表觀遺傳修飾在胚胎發(fā)育過程中的調(diào)控作用研究進(jìn)展

劉瑾，汪暉，張本堅(jiān)，王婷婷，平潔

(武漢大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院藥理學(xué)系，湖北武漢430071)

表觀遺傳修飾在胚胎發(fā)育過程中的調(diào)控作用研究進(jìn)展

劉瑾，汪暉，張本堅(jiān)，王婷婷，平潔

(武漢大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院藥理學(xué)系，湖北武漢430071)

表觀遺傳修飾是生命現(xiàn)象中普遍存在的一類基因調(diào)控方式，對(duì)維持哺乳動(dòng)物正常生命活動(dòng)至關(guān)重要。表觀遺傳修飾方式主要包括DNA甲基化、組蛋白乙酰化和組蛋白甲基化修飾，通常協(xié)同調(diào)控基因表達(dá)，且易受到營(yíng)養(yǎng)和外源物等多種環(huán)境因素的影響，在胚胎正常發(fā)育中扮演重要角色。胚胎時(shí)期表觀遺傳修飾異?？赡苷T導(dǎo)胚胎甚至成年后多種疾病的發(fā)生。本文重點(diǎn)從DNA甲基化、組蛋白乙酰化和組蛋白甲基化修飾方面，綜述表觀遺傳修飾在基因調(diào)控、胚胎發(fā)育過程中的作用及其可能的臨床意義。

表觀遺傳學(xué);胚胎發(fā)育;DNA甲基化;組蛋白修飾;基因表達(dá)

表觀遺傳修飾是指DNA序列不發(fā)生變化，但基因表達(dá)卻發(fā)生了可遺傳性的改變。表觀遺傳學(xué)已成為當(dāng)今生命科學(xué)研究的前沿和熱點(diǎn)。大量研究顯示，哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育過程中伴隨著各種表觀遺傳修飾的改變。隨著基因工程和胚胎發(fā)育學(xué)的快速發(fā)展，表觀遺傳相關(guān)酶及其引起的修飾改變對(duì)胚胎發(fā)育中基因組的重編程和早期胚胎發(fā)育模式的建立起重要作用。孕婦是外源環(huán)境作用的易感人群，某些環(huán)境因素會(huì)改變表觀遺傳修飾并引起胚胎發(fā)育異常。因此，開展與發(fā)育相關(guān)的表觀遺傳學(xué)研究，將有助于認(rèn)識(shí)大量尚未探明的人類疾病的發(fā)病機(jī)制，對(duì)尋找治療這些疾病的藥物和治療方式具有深遠(yuǎn)的意義。

1 表觀遺傳修飾原理和特征

表觀遺傳修飾主要包括DNA甲基化和組蛋白修飾。在哺乳動(dòng)物的基因表達(dá)調(diào)控中，DNA甲基化和組蛋白修飾通常協(xié)同作用［1］。組蛋白修飾中以乙?；图谆顬橹匾?。

1.1 DNA甲基化修飾

DNA中5-甲基胞嘧啶被稱之為人類DNA的第5種堿基，約占基因組堿基的1%，富含CpG雙核苷酸的基因區(qū)段被稱為CpG島(CpG island，CGI)。CGI通常處于非甲基化狀態(tài)。在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中，催化CpG位點(diǎn)的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferases，DNMT)主要有DNMT1，DNMT3A/3B和DNMT2 3種。DNMT與一些輔助蛋白共同參與配子發(fā)生和胚胎發(fā)育中甲基化模式的維持及調(diào)控［2］。一般而言，DNA甲基化與基因表達(dá)呈負(fù)相關(guān)，而且基因內(nèi)部的甲基化與基因表達(dá)也存在著一定的負(fù)相關(guān)。目前認(rèn)為，DNA甲基化調(diào)控基因表達(dá)的直接機(jī)制為5-甲基胞嘧啶深入到DNA雙螺旋的大溝中，阻礙轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合到包含有CpG的識(shí)別位點(diǎn)。

