表觀遺傳跨代繼承表型研究進(jìn)展

馬克學(xué), 馬克世, 席興字

1. 河南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 新鄉(xiāng) 453007;

2. 周口師范學(xué)院生命科學(xué)系, 周口 466000;

3. 新鄉(xiāng)學(xué)院教科系, 新鄉(xiāng) 453003

表觀遺傳跨代繼承表型研究進(jìn)展

馬克學(xué)1, 馬克世2, 席興字3

1. 河南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 新鄉(xiāng) 453007;

2. 周口師范學(xué)院生命科學(xué)系, 周口 466000;

3. 新鄉(xiāng)學(xué)院教科系, 新鄉(xiāng) 453003

表觀基因組在配子發(fā)生和早期胚胎發(fā)育中經(jīng)歷一個(gè)重編程過(guò)程。因此, 人們認(rèn)為表觀遺傳信息不可能代間傳遞。表觀遺傳跨代繼承表型的出現(xiàn), 說(shuō)明某些表觀遺傳標(biāo)志可能逃脫了重編程。盡管該觀點(diǎn)尚存爭(zhēng)議, 但日益增多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明表觀遺傳記憶確實(shí)存在于哺乳動(dòng)物中。由于表觀遺傳修飾具有可逆性, 表觀基因組易受各種環(huán)境因子(如化學(xué)物質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)和行為等)的影響而改變。因此, 表觀基因組提供了跨代傳遞環(huán)境影響的可能機(jī)制。文章介紹了表觀遺傳跨代繼承表型的概念, 論述了表觀遺傳重編程和表觀遺傳信息跨代傳遞的分子機(jī)制, 列舉了一些環(huán)境因子與表觀遺傳跨代繼承性疾病。

表觀遺傳; 跨代繼承表型; 生殖細(xì)胞; 重編程; 環(huán)境因子

患有肥胖癥、糖尿病、高血壓和精神病等復(fù)雜性疾病的父母其后代的發(fā)病率較高，表現(xiàn)出明顯的遺傳傾向。通過(guò)對(duì)基因組進(jìn)行深入細(xì)致地研究，科研人員發(fā)現(xiàn)了一些與復(fù)雜疾病相關(guān)的 DNA序列改變或易感基因(Susceptible gene)。但目前的易感基因研究尚不能完全解釋復(fù)雜疾病在人群中的遺傳規(guī)律[1]。最近, Matthews等[2]提出表觀遺傳因子可能與一些疾病的跨代傳遞有關(guān)。表觀遺傳學(xué)(Epigenetics)是研究 DNA序列不發(fā)生改變而生物表型和基因表達(dá)模式發(fā)生改變的一門學(xué)科, 包括 DNA甲基化修飾((DNA methylation)、組蛋白共價(jià)修飾(Covalent histone modification)、染色質(zhì)重塑(Chromatin remodeling)和非編碼RNA(Noncoding RNA)等多種機(jī)制。由于表觀遺傳修飾具有可逆性, 易受內(nèi)分泌干擾物、不良飲食習(xí)慣、異常精神行為等多種環(huán)境因子的影響而改變[3]。因此, 表觀遺傳修飾的改變不僅體現(xiàn)了基因與環(huán)境之間復(fù)雜的相互作用, 而且能將環(huán)境因子導(dǎo)致的影響傳遞給后代。研究表明, 環(huán)境內(nèi)分泌干擾物(Environmental endocrine disruptors)能夠促進(jìn)生殖系細(xì)胞表觀遺傳標(biāo)志發(fā)生改變, 這些改變與一些成人疾病如代謝病和不育癥等相關(guān)且多代遺傳[3,4]。即使后代(F3代)沒有直接接觸致病因子, 仍出現(xiàn)疾病表型, 人們把這種現(xiàn)象稱為表觀遺傳跨代繼承表型(Epigenetic transgenerational phenotype)。

