免疫系統(tǒng)和表觀遺傳學(xué)調(diào)控：一個(gè)新的前沿領(lǐng)域

1、免疫系統(tǒng)和表觀遺傳學(xué)調(diào)控：一個(gè)新的前沿領(lǐng)域nbsp;nbsp;表觀遺傳學(xué)（epigenetics）研究轉(zhuǎn)錄前基因在染色質(zhì)水平的結(jié)構(gòu)修飾對(duì)基因功能的影響，這種修飾可通過細(xì)胞分裂和增值周期進(jìn)行傳遞。表觀遺傳學(xué)已成為生命科學(xué)中普遍關(guān)注的前沿，在功能基因組時(shí)代尤其如此。免疫系統(tǒng)被認(rèn)為是一個(gè)解析表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī) 周光炎上海第二醫(yī)科大學(xué)、上海市免疫學(xué)研究 關(guān)鍵詞：表觀遺傳學(xué)；DNA甲基化；組蛋白修飾；染色質(zhì)重塑；轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)；細(xì)胞因子基因 表觀遺傳學(xué)（epigenetics）研究轉(zhuǎn)錄前基因在染色質(zhì)水平的結(jié)構(gòu)修飾對(duì)基因功能的影響，這種修飾可通過細(xì)胞分裂和增值周期進(jìn)行傳遞。表觀遺傳學(xué)已成為生命科學(xué)中普遍關(guān)注的前沿

2、，在功能基因組時(shí)代尤其如此。免疫系統(tǒng)被認(rèn)為是一個(gè)解析表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制的良好模型，而且免疫細(xì)胞伯分化及功能表達(dá)和表觀遺傳學(xué)的聯(lián)系甚密，無疑使這一交叉領(lǐng)域的發(fā)展一開始就置身于一片沃土之中。為此，本文對(duì)表觀遺傳學(xué)的免疫學(xué)意義作一簡(jiǎn)介，側(cè)面重于T細(xì)胞分化特別是Th1、Th2及相關(guān)細(xì)胞因子基因表達(dá)中的表觀遺傳學(xué)調(diào)控。 1 表觀遺傳學(xué)涉及的機(jī)制：DNA甲基化、組蛋白修飾和染色質(zhì)重塑 DNA甲基化由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶Dnmtl催化，通常發(fā)生在雙核苷酸CpG中的胞嘧啶，構(gòu)成甲基化的CpG。DNA甲基化及去甲基化，再加上下面將要提到的組蛋白修飾，直接制約基因的活化狀態(tài)。 染色質(zhì)的基本單位為核小體，核小體中部是由

3、四種組蛋白（H2A、H2B、H3、H4）各兩個(gè)分子構(gòu)成的八聚體核心，N端尾部為單一的H1。核小體周圍繞著兩圈長(zhǎng)約166 hp的DNA，之間的連接DNA約1080bp，并通過組蛋白H1縮成直徑為30nm的纖絲。組蛋白可以共價(jià)修飾而發(fā)生乙?；?、甲基化和磷酸化，由此構(gòu)成多種多樣的組蛋白密碼。 染色質(zhì)重塑（remodeling）指染色質(zhì)位置和結(jié)構(gòu)的變化。主要涉及密集的染色質(zhì)絲在核小體連接處發(fā)生松解造成染色質(zhì)解壓縮，從而暴露基因轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子區(qū)中的順式作用元件，為反式作用蛋白（轉(zhuǎn)錄因子）與之結(jié)合提供了一種稱為可接近性（accesibility）的狀態(tài)。這一過程由兩類結(jié)構(gòu)介導(dǎo)：ATP依賴型核小體重塑復(fù)合體和組

4、蛋白修飾復(fù)合體。前者通過水解作用改變核小體構(gòu)型；后者對(duì)核心組蛋白N端尾部的共價(jià)修飾進(jìn)行催化其中還有I型DNA酶（DNase I）超敏性的改變。 通常，DNA甲基化、組蛋白甲基化和染色質(zhì)的壓縮狀態(tài)和DNA的不可接近性，以及基因處于抑制和靜息狀態(tài)相關(guān)；而DNA的去甲基化、組蛋白的乙?；腿旧|(zhì)壓縮狀態(tài)的開啟，則與轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)、基因活化和行使功能有關(guān)。這意味著，不用改變基因本身的結(jié)構(gòu)，而是改變基因轉(zhuǎn)錄的微環(huán)境條件就可以左右基因的活性：或者令其靜息（silencing），或者使其激活。 2 表觀遺傳學(xué)調(diào)控的免疫學(xué)意義：對(duì)免疫細(xì)胞分化和功能的影響 免疫學(xué)中表觀遺傳學(xué)調(diào)控所發(fā)揮的影響，波及基因、細(xì)胞和應(yīng)答等