1.2 組蛋白修飾

組蛋白是真核生物核染色體的重要組成成分。其尾部常發(fā)生多種共價(jià)修飾，包括乙?；⒓谆?、磷酸化、泛素化和類泛素化等。其中組蛋白的乙?；图谆饔米顬槠毡楹椭匾?，目前對(duì)它們?cè)诎l(fā)育中作用的研究也最為廣泛和深入［3］。組蛋白甲基化是由組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(histone methyltransferases，HMT)將甲基轉(zhuǎn)移至H3和H4組蛋白N端賴氨酸和精氨酸殘基上的過程。組蛋白乙?；淖饔脵C(jī)制主要是組蛋白N端特異殘基的乙酰化，使其可以活躍地與DNA及其他蛋白質(zhì)發(fā)生相互作用，打開核小體以及染色質(zhì)濃縮結(jié)構(gòu)，使被抑制的基因重新恢復(fù)活性。組蛋白乙?；c基因活化有關(guān)，而去乙?；c基因沉默有關(guān)。一般認(rèn)為，組蛋白乙?；饕ㄟ^以下3種方式調(diào)控基因表達(dá)［4］:①改變核小體周圍環(huán)境，加強(qiáng)基因表達(dá)相關(guān)蛋白與DNA的相互作用;②參與染色質(zhì)構(gòu)型改變，影響蛋白與蛋白、蛋白與DNA的相互作用;③作為特殊信號(hào)被其他蛋白因子識(shí)別，影響后者的活動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控。與組蛋白乙?；煌?，組蛋白甲基化既可以促進(jìn)基因表達(dá)，也可以抑制基因表達(dá)，取決于它所在的殘基情況。當(dāng)甲基化修飾在不同基因區(qū)域的相同殘基時(shí)，其轉(zhuǎn)錄抑制和激活效應(yīng)不盡相同［5］。

1.3 DNA甲基化與組蛋白共修飾

眾多證據(jù)顯示，表觀遺傳修飾存在協(xié)同作用，其中DNA甲基化、組蛋白乙?；徒M蛋白甲基化密切相關(guān)。如基因啟動(dòng)子區(qū)DNA甲基化與組蛋白去乙酰化可以協(xié)同抑制基因轉(zhuǎn)錄［6］。通常，在啟動(dòng)子區(qū)低密度CpG甲基化情況下，轉(zhuǎn)錄抑制主要取決于組蛋白去乙酰化途徑;而在高密度CpG甲基化時(shí)，轉(zhuǎn)錄抑制則主要由DNA甲基化發(fā)揮作用［7］。有證據(jù)表明，DNA甲基化與組蛋白甲基化也能協(xié)同抑制基因轉(zhuǎn)錄，如組蛋白3第9位賴氨酸甲基化(methylation of histone H3 at lysine 9，H3K9me)與DNA甲基化在基因沉默機(jī)制中協(xié)同作用［8］。關(guān)于DNA甲基化與組蛋白修飾之間的相互作用，普遍認(rèn)為DNA甲基化和組蛋白修飾可以相互觸發(fā)，并且這兩個(gè)過程是通過甲基-CpG結(jié)合域蛋白(methyl-CpG binding domain proteins，MeCP)相互聯(lián)系。MeCP可以結(jié)合CpG二核苷酸，通過招募組蛋白去乙?；?histone deacetylase，HDAC)和HMT，促進(jìn)異染色質(zhì)形成，啟動(dòng)基因沉默。與組蛋白結(jié)合的蛋白(如異染色質(zhì)蛋白)或修飾組蛋白的蛋白(如賴氨酸脫甲基化酶和蛋白精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶)，能招募DNMT使DNA甲基化，從而使沉默基因表達(dá)［9］。

