哺乳動物基因組印記的研究進展

陳秀莉馬利兵

（1.內蒙古科技大學數理與生物工程學院，包頭 014010；2.包頭師范學院生物科學與技術學院，包頭 014030）

哺乳動物基因組印記的研究進展

陳秀莉1，2馬利兵1

（1.內蒙古科技大學數理與生物工程學院，包頭 014010；2.包頭師范學院生物科學與技術學院，包頭 014030）

基因組印記是由親本來源不同而導致等位基因表達差異的一種遺傳現象。基因組印記產生的原因及過程是現代遺傳學的一個熱點問題。哺乳動物的許多基因組印記特征都使其成為后基因組時代的一個熱點生物學問題。進化的基因組印記在哺乳動物生殖、發育中起到了特定的作用。綜述了基因組印記的特點、印記基因的印記機理、基因印記與克隆動物的發育、印記基因與疾病的研究進展。

基因組印記；哺乳動物；克隆動物；胚胎發育

DIO： 10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.01.007

基因組印記（Gene imprinting），又稱遺傳印記（Genetic imprinting），是一種表觀遺傳機制，它可以限制某個基因只能由來自雙親染色體中的一條表達。對于只表達父本（Parental）、母本關閉的基因稱為母本印記基因，如胰島素樣生長因子2（Insulinlike growth factor2，IGF2）［1］；只表達母本（Maternal）、父本關閉的基因稱為父本印記基因，如H19［2］。在整個基因組的25 000個基因中，只有幾百個基因會產生這種現象。此外，大部分基因都在兩條染色體中有相同的表達方式。雄性和雌性都受基因組印記的影響，因此與雙親來源相關，而與性別無關。基因組印記使二倍體生物進化出一套沉默系統以放棄二倍體狀態的優勢。某些基因在精子生成過程中被印記，另一些基因在卵子生成過程中被印記，所以，其表達受到抑制。哺乳動物基因組印記在醫學、社會學層面都有極大的意義。

首先，在臨床上對遺傳特征和疾病的控制有重要意義；其次，在輔助生育技術方面，對于控制人類和動物繁育的能力有重要意義；再次，對生物技術和后基因組醫療研究的進步有極重要的意義。現在討論任何遺傳問題，無論是研究還是醫療，都必須考慮某個基因是否是父母雙源（二倍體）表達或受到基因組印記的影響而呈現父母單源特異性（單倍體）的表達。印記基因對胎兒的生長、發育及行為，特別是胎盤的發育都有極其重要的影響，印記基因的異常表達會導致許多疾病的發生［3］。

1 印記基因的特點

80%的印記基因在基因組中以成簇的形式存在，如人的常染色體1號、5號、6號、7號、11號、12號、13號、14號、15號、18號、19號、20號和性染色體——X染色體上都有成簇存在的印記基因。在11號染色體的1.5 Mb DNA區域有6個印記基因，分別是母本表達的P57KIP2、KVLQT1、Mash2、Ins2、IGF2和H19基因。在15號染色體上，這一區域有3個父本表達的印記基因，分別是SNRPN、IPW和ZNF127，這一區域與Prader-Willi綜合征（Prader-Willi Syndrome，PWS；OMIM176270）及Angelman綜合征（Angelman syndrome，AS；OMIM105830）有關，病因為15q11-q13上一個約5-6 Mb區域的缺失，但其表型卻完全不同。位于15q11-q13的基因組印記導致了其表型不同，因為PWS缺失了父本來源的該區域，而AS則缺失了母本來源的這一區域。最大的印記基因簇是X染色體自身，如果失活的X染色體是母源的，則導致胚胎死亡，因此，通常選擇父本的X染色體失活。

在小鼠染色體中共有大約80個印記基因，個別印記基因散在分布于染色體上，如在2號、14號和18號染色體上有單個的印記基因存在［4］；而大多數印記基因以基因簇的形式存在，如有11個印記基因簇分別位于2號、6號、7號、9號、11號、12號、15號和17號染色體上。其中，Igf2r、Igf2、Kcnql、Gnas、Dlk1和PWS等6個基因簇含有3-10個印記基因，分別為100-300 kb的DNA片段。這6個基因簇的共同特征是它們都有一個甲基化印記的DNA區域，稱為差異性DNA甲基化區域（Differentially DNA-methylated region，DMR）。在其中的4個基因簇（包括Ig2r、kcnql、Gnas及PWS）中，DMR有在卵子發生中得到的母源甲基化印記，而在Igf2和Dlk1兩個簇中，有精子發生中獲得的父源甲基化印記。在一個印記基因簇中，緊密混合著活躍和沉默的基因，這暗示著影響印記基因的沉默和激活機制不是分散的，而是可能限制于被影響基因的附近。