5、不同的水平。 1）抗原受體基因的表達(dá)：TCR和BCR的表達(dá)需發(fā)生V-（D）-J基因片段的重排，重排有賴重組酶與基因座位兩側(cè)的DNA重組信號(hào)序列（RSS）相接合。因而染色質(zhì)的可接近性及相應(yīng)的核小體重塑等表觀遺傳學(xué)變化顯得十分重要。而且核小體的裝配和DNA甲基化如果危及編碼重組酶的重組激活基因（Rag），也將影響基因重排，干擾抗原受體基因的表達(dá)。 2）淋巴細(xì)胞的發(fā)育和分化：T細(xì)胞和T細(xì)胞的順序分化、雙陰性T細(xì)胞向CD4或CD8T細(xì)胞的分化，以及CD4陽(yáng)性效應(yīng)T亞群的分化皆涉及選擇何種基因何時(shí)順序轉(zhuǎn)錄的問題。通常，被選擇出來先行表達(dá)的基因（如TCR早于TCR）總是首先出現(xiàn)表觀遺傳學(xué)的改變，包括DNA

6、去甲基化、組蛋白的乙酰化和DNase I超敏性的誘導(dǎo)。 3）等位相斥和單一等位基因（monoallelic）的選擇：等位基因重排可抑制同一座位另一個(gè)等位基因的重排，保證了淋巴細(xì)胞伯單一特異性，稱為等位相斥。就表觀遺傳學(xué)機(jī)制而言，某一基因一旦去甲基化，即可誘導(dǎo)重排而使其成為細(xì)胞所表達(dá)的單一等位基因。已確定成熟B細(xì)胞啟用這一機(jī)制使Ig早于Ig進(jìn)行轉(zhuǎn)錄表達(dá)。現(xiàn)時(shí)，等位相斥及表觀遺傳學(xué)調(diào)控研究，已進(jìn)一步擴(kuò)展到呈現(xiàn)多態(tài)性的細(xì)胞因子編碼基因，包括IL-2和IL-4。 4）NK細(xì)胞受體表達(dá)的多樣性：同一克隆淋巴細(xì)胞表面抗原受體的特異性相同，但單一的NK細(xì)胞表面卻可表達(dá)針對(duì)不同配體（MHC I類的分子）的多種

7、受體組合。有研究發(fā)現(xiàn)，這種差異和NK細(xì)胞多個(gè)KR基因去甲基化有關(guān)。 5）T細(xì)胞激活：細(xì)胞因子IL-2是T細(xì)胞激活的關(guān)鍵因素。初始T細(xì)胞中，IL-2基因因啟動(dòng)子區(qū)DNA甲基化而處于靜息狀態(tài)。當(dāng)T細(xì)胞得到激活信號(hào)后20min，DNA開始去甲基化，并發(fā)生染色質(zhì)重塑，IL-2基因激活，細(xì)胞進(jìn)入分裂周期。 細(xì)胞因子基因轉(zhuǎn)錄的表觀遺傳學(xué)調(diào)控，IL-2研究的最早，隨后是IFN-和IL-4。不同的是，IL-2基因的表達(dá)是在細(xì)胞分裂之前，IFN-的產(chǎn)生則在細(xì)胞進(jìn)入S期之后，而IL-4的最適表達(dá)需要細(xì)胞經(jīng)歷34次分裂。 3T亞群分化和相應(yīng)細(xì)胞因子的表達(dá)調(diào)控 Th1和Th2的分化受細(xì)胞外環(huán)境因素和細(xì)胞內(nèi)遺傳因素影響

8、，包括APC特性、抗原的結(jié)構(gòu)和劑量、共刺激分子、MHC背景、細(xì)胞因子等。當(dāng)把內(nèi)外因素整合起來，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞因子的表達(dá)及其表觀遺傳學(xué)的調(diào)控起主要作用。 3.1 細(xì)胞因子基因表達(dá)的三個(gè)時(shí)相 細(xì)胞因子受體、受體相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子STAT、亞群特異性轉(zhuǎn)錄因子、抗原誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子等要素，出現(xiàn)在基因表達(dá)的不同時(shí)期。 1）起始期：主要事件是抗原和TCR的結(jié)合、共刺激信號(hào)的參與、細(xì)胞因子IL-12和IL-4與相應(yīng)受體IL-12R和IL-4R的結(jié)合，以及受體相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子 Stat4和Stat6的激活。 2）定型期：下列亞群特異性轉(zhuǎn)錄因子開始激活并發(fā)揮作用。對(duì)Th1是T-bet(以及ERM)；對(duì)Th2是GATA3（以及c-

