表觀遺傳學分子機制及其在雜種優勢上的應用

陳彤彤，石 蕾

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

表觀遺傳學屬于生物遺傳學的分支學科，是指生物遺傳序列在不發生變化的情況下，利用有絲及減數分裂等方式，使得遺傳基因表達得以改變的相關內容。當前，表觀遺傳學的研究主要圍繞DNA甲基化、組蛋白密碼、染色質重塑、非編碼RNA調控等方面。在現代遺傳學領域當中，進行表觀遺傳學研究對探究生物生命本源、解決疑難疾病以及解密生物成長發育等具有十分重要的意義。近年來，有關表觀遺傳學的研究逐漸增多，筆者對表觀遺傳學的基本分子機制及其在雜種優勢上的應用進行綜述，以期為表觀遺傳學的深入研究及應用提供參考。

1 表觀遺傳學的內涵

從經典遺傳學來看，基因序列發生變化可使生物體表現型發生變化，同時這種變化能夠自前一代向后一代進行延續。在基因組DNA序列未出現改變時，基因表達出現的變化有可能由遺傳引起，使得可遺傳的表現型發生改變。其表現型的改變由于未能與基因序列信息發生關系，所以叫表觀遺傳變異，也稱表觀遺傳修飾。1942年，WADDINGTON C H第一次提出表觀遺傳學(epigenetics)，同時指出，表觀遺傳和遺傳之間不是絕對的。1987年，HOLLIDY R 對表觀遺傳學進行了較為系統的描述，認為表觀遺傳學與DNA序列變化沒有關系，表觀遺傳學是通過利用有絲以及減數分裂進行遺傳的基因表達變化，屬于遺傳學分支[1]。現階段，對表觀遺傳學的研究重點圍繞DNA甲基化、組蛋白密碼、染色質重塑和非編碼RNA調控等4個方面。

2 表觀遺傳修飾的分子體系

2.1 DNA甲基化

甲基化是以腺苷甲硫氨酸作為甲基供體，利用DNA甲基轉移酶催化，從而使胞嘧啶轉變為5′-甲基胞嘧啶(mC) 的反應。對于基因組DNA來說，甲基化是其表觀遺傳修飾方式的一種，是對基因組功能進行調節的主要渠道。在植物內部，DNA甲基化主要出現CG區、CNG區和CHH區；對于脊椎動物，DNA甲基化常發生于CpG二核苷酸，把基因組中含有大量CpG的一段DNA看成是CpG 島，其長度一般為1～2 kb，對于CpG 島的位置，普遍認為在轉錄調控區域內[2]。對于真核生物體，其甲基化狀態具體有3種，一是連續的低甲基化狀態，如持家基因；二是誘導的去甲基化狀態，如發育時期的部分基因；三是與女性X染色體十分相近的高度甲基化狀態。DNA甲基化是利用DNA甲基將酶家族轉化使催化得以完成。DNA甲基轉移酶主要有類似Dnmtl的維持甲基化酶和類似Dnmt3a的重新甲基化酶，能夠將去甲基化的CpG 位點重新甲基化[3]。

一般來說，DNA甲基化可以使基因得到抑制，不再表達，基因的這種甲基化狀態可遺傳。對于哺乳動物來說，在生殖細胞成長過程中，其基因組能夠重新編程甲基化過程，使發育潛能細胞得以形成[4]。

2.2 組蛋白密碼和染色質重塑

對于染色體的多級折疊來說，其DNA需要和H3等組蛋白有機聯系起來。組蛋白的結構并非一成不變，在翻譯過程中其修飾會出現一定的變化，這樣能對其進行識別，使其他蛋白和DNA之間形成協同效應或拮抗效應，這是動態轉錄中的一種調控成分，亦稱組蛋白密碼。組蛋白通過共價修飾，使甲基化、糖基化等發生，從而使得不同形態的組蛋白密碼得以形成。上述組蛋白密碼能夠通過某些特殊的蛋白質進行識別，使其翻譯成特殊的染色質狀態，從而改變特定基因。所以，產生的組蛋白密碼可以使DNA中儲藏更多的遺傳信息[5]。其中，主要有2個研究方面，一是乙酰化，二是甲基化，這2類修飾不但能使基因得以有效激活，還可以令基因更加沉默。甲基化修飾主要發生于賴氨酸和精氨酸2種殘基。在進化時，從機能上看，組蛋白甲基化以及DNA甲基化能夠結合起來[5]。

