2023表观遗传学基础和围产医学发展.docx

2023表观遗传学基础和围产医学发展遗传学的经典原理已为临床医师所熟悉并得到广泛应用;分子遗传学的核心是生命过程中所需要的各种蛋白质由基因决定,并因此决定生命体的表型。随着医学的发展,特别是遗传学和病理生理学的发展,许多临床现象和疾病机制难以用经典的遗传学原理加以解释,如源于分化的成熟体细胞的克隆动物未老先衰;具有相同DNA序列的同卵双生双胞胎在表型和疾病易感性方面表现出明显的差异;组织特异性基因在不同受体、组织的表达不同,以及复杂疾病的发生机制与遗传学理论不一致,等等。上述现象用分子遗传学机制难以释其所以然。其实在1942年,Waddington就首先提出了表观遗传学(epigenentics)一词,并指出遗传与表观遗传的相对性,即基因型和表型的相对关系。几十年后,Holiday针对表观遗传学提出了更新的系统的释义;以后又有研究者不断推测并提出生物体内可能在基因的碱基序列未发生变化时,表型发生了改变，一个亲本基因决定了子代的某些特征,而另一个亲本基因则保持沉默,因此出现包括同卵双生双胞胎表型不同的现象,提示在基因组外存在对遗传学信息和对基因进行调控的表达机制1这就是表观遗传学产生的背景。一、表观遗传学的定义遗传学是基于基因(即遗传密码、核甘酸序列)由于任但I原因发生改变,如基因突变、基因杂合丢失和微卫星不稳定等,并因此造成子代的表型发生改变而进行研究的学科;而表观遗传学研究的是在基因的核苜酸序列不发生改变的情况下,基因表达发生的可遗传变化,即子代表型的改变,也就是对非基因序列改变所致基因表达水平变化进行研究的学科口表观遗传学的发展到目前已不限于此,基于基因组水平对表观遗传学改变的研究已经有了很多结果,并形成了表观基因组学(epigenomics)。二、表观遗传学的主要现象和调控基因的原理表观遗传的现象很多,比较重要的包括DNA甲基化、组蛋白修饰、基因组印迹、非编码RNA调节和X染色体剂量补偿等,这些现象可使子代表型发生改变。1 .DNA甲基化:基因组中CpG(鸟膘吟-胞I©!定二核苗酸)含量大于50%的一段DNA称为CpG岛(CPGiSland),其长度通常为12kb°CPG岛常位于转录调控区附近的启动子区域。人类基因组序列草图分析结果表明,人类基因组CpG岛约28890个,其数目与基因密度有良好的对应关系;大部分染色体每1Mb就有515个CpG岛,平均每IMb含10.5个CpG岛;其中Ioo1000bp且富含CpG二核昔酸的CpG岛总是处于未甲基化状态,并且与56%的人类基因组编码基因相关。DNA甲基化是指在甲基化酶的作用下,将一个甲基添加在DNA分子的碱基上,即在基因组CpG二核苗酸的胞喀碇5'碳位共价键上结合一个甲基基团。在DNA甲基化过程中,胞哪D定突出于DNA双螺旋,并进入与胞口密咤甲基转移酶结合部位的裂隙中,该酶将S-腺昔甲硫氨酸(S-adenosyl-L-methionine,SAM)的甲基转移到胞嗜咤的5'位形成5-甲基胞喀陡2。DNA甲基化修饰可决定基因表达的模式,决定从亲代到子代可遗传的基因表达状态。CpG岛的甲基化会稳定核小体之间的紧密结合而抑制基因的表达;当一个基因的启动子序列中的CpG岛被甲基化以后,尽管基因序列没有发生改变,但基因不能启动转录,也就不能发挥功能,导致生物表型的改变。并且QNA甲基化模式可以在DNA复制后被保持,在细胞分化过程中,基因的甲基化状态将遗传给后代细胞。2006年Dolinoy等发表的孕鼠的进食对子代毛色和预防肥胖影响的研究,是典型的通过孕期食物对基因甲基化的作用产生对子代可遗传影响的例子。