1 什么是表觀遺傳跨代繼承表型？

諸多研究表明, 環(huán)境因子與一些成人發(fā)生疾病(Adult onset diseases)關(guān)系密切[2～7]。多數(shù)環(huán)境因子如不良飲食習(xí)慣、異常精神行為、內(nèi)分泌干擾物等通常不會(huì)引起DNA序列的改變, 但是卻能引起表觀基因組(Epigenome)發(fā)生改變。如果是在胚胎發(fā)育的關(guān)鍵階段, 環(huán)境因子導(dǎo)致生殖系細(xì)胞表觀基因組發(fā)生永久性改變(如印記基因的改變), 通過(guò)生殖系細(xì)胞多代傳遞, 從而產(chǎn)生表觀遺傳跨代繼承表型。內(nèi)分泌干擾物導(dǎo)致的成人發(fā)生疾病能夠多代傳遞[3,4,8],如何界定跨代表型, 這個(gè)問題需要闡明。胚胎階段暴露于環(huán)境毒物影響F0孕期母親、F1代正在發(fā)育的胚胎和產(chǎn)生 F2代的生殖系細(xì)胞(圖 1), 這屬于多代暴露, 并不屬于跨代繼承現(xiàn)象。F3代沒有直接接觸環(huán)境因子, 因此屬于跨代繼承表型。界定跨代繼承的關(guān)鍵是代間生殖系傳遞但沒有直接暴露于環(huán)境因子[8]。相對(duì)于胚胎階段暴露于環(huán)境毒物, 出生后或成人個(gè)體是F0代暴露, 導(dǎo)致F1代生殖系細(xì)胞亦直接暴露于環(huán)境毒物。因此F1代表型不能認(rèn)為是跨代繼承現(xiàn)象, 需要產(chǎn)生F2代才能確定潛在的跨代繼承表型。

上述介紹的跨代繼承現(xiàn)象涉及單代暴露于環(huán)境因子、生殖系細(xì)胞表觀基因組發(fā)生改變并進(jìn)行多代傳遞。還有一種現(xiàn)象是程序化環(huán)境因子作用于每一代, 促進(jìn)形成跨代繼承表型[9]。例如母鼠對(duì)幼仔的舔舐和理毛、增加對(duì)幼仔的關(guān)愛似乎在幼鼠大腦建立表觀遺傳編程事件, 促進(jìn)子代雌鼠具有同樣的母愛行為, 這種母性行為以跨代繼承方式在后代傳遞[7,9]。因此, 連續(xù)不斷的環(huán)境刺激是傳遞這種跨代繼承表型的必要條件。為了區(qū)分這兩種跨代繼承表型, Skinner等[4]提出內(nèi)源性和外源性跨代繼承表型的概念。內(nèi)源性表觀遺傳跨代繼承表型涉及生殖系細(xì)胞表觀基因組永久性改變, 但只有單代暴露于環(huán)境因子。外源性表觀遺傳跨代繼承表型涉及體細(xì)胞組織表觀遺傳改變, 為了維持跨代繼承表型需要對(duì)每一代都進(jìn)行環(huán)境因子刺激。

圖1 內(nèi)分泌干擾物誘導(dǎo)跨代繼承現(xiàn)象的示意圖[8]F0母鼠、F1胚胎和產(chǎn)生 F2代生殖系直接暴露于環(huán)境毒物。F3代沒有直接接觸, 因此是跨代繼承表型。

2 表觀遺傳重編程

人體所有組織約含 2萬(wàn)多個(gè)基因, 而特定組織在特定的時(shí)間和空間僅有少數(shù)基因表達(dá), 從而產(chǎn)生相應(yīng)表型。為確?；蛘_表達(dá), 表觀遺傳組成一些相互聯(lián)系又相互獨(dú)立的密碼, 包括DNA甲基化密碼、組蛋白密碼(組蛋白甲基化、乙?；?、磷酸化等修飾機(jī)制)和共調(diào)節(jié)子密碼, 這些密碼與 RNA干涉機(jī)制協(xié)同調(diào)節(jié)基因組活性[10,11]。表觀遺傳密碼調(diào)控過(guò)程涉及募集染色質(zhì)重構(gòu)復(fù)合體(Chromatinremodeling complex)、隔離子蛋白(Insulator proteins)、組蛋白交換伴侶分子、修飾酶、共調(diào)節(jié)子和效應(yīng)子等, 介導(dǎo)染色質(zhì)重塑即染色質(zhì)折疊的緊密或疏松, 形成不利或有利于“轉(zhuǎn)錄工廠”結(jié)合的狀態(tài)。通過(guò)表觀遺傳修飾機(jī)制, 基因組建立一套穩(wěn)定的可遺傳的表達(dá)模式。該表達(dá)模式在配子形成和受精過(guò)程中經(jīng)歷一個(gè)重新編程的過(guò)程, 如去掉親本DNA甲基化標(biāo)記和組蛋白修飾位點(diǎn), 確保細(xì)胞獲得全能性,在發(fā)育過(guò)程中逐步建立新的表觀遺傳標(biāo)志。

圖2 生殖系細(xì)胞表觀遺傳重編程[12]A：生殖系細(xì)胞的第一輪表觀遺傳重編程; B：生殖系細(xì)胞的第二輪表觀遺傳重編程。PGC：原始生殖細(xì)胞; E：胚胎發(fā)育天數(shù)。

