干細(xì)胞分化的表觀遺傳調(diào)控

趙春華,毛曉晶,韓 欽

(中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所，北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 基礎(chǔ)學(xué)院組織工程中心,北京 100005)

干細(xì)胞分化調(diào)控的分子機(jī)制一直是生命科學(xué)研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)。在過(guò)去幾年里,該領(lǐng)域的研究主要集中在干細(xì)胞所處的微環(huán)境,環(huán)境信號(hào)分子如TGF-β、Wnts和Notch等在調(diào)控干細(xì)胞分化中所起的作用。干細(xì)胞從自我更新?tīng)顟B(tài)向特定譜系分化的轉(zhuǎn)變過(guò)程總是伴隨細(xì)胞形態(tài)和功能的改變,這些改變很大程度上由基因的差異表達(dá)決定。具體地講,干細(xì)胞自我更新相關(guān)基因關(guān)閉,細(xì)胞類(lèi)型特異性基因轉(zhuǎn)錄激活。因此,研究干細(xì)胞分化的內(nèi)源性調(diào)控因素日益受到重視。

近幾年，越來(lái)越多的研究集中于理解干細(xì)胞干性特征及其分化過(guò)程的遺傳學(xué)和表觀遺傳學(xué)調(diào)控。干細(xì)胞分化涉及到基因組范圍內(nèi)多個(gè)基因座大規(guī)模改變，DNA甲基化以及各種各樣組蛋白修飾都有變化。表觀遺傳機(jī)制被定義為除了基因組序列以外的可遺傳密碼，包括組蛋白翻譯后修飾，DNA的CpG二核苷酸甲基化，ATP依賴(lài)的染色質(zhì)重塑，組蛋白和組蛋白變異體的交換，以及非編碼RNA分子[1]，在基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控中發(fā)揮重要作用。哺乳動(dòng)物基因組有復(fù)雜的DNA甲基化和組蛋白修飾譜系,這種體系構(gòu)成表觀基因組(epigenome)[2]。

本綜述旨在初步闡明表觀遺傳的概念和基本內(nèi)容，胚胎干細(xì)胞(ES)基因組的表觀遺傳特征和分化過(guò)程中表觀遺傳的動(dòng)態(tài)變化，以及DAN甲基化和組蛋白修飾之間的關(guān)系。

1 表觀遺傳學(xué)概念和內(nèi)容

經(jīng)典的表觀遺傳學(xué)定義為DNA或染色質(zhì)上可有絲分裂遺傳的修飾，不改變?cè)嫉暮塑账嵝蛄衃3]。細(xì)胞分化的實(shí)質(zhì)是基因選擇性表達(dá)?；蛟诩?xì)胞和組織中特異性表達(dá)，傳統(tǒng)上認(rèn)為受細(xì)胞/組織中活躍的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控，但是轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控一般有局限性，并且在應(yīng)答環(huán)境和細(xì)胞外刺激時(shí)迅速變化。各種各樣的基因表達(dá)同時(shí)受到表觀遺傳系統(tǒng)的DNA甲基化和組蛋白修飾控制。

1.1 DNA甲基化 DNA甲基化是表觀基因組關(guān)鍵成分，通過(guò)啟動(dòng)子CG二核苷酸序列甲基化抑制基因表達(dá)，此外DNA甲基化還定位于基因組異染色質(zhì)上和重復(fù)元件中。DNA甲基化比組蛋白修飾更能維持長(zhǎng)期抑制，并且動(dòng)態(tài)性沒(méi)有組蛋白修飾明顯[4]。DNA甲基化通過(guò)細(xì)胞有絲分裂負(fù)責(zé)特異基因表達(dá)模式穩(wěn)定維持，被認(rèn)為是基因表達(dá)狀態(tài)穩(wěn)定的主要因素。

哺乳動(dòng)物中，DNA甲基化由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(Dnmts)在5’-CG-3’二核苷酸(CpG島)上起作用實(shí)現(xiàn)，5-甲基胞嘧啶(5-MeC)是基因組DNA中唯一的化學(xué)修飾。甲基化CpGs在細(xì)胞傳代時(shí)可遺傳。小鼠基因組超過(guò)60%CpG甲基化，大部分在重復(fù)元件(包括中度重復(fù)和衛(wèi)星DNA)上，起到抑制轉(zhuǎn)座，提高基因組穩(wěn)定性作用。5-MeC存在于獨(dú)特序列中的數(shù)量少于存在于重復(fù)序列中。最近研究發(fā)現(xiàn)DNA甲基化以組織或細(xì)胞特異性方式表達(dá)，調(diào)控更多基因表達(dá)，調(diào)控多樣的細(xì)胞過(guò)程，包括發(fā)育基因調(diào)控，X染色體失活，基因組防御和基因組印記[17]。