该小鼠的agouti基因编码一种旁分泌信号蛋白,调节毛囊黑色素细胞从产生黑色素转换为产生黄棕色素,agoUti信号蛋白表达水平直接影响着小鼠毛发的颜色。隐性等位基因a不具有agouti功能,纯合子a/a基因型小鼠不合成agoUti信号蛋白,使黄棕色素水平降低,黑色素水平升高，皮毛呈现纯黑色5。纯合子a/a基因型雌鼠在妊娠810周与具有ZJVIa基因的雄性小鼠交配启交配前2周至哺乳21d,给雌性小鼠喂饲含或不含三羟异黄酮(genistein)的膳食,250mg(kgd).结果在同一窝AvyCpG基因相同的5组Avy/a小鼠中,基因完全相同的Avy/a小鼠显示出5种不同的表现型,AvyCpG甲基化的程度(8%76%)与毛色从黄至棕黑程度完全一致,棕黑色小鼠AvyCpG甲基化的程度最高4-5,说明甲基化抑制了agouti基因的表达。2 .组蛋白修饰:组蛋白为染色体的结构蛋白，是一类小分子碱性蛋白质,富含带正电荷的碱性氨基酸,能够同DNA中带负电荷的磷酸基团相互作用。染色体折叠过程中DNA与组蛋白（特别是和H3、H4、H2A、H2B和HI）结合在一起组成核小体,其中的组蛋白可被多种化合物所修饰,这类结构修饰使染色质的构型发生改变。组蛋白在翻译后的修饰中发生改变而形成组蛋白密码（histoneCOde）,后者是一种动态转录调控成分,为染色质提供一种识别的标志,即其他蛋白可与DNA结合而产生协同或拮抗效应6o组蛋白修饰发生的部位和方式:主要是组蛋白氨基端的甲基化修饰和（或）乙酰化修饰使DNA和组蛋白的结合变松,才能使相关基因表达。组蛋白乙酰化与基因活化以及DNA复制相关,而组蛋白的去乙酰化和基因的失活相关.如图2所示,核小体由DNA（黑线）包绕组蛋白八聚体（紫色）组成。甲基化、磷酸化或者乙酰化修饰的转录后组蛋白能够改变压缩紧密的核小体结构。三磷酸腺苜（adenosinetriphosphate,ATP）依赖的染色质重组复合物（黄色圆柱体）,以及作用相反的组蛋白乙酰化转移酶和组蛋白去乙酰化酶,产生乙酰基结合蛋白,或甲基化-CPG-结合蛋白,以及甲基化DNA（黄色）对核小体结构进行调节7。组蛋白修饰也可以通过其竣基端的泛素化发生。泛素为一种高度保守的蛋白质油76个氨基酸残基组成,已发现的差别不超过2个氨基酸。当细胞需要控制其自身蛋白的降解,以确保只废弃那些不再需要的蛋白时,泛素则在其中扮演了重要的角色。当泛素粘贴在靶蛋白分子上时,细胞就做好了降解靶蛋白的准备。因此组蛋白的泛素化影响了蛋白质的降解过程,也因此参与调节基因的表达。组蛋白修饰与CpG岛的甲基化密切相关。组蛋白修饰是基因正常表达的表观遗传学条件,即组蛋白修饰处于激活状态。组蛋白不同氨基酸残基的乙酰化一般与活化的染色质构型和常染色质(euchromatin)具有表达活性的基因相关联;乙酰化修饰大多在组蛋白H3的LyS9、14、18、23和H4的LyS5、8、12、16等位点。而组蛋白甲基化可以与基因抑制有关,也可以与基因的激活相关,这往往取决于被修饰的赖氨酸处于什么位置:如H3Lys9甲基化最终导致了基因的沉默;而位于H3Lys4的甲基化则与基因的活化相关联。大部分情况下组蛋白的甲基化与浓缩的异染色质(heteroChromatin)和表达受抑的基因相关联。同时组蛋白修饰为某些蛋白提供了对染色质的识别信息,通过蛋白质和染色质的相互作用改变染色质结构,从而调控基因表达6-7。