生殖系細(xì)胞表觀遺傳重編程事件主要發(fā)生在原始生殖細(xì)胞中(Primordial germ cells, PGCs)(圖2A)[12,13]。原始生殖細(xì)胞遷移到生殖脊, 克隆增殖形成雙潛能性腺, 隨后根據(jù)胎兒性別啟動(dòng)雄性或雌性生殖細(xì)胞分化。雌性生殖細(xì)胞經(jīng)歷幾輪有絲分裂后進(jìn)入第一次減數(shù)分裂前的停滯期, 形成初級(jí)卵母細(xì)胞巢, 出生后繼續(xù)發(fā)育形成原始濾泡。雄性生殖細(xì)胞繼續(xù)增殖, 形成精索, 在青春期啟動(dòng)時(shí)發(fā)育成生精小管。在性腺性別決定前, 原始生殖細(xì)胞去掉親本基因組印記, 大部分DNA去甲基化發(fā)生在E11.5-E12.5 d[14]。除DNA甲基化位點(diǎn)快速失去外, 其他重編程事件亦開始進(jìn)行：包括組蛋白H3-K9三甲基化阻抑位點(diǎn)(該抑制性位點(diǎn)的去除與細(xì)胞獲得全能性有關(guān))和其他組蛋白修飾的去除等。值得注意的是,重編程并非全面進(jìn)行, 某些表觀遺傳標(biāo)記會(huì)被保留。雌雄發(fā)生DNA再甲基化的時(shí)間點(diǎn)不同, 雄性生殖細(xì)胞發(fā)生在E15-E16 d, 雌性生殖細(xì)胞發(fā)生在出生后卵母細(xì)胞成熟過(guò)程中。經(jīng)歷第一輪重編程之后,雄性原始生殖細(xì)胞DNA甲基化失去約60%, 而雌性失去約70%[12]。

第二輪重編程伴隨受精進(jìn)行(圖 2B)。受精是表觀遺傳標(biāo)記截然不同的兩個(gè)親本基因組融合的過(guò)程,母本基因組DNA包裹在充分修飾的組蛋白上, 而父本基因組DNA纏繞在組蛋白的替換物精蛋白上。需要指出的是, 在精子發(fā)生過(guò)程中絕大多數(shù)組蛋白被替換為精蛋白, 但轉(zhuǎn)變也不是完全的[12]。當(dāng)精原核到達(dá)次級(jí)卵母細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中時(shí), 這個(gè)特化的細(xì)胞核開始進(jìn)行染色質(zhì)重塑, 父本基因組DNA首先解壓縮, 然后與組蛋白四聚體重新組裝成核小體。在受精后12～24 h內(nèi), 精原核DNA復(fù)制之前, 父本基因組經(jīng)歷一個(gè)幾乎整體DNA去甲基化過(guò)程, 去除多數(shù)表觀遺傳標(biāo)記。母本基因組亦經(jīng)歷去甲基化過(guò)程,隨著合子的分裂, 母本DNA甲基化水平逐步降低。表觀遺傳重編程為早期胚胎發(fā)育成最初兩種細(xì)胞系(內(nèi)細(xì)胞團(tuán)和滋養(yǎng)外胚層)的卵裂球做準(zhǔn)備, 這個(gè)決定涉及表觀遺傳標(biāo)記、細(xì)胞位置和轉(zhuǎn)錄因子之間的關(guān)系。胚胎著床后不久, 定向形成內(nèi)細(xì)胞團(tuán)的細(xì)胞開始發(fā)生整個(gè)基因組DNA重新甲基化, 導(dǎo)致滋養(yǎng)外胚層和內(nèi)細(xì)胞團(tuán)之間表觀遺傳不對(duì)稱性, 這可能決定了內(nèi)細(xì)胞團(tuán)將來(lái)發(fā)育成胚胎和成體組織, 而滋養(yǎng)外胚層形成胎盤組織。各個(gè)階段的重編程在去除親本表觀遺傳標(biāo)記中發(fā)揮重要作用, 但不可能去除所有的表觀遺傳標(biāo)記[12], 這些逃脫重編程的表觀遺傳物質(zhì)可能構(gòu)成了表觀遺傳跨代繼承表型的基礎(chǔ)。

