表觀遺傳及表觀遺傳學概述

王麗娟 劉家熙

(1首都師范大學生命科學學院 北京 100048; 2魯東大學生命科學學院 煙臺 264025)

從1928年格里菲思的肺炎雙球菌轉化實驗到1944年艾弗里的DNA提純和鑒定實驗，再到1952年赫爾希和蔡斯的噬菌體侵染實驗，前后共歷經二十四年最終證明遺傳物質是DNA。后來又發現RNA也是遺傳物質。2013年，我國科學家發現斑馬魚子代胚胎可繼承精子DNA甲基化模式，在世界上首次以實驗證明精子的表觀遺傳信息也可以完整遺傳[1]。由于表觀遺傳與癌癥、衰老、干細胞以及克隆研究的密切關系，近年成為了研究熱點。什么是表觀遺傳？什么是表觀遺傳學？表觀遺傳的調控機制是什么？它的應用前景怎樣？本文對此進行概述。

1 從表觀遺傳現象到表觀遺傳學

1.1 表觀遺傳現象 經典遺傳學認為,基因是生物體的結構和功能單位，一個基因決定著生命活動所需要的一種蛋白質。但是，隨著研究的深入,不但發現一個基因可以編碼多種蛋白質，而且還發現大量隱藏在DNA序列之中或之外其他層次的遺傳信息，其中包括許多經典遺傳學無法解釋的遺傳現象。現今知道，這些現象主要受表觀遺傳的調控，稱為表觀遺傳現象。這方面的例子很多，舉例加以說明:①位置效應花斑現象。1930年，著名的果蠅遺傳學家Muller[2]由X射線誘變發現一種果蠅的花斑眼表型，即果蠅眼睛的局部區域呈紅色，而其余的區域呈白色。這種表型不是因為DNA序列改變，而是染色體倒位或重排，造成活躍表達的基因在部分細胞中沉默，沉默是由報告基因凝聚成異染色質引起的。此現象也存在于包括酵母、哺乳動物在內的物種中。例如，啤酒酵母報告基因被插入到染色體的端粒處，它通過一種表觀遺傳的方式發生沉默。該報告基因的沉默或活躍狀態均可被繼承，導致在同一菌落中產生紅白相間的花斑效應[3]。小鼠的花斑皮色也顯示出位置花斑效應。皮色野生型基因常染色體區域插入到X染色體中，由于X染色體異染色質化失活，野生型等位基因被沉默[4]。②遺傳印記現象。二倍體細胞中只有一個等位基因表達，且表達依賴于其親本來源。例如，馬騾是公驢與母馬雜交的后代,體大、耳小而尾部蓬松; 而驢騾是公馬與母驢雜交的后代,體小、耳大而尾毛較少。其原因是來自父本和母本的等位基因傳遞給子代時發生了某種修飾,使子代只表現出父方或母方的一種基因。③玉米副突變、哺乳動物的X染色體失活和朊粒疾病等現象都是表觀遺傳現象中的重要事件。而同卵雙胞胎之間的微小差異、克隆貓基因組完全相同但毛皮顏色不同等現象，則是表觀遺傳修飾調控的結果。

1.2 表觀遺傳學的形成和發展 1958年，Waddington首先使用表觀遺傳學(epigenetics)這一名詞。同年，Nanney用表觀遺傳學解釋為何具有相同基因型的細胞可以有不同的表型，且這一現象可以持續許多代。在過去的五十多年間，隨著人們對真核基因表達調控分子機制研究的深入，表觀遺傳學的定義不斷更新。目前對表觀遺傳學內容的通行定義為：研究在有絲分裂及減數分裂過程中無法用DNA序列改變來解釋的基因功能的可繼承性改變的科學[5]。從分子角度，表觀遺傳學的定義則為：“在同一基因組上建立，并將不同基因表達(轉錄)模式和基因沉默傳遞下去的染色質模板變化的總和”。總體來說，表觀遺傳有3個特點，即可遺傳性、可逆性的基因表達調節以及不涉及DNA序列的變化。