9、maf）。結(jié)果，已分化的亞群表型特征通過細(xì)胞擴(kuò)增得以穩(wěn)定地保持和遺傳。例如對(duì)Th1,一旦IFN-表達(dá)而IL-4基因處于靜息狀態(tài)，則新產(chǎn)生的Th1細(xì)胞和所有的子代細(xì)胞一直維持這一格局，形成一種細(xì)胞性記憶（cell memory）現(xiàn)象。需要提及的是，T細(xì)胞的定向分化需要亞群特異性轉(zhuǎn)錄因子持續(xù)地高表達(dá)，因而GATA3和T-bet都可形成自我激活的反饋調(diào)節(jié)環(huán)路。這一調(diào)節(jié)環(huán)路，不僅針對(duì)自身，還針對(duì)其它亞群特異性轉(zhuǎn)錄因子，由此構(gòu)成一個(gè)動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)。 3）急性轉(zhuǎn)錄期：特點(diǎn)是需要抗原對(duì)已分化的細(xì)胞再次進(jìn)行激發(fā)。起關(guān)鍵作用的是抗原誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子如NF-AT和AP-1。誘導(dǎo)表達(dá)后的NF-AT在各種細(xì)胞中含量相似

10、，但它的結(jié)合往往采取細(xì)胞亞型專一的方式，即Th1中和IFN-基因啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合，Th2中和IL-4啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合。結(jié)果，對(duì)Th1和Th2細(xì)胞，IFN-和IL-4基因的轉(zhuǎn)錄分別再次被誘導(dǎo)。此時(shí)不再需要共刺激因子和相應(yīng)細(xì)胞因子受體提供信號(hào)。 3.2 IL-4基因表達(dá)的表觀遺傳學(xué)調(diào)控伴隨基因表達(dá)的三個(gè)時(shí)相，有多種表觀遺傳學(xué)的參數(shù)發(fā)生改變。下面以IL-4基因的表達(dá)和調(diào)控為例加以說明。 DNA酶高敏性的誘導(dǎo)：從起始期到定向期，IL-4基因座位附近的DNase I高敏感性座位（稱為DH座位）由3個(gè)增加到10個(gè)，特別出現(xiàn)在兩個(gè)保守性非編碼序列CNS-2和CNS-2中，這意味著DNA去甲基化區(qū)域擴(kuò)大。由此引起啟動(dòng)

11、子區(qū)另一個(gè)高敏感座位3端VA的出現(xiàn)，其功能相當(dāng)于一個(gè)IL-4基因的增強(qiáng)子，可以和進(jìn)入急性轉(zhuǎn)錄期的GATA3和NF-AT結(jié)合，推動(dòng)IL-4基因的轉(zhuǎn)錄。這里，沒有表觀遺傳學(xué)關(guān)于DNA高敏感座位的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)錄因子GATA-3和NFAT不能有效的發(fā)揮作用。 組蛋白乙?；腿旧|(zhì)重塑：在DNase I高敏性增加的同時(shí)，組蛋白發(fā)生乙?；纱艘l(fā)兩個(gè)變化，一是DNA的構(gòu)型開始松解，轉(zhuǎn)錄因子得以和核小體中相應(yīng)的順式激活部位結(jié)合；二是轉(zhuǎn)錄因子NF-AT和Stat6可招募一類能與之結(jié)合的反式激活因子如CBP。后面將要提高，CBP不僅參與啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄，還進(jìn)一步引起組蛋白的乙?；?。這一切，推動(dòng)了Th2的分化。 DNA

