表觀遺傳學(xué)與疾病

1、表觀遺傳學(xué)與疾病李光雷 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所摘要：表觀遺傳學(xué)是在基因組DNA 序列不發(fā)生變化的條件下，基因表達(dá)發(fā)生的改變也是可以遺傳的，導(dǎo)致可遺傳的表現(xiàn)型變化。表觀遺傳學(xué)主要包括DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑、非編碼RNA調(diào)控、基因組印記、假基因、內(nèi)含子、核糖開關(guān)等。和表觀遺傳學(xué)相關(guān)的疾病主要有腫瘤、心血管病、成癮、自身免疫系統(tǒng)性病等。本文就表觀遺傳學(xué)與疾病進(jìn)行綜述。關(guān)鍵詞：表觀遺傳學(xué) 疾病 一、表觀遺傳學(xué)的基本概念經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為遺傳的分子基礎(chǔ)是核酸，生命的遺傳信息儲存在核算的堿基序列上，堿基序列的改變會引起生物體表現(xiàn)型的改變，而這種改變可以從上一代傳遞到下一代。然而，隨著遺傳學(xué)的發(fā)

2、展，人們發(fā)現(xiàn)，DNN、組蛋白、染色體水平的修飾也會造成基因表達(dá)模式的變化，并且這種改變是可以遺傳的。這種通過有絲分裂或減數(shù)分裂來傳遞非DNA序列遺傳信息的現(xiàn)象成為表觀遺傳，表觀遺傳學(xué)是研究不涉及DNA序列改變的基因表達(dá)和調(diào)控的可遺傳修飾，即探索從基因演繹為表型的過程和機(jī)制的一門學(xué)科1。Epigenetics這一名詞的中文譯法有多種，常見的有“表觀遺傳學(xué)”、“表現(xiàn)遺傳學(xué)”、“后生遺傳學(xué)”、“外因遺傳學(xué)”、“表遺傳學(xué)”、“外區(qū)遺傳學(xué)”等等 。表觀遺傳學(xué)是Waddington于1942年在描述生物體的基因型與表型之間的因果關(guān)系時提出的，他指出基因型的遺傳(heredity)或傳承(inheritan

3、ce)是遺傳學(xué)研究的主旨，而基因型產(chǎn)生表型的過程則屬于表觀遺傳學(xué)研究的范疇，他把表觀遺傳學(xué)描述為一個控制從基因型到表現(xiàn)型的機(jī)制。隨著遺傳學(xué)的快速發(fā)展，這個詞的意思越來越窄 2。1987年，Holliday指出可在兩個層面上研究高等生物的基因?qū)傩裕旱谝粋€層面是基因的世代間傳遞的規(guī)律，這是遺傳學(xué)；第二個層面是生物從受精卵到成體的發(fā)育過程中基因活性變化的模式，這是表觀遺傳學(xué)。1994年，Holliday又指出基因表達(dá)活性的變化不僅發(fā)生在發(fā)育過程中，而且也發(fā)生在生物體已分化的細(xì)胞中；基因表達(dá)的某種變化可通過有絲分裂的細(xì)胞遺傳下去，他進(jìn)一步指出表觀遺傳學(xué)研究的是“上代向下代傳遞的信息，而不是DNA序列本

4、身”，是一種“不以DNA序列的改變?yōu)榛A(chǔ)的細(xì)胞核遺傳”。1999年，Wollfe把表觀遺傳學(xué)定義為研究沒有DNA序列變化的、可遺傳的基因表達(dá)的改變。表觀遺傳學(xué) (epigenetics) 與遺傳學(xué)是一個對應(yīng)的關(guān)系，是研究表觀遺傳變異的遺傳學(xué)分支的學(xué)科。它現(xiàn)在有很多新的定義，在非神經(jīng)學(xué)中它的定義是不依賴于染色體上DNA序列的改變卻能穩(wěn)定遺傳的表型變化。 在Allis et al最近的一本書中可以找到兩種定義，一個是：表觀遺傳是和DNA突變無關(guān)的可遺傳的表型變化；另一個定義是：染色質(zhì)調(diào)節(jié)的基因轉(zhuǎn)錄水平的變化，這種變化不涉及DNA序列的改變 3。從1989到2008年期間和表觀遺傳相關(guān)的著作將近60

5、00多本，不論人們怎樣定義表觀遺傳學(xué)，它始終在研究中占有重要地位，The National Institutes of Health 把表觀遺傳學(xué)描述為：在控制基因的活性和表達(dá)方面和遺傳的變化相關(guān)，是一個細(xì)胞轉(zhuǎn)錄水平長期、穩(wěn)定的改變因素，但并不一定是必須的遺傳因素。本文就針對表觀遺傳學(xué)的內(nèi)容以及與其相關(guān)的疾病進(jìn)行綜述。二、表觀遺傳學(xué)的內(nèi)容和分子機(jī)制1. 1DNA甲基化 盡管DNA堿基的共價修飾從1948年開始就一直在研究，但直到1969年Griffith 和Mahler才提出DNA堿基的共價修飾可以調(diào)節(jié)基因表達(dá)。在人類DNA中，堿基的共價修飾占重要地位的是胞嘧啶甲基化，緊接著是腺嘌呤甲基化和鳥

6、嘌呤甲基化。DNA胞嘧啶的甲基化通常情況下在CpG島處高發(fā)，也有研究顯示胞嘧啶在很多非CpG處也經(jīng)常被甲基化。啟動子區(qū)的胞嘧啶甲基化通過阻止特異轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合或者促使核染色質(zhì)重塑來抑制基因表達(dá)，比如組蛋白修飾酶或其他基因表達(dá)抑制子。DNA甲基化主要是因?yàn)镈NA甲基轉(zhuǎn)移酶實(shí)現(xiàn)的。一般認(rèn)為在哺乳動物中DNA甲基轉(zhuǎn)移酶主要有四種，分為兩個家族：Dnmtl和Dnmt3（還有一個Dnmt2，主要為tRNA 的甲基轉(zhuǎn)移，該酶有微弱的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶活性）。Dnmt1家族在DNA復(fù)制和修復(fù)中使其甲基化；而Dnmt3家族則催化CpG從頭甲基化。Dnmt3包括了兩個從頭甲基轉(zhuǎn)移酶Dnmt3a、Dnmt3b和一個