2 印記基因的印記機理

研究表明，DNA甲基化是基因組印記發生和維持的主要機制。它是通過全新甲基轉移酶的作用得到的，之后隨著細胞分裂，由維持甲基化轉移酶來維持。DNA 甲基化可能存在兩種不同的基因組印記功能。第一，它可以只存在于一個配子的染色體上幫助一個親本等位基因沉默。第二，有必要確定哪些印記基因及基因調控裝置中哪些部分是被DNA甲基化標記的。如果是在配子發生時期，而且在體細胞相應位置維持下來（配子DMR），它可能就是印記。如果它是在胚胎形成二倍體后加到基因上（體細胞DMR），這時兩條親本染色體在同一個細胞當中了，則不可能是身份標記，卻可能對維持親本特異性沉默有作用。在哺乳動物的個體發育過程中，只有特定類型的基因表達，并且活躍基因的表達以及表達程度會受到嚴格的調控。在DNA序列水平上，表觀遺傳修飾一旦形成，在DNA復制及細胞分裂過程中能夠穩定地遺傳下去。基因組印記作用通過精子、卵子融合傳遞給體細胞和組織，具有親本特異性［5］。在配子發生和胚胎早期發育過程中，DNA甲基化是一個動態的變化過程［6］：（1）精子、卵子的甲基化程度差異顯著，精子的甲基化程度較高，但低于體細胞，精子和卵子的甲基化程度的差異被認為是配子“印記”的可能機制。（2）在8-細胞期至囊胚期的發育期間存在DNA甲基化程度的顯著下降，這種大規模的去甲基化可能是生物體在體細胞分化過程中去除配子部分“表觀遺傳修飾”的機制。（3）在胚胎植入時出現DNA的全新甲基化，首先在囊胚內細胞團細胞中出現DNA甲基化，伴隨原腸胚的形成，繼續全新甲基化過程。（4）為了保證發育的全能性，生殖細胞不發生上述全新甲基化過程，但生殖細胞在8-細胞時發生去甲基化。

3 基因印記與克隆動物的發育

基因印記與動物生長發育、生物進化以及人類的許多遺傳疾病和腫瘤的發生都有密切的關系。對于家畜育種和胚胎移植等也產生一定的影響。動物克隆是指經過體細胞進行無性繁殖，即將高度分化的體細胞核移入去核的卵母細胞中構成一個重組胚，進而形成基因型完全相同的后代個體。克隆是生命科學界的一場大革命，有廣闊的應用前景。但是，目前動物克隆受到很多條件限制，如成功率低，胚胎死亡率高，而且還伴有不同程度的表型缺陷，這正與許多印記基因異常表達有關［7］。克隆胚胎需完成供體核轉錄的失活、分化細胞記憶的失去、重構胚胎合子型基因的激活和隨后正確表達等過程，這里每一步都包括復雜的表觀遺傳改變。供體細胞核重編碼首先表現在DNA甲基化和組蛋白的修飾［8］。

體細胞克隆過程中供體核DNA甲基化異常可能是導致體細胞克隆效率低的原因之一［9］。研究表明，在克隆豬的胎盤中IGF2、H19、PEG3及GRB10印記基因表達異常，這種異常是由DMR異常甲基化引起的［10］。在綿羊的研究中，體外培養的胚胎在植入前Igf2r基因是異常表達的，Igf2r表達較正常胎兒降低30%-60%，Igf2r的表達與第二內含子中DMR2甲基化缺失有關，其表觀修飾發生了變化，導致胎兒體積變大［11］。在克隆小鼠的胎盤中IGF2和H19基因表達異常，多數克隆小鼠胎盤表現H19不表達，而IGF2過量表達［12］。在豬、牛、綿羊、馬和小鼠等動物中普遍存在印記遺傳現象，這些印記不但與生長發育和生產性狀有關，而且還與品種間的雜交效果、抗病性能等有密切關系。印記調控一些質量性狀的基因表達，同時也影響許多數量性狀表型方差的大小和表型值的高低。另外，許多母體效應的大小也與基因印記有關。研究發現，豬的7號染色體上QTL基因，影響肌內深度的數量性狀，呈母本等位基因表達。在豬的6號染色體短臂和長臂各發現一個影響肌內脂肪含量的QTL，長臂上的呈父本等位基因表達，短臂上的呈母本等位基因表達。Sato等［13］在8號染色體發現了一個影響乳頭數的印記QTL。