12、去甲基化：靜息基因往往坐落在高度甲基化的DNA異染色質(zhì)區(qū)段，因?yàn)镈NA甲基化招募甲基化CpG結(jié)合蛋白如McCP2，后者的作用是聚集抑制因子SIN3-HDAC復(fù)合體。因而，Th2的分化往往伴有IL-4基因的去甲基化。去甲基化主要發(fā)生在定型期而非起始期。 4表觀遺傳學(xué)調(diào)控和轉(zhuǎn)錄輔助激活因子：MHC基因的表達(dá)和自身免疫病 DNA、核小體和組蛋白的修飾和重塑對(duì)于基因靜息和激活的影響，最終需依賴轉(zhuǎn)錄因子（反式作用蛋白）與順式作用元件即分布于啟動(dòng)子區(qū)結(jié)構(gòu)保守的眾多DNA框相結(jié)合。當(dāng)然，如前所說，DNA框的“開放”是發(fā)生染色質(zhì)重塑的結(jié)果。與順式作用元件結(jié)合的還有通用轉(zhuǎn)錄復(fù)合體（GTC）。GTC由型RNA聚合

13、酶、TATA結(jié)合蛋白（TBP）和TBP相關(guān)因子（TAF）組成。一旦TBP和啟動(dòng)子區(qū)TATA框相結(jié)合，基因即開始轉(zhuǎn)錄。 如果把這些要素稱為基因轉(zhuǎn)錄和表觀遺傳調(diào)控的基線，則在基線之上，還有其他的調(diào)節(jié)成份，重要者為前面提到的輔助激活因子（coactivator）。這些因子通常不和DNA結(jié)合，而是連接轉(zhuǎn)錄因子和GTC；或是一端連接轉(zhuǎn)錄因子，另一端和其他的輔助激活因子結(jié)合。不僅如此，有的輔助激活因子如CBP還作為組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶（HAT）直接參與對(duì)組蛋白的乙?；揎?。此類因子作為表觀遺傳學(xué)調(diào)控的重要成份，在免疫學(xué)中的意義至少在以下方面得到了證實(shí)。 1）TCR重組基因的選擇：眾多TCR基因中TCR基因中

14、TCR基因可先發(fā)生重組，其中有IL-7的參與。IL-7受體可激活Stat5,Stat5再結(jié)合輔助激活因子CBP等，由后者連接J基因啟動(dòng)子，開啟TCR的重排和表達(dá)。 2）MHC基因的表達(dá)：MHC 類基因以及其他參與抗原加工遞呈的基因如TAP、LMP和DM的轉(zhuǎn)錄，受控于類反式激活蛋白（CTA）參與類基因染色質(zhì)重塑，該基因的突變往往導(dǎo)致類分子表達(dá)失效，引起裸淋巴細(xì)胞綜合癥。有意義的是，CTA基因本身的轉(zhuǎn)錄涉及四個(gè)獨(dú)立的啟動(dòng)子區(qū)（PIP），這些區(qū)段中DNA的甲基化程度又直接制約CTA基因的活性。例如樹突狀細(xì)胞和滋養(yǎng)層細(xì)胞類分子的表達(dá)由CTA基因啟動(dòng)子DNA的甲基化狀態(tài)所決定。另外，新近發(fā)現(xiàn)與CTA相近

15、處還有一個(gè)稱為座位調(diào)控區(qū)（LCR）的結(jié)構(gòu)，可誘導(dǎo)組蛋白乙酰化并招募RNA聚合酶，從表觀遺傳學(xué)的角度制約類基因的表達(dá)。 3）細(xì)胞因子基因的表達(dá)：CTA雖以調(diào)控類基因而得名，它作為輔助激活因子尚有多種功能，其中之一是調(diào)控Th1/Th2相關(guān)細(xì)胞因子基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。Sisk等曾報(bào)告，IL-4基因轉(zhuǎn)錄中NF-AT需要和輔助激活因子CBP結(jié)合需用發(fā)揮作用。但CTA可以競(jìng)爭(zhēng)性地和CBP結(jié)合，造成沒有足夠的CBP通過NF-AT參與IL-4的轉(zhuǎn)錄，抑制了Th2的分化。 4）自身免疫?。涸擃惣膊∩婕白陨矸磻?yīng)性淋巴細(xì)胞的激活，并可伴有某些功能性亞群（如Th1）的極化，由此開啟各種基因表達(dá)的表觀遺傳學(xué)調(diào)控，包括輔助激活因子的參與。一個(gè)典型的例子是B細(xì)胞的OBF-1，這是前B細(xì)胞向未成熟B細(xì)胞發(fā)育中參與基因轉(zhuǎn)錄的輔助激活因子，一旦缺失，可以使Aiolos小鼠SLE樣癥狀發(fā)生逆轉(zhuǎn)，不再出現(xiàn)抗雙鏈DNA抗體和免疫復(fù)合物介導(dǎo)的腎