7、調(diào)節(jié)蛋白Dnmt3L，研究顯示Dnmt3a和Dnmt3b根據(jù)細(xì)胞類型和不同的發(fā)育階段對不同的位點(diǎn)甲基化修飾，它們可能直接作用于DNA序列或是其他的DNA結(jié)合蛋白所必須或者在RNAi的指導(dǎo)下的DNA甲基化。甲基轉(zhuǎn)移酶的結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖1：Dnmtl結(jié)構(gòu)域?yàn)椋篘端與某些蛋白特異結(jié)合區(qū)，C端的酶活性區(qū)及其他未知區(qū)域；Dnmt2主要為tRNA甲基轉(zhuǎn)移酶；Dnmt3a和Dnmt3b的結(jié)構(gòu)域?yàn)椋篘端的可變區(qū)，PWWP結(jié)構(gòu)域，半胱氨酸富集區(qū)，C端的酶活性區(qū)；Dnmt3L的半胱氨酸富集區(qū)，但C端不具單獨(dú)的催化活性。羅馬數(shù)字表示沒結(jié)構(gòu)中的一些保守區(qū)域10。 哺乳動物基因組DNA甲基化還包括DNA去甲基化，是在

8、DNA去甲基化沒的作用下進(jìn)行的，去甲基化包括非特異性去甲基化和特異性去甲基化。1. 2組蛋白修飾 組蛋白包括H1、H2A、H2B、H3 和H4， H2A、H2B、H3 和H4組蛋白各兩個分子形成一個八聚體，真核生物中的DNA 纏繞在此八聚體上形成核小體，組蛋白H1 起到連接的作用，把每個核小體連接到一起。在5 種組蛋白中，H1的N 端富含疏水氨基酸，C 端富含堿性氨基酸，H2A、H2B、H3 和H4種都是N 端富含堿性氨基酸(如精氨酸、賴氨酸)，C 端富含疏水氨基酸(如纈氨酸、異亮氨酸)。在組蛋白中帶有折疊基序(motif)的C 端結(jié)構(gòu)域與組蛋白分子間發(fā)生相互作用，并與DNA 的纏繞有關(guān)。而N

9、 端可同其他調(diào)節(jié)蛋白和DNA 作用，且富含賴氨酸，具有高度精細(xì)的可變區(qū)。組蛋白N端尾部的1538 個氨基酸殘基是翻譯后修飾的主要位點(diǎn)，調(diào)節(jié)DNA 的生物學(xué)功能8。組蛋白翻譯后修飾包括乙酰化與去乙?；?、磷酸化與去磷酸化、甲基化與去甲基化、泛素化與去泛素化、ADP核糖基化等。1. 3染色質(zhì)重塑 染色質(zhì)是細(xì)胞核中由DNA、組蛋白、非組蛋白組合而成的一種物質(zhì)。染色質(zhì)的基本組成單元是核小體，它是147bp的DNA纏繞在組蛋白八聚體上。每個組蛋白包括兩分子的H2A、H2B、H3和H4（圖2），染色質(zhì)核小體的這種結(jié)構(gòu)能使DNA在細(xì)胞核中有組織的緊緊折疊。復(fù)雜的重塑可以確保DNA很容易的進(jìn)入轉(zhuǎn)錄機(jī)制。長期以來

10、，人們普遍認(rèn)為染色質(zhì)是靜態(tài)的、抑制轉(zhuǎn)錄的結(jié)構(gòu)，近年的研究結(jié)果表明，染色質(zhì)是高度動態(tài)的，其絲狀結(jié)構(gòu)經(jīng)常由于各種復(fù)合體的修飾而改變，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)影響著DNA復(fù)制、重組、修復(fù)以及轉(zhuǎn)錄控制等諸多方面10。真核生物正是通過一系列轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子對染色質(zhì)修飾的精確控制來感受各種細(xì)胞和環(huán)境刺激，從而使生物體表現(xiàn)出正確的時空發(fā)育。 圖2 核小體結(jié)構(gòu) 染色質(zhì)重塑(chromatin remodeling)是基因表達(dá)調(diào)控過程中所出現(xiàn)的一系列染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的總稱。染色質(zhì)重塑已經(jīng)成為目前生物學(xué)中最重要和前沿的研究領(lǐng)域之一，人們提出了與基因密碼相對應(yīng)的組蛋白密碼來說明染色質(zhì)重塑在基因表達(dá)調(diào)控中的作用。目前，對染色質(zhì)重塑的了解

11、主要得益于人們在動物和微生物中的研究成果。染色質(zhì)重塑主要包括3個方面。第一，通過對突出于核小體核心結(jié)構(gòu)之外的組蛋白氨基端尾巴的修飾來影響染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)。組蛋白修飾包括位點(diǎn)特異的磷酸化、乙酰化、甲基化、泛素化以及相應(yīng)修飾基團(tuán)的去除。第二，SWI/SNF和有關(guān)的染色質(zhì)重塑復(fù)合體利用ATPase和解旋酶活性來改變核小體在DNA上的位置。ATP依賴的染色質(zhì)重塑可以使與核小體結(jié)合的DNA暴露出來，使核小體沿著DNA滑動并重新分布，在改變單個核小體結(jié)構(gòu)的同時改變?nèi)旧|(zhì)的高級結(jié)構(gòu)，從而在DNA修復(fù)、重組、復(fù)制及轉(zhuǎn)錄過程中調(diào)節(jié)全基因組的柔順性和可接近性。第三，DNA的甲基化，即對CpG中的胞嘧啶進(jìn)行甲