在小鼠中，敲除Mest父系等位基因可導致胚胎和胎盤生長遲緩和出生后生長抑制，而Mest基因的印記丟失則可導致出生后體重增加和多種器官肥大［14］。Ineson等［14］采用胚胎干細胞中Mest定標性突變的方法檢測其功能發現，父系表達的Mest基因可促進胚胎的生長。Mest基因是第一個被發現的對哺乳動物的行為具有調節作用的印記基因。印記基因對于哺乳動物的調節不僅表現在宮內，對出生后個體也有影響。大部分印記基因在胎兒和胎盤的生長發育及胎兒出生后的表現等方面發揮重要的調節作用［15］。現代技術使小鼠基因功能可通過將基因序列突變功能缺失來確定。表1列出了這些基因［4］。

表1 印記基因的功能（由基因缺失實驗得出）

Xue等［16］發現出生后死亡的克隆牛的X染色體失活出現異常；羊和牛的胚胎經體外操作：包括體外受精、卵裂球核移植、體細胞核移植后，可觀察到各種類型的表型異常，如肺炎等，以及出生前后早期死亡和后代過大綜合征［17］。許多克隆胚胎中還有新生動物表現出印記基因的表達異常，但并不都有表型的異常出現。這表明克隆動物的明顯缺陷是許多印記基因表達失調的累積效應，而不是單個印記基因出現異常的結果。此外，也表明克隆動物的發育能夠耐受一定的印記基因表達異常［18］。

4 印記基因對子代的影響

較早發現的印記基因Igf2，Igf2r和H19參與胎盤的形成和胚胎的發育［19］。例如，父源表達的Peg1/Mest，位于小鼠6號染色體上。盡管父源表達的突變，結果導致子代出生后增長率低于野生型。這表明，印記基因不僅調控基因表達，也對后代生理或行為有很大影響。小鼠7號染色體上Peg3的缺失，不僅對其出生前有影響，也影響其出生后行為，如影響生長、吮吸及自身溫度的調節［20］。Peg3突變的動物，其胎盤較小，出生后低體重。

位于小鼠2號染色體遠端的基因座GNAS，有幾個不同的父源印記，包括父源表達的Gnasxl和Nespas，母源表達的Nesp和Gnas，這些印記基因的表達是較復雜的。XLαs蛋白的缺失，Gnasxl基因會引起出生后行為的缺陷，出生后生長遲緩，代謝缺陷，無法正常吮吸，甚至導致死亡。這與Peg3突變產生的作用類似［20］。Gnasxl直接參與哺乳行為和內分泌控制。Peg1、Peg3和Gnasxl的突變表明這些基因都參與了小鼠出生后的生長發育。

最近研究表明，印記基因Magel2能夠影響女性生育能力、生殖生理及母性關懷。對于小鼠Magel2印記基因的研究表明，其會改變小鼠的晝夜節律［21］。對于小鼠Peg1印記基因的研究表明，其會影響其生育能力，并且，其后代成年后精子數量明顯降低［22］。

5 印記基因與疾病

基因組印記紊亂將導致多種疾病，常常是由于印記丟失導致兩個等位基因同時表達，或突變導致有活性的等位基因失活所致。基因組印記與腫瘤的發生也有密切聯系，如葡萄胎的發生，其主要原因就是遺傳的失衡［23］。還有研究表明Igf2基因印記缺失可增加散發性結腸、直腸腫瘤的發病風險［24］。