DNA甲基轉(zhuǎn)移酶有兩種，分別是維持甲基化酶和從頭甲基化酶。Dnmt1把甲基團(tuán)加到只有一條鏈甲基化的半甲基化DNA上，和甲基化CpG結(jié)合蛋白2(MeCP2)直接相互作用，在復(fù)制期間給子鏈甲基化，維持親代DNA甲基化模式。Dnmt3a, Dnmt3b在試管內(nèi)可以從頭甲基化，體內(nèi)敲掉以后，隨著細(xì)胞傳代次數(shù)越多，甲基化進(jìn)行性損失，所以又有維持甲基化的功能[2,16]。

DNA甲基化模式在哺乳動(dòng)物發(fā)育期間由DNA轉(zhuǎn)移酶家族有序構(gòu)建，開(kāi)始于受精卵發(fā)育數(shù)小時(shí)內(nèi)細(xì)胞分裂期雄原核發(fā)生一波去甲基化之后，接下來(lái)在胚胎植入后基因組范圍內(nèi)從頭甲基化開(kāi)始。原腸胚期由于從頭甲基化基因組DNA甲基化程度很高，分化期間在特異性組織中DNA甲基化水平傾向于降低[3,5,15,23]。

DNA甲基化介導(dǎo)的基因調(diào)控通過(guò)兩個(gè)機(jī)制起作用。第一，在轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合元件內(nèi)的CpG甲基化直接干擾某些轉(zhuǎn)錄激活劑和靶序列的結(jié)合 。第二，更一般地，甲基化基因通過(guò)含有甲基化CpG結(jié)合域(MBD)的蛋白家族起作用，比如MeCP2和MBD1,他們結(jié)合甲基化CPG島，抑制基因表達(dá)。這些MBD蛋白本身是轉(zhuǎn)錄抑制劑，進(jìn)一步耦聯(lián)其他輔阻遏蛋白和組蛋白修飾酶，導(dǎo)致抑制性染色質(zhì)重塑和基因沉默[18,21]。

1.2 組蛋白修飾 組蛋白修飾在調(diào)控細(xì)胞特異性基因表達(dá)過(guò)程同樣發(fā)揮重要作用。組蛋白修飾是另一種形式表觀遺傳調(diào)控，是指翻譯后修飾加到組蛋白N端尾巴上，暴露在核小體外面。到目前為止，核心組蛋白上(H2A，H2B，H3，H4)上有60多個(gè)不同殘基已經(jīng)報(bào)道可進(jìn)行修飾，這些修飾包括乙酰化，甲基化，磷酸化，泛素化，SUMO修飾，ADP核糖基化和脯氨酸異構(gòu)化等。有幾種組蛋白修飾和5-MeC相協(xié)調(diào)。這些表觀遺傳標(biāo)記一般和染色質(zhì)凝集有關(guān)，染色質(zhì)凝集在沉默基因，穩(wěn)定染色體結(jié)構(gòu)，抑制逆轉(zhuǎn)座子移動(dòng)方面起作用。[2]除此之外，通過(guò)組蛋白替換——插入組蛋白變異體的方式，組蛋白修飾能夠重置。

不同組蛋白修飾之間有著協(xié)同或拮抗作用，去應(yīng)答合適的發(fā)育信號(hào)調(diào)控基因表達(dá)。組蛋白賴(lài)氨酸甲基化能作為抑制或者激活標(biāo)志。特別是，在組蛋白H3上的賴(lài)氨酸K4和賴(lài)氨酸K27甲基化已顯示分別和基因表達(dá)激活和抑制相關(guān)，兩種修飾分別通過(guò)Trithorax(TrxG)和Ploycomb(PcG)蛋白復(fù)合體起作用，在譜系特異性發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。K9和K27一樣，甲基化一般和沉默區(qū)域相關(guān)。