组蛋白修饰特别是其中的DNA甲基化异常将导致遗传性智力障碍疾病,也与核小体重新定位异常引起基因表达抑制有关的先天性遗传病发生相关,如X连锁-地中海贫血等,某些则和乙酰化转移酶突变有关,如RubinsteinTaybi综合征,表现为智力低下、面部畸形、拇指粗大、身材矮小。3 .基因组印迹(genomicimprinting):来自父方和母方的等位基因在传递给子代时发生了修饰，使带有亲代印迹的等位基因在子代细胞中具有不同的表达特性。这种源自某一亲本等位基因或其所在染色体的修饰,包括DNA甲基化、组蛋白乙酰化和甲基化修饰,可导致不同亲本来源的2个等位基因在子代表达不同;有些只有父源的基因有转录活性，而母源的同一基因则始终处于沉默状态,另一些基因的情况则相反。印迹基因在发育过程中扮演着重要的角色,其在染色体上约80%为成簇分布,并被位于该同条DNA链上的印迹中心(imprintingcenter,IC)或印迹控制区(imprintingcontrolregions,ICRs)所调控。印迹基因的异常表达可引发伴有复杂突变和表型缺陷的多种人类疾病。研究发现许多印迹基因对胚胎和胎儿出生后的生长发育有重要调节作用,对行为和大脑的功能也有很大影响,印迹基因的异常同样可诱发癌症。如Prader-Willi综合征是由于突变导致父本印迹基因,如SNPNP基因,在大脑中高表达所致,个体表现为肥胖、矮小、中度智力低下。Angelman综合征是由于母本的UBE3A基因的缺失或受到抑制所致,表现为共济失调、过度活跃、严重智障、少语、表情愉悦。而Beckwith-Wiedemann综合征为染色体11p15.5区段的多种能造成该区段印迹基因表达失衡和表观遗传学调节机制异常所致,主要原因是父本单亲二体型(UniParemaldisomies,UPDs),即胰岛素样生长因子2(insulinlikegrowthfactor2,IGF2)基因，双倍表达,母本CDKN1C基因不表达或发生突变；表现为过度生长综合征,常伴有肥胖和先天性脐疝，并在儿童期有易患肿瘤倾向。4 .非编码RNA调节:在RNA分类中有一种为功能性非编码RNAmOn-COdingRNA,ncRNA),包括长链非编码RNA(longchainncRNA,LCnCRNA)和短链非编码RNA(shortchainncRNA,SCncRNA),非编码RNA不仅能对整个染色体进行活性调节,也可对单个基因活性进行调节。事实上在基因调控过程中无论是DNA修饰还是组蛋白修饰,都是基因活性调节的中间参与者。LCncRNA在基因簇以至整个染色体水平发挥顺式调节作用,甚至可以介导单条染色体的失活；SCncRNA主要在转录后水平对基因表达进行调控6。因此真正诱导基因活性改变的是ncRNA;并且这种对基因活性的诱导过程对防止疾病发生有重要的作用。5 .X染色体失活:X染色体在女性为2条而男性1条;为了保持平衡,女性的2条X染色体有1条是失活的,也称为X染色体的剂量补偿(dosagecompensation),X染色体失活的选择和起始发生在胚胎发育的早期,这个过程由X失活中心(X-inactivationCenter,Xic)控制,是一种反义转录调控模式。Xic存在X染色体失活特异性转录基因(X-inactive-specifictranscript,Xist),当失活命令下达时,该基因产生一个17kb不翻译的RNA与X染色体结合而引发失活;并且Xic还有记数功能,即保持每个二倍体中通过有丝或减数分裂仅使1条X染色体有活性,其余全部失活6。X染色体的失活状态需要表观遗传修饰,如DNA甲基化等来维持。X染色体失活是表观遗传学研究的很好范例,它能帮助人们认识基因沉默是如何建立的,以及如何通过遗传而保持的。