染色質發生凝聚染色質等變化能使核小體產生變化，使其在基因區域內的次序得以改變，將轉錄裝置進行有效補充，從而開啟可接近性。核小體和染色質變化密切相關，染色質重塑主要有2種，一種是以ATP物理修飾為依托，以ATP水解為基礎將能量釋放出來，從而使染色質的構象發生變化；另一種是組蛋白密碼，以共價為依托，與反應相結合而形成的化學修飾[6]。

2.3 非編碼RNA調控

2.3.1 長鏈非編碼RNA X染色體失活是指DNA甲基化和組蛋白修飾共同參與，由長鏈非編碼RNA所介導的一個過程。其中，RNA與X染色體失活基因編碼一一對應，RNA在合成的X染色體外部包圍，處于一定條件時，這2種物質能夠一塊參與，使得X染色體的失活得以有效保持[7]。一般來說，在基因組里，長鏈非編碼RNA將單等位基因表達模式進行構建，在核糖蛋白復合物內發揮催化作用，影響染色質結構。

2.3.2 短鏈非編碼RNA 基因組內的短鏈RNA對降解mRNA有著一定作用，能夠使染色質結構發生變化，影響細胞分化，同時可有效體現核酸序列的降解功能，保護自身基因組。

常見短鏈RNA主要有2種：一是小干涉RNA(siRNA)，是RNA干擾的執行者；siRNA通常由細胞內部的雙鏈RNA通過酶加工產生，同時會與有酶切功能的蛋白共同作用產生RNA干擾復合體，識別mRNA，對mRNA的降解起引導作用，在轉錄后還能對基因表達量進行調節。siRNA一方面能使降解mRNA的作用發揮；另一方面能將蛋白質聚集起來，使異染色質得以激活。同時，還能參與染色質的失活，促使產生絲粒異染色質結構。二是微小RNA(miRNA)，在RNA干擾過程中起作用，同時自身有獨立的作用機制[8]。miRNA的作用方式：一是與靶基因3′端進行并不完全的互補結合，對翻譯進行阻止，對mRNA的穩定性不產生變化；二是與靶基因進行完全的結合，其作用方式與siRNA相似[9]。

2.4 蛋白質侵染因子

蛋白質侵染因子又名朊病毒，表觀遺傳修飾的領域包含其侵染以及繁殖過程。朊蛋白PrPsc錯誤折疊后有致病性，能夠利用正常朊蛋白PrPc 通過不正確的拆疊等方式從而完成自我繁殖。到目前，蛋白質侵染因子在植物內未能查找到，但近年來有實驗證明，蛋白質折疊中Hsp90的抑制作用非常關鍵，可使植物表型效應得以形成[10]。

3 表觀遺傳學在雜種優勢上的應用

在自然界中，雜種優勢是一種常見現象，是指基因組成不同親本的雜交后代在多方面表現出超越親本的特性，包括生活力、產量、生物量、適應性和對脅迫的抵抗力等[11]。雜種優勢是一種十分復雜的生物學現象，國內外許多學者對其遺傳機理進行了研究，并提出了許多假說，其中，較為經典的假說有顯性假說、超顯性假說和上位性假說；但這幾種假說并不能完全解釋某些自然現象。如同果殼內大小相似的2枚花生具有完全相同的基因，在相同環境中生長，但結實率等表現不同。這顯然不符合經典的孟德爾遺傳理論。表觀遺傳學研究的正是基因序列不發生改變但基因表達了可遺傳的變化，利用表觀遺傳學解釋雜種優勢表明，DNA甲基化、小分子RNA和組蛋白修飾都與雜種優勢有關。