隨著研究的深入，表觀遺傳學受到了越來越多的關注。1998年，歐盟啟動“表觀基因組學計劃”和“基因組的表觀遺傳可塑性”研究計劃。2001年，國際著名學術期刊《自然》雜志專門開設一期來討論表觀遺傳學。2004年夏,表觀遺傳學第一次作為主題呈現在第69屆冷泉港定量生物學會議上，表明表觀遺傳學最終匯聚成具有鮮明特色的生物學研究領域。國際人類表觀遺傳學合作組織(IHEC)于2010年在巴黎成立，并計劃在第一階段10年內標記出1000個參考表觀基因組。德國于2012年啟動人類表觀遺傳學研究計劃(DEP)，其發展目標是標記測量健康細胞和疾病細胞的表觀遺傳基因開關。我國科技部也于2005年啟動了“腫瘤和神經系統疾病的表觀遺傳機制”的“973”重大專項研究。

2 表觀遺傳的調控機制

2.1 DNA甲基化 DNA甲基化是最早被發現的與基因抑制相關的表觀遺傳調控機制，是指 DNA 序列中腺嘌呤(A)或胞嘧啶(C)在甲基化轉移酶的催化下與甲基發生共價結合, 并在細胞分裂過程中傳遞給子細胞的遺傳現象。DNA 甲基化在細胞分化、胚胎發育、環境適應和疾病發生發展上扮演重要的角色, 是當前表觀遺傳學研究的熱點領域之一。

例如，Rashi Halder等[6]以小鼠為模型開展兩個腦區、兩種細胞和三個時間點的染色質修飾的檢測，發現記憶的形成和維持伴隨著DNA甲基化，即DNA甲基化是構成長時記憶的重要修飾。中科院凌宏清等[7]發現，植物擬南芥調控鐵離子吸收是蛋白精氨酸甲基轉移酶對組蛋白對稱性雙甲基化修飾的結果。對于蜜蜂或螞蟻等群居性昆蟲，DNA甲基化的表觀遺傳調控與其社會等級分化之間存在一定的關系[8，9]。

2.2 組蛋白修飾 組蛋白修飾主要包括組蛋白甲基化、磷酸化、乙酰化和泛素化等。關于組蛋白多樣性修飾及其潛藏信息的機理存在著“組蛋白密碼假說”(histone code hypothesis)。組蛋白修飾可影響組蛋白與DNA雙鏈的親和性，從而改變染色質的疏松和凝集狀態，同時影響與染色質結合的蛋白質因子的親和性，還可影響識別特異DNA 序列的轉錄因子與之結合的能力，從而間接地影響基因表達，導致表型改變。例如，植物組蛋白去甲基化酶可通過調節植物基因表達，參與植物開花時間調控、花和葉片的發育和油菜素內酯信號轉導途徑等[10]。

2.3 非編碼 RNA的作用 非編碼RNA 是不參與蛋白質編碼的RNA的總稱。除rRNA、tRNA等外，近年來還發現了小干擾RNA(siRNA)、微小RNA(miRNA)以及piRNA等調控型的小分子非編碼RNA。幾乎所有表觀遺傳行為，如DNA甲基化、印跡、轉位、位置效應花斑等，都受反式作用RNA介導。中科院周琪等[11]發現，被飼喂高脂食物的雄鼠的后代，表現出葡萄糖攝入異常和胰島素耐受的癥狀。這種癥狀與新型的遺傳物質轉運RNA(tsRNAs)相關,精子tsRNAs對介導獲得性性狀的跨代傳遞至關重要。

2.4 染色質重塑 染色質重塑是在基因表達的復制和重組過程中,對應基因尤其是基因調控區的染色質包裝狀態、核小體和組蛋白以及對應的DNA分子會發生一系列的改變,造成基因表達調節所伴隨的這類染色質結構和位置改變的現象。染色質重塑模式包括核小體滑動、核小體移除、置換組蛋白、改變核小體構象和組蛋白尾巴的作用等。以小鼠應激應答為例，交配之前通過更換籠盒等處理而處于應激狀態的雄性小鼠，其后代對應激的應答情況會存在障礙，并且在應激小鼠精子中有9種miRNA的表達升高。Rodgers等[12]對幾種microRNA靶向mRNA的分析表明，miRNAs攻擊了母親卵細胞的mRNA 。受影響的mRNA主要編碼參與染色質重塑的蛋白分子去乙酰化酶(sirtuin 1)和泛素蛋白連接酶(ubiquitin protein ligase E3a )。

3 表觀遺傳學的應用前景

越來越多的證據表明，DNA并不是親代將遺傳信息傳遞到子代的唯一載體。剖析 DNA甲基化等表觀遺傳學現象，能夠在疾病發生發展、環境因素安全評價、農作物增產和抗病研究等領域，挖掘表觀遺傳學的應用價值。