和X染色体失活相关的疾病多是由X染色体的不对称失活,使携带有突变等位基因的X染色体在多数细胞中具有活性所致；如WiSkott-AIdriCh综合征,表现为免疫缺陷、湿疹、伴血小板缺乏症。三、与围产医学有关的表观遗传学研究进展网2010年5月在英国举行了表观遗传学与发育程序化的国际会议（EpigeneticandDevelopmentProgrammingConferenCe），许多作者报告了该方面的研究进展。现将其中与围产医学有关的部分内容简述如下。来自剑桥大学代谢科学研究院的OZanne做了营养程序化对基因表达的影响是否为表观遗传学的作用的主题报告,概括了早期生长方式和将来发生的疾病,如2型糖尿病、心血管疾病和代谢综合征等的关系,总结了现有的关于'早期程序化的确切证据和可能机制:即在发育关键时期因某些重要因子的水平改变而导致某器官结构的永久改变；氧化应激增加所致大分子（包括DNA损害造成细胞老化调控）的持久作用;表观遗传修饰的持久改变（如DNA甲基化和组蛋白修饰）导致基因表达的改变;表明有关表观遗传标记改变关键作用的证据不断增加,已有证据显示,通过DNA甲基化和组蛋白修饰,对程序化有影响的一些转录因子很易感。荷兰莱登大学医学中心的Heijmans报告了出生前环境对表观基因组学作用的研究。该研究旨在确定对出生前环境易感的表观基因组学标记,并确立这些标记对人类疾病的作用。该作者不久前已报告了对60多年前荷兰饥饿时期的个体候选基因位点研究（包括IGF2和瘦素）所发现甲基化的区别；为阐述与出生前饥饿相关的表观基因组学改变的特征，作者这次报告的研究应用reduced-representationbisulfitesequencing,进行了以血液作为标记组织的大样本病例与对照人群表观基因组学的流行病学研究,包括甲基化标记的可能位点和DNA甲基化的短时稳定性。结果显示,心机梗死病例和对照人群之间在出生前环境易感位点DNA甲基化有区别,揭示了基于基因组学的风险因素分析较仅基于DNA序列变异的分析更为有用。英国南安普敦大学医学系的Burdge报告了营养和表观基因组学的研究。该研究假设生命早期的营养质量会改变表观基因组功能;应用蛋白质限制(proteinrestriction,PR)饮食喂饲孕鼠诱导后代的表型改变,包括空腹血糖升高和糖异生增加,并发现PR母鼠的雌性后代肝磷酸丙酮酸竣激酶高表达,且在启动子区中特异性CpG岛出现甲基化改变;但母体补充叶酸可逆转后代的这些改变。在孕鼠未孕时喂饲PR,但在妊娠第1周和第2周给以合适营养,可诱导其后连续三代空腹血糖代谢和肝磷酸丙酮酸竣激酶表达的改变。提示营养诱导的表观遗传变化过程可能包含营养素间的相互作用。美国布朗大学的Maccani报告了暴露和人胎盘中与生长相关miRNA变异的关系。已有研究显示发育中胎儿暴露于有害物质,如类雌激素、重金属、酒精和烟等,与胎儿发育不良有关。有研究显示miRNA表达变异和母亲不良状况与妊娠结局有关，该研究检测了人胎盘标本(n=107)中调节生长发育通路的6个miRNA在胎盘中的表达:miR-16、miR-21xmiR-93xmiR-135bxmiR-146a和miR-182,结果显示miR-16表达低于中位值时,估计出生体重百分位数可下降21%(P=0.03)o回归模型显示胎盘miR-16低表达,则发生小于胎龄儿的风险增加4倍以上(P=0.009)。胎盘miR-16和miR-21共同低表达时,小于胎龄儿发生风险的增加高于miR-16或miR-21单项低表达时(P<0.02)o该研究显示了miRNA在表观遗传和基因调节中的作用。