12、基化修飾。DNA甲基化可以以表觀遺傳的方式標(biāo)記順式調(diào)控序列從而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子與DNA的相互作用,也有人說DNA甲基化是通過形成不活躍的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)來發(fā)揮其作用的11。1. 4RNA調(diào)控 早在1990年，研究人員就對兩個小調(diào)控RNA（lin-4 和let-7）進(jìn)行了描述，它們控制線蟲幼體的發(fā)育時間。這些最初被定義為lin-4 和 let-7的RNA和在蠕蟲、蒼蠅、人類發(fā)現(xiàn)的一系列RNA一起定義為microRNA。后來證明在植物、綠藻以及病毒等中同樣發(fā)現(xiàn)了小分子調(diào)控RNA。在動物、植物、真菌中也發(fā)現(xiàn)了其他類型的小RNAs，小干擾RNA（siRNA）和Piwi-interacting RNAs（piRN

13、A）就是兩個例子。miRNAs和這些小類型的RNAs不同，他們形成于轉(zhuǎn)錄后自身向后折疊，然后形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)；小RNAs形成于長發(fā)夾或者形成于缺乏雙鏈結(jié)構(gòu)的的區(qū)域?？偟膩碚f，由于這些小調(diào)節(jié)RNA分子在沒有基因編碼序列的改變下能夠改變基因和蛋白的表達(dá)，所以他們在表觀調(diào)節(jié)中有著重要作用9。由于這些RNA不能翻譯為功能性的RNA分子，所以叫做非編碼RNA ( Non-coding RNAs)。非編碼RNA分為看家非編碼RNA(Housekeeping non-coding RNA)和調(diào)控非編碼RNA(Regulatory non-coding RNA)，其中具有調(diào)控作用的非編碼RNA按其大小主要分為兩類

14、:：短鏈非編碼RNA(包括siRNA、miRNA、piRNA)和長鏈非編碼RNA(Long non-coding RNA, lncRNA)(表1)。大量研究表明非編碼RNA 在表觀遺傳學(xué)修飾中扮演了重要的角色, 能在基因組水平及染色體水平對基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)控, 決定細(xì)胞分化的命運(yùn)11。表1 表觀遺傳學(xué)中起主要調(diào)控作用的非編碼RNA種類長度(nt)來源主要功能siRNA2125長雙鏈RNA轉(zhuǎn)錄基因沉默miRNA 2125含發(fā)卡結(jié)構(gòu)的pri-miRNA轉(zhuǎn)錄基因沉默piRNA 2431長單鏈前體或起始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物等多途徑生殖細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)座子的沉默lncRNA >200多種途徑基因組印記和 X 染色體失活

15、1.5基因組印記 基因組印記是一種不符合傳統(tǒng)孟德爾遺傳的表觀遺傳現(xiàn)象，它是指來自父方或母方的等位基因在通過精子和卵子傳遞給子代時發(fā)生了某種修飾，這種作用使其后代僅表達(dá)父源或母源等位基因的一種，這就成為基因組印記。它和生殖細(xì)胞發(fā)育過程中親代特異性的DNA甲基化和某些親代基因特異性的關(guān)閉相關(guān)，在配子的形成過程中，印記的基因修飾僅保留了雙親中的一份。研究者在植物、昆蟲和哺乳動物中都發(fā)現(xiàn)了基因組印記現(xiàn)象。印記基因在發(fā)育過程中扮演重要的角色，它們一般在染色體上成簇分布。在小鼠和人體中已知有八十多種印記基因。等位基因的抑制(allelic repression)被印記控制區(qū)（ICRs)所調(diào)控，該區(qū)域在雙親

16、中的一個等位基因是甲基化的。ICR在不同區(qū)域中對印記的調(diào)控存在差異。在一些區(qū)域中，未甲基化的ICR組成一個絕緣子阻止啟動子和增強(qiáng)子間的相互作用；在其它區(qū)域中，可能有非編RNA(noncodingRNAs)的參與，這種沉默機(jī)制與X染色體失活相似12。1.6X染色體失活 X染色體失活是指雌性哺乳類細(xì)胞中兩條X染色體的其中之一失去活性的現(xiàn)象，過程中X染色體會被包裝成異染色質(zhì)，進(jìn)而因功能受抑制而沉默化。X染色體失活的Lyon假說在1961年提出，主要內(nèi)容是：雌性哺乳類細(xì)胞中兩條X染色體的只有一條有活性，另外一條失活；失活開始于囊胚期；失活是隨機(jī)的。由于Lyon假說假說不能解釋XO的Turner綜合癥患

17、者的各種異?，F(xiàn)象，以及多X患者的各種癥狀，1974年Lyon又提出了新的Lyon假說，認(rèn)為X染色體的失活是部分片段的失活。1.7、假基因 通過分析基因組序列可以得知，基因組中存在與基因數(shù)量幾乎相等的假基因，假基因與有功能的基因在核苷酸順序的組成上非常相似，卻不具有正常功能的基因，是相應(yīng)的正常基因在染色體的不同位置上的復(fù)制品，由于突變積累的結(jié)果而喪失活性。1977年在研究非洲爪蟾核糖體RNA的基因時最早發(fā)現(xiàn)。假基因具有調(diào)節(jié)基因表達(dá)的作用，Hirot認(rèn)為一個假基因可能調(diào)節(jié)與它們同源的功能基因表達(dá)；假基因具有基因調(diào)控的作用，Healy證實(shí)了假基因Est26 對功能基因表達(dá)的重要調(diào)控作用；假基因干預(yù)細(xì)

18、胞的基因沉默機(jī)制，F(xiàn)rank等(2002)研究結(jié)果表明，有些假基因包含著許多重復(fù)多次的DNA序列，這種重復(fù)的DNA序列能夠激發(fā)某種反應(yīng)，最終阻止特定的基因被打開，干預(yù)細(xì)胞的基因沉默機(jī)制，進(jìn)而影響到疾?。患倩虍a(chǎn)生基因的多樣性，假基因可以說是產(chǎn)生基因多樣性的源泉。1.8內(nèi)含子真核基因組中含有大量的內(nèi)含子序列，目前已有證據(jù)表明，前體mRNA的內(nèi)含子可能有自我剪切型內(nèi)含子進(jìn)化而來，他們不僅具有相似的剪切機(jī)制，還具有可移動和轉(zhuǎn)座子功能。內(nèi)含子很可能參與了RNA介導(dǎo)的細(xì)胞調(diào)節(jié)功能。內(nèi)含子可調(diào)節(jié)真核生物mRNA的選擇性剪切，而且還可以產(chǎn)生有功能活性的RNA。在高等生物中，許多核內(nèi)miRNA來源于編碼核糖體