組蛋白修飾和激活的或抑制的染色質(zhì)狀態(tài)相關(guān)，在轉(zhuǎn)錄起始和延長(zhǎng)中起作用[6]。組蛋白乙酰化和去乙?；瘺Q定了染色質(zhì)的轉(zhuǎn)錄活性。組蛋白H3/H4乙酰化中和了正電荷，使臨近核小體之間的相互作用消失，協(xié)調(diào)促進(jìn)包裝染色質(zhì)纖維的解折疊，并把DNA模板暴露給了轉(zhuǎn)錄因子，此外H3K4甲基化直接把轉(zhuǎn)錄激活劑拴在了染色質(zhì)上，一般和轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)。染色質(zhì)重塑蛋白Chd1結(jié)合甲基化H3K4，募集SAGA(乙?；D(zhuǎn)移酶)，這些修飾位于常染色質(zhì)內(nèi)；相反，H3K9甲基化，H3K27甲基化促進(jìn)了緊密的異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)形成，各自募集異染色質(zhì)相關(guān)蛋白1(HP1)和多梳抑制復(fù)合體1(PRC1)，這些修飾和基因沉默有關(guān)。H3K27甲基化介導(dǎo)的抑制和兼性異染色質(zhì)有關(guān)，然而在一些環(huán)境中H3K9甲基化介導(dǎo)的抑制和組成型異染色質(zhì)有關(guān)[1]。

組蛋白的翻譯后修飾模式形成綜合性的組蛋白密碼(histone code)，不僅僅代表基因活化或抑制的一種狀態(tài)，更通過(guò)染色質(zhì)構(gòu)象改變控制基因表達(dá)[7,14,17]。組蛋白密碼的存在將基因組分成激活區(qū)域、抑制區(qū)域和靜息狀態(tài)待激活區(qū)域[8]。在基因轉(zhuǎn)錄期間，一方面由于轉(zhuǎn)錄因子和RNA多聚酶Ⅱ募集染色質(zhì)修飾酶，所以組蛋白修飾動(dòng)態(tài)變化，而另一方面組蛋白修飾酶的組合先于轉(zhuǎn)錄因子存在，因此指導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合[14]。特征最明顯的組蛋白修飾就是賴(lài)氨酸乙酰化。H3Ac, H4Ac發(fā)現(xiàn)于轉(zhuǎn)錄激活染色質(zhì)中。組蛋白甲基化表觀遺傳調(diào)控，被認(rèn)為很穩(wěn)定，涉及到某些基因組區(qū)域長(zhǎng)期維持。然而，最近發(fā)現(xiàn)了組蛋白去甲基化酶，揭示了組蛋白甲基化比以前所認(rèn)為的要更加靈活。到目前為止，至少有5種可以甲基化的賴(lài)氨酸位置在H3 (K4, K9, K27, K36, and K79)上，一個(gè)在 H4 (K20)上。另一層復(fù)雜性在于有3種不同的甲基化狀態(tài)，即單甲基化、二甲基化、三甲基化 (monomethylated, dimethylated, or trimethylated)狀態(tài)，控制特異位點(diǎn)的轉(zhuǎn)錄能力。組蛋白修飾譜在基因組非重復(fù)區(qū)域，和DNA甲基化譜一樣也是組織細(xì)胞特異性的。H3K4，K36，K79甲基化導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄激活。然而，H3K9，H3K27以及H4K59甲基化和轉(zhuǎn)錄沉默相聯(lián)系[7]。

表觀遺傳信息能夠通過(guò)連續(xù)的細(xì)胞分裂而傳遞，表觀遺傳能夠遺傳(epigenetic inheritance)詳細(xì)機(jī)制在其他綜述中已有報(bào)道[6]，這也提示我們：染色質(zhì)在發(fā)育期間維持轉(zhuǎn)錄模式過(guò)程中發(fā)揮重要作用[6,9]。

1.3 染色質(zhì)重塑 染色質(zhì)重塑是表觀遺傳的重要內(nèi)容之一，它是指染色質(zhì)位置和結(jié)構(gòu)的變化，是在能量驅(qū)動(dòng)下真核細(xì)胞核小體在DNA上重新定位或排列的過(guò)程，它改變了核小體在基因啟動(dòng)子區(qū)的排列，增加了基因轉(zhuǎn)錄裝置和啟動(dòng)子的可接近性。染色體重塑主要有2種類(lèi)型，一是依賴(lài)ATP的物理修飾，通過(guò)ATP水解所釋放的能量改變核小體和組蛋白構(gòu)型；二是通過(guò)對(duì)核心組蛋白N端尾部進(jìn)行共價(jià)性化學(xué)修飾，包括組蛋白末端乙?；?、磷酸化、甲基化和泛素化等，直接影響核小體的結(jié)構(gòu)，并為其他蛋白提供DNA結(jié)合位點(diǎn)。