南澳洲大学的Nicholas报告了母亲围孕期营养过度或体重减轻导致子代肝和骨骼肌中IGF2表达和表观遗传修饰不同改变的研究,探讨印迹基因IGF2在生长和代谢中的关键作用。研究假设母亲围孕期营养过度(periconceptionalovernutrition,PCoN)将导致子代肝脏和肌肉中IGF2/H19甲基化程度增加和IGF2mRNA表达增加;而限制饮食将消除此结果。将母羊在孕前分组:全能量组予100%可代谢能量需求(metabolisableenergyrequirements,MER)持续4个月;全能量后部分能量限制组予100%MER持续3个月,随后为70%MER持续1个月;高能量组予自由饮食(180%MER)持续4个月;高能量后部分能量限制组予自由饮食(180%MER)持续3个月,随后为70%MER持续1个月。结果发现,高能量组的雄性子代肝脏IGF2mRNA表达高于全能量组(P<0.05),高能量后部分能量限制组雌雄子代肌肉IGF2mRNA表达高于全能量组(P<0.05),而PCON或饮食限制对子代肝脏和肌肉中IGF2受体mRNA的表达无影响。研究提示,母亲围孕期的起始体重和对饮食限制的代谢反应对子代IGF2信号通路具有表观遗传修饰的不同结果,并且具有长时效应。美国得克萨斯大学妊娠和新生儿研究中心的Mitsuya报告了妊娠有(无)合并症时人胎盘绒毛组织DNA甲基化的研究结果。该研究旨在探讨人胎盘的表观基因组和妊娠不良结局的关系,作者检测了妊娠有(无)合并症者的胎盘DNA甲基化的程度并与胎盘绒毛组织中血细胞基因组比较，其中包括f三子痫前期(n=10)、早产(n=6)和足月分娩(n=10)病例,应用甲基化-敏感限切酶检测。结果显示DNA甲基化在胎盘基因组显著低于血细胞基因组,重度子痫前期和早产妇女其胎盘基因组DNA甲基化程度高于足月分娩者,并显示母亲的体重指数与胎盘绒毛组织总DNA甲基化程度呈正相关。英国纽卡斯尔大学衰老和健康研究所及人类营养研究中心的HohnMathers教授在总结报告中指出,目前支持表观遗传学和发育程序化之假说的证据不断增加,但仍支离破碎,描述特殊环境暴露对表观遗传标记作用的资料多数为表象,需要更多的系统研究。因此其中许多不为所知之处和难以确定的事实和关系,将对研究重点的确定有所帮助。因此他提出一些研究者值得考虑的研究方向：（1）何种环境暴露最为重要？确定对表观遗传学最有影响的暴露因素,对进一步理解这些问题发生的机制极其关键。（2）哪些位点是生命早期对暴露的反应,并在表观遗传上最易发生变化?哪些位点可以改变表观遗传学的标记,并可延续数代细胞,最终导致基因表达的变化？（3）表观遗传的敏感时间窗在什么时候？有哪些生命周期中由环境暴露造成特异影响的表观遗传位点？（4）生命早期的不良暴露是否可逆,如果是,是由表观遗传学机制介导的吗？（5）复杂疾病病因机制的表观遗传学研究方面,表观遗传学标记可以作为不良环境暴露的生物学标记吗？四、总结表观遗传学的产生为揭示非核昔酸系列变化产生的遗传表型改变的现象提供了很好的依据和科学基础。围产医学和表观遗传学关系密切,妊娠过程和宫内环境可导致许多表观遗传的现象,并对子代产生影响,因此围产医学中的表观遗传现象可能是最值得研究的过程之一,并可能因此揭示表观遗传学的本质和机制。应注重对临床和病理生理学现象的资料收集,并由此进行相关研究,推动围产医学和表观遗传学的发展。我国2011年的全国围产学术会议上,已见到一些围产医学方面表观遗传学的研究报告,令人欣慰。