19、蛋白和細(xì)胞周期蛋白的原初轉(zhuǎn)錄物。最近還發(fā)現(xiàn)，剪切后產(chǎn)生的內(nèi)含子還可以形成發(fā)夾狀的miRNA，利用RNAi機(jī)制調(diào)節(jié)影響其他基因活性。1.9核糖開關(guān)核糖開關(guān)是一類位于mRNA 3'- 末端或5'-UTR 上的能夠結(jié)合小分子代謝物以調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯的m R N A 元件，它與小分子代謝物的結(jié)合不依賴于任何蛋白質(zhì)，從而使構(gòu)象發(fā)生改變，在轉(zhuǎn)錄或翻譯水平調(diào)控基因的表達(dá)。不同的核糖開關(guān)有不同的作用機(jī)制。目前普遍認(rèn)為核糖開關(guān)主要在轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個水平上對基因表達(dá)進(jìn)行調(diào)控，分為抑制和激活兩類。適體與AD 特異性結(jié)合，使EPD構(gòu)象發(fā)生變化，形成有選擇性的莖環(huán)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致m R N A 轉(zhuǎn)錄提前結(jié)束

20、或者抑制翻譯的起始。三、表觀遺傳學(xué)與疾病 1、表觀遺傳學(xué)與腫瘤 在癌癥中，DNA甲基化發(fā)生了很大的變化，出現(xiàn)了大量甲基化缺失的現(xiàn)象，但在一些特殊的啟動子區(qū)也出現(xiàn)了DNA甲基化的獲得的現(xiàn)象。關(guān)于這個機(jī)制的原因目前還不是太清楚，但是已經(jīng)驗(yàn)證至少一部分甲基化在腫瘤形成的早期發(fā)生了變化并且一些甲基化起始癌癥的形成。Knudson提出二次突變假說到現(xiàn)在已經(jīng)有十多年了，假說中概述了異常的DNA甲基化是腫瘤抑制基因失活的機(jī)制。在那個年代許多研究是關(guān)于啟動子區(qū)甲基化是導(dǎo)致腫瘤抑制基因功能喪失的原因7 ?；騿幼訁^(qū)的CpG島在正常狀態(tài)下一般是非甲基化的，當(dāng)其發(fā)生甲基化時，常導(dǎo)致基因轉(zhuǎn)錄沉默，使重要基因如抑癌基

21、因、DNA 修復(fù)基因等喪失功能，從而導(dǎo)致正常細(xì)胞的生長分化失調(diào)以及DNA 損傷不能被及時修復(fù)，這在腫瘤的發(fā)生和發(fā)展過程中起到了不容忽視的作用。如胃癌、結(jié)腸癌、乳腺癌、肺癌等眾多惡性腫瘤都不同程度地存在一個或多個腫瘤抑制基因CpG島甲基化。第二個是細(xì)胞的大量去甲基化影響染色體的穩(wěn)定性。整個基因組中很多區(qū)域普遍存在低甲基化現(xiàn)象19（如圖3），主要發(fā)生在DNA 重復(fù)序列中，如微衛(wèi)星DNA、長散布元件(LINES) 、Alu順序等，這種廣泛的低甲基化會造成基因組不穩(wěn)定，并與多種腫瘤如肝細(xì)胞癌、尿道上皮細(xì)胞癌、宮頸癌等的發(fā)生有關(guān) 。另外，當(dāng)甲基化對印記基因修飾紊亂時會造成印記丟失、抑制和刺激生長的信號失

22、衡，這也會造成多種腫瘤的發(fā)生；miRNA的表達(dá)水平的改變也和癌癥有關(guān)。圖3、目前關(guān)于在腫瘤細(xì)胞中DNA和染色體改變的一些理解。在正常細(xì)胞中，在常染色之中活躍的轉(zhuǎn)錄基因未發(fā)生甲基化，異染色質(zhì)和被甲基化基因的表達(dá)被抑制。在癌癥中，抑制被解除，導(dǎo)致正常的沉默基因抑制基因的不正常表達(dá)?？s略詞：HAT, histone acetyltransferase; SWI/SNF, switch/sucrose nonfermentable nucleosome remodelling complex； MeCP2, methyl- CpGbinding protein 2; HDAC, histone dea

23、cetylase19. 表觀遺傳學(xué)對腫瘤的作用不僅限于腫瘤早期轉(zhuǎn)化也影響到腫瘤轉(zhuǎn)移，而且轉(zhuǎn)移是實(shí)體瘤患者死亡的首要原因。轉(zhuǎn)移過程由相互關(guān)聯(lián)的步驟組成：包括原發(fā)性腫瘤細(xì)胞獲得侵襲相鄰組織的能力、進(jìn)入全身循環(huán)（intravasate）、通過脈管系統(tǒng)易位、遠(yuǎn)端毛細(xì)血管滯留、離開循環(huán)到周圍間質(zhì)組織，最后從微轉(zhuǎn)移灶增殖為肉眼可見的繼發(fā)性腫瘤。為達(dá)到這一目的，腫瘤細(xì)胞需獲得某種基因型和表型，從而播散原發(fā)腫瘤，或在播散的組織部位存活、增殖。因此，轉(zhuǎn)移也是一種遺傳學(xué)與表觀遺傳學(xué)疾病。一方面，轉(zhuǎn)移具有復(fù)雜的基因標(biāo)記特征，這些標(biāo)記有可能反映轉(zhuǎn)移的潛能，例如，可以確定轉(zhuǎn)移細(xì)胞個體在特異的繼發(fā)組織部位的存活能力。另一