在表觀基因組形成時(shí)涉及到幾種“表觀遺傳因子”，比如DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(Dnmts)、組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(HMTs)、組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶 (HAT)、組蛋白去乙酰化酶(HDAC)、DNA甲基化識(shí)別結(jié)合蛋白(MBD)、組蛋白甲基化識(shí)別結(jié)合蛋白、染色質(zhì)重塑因子等其他分子，這些分子之間相互關(guān)聯(lián)，彼此影響定位，影響功能發(fā)揮。這些分子可以形象的稱(chēng)為表觀遺傳密碼中的閱讀者(readers)、書(shū)寫(xiě)者(writers)和清除者(erasers)[3]。

不同染色質(zhì)狀態(tài)之間的過(guò)度是高度動(dòng)態(tài)性的，依靠維持轉(zhuǎn)錄沉默狀態(tài)的因素如組蛋白去乙酰化酶HDAC、H3K9甲基轉(zhuǎn)移酶和促進(jìn)沉默狀態(tài)起始轉(zhuǎn)錄的因素如組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶HAT、H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶進(jìn)行平衡。這些平衡因素破壞就會(huì)將染色質(zhì)平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變成激活的或抑制的染色質(zhì)構(gòu)象[5]。

1.4 非編碼RNA分子 Non-coding RNA以RNA依賴(lài)的方式直接指導(dǎo)DNA甲基化和組蛋白修飾。

2 表觀遺傳學(xué)和干細(xì)胞分化的關(guān)系

胚胎干細(xì)胞ESCs來(lái)源于哺乳動(dòng)物胚泡內(nèi)細(xì)胞團(tuán)，有無(wú)限自我更新潛能，并且能在體內(nèi)分化成各種類(lèi)型體細(xì)胞。數(shù)十年來(lái)發(fā)育生物學(xué)家面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)就是去闡明結(jié)構(gòu)和功能上不同的器官組織是怎么由遺傳相同細(xì)胞構(gòu)建的。一個(gè)特別令人困惑的問(wèn)題就是一個(gè)胚泡里臨近位置的多潛能干細(xì)胞所暴露的外界環(huán)境相同或相似，最后卻分化成不同細(xì)胞譜系[1]。

2.1 ES表觀遺傳圖譜維持多潛能性 我們嘗試揭開(kāi)干細(xì)胞維持干性特征(stem cell signature)，也就是未分化狀態(tài)的分子機(jī)制，進(jìn)一步理解組織特異性基因如何在發(fā)育完晚期進(jìn)行表達(dá)，在ES細(xì)胞中不表達(dá)卻保留表達(dá)潛能，顯然只有轉(zhuǎn)錄譜的信息量不夠，越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)表觀遺傳學(xué)同樣發(fā)揮重要作用[6]。有研究表明干細(xì)胞主要通過(guò)一些主要轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)、表觀遺傳學(xué)的調(diào)控和非編碼RNA(如miRNAs)的作用來(lái)維持其多潛能性和自我更新能力，進(jìn)而形成一個(gè)相互調(diào)控和依存的網(wǎng)絡(luò)[4,10]。

多潛能細(xì)胞有獨(dú)特的表觀遺傳特征反映其廣泛的發(fā)育潛能，其表觀遺傳圖譜(epigenetic landscapes)可能是細(xì)胞過(guò)去發(fā)育狀態(tài)、現(xiàn)在發(fā)育狀態(tài)、將來(lái)發(fā)育潛能的敏感指標(biāo)[3]。在野生型ES細(xì)胞和體細(xì)胞中，CpG島甲基化水平呈現(xiàn)兩種模式分布，大部分基因組區(qū)域或者是大規(guī)模非甲基化或者是大規(guī)模甲基化的。CpG島甲基化狀態(tài)和局部CpG島密度高度相關(guān)。ES細(xì)胞幾乎所有含大量CpG島的啟動(dòng)子都富含H3K4me3而沒(méi)有DNA甲基化，因此這些位點(diǎn)的基因轉(zhuǎn)錄活性高。ES細(xì)胞中含少量CpG島的啟動(dòng)子，一般和組織特異性基因相關(guān)，其中大部分是DNA甲基化的，只有不到10%含有H3K4me2/me3，因此譜系決定基因在ES中沉默，這也從側(cè)面反映DNA甲基化和組蛋白修飾緊密相關(guān)。相似地，所有ES的多潛能基因是DNA甲基化水平低，H3K4甲基化水平高，因此多潛能基因高表達(dá)，維持干性狀態(tài)。ES中非CpG島處DNA甲基化水平非常低，體細(xì)胞非CpG島處中幾乎檢測(cè)不到。