3.1 DNA甲基化與雜種優勢

GAO M等[12]使用甲基化DNA免疫沉淀和高通量測序技術，對美洲黑楊親本及其種內F1雜交種系的全基因組DNA甲基化譜進行綜合分析后發現，楊樹F1雜種具有非加性甲基化水平(高于親本中值)，表明親本的甲基化模式部分和動態地傳遞到雜種上并被重構。優良親本F1雜種的高甲基化基因在類別代謝過程、應激反應、結合和催化活性、發育以及參與激素生物合成、信號傳導途徑中富集，這可能與雜種優勢高度相關，但不同物種、不同試驗的結論不一致。LIU T J等[13]研究玉米雜種優勢的分子機理發現，雜交種組織的甲基化水平要比親本低，去甲基化水平要高；進一步利用局部比對搜索工具分析發現，甲基化水平低區域的片段與其他物種已知功能蛋白在代謝、發育、應激反應和信號傳導等方面有相似性，說明去甲基化可能使更多基因得到表達，從而促進玉米的生長發育。雖然結論不一，但均體現了DNA甲基化在雜種優勢中的作用，這不僅對雜種優勢的研究提供了新思路，更為表觀遺傳學的研究擴寬了視野。

3.2 組蛋白修飾與雜種優勢

組蛋白修飾與植物發育和脅迫反應密切相關，通過靈活改變染色質結構調節基因表達，使F1代表現出雜種優勢；但組蛋白的種類、數量、修飾類型繁多，具體調控機制需要進一步研究。ZHU A等[14]調查擬南芥雜交種在發芽種子中4種組蛋白修飾的全基因組模式發現，盡管雜合體在基因組的大多數區域具有與父母相似的組蛋白修飾模式，但在特定基因座處具有改變的模式，這些基因的組蛋白修飾模式的改變可能與擬南芥的一些雜種優勢性狀相關(如開花時間)，并可能在雜種優勢中起作用。

3.3 小分子RNA與雜種優勢

小分子RNA(small RNA,sRNA)是生命活動重要的調控因子，幾乎存在于所有的生物體中，通過mRNA降解、翻譯抑制、異染色質形成、DNA去除來調控生物體的生長發育、基因表達、代謝及疾病的發生，從而影響雜種優勢。 ZHANG L等[15]對F1超級雜交水稻LYP9及其親本進行sRNA譜分析發現，sRNA可能通過調控其靶基因，特別是控制生長素信號通路，在超級雜交稻的雜種優勢中發揮重要作用，表明小RNA是超級雜交稻雜種優勢的重要調控者。 WANG Y等[16]對小麥幼苗sRNA文庫進行生物信息學分析發現，來自tRNA-Val-CAC、tRNA-Thr-UGU、tRNA-Tyr-GUA和tRNA-Ser-UGA的stRNA的表達不僅在高溫脅迫下上調，而且由滲透脅迫誘導，表明stRNA的切割增加可能是小麥幼苗發育的機制，以幫助應對不利的環境條件，從而影響雜種優勢。 SEIFERT F等[17]通過對21個玉米親本自交系小組的小RNA文庫進行測序發現，親本sRNA表達變異與谷粒產量(GY)雜種優勢呈負相關，雜種中sRNA可能會對雜種優勢有負面影響，抑制了雜種優勢。

4 小結

表觀遺傳學是對中心法則忽略問題的補充。表觀遺傳信息能夠利用控制基因的時間、位置等對發育和生理反應進行調控。因此，許多不能通過DNA序列來解釋的現象，如雜種優勢中的某些現象可以利用表觀遺傳學分析得到結論。此外，表觀遺傳學是處于發展中的一個研究領域，很多細節需要不斷研究完善。通過深入分析表觀遺傳學，有利于揭示生命現象的本質，同時為其他學科的研究提供新的思路與方向。