重塑復合體和組蛋白修飾 復合體。前者通過水解作用改變核小體構型；后者對核心組蛋白N端尾部的共價修飾進行催化。修飾直接影響核小體的結構，并為其他 蛋白提供了和DNA作用的結合位點15。三.表觀遺傳學的運用1 .腫瘤的診斷腫瘤表觀遺傳學在腫瘤的診斷中具有相當重要的意義。許多CGI甲基化事件已被當作腫瘤的生物學標志，可能是一個非常有前途的腫 瘤早期診斷標志。甲基化特異性PCR(MS-PCR)是極為敏感的甲基化 測定方法之一，可檢測微量 DNA樣品。MS-P

9、CR分析樣本中與腫瘤 相關的基因的甲基化狀態，顯示每種腫瘤獨特的甲基化譜，與非甲基 化模板相比，甲基化模板檢測敏感性提高，可用于腫瘤的輔助診斷。 某些死亡的腫瘤細胞釋放的基因片段也能作為腫瘤診斷的生物標志 物；血液和體液中的甲基化基因與原發腫瘤的甲基化基因的量高度相 關，這些都可以通過 MS-PCR進行檢測。2 .腫瘤的治療目前腫瘤表觀遺傳方面研究的方向包括 DNMT和靶向誘導DNA 甲基化及HDAC抑制劑的研究等。CGI高甲基化導致的抑癌基因轉 錄失活可以逆轉，利用去甲基化劑使甲基化的基因去甲基化并重新表 達，抑癌基因的功能可以直接恢復，該領域的研究可能為臨床提供腫 瘤治療的新手段。DNMT

10、的作用是催化DNA甲基化，在CGI異常 甲基化的腫瘤細胞中常過度表達，該酶已成為DNA去甲基化，恢復抑癌基因功能的靶分子之一。5-阿扎胞甘(5-azacytidine)是美國FDA 第一個批準用于骨髓增生異常綜合征(MDS)治療的DNMT抑制劑， 隨后上市的是5-脫氧雜氮胞昔即地西他濱(decitabine)。雖然5-阿扎 胞普及其衍生物的作用機制現在還不完全清楚，但它們能使DNA去甲基化，重新誘導沉寂的腫瘤相關基因表達的作用非常明確，尤其與其他藥物聯合用于抗腫瘤治療，5-阿扎胞甘能增強多種化療藥的敏感 性，尤其在治療血液腫瘤如慢性粒細胞白血病( CML )和急性粒細胞白血病(AML)等癌癥方面為去甲基化劑的應用提供了有力的證據。將HDAC抑制劑和其他類型抗腫瘤藥如 DNMT抑制劑合用，可重新激活抑癌基因，促進腫瘤細胞凋亡。Karam等16報道以FK228和5-阿扎胞昔聯合應用于膀胱移行細胞癌體外和膀胱癌異種移植瘤 體內實驗，試驗結果提示，其均具有不同的抑制生長作用，且該作用 具有時效和量效關系。聯合用藥能明顯將細胞阻滯在 G2/M期，并能 誘導腫瘤細胞凋亡。眾多研究顯示，表觀遺傳學改變在腫瘤發展的過程中