和ES細(xì)胞DNA甲基化圖譜類(lèi)似，ES細(xì)胞中染色質(zhì)狀態(tài)圖也很多。總體上來(lái)說(shuō)，多潛能細(xì)胞染色質(zhì)結(jié)構(gòu)開(kāi)放，激活的染色質(zhì)區(qū)域(常染色質(zhì))廣泛，有高轉(zhuǎn)錄活性，而譜系決定區(qū)存在高度凝集的轉(zhuǎn)錄失活異染色質(zhì)。在hESC中幾乎75%的啟動(dòng)子(活化和失活)富含H3K4甲基化，組蛋白標(biāo)記的綜合圖譜很復(fù)雜，抑制性H3K27me3和激活性H3K4me3共定位，H3K4me3 and H3K56ac也存在共定位，基因沉默區(qū)包括轉(zhuǎn)座子和重復(fù)序列通常有異染色質(zhì)標(biāo)記H3K9me3和H4K20me3，中心粒異染色質(zhì)處還有H3K64me3[3]。

2.2 細(xì)胞分化期間表觀遺傳學(xué)動(dòng)力學(xué)變化 細(xì)胞分化涉及到基因組范圍內(nèi)多個(gè)基因座大規(guī)模改變，DNA甲基化和去甲基化以及各種各樣組蛋白修飾都有變化[2]。首先，DNA甲基化是分化期間發(fā)育調(diào)控者之一。ES細(xì)胞含有低水平的DNA甲基化，分化期間又獲得DNA甲基化導(dǎo)致譜系特異性基因沉默，而多潛能基因也變成DNA甲基化的，在分化后細(xì)胞中保持多潛能基因沉默。在造血干細(xì)胞、B淋巴細(xì)胞、上皮前體細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)刪除DNMT1，會(huì)引起分化相關(guān)基因異常表達(dá)，造成異常分化[3]。

ES細(xì)胞和分化體細(xì)胞一樣，對(duì)于激活基因轉(zhuǎn)錄采用相似表觀遺傳機(jī)制。然而，最近有證據(jù)表明在ESCs中，有獨(dú)特組蛋白修飾機(jī)制，沉默譜系特異性基因，從而在ESC中不轉(zhuǎn)錄，但在隨后的分化期間激活[1]。

根據(jù)基因組研究，大多數(shù)發(fā)育需要的轉(zhuǎn)錄因子和多潛能基因在在多潛能狀態(tài)下是非DNA甲基化的。ES細(xì)胞中和分化細(xì)胞比較也發(fā)現(xiàn)：ES細(xì)胞中染色質(zhì)通常不是致密壓縮狀態(tài)，更多的是處于轉(zhuǎn)錄允許狀態(tài)，由H3K4甲基化和H3K27甲基化維持平衡，不包含H3K9甲基化[6]。這里將提到雙向染色質(zhì)(bivalent chromatin)的概念，ES基因組范圍內(nèi)染色質(zhì)圖譜顯示：一大部分發(fā)育和組織特異性基因同時(shí)含有抑制性的修飾H3K27me3和激活修飾H3K4me3，這種激活和抑制染色質(zhì)標(biāo)記緊密并存，就稱(chēng)為雙價(jià)修飾，相應(yīng)的基因在多潛能的ES中低水平表達(dá)，事實(shí)上這些位點(diǎn)處于靜息狀態(tài)，在發(fā)育過(guò)程中準(zhǔn)備激活，這說(shuō)明一種多潛能細(xì)胞基因調(diào)控新模型，許多重要的組織特異性調(diào)控基因預(yù)備表達(dá)，但是起反作用的組蛋白修飾使其維持在待命狀態(tài)，去應(yīng)答合適的發(fā)育信號(hào)。分化期間，這種雙向染色質(zhì)譜一般裂解，導(dǎo)致組織特異性基因轉(zhuǎn)錄激活，另外的發(fā)育途徑相關(guān)位點(diǎn)沉默。這些雙向染色質(zhì)不局限于ES細(xì)胞，還發(fā)現(xiàn)于造血干細(xì)胞、神經(jīng)前體細(xì)胞、間充質(zhì)干細(xì)胞、肌肉干細(xì)胞/衛(wèi)星細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、T細(xì)胞中，成體干細(xì)胞在體內(nèi)環(huán)境中要適當(dāng)再生細(xì)胞池，共價(jià)修飾是保持譜系靈活性的共同特征已有研究驗(yàn)證，雙價(jià)染色質(zhì)修飾可能是胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞的共同特征，有研究猜測(cè)一旦細(xì)胞變成終末分化狀態(tài)，雙向修飾才將完全關(guān)閉[6,11,14]。