24、方面，DNA甲基化和組蛋白修飾的表觀遺傳學(xué)模式的破壞可解釋部分轉(zhuǎn)移相關(guān)基因表達(dá)的改變?；虮磉_(dá)的變化可能是由于表觀遺傳學(xué)修飾直接或通過影響染色質(zhì)間接改變了基因轉(zhuǎn)錄水平。此外，表觀遺傳學(xué)機(jī)制不僅調(diào)節(jié)“經(jīng)典”的腫瘤和轉(zhuǎn)移相關(guān)基因，而且調(diào)節(jié)參與腫瘤發(fā)生與發(fā)展相關(guān)的miRNA基因?？梢姡{(diào)節(jié)轉(zhuǎn)移相關(guān)基因和miRNA的表觀遺傳學(xué)機(jī)制可以闡明轉(zhuǎn)移。隨著對轉(zhuǎn)移表觀遺傳學(xué)改變的深入理解，我們可以進(jìn)一步識別新的轉(zhuǎn)移相關(guān)基因和miRNA、發(fā)現(xiàn)有助于轉(zhuǎn)移診斷的新型表觀遺傳學(xué)生物標(biāo)記、制定基于表觀遺傳學(xué)藥物的新的腫瘤治療方案14。 2、表觀遺傳學(xué)與精神病 2.1、抑郁的表觀遺傳機(jī)制 抑郁是種普遍的、長期的、容易使人衰

25、弱的疾病，目前通過抗抑郁治療、 電刺激療法和心理療法等對這種精神病的治療已經(jīng)取得一定的效果，但是只有不到一半的抑郁癥患者得到緩解，這說明了需要更有效的藥物。產(chǎn)生抑郁的分子機(jī)制，比如壓力，現(xiàn)在一點(diǎn)也不清楚。這個疾病的奇怪之處就是持久性和對抗抑郁治療的滯后反應(yīng)。很多研究已證明表觀遺傳修飾包括長期的組蛋白乙酰化、組蛋白甲基化和DNA甲基化，在模式動物的壓力形成、抑郁和抗抑郁的治療中起著重要的作用。比如Bdnf和GR基因在海馬中的變化。但是現(xiàn)在還需要研究和抑郁相關(guān)的所有的大腦區(qū)域。 2.2、成癮中的表觀遺傳研究 濫用的藥物通過劫持大腦的天然獎賞區(qū)域來控制人的行為，包括中腦邊緣多巴胺系統(tǒng)。這個過程包括V

26、TA的多巴胺神經(jīng)元，它直接決定NAc腹側(cè)紋狀體的一部分。在過去的幾十年中，已經(jīng)做了很多關(guān)于大腦獎賞支路以及藥物濫用是如何影響它的功能的研究，但是成癮的行為可以持續(xù)停藥后幾個月甚至幾年的原因仍然沒有搞明白。很多研究已經(jīng)確定在藥物誘導(dǎo)下能使VTA、NAc等大腦相關(guān)區(qū)域的mRNA的表達(dá)發(fā)生變化。這種表達(dá)的變化在停藥幾個月后仍然能夠持續(xù)。這些長期的變化是在組蛋白修飾的驅(qū)使下導(dǎo)致基因表達(dá)的長期變化。急性可卡因處理可以誘導(dǎo)紋狀體c2fos和FosB基因的表達(dá)，這與組蛋白H4乙酰化瞬間增加有關(guān)。CBP具有組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶活性，在FosB基因區(qū)域，對可卡因誘導(dǎo)的組蛋白乙酰化起到重要的作用，同時對其它基因也起到

27、相同作用。在蛋白激酶MSK1參與下，急性可卡因處理還可以引起c2fos基因啟動區(qū)域組蛋白H4磷酸乙酰化。慢性可卡因注射引起FosB基因啟動區(qū)組蛋白H3乙?；部梢餋dk5和Bdnf基因相關(guān)區(qū)域組蛋白H3乙?；?。在海馬區(qū)域，由急性電刺激變?yōu)槁噪姶碳ず?，也觀察到了相似的由組蛋白H4到H3乙?；霓D(zhuǎn)變。由此得出，H3乙酰化可能標(biāo)記了一個由染色質(zhì)改變介導(dǎo)的長期反復(fù)的基因激活。由急性處理變?yōu)槁蕴幚砗?，是否通過募集不同的HATs或HDACs，選擇性地催化組蛋白H4和H3特異的氨基酸殘基末段乙?；瘉碚{(diào)控基因的表達(dá)，其機(jī)制還不清楚。轉(zhuǎn)錄因子FosB 也參與了物質(zhì)成癮的形成。FosB 直接引起Cdk5基

28、因的表達(dá)，但并不直接引起B(yǎng)dnf基因表達(dá)。慢性可卡因成癮引起的Cdk5基因的表達(dá)使伏核的樹突發(fā)生變化。這些證明，在特異的啟動區(qū)域，積聚FosB與染色質(zhì)重塑因子相互作用，調(diào)控基因表達(dá)，對成癮的維持起到重要的作用。有研究表明，急性酒精處理使HDAC活性增高，抑制組蛋白乙?；?；由急性變?yōu)槁跃凭幚砗?，HDAC活性降低，可以引起組蛋白乙?；虳NA甲基化，從而導(dǎo)致染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，使染色質(zhì)由異染色質(zhì)變?yōu)槌Ｈ旧|(zhì)。 2.3、其他神經(jīng)錯亂的表觀遺傳研究 、學(xué)習(xí)和記憶 長期記憶的形成和抑郁及成癮的機(jī)理一樣，都涉及到基因表達(dá)的長期改變，現(xiàn)在已經(jīng)逐步證實(shí)DNA甲基化和組蛋白修飾可能涉及到。、Rett綜合癥 R