2 表觀遺傳修飾在胚胎發(fā)育中的作用及機(jī)制

DNA甲基化和組蛋白修飾在胚胎正常發(fā)育中扮演重要角色。異常的DNA甲基化和組蛋白修飾模式會(huì)導(dǎo)致胚胎發(fā)育障礙［10］。

2.1 DNA甲基化與胚胎發(fā)育

整體DNA甲基化水平在胚胎發(fā)育的不同時(shí)期存在差異，基因的兩次DNA甲基化重編程發(fā)生在配子形成和早期胚胎發(fā)育階段，在這兩個(gè)階段會(huì)發(fā)生全基因組范圍內(nèi)的DNA去甲基化后再重新甲基化。第一階段的DNA甲基化重編程是親代印跡基因去除和重新確立所必需的，第二階段的DNA甲基化重編程是受精卵獲得全能性并產(chǎn)生新個(gè)體所必需的［11］。配子受精后，新形成的合子將面臨一系列關(guān)于細(xì)胞命運(yùn)和種系維持的重要選擇。首先，父系母系基因組必須被重編程和重排，以完成合子基因組的表達(dá);其次，分裂球在植入后各細(xì)胞內(nèi)逐漸被定型為內(nèi)細(xì)胞團(tuán)或滋養(yǎng)外胚層。已證實(shí)，多種表觀遺傳修飾參與并維持這些階段的完成［12］。DNA甲基化水平在胚胎發(fā)育中經(jīng)歷了一系列動(dòng)態(tài)變化，廣泛的去甲基化發(fā)生在胚胎植入前期，非甲基化狀態(tài)保持到16細(xì)胞的桑葚期前。當(dāng)發(fā)育到前原腸胚時(shí)，有一個(gè)重新甲基化的過程，甲基化水平逐漸恢復(fù)［13］。除這兩次廣泛DNA甲基化重編排時(shí)期以外，胚胎發(fā)育中晚期的基因組甲基化水平也會(huì)發(fā)生一定改變，且具有組織特異性。近期研究表明，圍生期小鼠的晝夜節(jié)律鐘基因會(huì)發(fā)生急劇變化，胎鼠出生后第1天與妊娠期第19天相比，其視交叉上核中節(jié)律基因mPeriod1(mPer1)啟動(dòng)子的E-盒區(qū)發(fā)生顯著的去甲基化，但肝組織未發(fā)現(xiàn)此改變［14］。哺乳動(dòng)物中母系和父系基因組在胚胎發(fā)育和出生后發(fā)育中甲基化狀態(tài)不對(duì)稱［15］。基于小鼠的早期哺乳動(dòng)物發(fā)育研究認(rèn)為:①父系基因組在第一個(gè)細(xì)胞周期發(fā)生主動(dòng)、完全去甲基化;②母系基因組在整個(gè)植入前期發(fā)生被動(dòng)去甲基化;③兩個(gè)基因組都在胚泡時(shí)期發(fā)生完全去甲基化［16］。重排后基因組產(chǎn)生固定的表達(dá)模式，其中組織特異性基因被廣泛抑制，而管家基因都被活化［17］。許多組織特異性差異甲基化區(qū)域在發(fā)育早期階段被甲基化。隨著發(fā)育的進(jìn)行，成體組織中發(fā)生被動(dòng)或主動(dòng)去甲基化［18］。而管家基因的CGI并未參與胚胎中植入期的廣泛新發(fā)甲基化過程［19］。Abdalla等［17］認(rèn)為，DNA甲基化對(duì)胚胎期發(fā)育主要具有抑制基因表達(dá)、使雌性X染色體失活、調(diào)控印跡基因表達(dá)、沉默轉(zhuǎn)座元件和調(diào)控和表達(dá)組織特異性基因的作用。

2.2 組蛋白修飾與胚胎發(fā)育

受精后，精子染色質(zhì)發(fā)生去濃縮，此時(shí)去除富含精氨酸的魚精蛋白，取而代之的是母源性組蛋白。母源性組蛋白H4K5/12/16和H3K9/14/18的修飾伴隨染色體的去濃縮而逐漸建立起來［20］。在胚胎發(fā)育早期階段，存在明顯的組蛋白修飾不對(duì)稱性，母源性染色體富含甲基化組蛋白(尤其是H3K4me)，父源性染色體上則以組蛋白低甲基化修飾為主［21］。在胚胎發(fā)育第2細(xì)胞期，母源性染色體富含H3K9me3修飾，而在父源性染色體上該修飾被去除［22］。此時(shí)期主要是合子基因組的活化，合子基因特定區(qū)域的組蛋白(如H2A，H3和H4)同時(shí)發(fā)生顯著的乙?；＿M(jìn)入胚胎發(fā)育第4細(xì)胞期后，父系母系基因組的組蛋白修飾不對(duì)稱性漸漸消失，每個(gè)卵裂球的H3K27me，H3K4me，H3K9me修飾水平相當(dāng)。到達(dá)胚泡期，第二種不對(duì)稱的組蛋白修飾發(fā)生在內(nèi)細(xì)胞團(tuán)和滋養(yǎng)外胚層之間。較滋養(yǎng)外胚層而言，內(nèi)細(xì)胞團(tuán)含有更多與轉(zhuǎn)錄抑制相關(guān)的組蛋白修飾。組蛋白甲基化修飾(如H3K27me1/2/3)在內(nèi)細(xì)胞團(tuán)中首先出現(xiàn)，而在內(nèi)細(xì)胞團(tuán)細(xì)胞中只在失活的X染色體上可檢測(cè)到H3K27me2/3修飾。組蛋白H3K9me2/3修飾在這兩種細(xì)胞中水平相當(dāng)［23］。此外，轉(zhuǎn)錄因子的組蛋白修飾在分裂球向內(nèi)細(xì)胞團(tuán)或內(nèi)細(xì)胞團(tuán)發(fā)育過程上也起一定的作用。例如，在內(nèi)細(xì)胞團(tuán)中，富含轉(zhuǎn)錄因子Pouf5f1，Nanog以及與轉(zhuǎn)錄活化相關(guān)的組蛋白修飾(H4K8ac，H4K16ac和H3K4me3)，缺乏與轉(zhuǎn)錄抑制相關(guān)的組蛋白修飾(H3K9me2);而在內(nèi)細(xì)胞團(tuán)中，富含轉(zhuǎn)錄因子Cdx2以及與轉(zhuǎn)錄活化相關(guān)的組蛋白修飾(H4K8ac和H3K4me3)和與轉(zhuǎn)錄抑制相關(guān)的組蛋白修飾(H3K9me2)。