當(dāng)ESCs要分化成特定譜系時(shí)，抑制性組蛋白修飾會(huì)從所需要的譜系控制基因座清除，激活性修飾會(huì)維持，因此允許轉(zhuǎn)錄起始。正相反，當(dāng)ESCs經(jīng)誘導(dǎo)已分化成其他細(xì)胞譜系時(shí)，激活性組蛋白修飾會(huì)清除而抑制性修飾會(huì)維持，因此表達(dá)后基因會(huì)穩(wěn)定沉默。只有一部分關(guān)鍵發(fā)育基因和譜系控制基因在ESCs中有共價(jià)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，然而，其他譜系控制基因有不同組蛋白修飾模式，可能以非特征性的表觀遺傳機(jī)制，允許基因在發(fā)育晚期階段激活。當(dāng)然，雙價(jià)組蛋白修飾和DNA甲基化相比，在快速誘導(dǎo)分化條件下顯示出更大靈活性[1]。

通過(guò)不同組蛋白修飾以及他們和轉(zhuǎn)錄活性的緊密相關(guān)性，有研究報(bào)道ES細(xì)胞基因組中所有基因能分成3個(gè)不同部分：10278個(gè)基因只含H3K4me3，1798個(gè)基因含有H3K4和K27me3,5393個(gè)基因這兩種修飾都不含。GO分析顯示只有H3K4甲基化修飾的這類(lèi)基因牽涉到與增殖相關(guān)的生物學(xué)過(guò)程，比如核酸代謝、細(xì)胞周期進(jìn)展、蛋白質(zhì)和DNA代謝也非常豐富，這些基因普遍和ES細(xì)胞的自我更新特性有關(guān)聯(lián)。在所有共價(jià)修飾的基因目錄中，即時(shí)分化所必須的生物學(xué)過(guò)程更加豐富，比如外胚層發(fā)育、神經(jīng)發(fā)生、轉(zhuǎn)錄調(diào)控和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等。最后，沒(méi)有H3K4me3或者H3K27me3修飾的這類(lèi)基因大多呈現(xiàn)于譜系特化過(guò)程以及機(jī)體和環(huán)境刺激相互作用過(guò)程，比如味覺(jué)、知覺(jué)、免疫、防御過(guò)程。

總之，這些數(shù)據(jù)揭示ES細(xì)胞基因組不同的功能分區(qū)，與不同的組蛋白H3三甲基化譜和基因表達(dá)活性相關(guān)，CHIP-PET測(cè)序分析描繪的人ES細(xì)胞基因組內(nèi)組蛋白H3K4和K27甲基化模式，確定了ES細(xì)胞自我更新特性、多潛能維持和譜系特化潛能[9]。

2.3 干細(xì)胞表觀基因組和成體細(xì)胞區(qū)別 干細(xì)胞與成體細(xì)胞相比，表觀基因組有高度延展性和應(yīng)答性，多個(gè)證據(jù)支持這個(gè)模型。首先，ESCs和分化細(xì)胞相比，有更多雙價(jià)或靜息(bivalent/poised)啟動(dòng)子，這些標(biāo)志重要的發(fā)育調(diào)控者基因。其次，胚胎干細(xì)胞、成體干細(xì)胞與分化細(xì)胞相比，啟動(dòng)子處DNA甲基化和H3K27me3水平更低[14]。 而分化后細(xì)胞多潛能基因比如Oct4處，DNA甲基化、H3K9me3和H3K27me3水平升高，沉默多潛能基因[4]。