29、ett綜合征是一種嚴(yán)重影響兒童精神運(yùn)動發(fā)育的疾病，發(fā)病率為1/10000-1/15000。臨床特征為常見女孩得病，呈進(jìn)行性智力下降，孤獨(dú)癥行為，手的失用，刻板動作及共濟(jì)失調(diào)。Rett綜合癥是一種表觀遺傳失調(diào)疾病，因?yàn)樗蔷幋aMeCP2轉(zhuǎn)錄因子的基因的突變造成的。很多研究已經(jīng)定義了MeCP2對CNS的影響和Rett綜合癥在行為、功能和分子層次的病理。、精神分裂癥 現(xiàn)在已經(jīng)有越來越多的證據(jù)證明表觀遺傳機(jī)制和精神分裂癥的發(fā)病機(jī)理相關(guān)。這方面的很多研究都是關(guān)于絡(luò)絲蛋白啟動子的表觀遺傳改變。絡(luò)絲蛋白是一種糖蛋白，在成年人GABA包含神經(jīng)元的發(fā)育過程中表達(dá)，在大腦的發(fā)育過程中對神經(jīng)正確位置的確認(rèn)起著重要作

30、用。在精神病人的驗(yàn)尸報告中顯示絡(luò)絲蛋白在一些大腦相關(guān)區(qū)域表達(dá)下調(diào)。絡(luò)絲蛋白的啟動子還有大量的CpG島，這可以說明DNA甲基化可能對這個基因的表達(dá)有影響。組蛋白修飾可能也和精神分裂癥有關(guān)。精神分類藥物氟哌丁苯和雷氯必利能夠快速的導(dǎo)致小鼠紋狀體H3的磷酸化，尤其是在c-Fo基因的啟動子區(qū)20。 3、表觀遺傳學(xué)與產(chǎn)前診斷疾病基因水平表觀遺傳的改變， 對早期產(chǎn)前診斷， 治療及預(yù)后都有深遠(yuǎn)的影響。31 宮內(nèi)胎兒生長遲緩（IUGR） 大多數(shù)的小于胎齡兒（SGA）是由于其胎盤的病態(tài)發(fā)育而影響胎兒正常發(fā)育， 使他們發(fā)生宮內(nèi)胎兒生長遲緩（IUGR） 、出生時低體重和圍產(chǎn)期死亡， 兒童時期的神經(jīng)系統(tǒng)疾病的幾率也增

31、加了。有研究證明幾種印記基因的失調(diào)和IUGR 相關(guān) ，LinGuo，Sanaa Choufani 等人推測表觀遺傳控制機(jī)制的改變會導(dǎo)位于11p15 上的印記基因的失調(diào)， 影響胎兒和胎盤的發(fā)育最終導(dǎo)致IUGR，并證明了H19 DMR (IC1) 和KvDMR(IC2)調(diào)節(jié)11p15 染色體上的印記的主要的兩種差異性甲基化基因組區(qū)域（DMRs） ， 它們在IUGR 中的表觀遺傳發(fā)生畸變， 進(jìn)而使其表達(dá)狀態(tài)異常。這種畸變而導(dǎo)致的基因表達(dá)失調(diào)會影響胎盤的發(fā)育， 使胎兒在子宮內(nèi)多方面的成長和發(fā)育受限， 并造成出生后的多種疾病的發(fā)生。32 兒科綜合癥除了表觀遺傳改變外， 特異性突變會影響表觀遺傳通路上的元

32、件， 導(dǎo)致一些綜合癥的發(fā)生，如ICF綜合癥的DNMT3B，Rett綜合癥的MECP2，ATRX綜合癥的ATR 。以Rett 綜合癥為例 ，MECP2 編碼了與甲基化的DNA 結(jié)合的蛋白， 這種蛋白的突變會在生后一年發(fā)生異常的基因表達(dá)構(gòu)型?；加蠷ett 綜合癥的女孩， 其大腦發(fā)育遲緩，失去階段性的發(fā)育特征，并有精神障礙。類似的，ATRX 綜合癥因?yàn)槭チ艘环N能維持DNA 濃聚和失活狀態(tài)的ATRX 的蛋白，而表現(xiàn)出發(fā)育上的缺陷。MECP2和ATRX 缺失和突變， 使正常的表觀遺傳模式受到影響，以至其基因表達(dá)失調(diào)， 產(chǎn)生多種不同的負(fù)面臨床結(jié)果。表觀遺傳學(xué)改變在產(chǎn)前診斷的應(yīng)用 。4、表觀遺傳學(xué)與心血管

33、病4.1 動脈粥樣硬化與DNA甲基化異常冠心病心絞痛等主要心血管疾病的病理始動原因是動脈粥樣硬化(atherosclerosis，AS)。1980年就有關(guān)于高膽固醇血癥對染色質(zhì)結(jié)構(gòu)影響的研究，1999年才出現(xiàn)關(guān)于AS脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，DNA)異常甲基化的報道。該研究認(rèn)為高半胱氨酸抑制了甲基化供體賴以產(chǎn)生的葉酸和維生素B 依賴的甲硫丁氨酸一S一腺蛋氨酸(Sadenosyl methionine，SAM)轉(zhuǎn)化過程，從而影響了DNA 的甲基化反應(yīng)。DNA低甲基化對AS的惡化作用是促使血管平滑肌細(xì)胞(smooth muscle cells，SMCs)增殖及纖維沉

34、積，同樣外部損傷也會引起新生血管內(nèi)膜組織DNA低甲基化。4.2 SMCs和心肌細(xì)胞的表觀遺傳學(xué)生長發(fā)育期的胚胎干細(xì)胞(embryonic stemcells，ESCs)分化出血管平滑肌主要依賴于血管平滑肌肌動蛋白aactin、SM 相關(guān)肌球蛋白重鏈(SMmyosin heavy chain，MHC)等蛋白的合成。這些蛋白都是SMC受限型并受成年以后的血壓等生理條件限制。但不同于心肌細(xì)胞的永久性分化，成年動物SMC表型極易受外環(huán)境的影響。例如，正常情況下血管SMC表達(dá)高水平SMC特異性可收縮蛋白，且不具備增殖、遷移和分泌大量胞外基質(zhì)的現(xiàn)象，但是隨著胞外信號從血管損傷或AS等部位釋放，這一現(xiàn)象呈負(fù)