Ke等［24］在子宮胎盤功能不全所致大鼠宮內(nèi)發(fā)育遲緩(intrauterine growth retardation，IUGR)模型上，發(fā)現(xiàn)仔鼠海馬糖皮質(zhì)激素受體(glucocorticoid receptor，GR)表達(dá)變化，并伴隨該基因組蛋白修飾發(fā)生改變。

3 表觀遺傳修飾異常對(duì)胚胎發(fā)育的影響

流行病學(xué)調(diào)查和實(shí)驗(yàn)顯示，胎兒時(shí)期的表觀遺傳修飾改變會(huì)導(dǎo)致某些成年疾病，如肥胖、糖尿病、心血管病、神經(jīng)疾病和行為疾?。?5］。表觀遺傳修飾異常引起的疾病主要可分為兩大類:一類是在發(fā)育的重新編程過程中造成的特定基因表觀修飾異常，有人稱之為表觀突變(epimutation)，另一類是與表觀修飾相關(guān)的蛋白質(zhì)編碼基因的突變，如DNMT基因或MeCP基因的突變或表觀突變［26］。普遍認(rèn)為，成人疾病的胚胎起源主要是通過DNA甲基化和組蛋白修飾［27］。

3.1 DNA甲基化修飾異常對(duì)胚胎發(fā)育的影響

影響DNA甲基化和組蛋白修飾的環(huán)境因素主要有營(yíng)養(yǎng)素、神經(jīng)活性物質(zhì)、重金屬和電離輻射等。DNA甲基化修飾異常會(huì)對(duì)胚胎發(fā)育產(chǎn)生影響。Waterland等［28］發(fā)現(xiàn)，刺鼠孕期暴露甲基供體(如葉酸、膽堿和甜菜堿)會(huì)誘發(fā)胚胎基因CpG位點(diǎn)的廣泛甲基化，表現(xiàn)為子代毛色從黃色到棕色的變化。DNA甲基化酶的缺失會(huì)引起胚胎發(fā)育異常，如DNMT1催化中心發(fā)生點(diǎn)突變的小鼠胚胎，會(huì)出現(xiàn)胚胎的異常發(fā)育甚至死亡，其原因可能與DNA甲基化水平降低、甲基化模式紊亂以及等位基因丟失有關(guān)［29］。有文獻(xiàn)報(bào)道，荷蘭戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期遭受饑荒的孕婦其胎兒DNA甲基化模式改變的現(xiàn)象十分普遍，生前受母源性營(yíng)養(yǎng)不良的子代成年后冠狀動(dòng)脈疾病早發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)性顯著增加;在懷孕的不同時(shí)期或不同性別的胎兒遭受饑餓，其DNA甲基化模式的影響不同［30－31］。