為了更好地理解多潛能和分化細(xì)胞中的表觀基因組圖譜(epigenomic landscapes)，探索全基因組范圍內(nèi)組蛋白修飾和DNA甲基化的關(guān)系，Hawkins, R.D.,實(shí)驗(yàn)室在H1人胚胎干細(xì)胞(hESCs)和胎兒肺成纖維細(xì)胞(IMR90)中綜合分析了11個(gè)組蛋白修飾，而且最近獲得了基因組范圍核苷酸DNA甲基化的分辨圖。分化細(xì)胞和hESC相比，有更大規(guī)?；蛘哒f(shuō)擴(kuò)大化的H3K9me3和H3K27me3區(qū)域，有選擇性地影響多潛能、發(fā)育、譜系特異功能。hESCs和IMR90、CD4+T細(xì)胞以及其他譜系特異性細(xì)胞，正常細(xì)胞和癌細(xì)胞相比，抑制性染色質(zhì)結(jié)構(gòu)增加，H3K27me3覆蓋區(qū)域擴(kuò)增，雙向的ESC染色質(zhì)狀態(tài)通常過(guò)度到H3K27me3的形式，并擴(kuò)展到覆蓋整個(gè)基因座和臨近基因座。不同譜系分化細(xì)胞，覆蓋的基因不相同?；虮倔w分析發(fā)現(xiàn)被H3K27me3擴(kuò)增標(biāo)記的基因，和發(fā)育過(guò)程相關(guān)。這些結(jié)果都說(shuō)明：細(xì)胞命運(yùn)決定也是表觀遺傳基因抑制過(guò)程，不同細(xì)胞譜系有其獨(dú)特性。H3K9me3和H3K27me3類(lèi)似，在IMR90中比hESC擴(kuò)大化了，但是不是所有H3K27me3標(biāo)記位點(diǎn)都存在H3K9me3，這種在特異調(diào)控位點(diǎn)雙重抑制可能是強(qiáng)調(diào)該基因在分化細(xì)胞中維持沉默的重要性。H3K9me3單獨(dú)出現(xiàn)足夠抑制基因表達(dá)，并且H3K9me3覆蓋區(qū)域擴(kuò)增對(duì)基因抑制影不大。相反，窄區(qū)域的H3K27me3標(biāo)記出現(xiàn)不足以沉默基因，因?yàn)樗麄兺ǔＪ请p價(jià)狀態(tài)，但是H3K27me3覆蓋區(qū)域的擴(kuò)大似乎能夠維持分化細(xì)胞穩(wěn)定的基因表達(dá)沉默狀態(tài)，分化細(xì)胞失去大部分干細(xì)胞可塑性[4]。

3 DNA甲基化和組蛋白修飾之間的相互作用

有直接的證據(jù)表明表觀遺傳機(jī)制存在相互交聯(lián)，H3K9甲基轉(zhuǎn)移酶HKMT和DNA甲基轉(zhuǎn)移酶DNMTs直接結(jié)合，證實(shí)了H3K9/27甲基化和 DNA甲基化相聯(lián)系。另外，涉及DNA甲基化和H3K9/K27甲基化的蛋白質(zhì)分子之間相互作用，DNA甲基化是募集H3K9/2K27甲基化分子的基礎(chǔ)，反之亦然[2,17]。

DNA甲基化和其他組蛋白修飾比如乙?；灿谢ハ嘁蕾?lài)的關(guān)系，DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(Dnmt1,Dnmt3a)和組蛋白去乙?；?HDAC)相互作用，起到抑制轉(zhuǎn)錄作用[18]。

DNA甲基化在高度有序染色質(zhì)構(gòu)成中起作用，促進(jìn)染色質(zhì)動(dòng)力學(xué)變化。各種不同的組蛋白修飾和染色質(zhì)重塑一般反映了整個(gè)基因組的DNA甲基化狀態(tài)，所以分析DNA甲基化譜，能幫助我們了解整個(gè)基因組的表觀遺傳狀態(tài)。然而，HKMT G9a的SET區(qū)域突變不能減輕DNA甲基化，說(shuō)明除HKMT還有其他因素確保DNA甲基化發(fā)生[2]。

表觀遺傳標(biāo)記系統(tǒng)已被證明，互相增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，以至于特異的組蛋白修飾和DNA甲基化很可能共定位。染色質(zhì)印記區(qū)失活的DNA甲基化基因，組蛋白H3K9同樣甲基化，H3、H4低乙?；?，而激活的基因DNA非甲基化、組蛋白H3K4是高乙?；呒谆腫7]。雙價(jià)啟動(dòng)子是典型低甲基化的，H3K4me3和甲基化的CG二核苷酸(mCG)反相關(guān)，H3K27me3和啟動(dòng)子處DNA低甲基化相關(guān)。DNA甲基化和組蛋白修飾復(fù)雜之處還在于不同細(xì)胞中，有細(xì)胞類(lèi)型特異的DNA甲基化和組蛋白修飾的關(guān)系[4,12,15,20]。 到目前為止，仍然要確定是否有其他染色質(zhì)結(jié)構(gòu)或調(diào)控元件和DNA甲基化相關(guān)。