35、相發(fā)展。這可隨著疾病的好轉(zhuǎn)呈現(xiàn)可逆過程。SMCs在適應(yīng)環(huán)境變化的過程中體現(xiàn)了典型的表觀可塑性。例如，血管SMC在新生血管內(nèi)膜結(jié)構(gòu)表現(xiàn)型會因?yàn)榘ˋS的血管損傷而發(fā)生改變。血清反應(yīng)元素(serum response factor，SRF)及其輔助因子與SMC染色質(zhì)啟動子區(qū)的CArG box DNA序列相互反應(yīng)，是引起SMC在生長發(fā)育或疾病過程中分化的信號通路關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在生長發(fā)育期，翻譯后組蛋白修飾的SMC限制性位點(diǎn)位于SMC基因染色質(zhì)的CArG box序列。組蛋白修飾通過調(diào)控SRF及其輔助因子與染色質(zhì)模板的結(jié)合，編碼SMC特異性的表觀遺傳學(xué)程序，從而在胞外環(huán)境變化影響SMC分化的過程中發(fā)揮重要作

36、用。4.3 血液流變學(xué)對血管內(nèi)皮細(xì)胞表觀遺傳學(xué)變化的影響血管內(nèi)皮細(xì)胞(endothelial cell，EC)覆蓋血管內(nèi)表面，是血管與血流之間的界面。而血流的剪切力(shear stress，SS)則對EC 的功能與血栓形成有不容忽視的影響。血液流變可通過表觀遺傳學(xué)機(jī)制影響心臟構(gòu)建，SS不足會導(dǎo)致心室和瓣膜畸形 。進(jìn)一步研究證實(shí)SS影響了小鼠及斑馬魚胚胎心臟發(fā)育期的形態(tài)發(fā)生。SS通過引發(fā)組蛋白的表觀遺傳學(xué)修飾和激活轉(zhuǎn)錄復(fù)合物誘導(dǎo)的乙酰轉(zhuǎn)移酶調(diào)節(jié)基因表達(dá)，并進(jìn)而影響ESCs分化 。SS可影響賴氨酸H3組蛋白的乙?；?、絲氨酸的磷酸化和賴氨酸的甲基化，并可促進(jìn)血管內(nèi)皮生長因子受體2 (vascula

37、r endothelialgrowth factor 2，VEGFR2)啟動子的轉(zhuǎn)錄，從而引起心血管特有蛋白包括平滑肌肌動蛋白、平滑肌蛋白22 、血小板一內(nèi)皮細(xì)胞黏附分子、VEGFR2等的早期表達(dá)。血液流變通過表觀遺傳機(jī)制影響心臟構(gòu)建的研究充分表明了遺傳和環(huán)境相互作用影響子代發(fā)育的規(guī)律5表觀遺傳學(xué)與代謝綜合征代謝綜合征是多種代謝成分異常聚集的病理狀態(tài)，包括：（1）腹部肥胖或超重、（2）動脈粥樣硬化血脂異常（高甘油三酯（TG）、血癥及高密度脂蛋白膽固醇（HDL-C）低下、（3）高血壓、（4）胰島素抗性及/或葡萄糖耐量異常，有些標(biāo)準(zhǔn)中還包括微量白蛋白尿、高尿酸血癥及促炎癥狀態(tài)（C-反應(yīng)蛋白CRP）

38、增高及促血栓狀態(tài)（纖維蛋白原增高和纖溶酶原抑制物1，PAI-1）增高。這些成分聚集出現(xiàn)在同一個體中，使患心血管疾病的風(fēng)險大為增加。在代謝綜合征的發(fā)展過程中表觀遺傳程序具有重要作用。表觀遺傳機(jī)制對于環(huán)境或營養(yǎng)影響是易感的，妊娠期間限制蛋白質(zhì)會增加在小鼠后代中胰腺細(xì)胞凋亡的速率，導(dǎo)致胰腺B細(xì)胞量降低和影響下一代胰腺的發(fā)育 。在成年動物中，一些基因甲基化方式的改變影響代謝綜合征發(fā)展。瘦素(1eptin)啟動子去甲基化與脂肪細(xì)胞前體分化為脂肪細(xì)胞緊密相關(guān) 。在衰老過程中隨著時間不斷累積的DNA甲基化錯誤可能會通過降低某些基因的反應(yīng)度而加速型糖尿病發(fā)展。此外，研究發(fā)現(xiàn)糖尿病和肥胖是與基因組印記變化密切相

39、關(guān)的疾病。在營養(yǎng)物質(zhì)代謝調(diào)節(jié)和出生后發(fā)育中，印記基因可能具有不同的作用。剔除鳥嘌呤核苷酸結(jié)合蛋白Gsa亞基的父系與母系等位基因?qū)δ芰看x產(chǎn)生相反的影響。父系功能的丟失表現(xiàn)肥胖傾向的降低、代謝功能亢進(jìn)、血糖過低、運(yùn)動能力下降以及對甲狀旁腺素拮抗，而母系功能的丟失表現(xiàn)更嚴(yán)重的肥胖傾向。6、表觀遺傳與自身免疫性疾病 表觀遺傳機(jī)制對免疫系統(tǒng)的正常發(fā)育和功能有重要的作用。如果外界因素影響使表觀遺傳在免疫反應(yīng)中出現(xiàn)不平衡就會導(dǎo)致基因異常表達(dá)，就會使免疫系統(tǒng)紊亂，在有些情況下可以導(dǎo)致自身的先天性免疫疾病的發(fā)生。T淋巴細(xì)胞在生命的不同時期是不同的，表觀遺傳在調(diào)控特定基因的表達(dá)中起著重要作用。一些基因的表達(dá)，比