3.2 組蛋白修飾異常對(duì)胚胎發(fā)育的影響

影響組蛋白修飾的環(huán)境因素主要有營(yíng)養(yǎng)素、神經(jīng)活性物質(zhì)、重金屬和病毒等。組蛋白修飾異常對(duì)胚胎發(fā)育產(chǎn)生的影響的研究報(bào)道陸續(xù)出現(xiàn)。Painter等［32］發(fā)現(xiàn)，大鼠孕期蛋白限制所致IUGR胎鼠的肝膽固醇7α-羥化酶(Cyp7a1)表達(dá)降低，伴隨著啟動(dòng)子區(qū)組蛋白乙?；揎椣陆岛虷3K9甲基化修飾升高。Aagaard-Tillery等［33］對(duì)日本獼猴孕期給予高脂飲食，發(fā)現(xiàn)子代肝組織中組蛋白H3乙?；揎棸l(fā)生改變，影響胎兒的基因表達(dá)，為其成年疾病的發(fā)生提供了分子依據(jù)。GCN5是第一個(gè)被鑒定的組蛋白乙?；?，敲除GCN5的小鼠胚胎可以正常存活到胚胎期7.5，而胚胎期7.5～胚胎期8.5胚胎發(fā)育嚴(yán)重受阻，最后大部分胚胎在胚胎期10.5死亡。HDAC1等位基因缺失也可導(dǎo)致胎鼠在胚胎期10.5前死于嚴(yán)重的細(xì)胞增殖缺陷和神經(jīng)發(fā)育阻滯［34］。WDR82為HMT復(fù)合體的一個(gè)亞基，若在小鼠胚胎早期沉默WDR82基因表達(dá)，引起轉(zhuǎn)錄因子POU5F1基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)H3K4me3修飾減少，并伴隨胚泡細(xì)胞數(shù)目減少、胚胎細(xì)胞凋亡、胚胎發(fā)育遲緩甚至死亡等［35］。

4 展望

綜上所述，DNA甲基化和組蛋白修飾是哺乳動(dòng)物正常發(fā)育所必需的。表觀遺傳標(biāo)志的研究可為疾病的早期診斷和治療提供指導(dǎo)。有報(bào)道，在臨床IUGR胎兒臍血干細(xì)胞中，肝細(xì)胞核因子4α基因啟動(dòng)子區(qū)發(fā)生DNA甲基化修飾改變，該基因是導(dǎo)致幼年速發(fā)型糖尿病的重要基因［36］;哺乳期為母鼠提供足量的葉酸飲食，可逆轉(zhuǎn)孕期低蛋白質(zhì)飲食所造成的胎肝GR及PPAR基因啟動(dòng)子區(qū)DNA甲基化修飾改變［24］。已提出IGF-1可作為IUGR及成年胰島素抵抗診斷和治療靶標(biāo)［37－38］。IUGR動(dòng)物IGF-1基因啟動(dòng)子區(qū)存在DNA甲基化和組蛋白甲基化修飾，這些表遺傳修飾改變與IGF-1宮內(nèi)編程及其成年后代謝性疾病的發(fā)生存在良好的相關(guān)性［39－40］。經(jīng)輔助生育技術(shù)出生的兒童患韋-伯綜合征和巨嬰綜合征的發(fā)生率增高，且患兒體內(nèi)檢測(cè)到IGF-2和H19等多個(gè)印跡基因的表觀遺傳修飾異常。提示有必要對(duì)經(jīng)輔助生育技術(shù)出生的孩子作表觀遺傳學(xué)檢測(cè)［41－42］。

總之，雖然還未正式開展基于胚胎期表觀遺傳修飾改變的臨床疾病診斷和治療，但有理由相信，隨著表觀遺傳學(xué)研究的不斷發(fā)展，必將成為人類優(yōu)生優(yōu)育和疾病治療的一條全新的途徑。

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Progress in roles of epigenetic modifications in regulating embryonic development

LIU Jin，WANG Hui，ZHANG Ben-jian，WANG Ting-ting，PING Jie
(Department of Pharmacology，Basic Medical School，Wuhan University，Wuhan430071，China)

Epigenetic modifications，a class of ubiquitous gene regulation patterns e.g.gametogenesis and embryonic development，are crucial for activities of living mammals.DNA methylation，histone acetylation and histone methylation are three main forms of epigenetic modifications.Generally，they coordinately regulate gene expression and are readily affected by multiple environmental factors，such as nutrition and xenobiotics.Moreover，they play important roles in embryonic development.Many embryonic even adult diseases may be due to abnormal epigenetic modifications during embryogenesis.The potential clinical significance of DNA methylation，histone acetylation and histone methylation on gene expression and embryonic development is reviewed.

epigenetics;embryonic development;DNA methylation;histone modifications;gene expression

The project supported by National Natural Science Foundation of China(30830112);and National Natural Science Foundation of China(81072709)

WANG Hui，E-mail:wanghui19@whu.edu.cn，Tel:(027)68758665

R963

A

1000-3002(2012)04-0591-04

10.3867/j.issn.1000-3002.2012.04.023

國(guó)家自然科學(xué)基金(30830112);國(guó)家自然科學(xué)基金(81072709)

劉瑾(1986－)，女，藥理學(xué)碩士，主要從事外源物發(fā)育毒理研究。

汪暉，E-mail:wanghui19@whu.edu.cn，Tel:(027)68758665

2011-07-28接受日期:2011-12-12)

(本文編輯:喬虹)