5.1 PRADER-WILLI和ANGELMAN

Prader-Willi（PWS）綜合征和Angelman（AS）綜合征是兩種先天性神經異常發育綜合征，是最先被研究的基因組印記紊亂的例子。PWS病因為缺失父源的15q11-q13上的一個約5-6 Mb區域。PWS發病率約為萬分之一，其特征為嬰兒期張力減退，發育遲緩，重度肥胖，矮小，第二性征及生殖器發育不全和輕度的認知障礙。AS患者具有重度發育遲緩，語言能力極差，運動失調，雙手不正常擺動，頭小畸形，癲癇及一些異常的外形，如突出的上腭和寬大的嘴。AS是由母源的15q11-q13區域缺失造成的。說明父源和母源的15q11-q13區功能不同，在15q11-q13區域至少包含6個父系和2個母系表達的印記基因，其中，SNRPN和UBE-3A分別在PWS和AS中起著關鍵性作用。這兩個基因主要在腦組織中表達，父本表達的SNRPN基因微缺失可導致PWS，其上游進一步缺失則可導致AS，由此表明這兩個區域就是印記中所在的位置［25］。

5.2 BECKWITH-WIDEMANN綜合征

BECKWITH-WIDEMANN（BWS）主要特征是體細胞過度增長，先天異常，易患小兒胚胎型惡性腫瘤等。目前研究發現可引起BWS綜合征的分子缺陷包括：（1）涵蓋IGF2區域的父源性倍增；（2）11p15.5的父源性單親源二倍體；（3）CDKNIC母源等位基因的功能缺失；（4）母源染色體上的易位，這些易位破壞KCNQ1，影響IGF2基因的印記。（5）最常見的是ICR2/KCNQ1OT1基因印記的丟失。

5.3 Silver-Russell綜合征

Silver-Russell綜合征（SRS）是一種發育紊亂疾病，主要表現為發育遲緩，身材矮小且不對稱，部分具面部、頭蓋骨及手指和腳趾畸形。引起SRS的遺傳病因很多，但約10%患者是由第7號染色體的母源性單親源二倍體所造成的。可能是某父源性表達的促進生長的基因的功能缺失導致了SRS。Gicquel等［26］研究發現，在幾例SRS患者中，染色體11p15上ICR1的去甲基化，導致了H19雙等位基因表達和IGF2表達水平下降。

5.4 假性甲狀旁腺功能減退

在正常副甲狀腺激素（PTH）水平下，仍出現甲狀旁腺功能減退的各種表型被稱為假性甲狀旁腺功能減退（PHP）。這些患者對PTH具抗性，同時還可能具有一系列發育及體征缺陷。該病因是因GNAS1基因突變。在該基因外顯子周圍有DMR，導致NESP55只表達于母源等位基因，而XL1A和NESP-55的一個反義轉錄物則只表達于父源等位基因。

6 展望

在哺乳動物基因組中，約有1%的基因屬于印記基因范疇［27］。其一個重要表現就是呈現出父本或母本來源的單位點表達。目前，在人和小鼠的研究中已鑒定出超過100個印記基因［27］。這些印記基因對于哺乳動物的正常發育至關重要。印記基因與遺傳、克隆動物的發育、遺傳疾病、腫瘤的發生及數量性狀等有密切的關系。對基因組印記特征與作用更為深入的理解，將大大提高克隆動物的成活率，并且也將會大大推動許多相關疾病的病因及治療的研究進展。哺乳動物的許多基因組印記特征都將使其成為后基因組學時代的一個熱點的生物學問題。

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（責任編輯 狄艷紅）

Research Progress in Genomic Imprinting in Mammals

Chen Xiuli1，2Ma Libing1
（1. School of Mathematics Physics and Biological Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010；2. Faculty of Biological Science and Technical，Baotou Teachers College，Baotou 014030）

Genomic imprinting is a genetic phenomenon because of the different parents resulted from the allelic gene expression differences. The causes and the process of genomic imprinting is a hot issue of modern genetics. Mammals many genomic imprinting characteristic makes it become a focus biology problems in the post genome era. The evolution of genomic imprinting has played a special role in mammalian reproduction and development. This paper reviewed the characteristics of genomic imprinting、imprinting mechanism of gene imprinting， gene imprinting and the development of cloned animals， the research progress of the imprinting genes and the disease.

gene imprinting；mammals；cloned animals；embryonic development

2014-07-01

國家自然科學基金項目（31160245），內蒙古自治區高等學校青年科技英才支持計劃

陳秀莉，女，碩士，副教授，研究方向：表觀遺傳學；E-mail：chenxiuli6666@sina.com

馬利兵，男，博士，教授，研究方向：表觀遺傳學及發育生物學；E-mail：mlb-xn2004@163.com