40、如Th1細(xì)胞中的IL-4、Th2細(xì)胞中的IFN-和CD4 +細(xì)胞中的穿孔蛋白，都涉及到DNA甲基化的改變，藥理學(xué)的去甲基化會導(dǎo)致這些基因的表達(dá)。一些基因的表達(dá)水平，比如ITGAL 和 TNFSF7，是靠啟動子區(qū)側(cè)面的甲基化修飾。當(dāng)前觀點(diǎn)認(rèn)為不保持那些甲基化方式會改變T細(xì)胞基因表達(dá)和免疫功能，從而會使一些自身免疫性疾病像狼瘡、皮膚病等的發(fā)生18。DNA甲基化是DNA甲基化酶（DNMTs）在CpG島上的胞嘧啶殘基上加一個甲基。DNMTs 的突變會導(dǎo)致先天性免疫缺陷綜合癥，即ICF綜合癥，它的三個主要特征是：著絲點(diǎn)不穩(wěn)定、面部畸形、輕度智力落后。 免疫系統(tǒng)作為人類的防御屏障，在人類與環(huán)境的斗爭中留下

41、了諸多痕跡。所以免疫系統(tǒng)可作為研究表觀遺傳的模式材料，研究環(huán)境變化造成的表觀遺傳修飾改變，從而闡明表觀遺傳修飾在生物體生長發(fā)育中的調(diào)節(jié)作用，為免疫學(xué)研究開拓新領(lǐng)域。 7、表觀遺傳與內(nèi)分泌干擾物環(huán)境中有些外源化學(xué)物與激素相關(guān)腫瘤、子宮內(nèi)膜異位癥以及不良生殖效應(yīng)（如男人精子數(shù)減少與不育癥）有關(guān)系。由于這些外源化學(xué)物到體內(nèi)后呈激素的作用，干擾內(nèi)分泌系統(tǒng)，引起健康效應(yīng)，故統(tǒng)稱為激素類似物，也可稱為內(nèi)分泌干擾物（endocrine-disrupting chemicals或EDCs）。激素類似物包括天然存在的（如植物性激素）和人工合成的（如農(nóng)藥硫丹）。在植物性食物中含有植物雌激素（phytoestrog

42、ens） 。黃豆中有豐富的異黃酮類，如金雀異黃素（genistein） 、黃豆甙原(daidzein)。人類從食物中攝入的植物雌激素量比從環(huán)境中獲得的合成雌激素多4千倍。激素類似物是雌激素受體和雄激素受體的激活劑或抗激活劑。激素類似物在體內(nèi)與激素一樣，進(jìn)入靶細(xì)胞后相互競爭甾類受體（或結(jié)合蛋白）結(jié)合，形成激素-受體復(fù)合物，再進(jìn)入細(xì)胞核，與 DNA結(jié)合，從而改變細(xì)胞功能。每種激素類似物可以同時影響多個甾類信號通路，而多種激素類似物可以對雌激素有關(guān)基因呈協(xié)同作用。我們知道EDCs像內(nèi)源激素一樣能控制基因的表達(dá)過程，改變表型，我們現(xiàn)在猜測這些表型變化的機(jī)制可能就是表觀遺傳；換句話說，它們在沒有改變DN

43、A序列的情況下卻導(dǎo)致了可遺傳的表型變化，并且沒有發(fā)生突變。事實(shí)上，EDCs不僅僅作用于基因，還作用于發(fā)育過程機(jī)制，把遺傳和表觀遺傳聯(lián)系起來共同導(dǎo)致表現(xiàn)型變化。EDCs其中的一個導(dǎo)致表觀遺傳變化的是DNA甲基化，現(xiàn)在一系列文章已經(jīng)說明了EDCs的表觀遺傳機(jī)制和DNA甲基化。當(dāng)這些變化發(fā)生在發(fā)育的某一階段時能夠長久的遺傳給后代15。8、表觀遺傳學(xué)與衰老表觀遺傳和衰老的關(guān)系在很多年前就有人提出來了，Berdyshevetal(1967)指出全基因組DNA甲基化在駝背大馬哈魚中隨著年齡的增加而減少，接著Vanyushinetal.(1973)指出大腦和心臟中的胞嘧啶甲基化隨著年齡的增加而減少，Wils

44、onetal.(1987)指出變異的老鼠組織和人的支氣管上皮細(xì)胞的甲基化隨著年齡的增加逐漸減少，同樣Fukeetal.(2004)發(fā)現(xiàn)人的白細(xì)胞的甲基化水平也隨著年齡的增加而減少。最后，通過對連續(xù)十多年收集的100多人DNA樣品的長期研究，DNA甲基化的模式的在人體內(nèi)部的表觀遺傳變化也提出來了(Bjornssonetal.,2008)。除了全基因組DNA甲基化，一些特異位點(diǎn)也會隨著衰老而出現(xiàn)甲基化。因此，隨著衰老會出現(xiàn)兩種甲基化變化，一個是全局5-胞嘧啶甲基化的減少、另一個是特異位點(diǎn)的甲基化。其他的表觀遺傳現(xiàn)象，比如組蛋白修飾也隨著衰老而變化。盡管表觀遺傳在衰老生物學(xué)方面能夠解釋很多現(xiàn)象，我們

45、仍需進(jìn)一步的研究關(guān)于表觀修飾在衰老過程中的具體作用。1 Takeo Kubota，Kunio Miyake et al (2010).Novel Etiological and Therapeutic Strategies for Neurodiseases：Epigenetic Understanding of GeneEnvironment InteractionJ.J Pharmacol Sci .113, 3 82Cathérine Dupont，D.Randall Armant，Carol A. Brenner (2009).Epigenetics: Definition、

46、Mechanisms and Clinical Perspective J. Semin Reprod Med. September ; 27(5): 351357. 3Susan C,McQuown,Marcelo A. Wood(2010).Epigenetic Regulation in Substance Use DisordersJ. Curr Psychiatry Rep.12:1451534Cheng X,Blumenthal RM (2008).DNA methyltransferases：a structural perspective.MammalianJ.16(3)：3413505 Holliday R(1994)Epigenetics：an overviewJDevelopmental Genetics.15：4534576Slim Kacem,Robert Feil(2009).Chromatin mechanisms in genomic imprinting .Ma