4 結(jié)論

細(xì)胞類(lèi)型特化由組織特異性轉(zhuǎn)錄因子和許多表觀遺傳調(diào)控者共同控制。表觀基因組對(duì)哺乳動(dòng)物發(fā)育和細(xì)胞分化機(jī)制研究提供新視野。DNA甲基轉(zhuǎn)移酶,組蛋白修飾酶，組蛋白亞類(lèi)，染色質(zhì)重塑因子，和非編碼RNAs直接或間接相互作用，揭示了細(xì)胞類(lèi)型特異的表觀基因組的建立。DNA甲基化和組蛋白修飾彼此關(guān)聯(lián)。多潛能干細(xì)胞提供了一個(gè)有力模型去研究細(xì)胞分化期間表觀遺傳修飾相互作用和動(dòng)力學(xué)[3]。

我們現(xiàn)在處與表觀基因組的時(shí)代，基因組的全部表觀遺傳標(biāo)記信息，即表觀基因組。表觀基因組和基因組及轉(zhuǎn)錄組相連系，引進(jìn)了另一層次遺傳控制的方式。許多基因的遺傳活性有穩(wěn)定記憶，遺傳到下一代，對(duì)于維持干細(xì)胞池特別重要[14,22]。隨著技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，我們已經(jīng)有了單核苷酸分辨率的人類(lèi)基因組DNA甲基化圖譜和許多基因組范圍內(nèi)染色質(zhì)圖譜，能幫助我們理解各個(gè)細(xì)胞類(lèi)型之間轉(zhuǎn)錄調(diào)控和表觀遺傳調(diào)控[2-3,24]。

通過(guò)比較多潛能干細(xì)胞和分化細(xì)胞的表觀基因組，發(fā)現(xiàn)譜系特異細(xì)胞以擴(kuò)大化的異染色質(zhì)區(qū)域?yàn)樘卣?，他們選擇性的去影響多潛能和發(fā)育相關(guān)基因，提示我們表觀遺傳機(jī)制在細(xì)胞分化和維持分化細(xì)胞狀態(tài)過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，所以同樣的基因組序列產(chǎn)生各種各樣的細(xì)胞類(lèi)型，有不同基因表達(dá)譜和細(xì)胞功能[4]。

5 展望

干細(xì)胞，特別是胚胎干細(xì)胞，是研究自我更新、譜系確定和細(xì)胞分化極有力的工具。理解ES細(xì)胞和其他干細(xì)胞群體表觀遺傳學(xué)的進(jìn)展，對(duì)于干細(xì)胞安全應(yīng)用于臨床非常重要。比如說(shuō)要確保ES細(xì)胞來(lái)源的細(xì)胞在移植前完全分化，是譜系限制性的，已有效關(guān)閉其他基因。將來(lái)對(duì)多潛能細(xì)胞到終末分化細(xì)胞表觀遺傳狀態(tài)的進(jìn)一步特征化，對(duì)我們理解譜系決定的分子機(jī)制和ES細(xì)胞安全應(yīng)用于臨床非常有意義[6]。

干細(xì)胞分化過(guò)程表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制的研究，無(wú)疑是當(dāng)今醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)的重點(diǎn)研究方向，有利于尋找人類(lèi)疾病有潛力的預(yù)測(cè)、診斷指標(biāo)和治療靶標(biāo)。對(duì)干細(xì)胞分化過(guò)程表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制的深入研究，將提高對(duì)人及動(dòng)物發(fā)育過(guò)程中發(fā)育機(jī)制的認(rèn)識(shí)，并提高對(duì)干細(xì)胞實(shí)行定向誘導(dǎo)分化的能力，為干細(xì)胞在發(fā)育生物學(xué)、遺傳學(xué)和再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供完善堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。不同細(xì)胞表型和表觀遺傳模式之間的建立途徑，不同表觀遺傳修飾之間互相調(diào)控性作用以及表觀遺傳標(biāo)記靶向基因組特定區(qū)域的機(jī)制很大程度上還不清楚，將來(lái)需要該領(lǐng)域的研究者進(jìn)一步攻克難關(guān)[19]。

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