3.1 疾病預測和治療 近年，隨著人們飲食習慣改變、環境污染和工作與生活壓力的增高，癌癥、糖尿病、老年癡呆癥(阿爾茨海默病)、精神疾病等的患者日益增多。科研人員在表觀遺傳學方面對疾病發生機理的探索和發現，有利于相應疾病的預測與治療。以糖尿病為例，研究發現II-型糖尿病的形成和胰島β-細胞的凋亡與miRNA-200家族有很大關聯。miRNA-200的過表達能明顯誘導II-型糖尿病的形成和胰島β-細胞的凋亡[13]，或許抑制miRNA-200家族的表達可能成為一種維持胰島細胞存活和治療糖尿病的策略。

另外，Rashi Halder等[8]發現，記憶形成可能伴隨著DNA甲基化的表觀遺傳修飾，研究結果也許可以為找到對抗阿爾茨海默病潛在靶向目標和預防、治療阿爾茨海默病提供依據。

在癌癥的預測與治療方面，表觀遺傳機制的研究也發揮了一定的作用。例如，Pathania等[14]發現，乳腺腫瘤DNA甲基轉移酶(DNMT1)的靶基因ISL1會發生高度甲基化，并且其表達水平在乳腺腫瘤和癌癥干細胞中顯著下調。在乳腺癌細胞中抑制DNMT 1或過表達ISL1會限制癌癥干細胞群體生長。DNMT1-ISL1途徑作為乳腺癌治療的潛在治療靶點，可能具有重要應用價值。另外，阻止癌癥產生的腫瘤抑制基因CACNA2D3的甲基化，與體內乳腺癌的擴散相關聯。腫瘤抑制基因的甲基化或許能夠被用來預測乳腺癌患者發生癌癥擴散的可能性，從而有助于決定哪些治療策略最為有效。

3.2 衰老的預測及延緩 衰老是一個非常復雜的過程，闡明衰老相關的表觀遺傳機制有助于人們設計更加有效的抗衰老策略。Osamu Hashizume等[15]比較了年輕人和老年人的成纖維細胞系線粒體呼吸和DNA損傷情況后發現，線粒體的衰老不是線粒體的DNA突變積累，而是由表觀遺傳調控。研究還確認了兩個調節線粒體甘氨酸生產的特殊基因CGAT和SHMT2，通過甘氨酸治療可能逆轉老年人成纖維細胞年齡相關的線粒體呼吸缺陷。甘氨酸補充劑或將能改變老年人的生活。另外，測量全基因組甲基化標記物能夠精確量化實際老齡速率，預測機體衰老程度。對骨質疏松模型的表觀遺傳研究表明，通過抑制DNA甲基化能夠有效減少骨質疏松[16]，將來或許可為治療骨相關疾病尤其是衰老引起的骨質疏松的治療策略提供新的啟發。

3.3 環境因素安全評價 對1958～2012年經典雙胞胎研究的統計數據表明，環境和遺傳因素對于個體特性差異的影響各占一半。有些特性甚至更多地由環境影響，例如，我們的社會價值觀就有70%受環境影響[17]。環境中的化學因素、物理因素、生物因素和精神心理、營養飲食等表觀遺傳學改變，已被證實與疾病密切相關。以營養飲食與表觀遺傳現象的關系為例，2015年12月《細胞代謝》期刊在線發表了一篇文章，證實男性的體重會影響精子的表觀遺傳，從而將父親的飲食信息傳遞給后代，甚至影響后代的肥胖幾率。2015年12月發表在《科學》雜志的成果進一步證實，雄性老鼠的飲食習慣以RNA片段的形式通過精子傳遞給后代，并影響后代的基因表達[18]。如果父親的確可以影響后代健康的話，就可以考慮給予男性一些飲食和環境等方面合理的建議。

最新研究還發現，X染色體失活可能是試管嬰兒男孩多于女孩的真正原因,研究人員通過在胚胎植入前的培養環境中添加視黃酸有效扭轉了體外受精小鼠的性別比例[19]。該研究也許表明,可以通過改變胚胎植入前體外受精胚胎的生長環境，來逆轉人口性別比例失調的現象。

此外，對動植物發育、多能干細胞自我更新和多能分化等的表觀遺傳學調控研究，有望能夠為人類進行農作物改良、提高生產能力和疾病治療提供指導。總之，表觀遺傳學研究逐步深入，其應用前景越來越廣泛，與人類的關系也逐漸密切。科學的發展是無止境的，更多的表觀遺傳學奧秘有待發現。