3 表觀遺傳信息跨代繼承的分子機(jī)制

3.1 DNA甲基化

基因組 DNA甲基化模式在受精后和早期胚胎發(fā)育過(guò)程中經(jīng)歷一個(gè)去甲基化和再甲基化的過(guò)程。因此, 傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為, 獲得性表觀遺傳修飾跨代傳遞是不可能的。然而越來(lái)越多的證據(jù)表明, 情況并非如此, 基因組表觀遺傳標(biāo)記在經(jīng)歷幾代后仍能夠被追蹤[12～14]。在受到早期環(huán)境應(yīng)激的小鼠中, 幾個(gè)特定基因DNA甲基化模式的改變?cè)贔2代和F3代雄鼠精子中仍然存在[15]。甲基化的 DNA能夠保持到受精后乃至整個(gè)早期胚胎中[16,17]。因此, 目前認(rèn)為參與基因組印記的甲基化 DNA是獲得性表觀遺傳特征跨代傳遞的主要載體?；蚪M印記(Genomic imprinting)是廣為認(rèn)可的表觀遺傳現(xiàn)象, 即通過(guò) DNA甲基化的抑制作用, 僅選擇性地表達(dá)一種親本等位基因(母本或父本)。如在體細(xì)胞和精細(xì)胞中, 印記基因(Imprinted gene)H19僅母本表達(dá), 父本H19因高度甲基化而失活[16,17]。性別特異性DNA甲基化印記在卵子和精子形成過(guò)程中建立, 且在受精后基因組整體去甲基化過(guò)程中不被去除[17]。此外, 生殖系細(xì)胞的一個(gè)重要特點(diǎn)是, 某些特定基因的DNA甲基化易受環(huán)境因素如毒素、應(yīng)激或行為習(xí)慣而改變[4,10,18]。內(nèi)分泌干擾物乙烯菌核利(Vinclozolin)暴露實(shí)驗(yàn)表明, 它能改變 F1代和 F2代 DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶(Dnmts), 特別是對(duì)Dnmt3A和Dnmt3L有顯著影響,在生殖系細(xì)胞中建立新的印記基因位點(diǎn)并在隨后幾代跨代傳遞[3,4,19]。綜上所述, 甲基化的DNA可能是表觀遺傳信息跨代繼承的重要遺傳物質(zhì)。

3.2 組蛋白修飾

除DNA甲基化機(jī)制, 組蛋白轉(zhuǎn)錄后修飾亦可能成為表觀遺傳信息跨代傳遞的載體[7,12]。盡管精子中大多數(shù)組蛋白被替換為精蛋白, 去除了原有的表觀遺傳標(biāo)記, 但殘余的組蛋白仍然保留廣泛的表觀遺傳修飾位點(diǎn)。此外, 精蛋白本身也能被修飾, 這種修飾可能受組蛋白修飾的影響, 因?yàn)閮烧呖梢曰Q[12]。值得關(guān)注的是, 在人和小鼠(Mus musculus)精子中保留一些特征性組蛋白修飾位點(diǎn), 如H3-K4二甲基化(H3-K4me2, 與轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)的組蛋白修飾位點(diǎn))和H3-K27三甲基化(H3-K27me3, 與轉(zhuǎn)錄抑制相關(guān)的組蛋白修飾位點(diǎn))等, 這些修飾位點(diǎn)涉及精子形成和早期胚胎發(fā)育相關(guān)基因的調(diào)控[20,21]。在成熟精原細(xì)胞中, 轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)H3-K27me3修飾較多的基因在配子形成和早期胚胎發(fā)育中受到抑制[21], 說(shuō)明該修飾位點(diǎn)可能促進(jìn)轉(zhuǎn)錄抑制狀態(tài)跨代記憶。對(duì)線蟲(Caenorhabditis elegans)、果蠅(Drosophila melanogaster)的研究表明, 組蛋白修飾, 特別是影響H3-K4me和H3-K27me3的組蛋白修飾因子與表觀遺傳跨代繼承有關(guān)[22,23]。Greer等[22]研究表明, 通過(guò)基因敲除技術(shù)去除H3-K4三甲基化位點(diǎn)修飾使線蟲壽命顯著延長(zhǎng), 且長(zhǎng)壽特征跨代遺傳。低蛋白飲食的雄鼠, 其子代精子中 H3-K27me3的修飾水平較低[24],由此推測(cè)環(huán)境誘導(dǎo)的染色質(zhì)修飾可以在代間選擇性保留, 導(dǎo)致后代表型改變。研究發(fā)現(xiàn), 盤基網(wǎng)柄菌(Dictyostelium discoideum)中某些基因的活躍轉(zhuǎn)錄狀態(tài)能強(qiáng)勢(shì)遺傳(Strongly inherited), 這個(gè)現(xiàn)象需要H3-K4甲基化位點(diǎn)的存在[25]。上述研究說(shuō)明組蛋白修飾和染色質(zhì)狀態(tài)在表觀遺傳跨代繼承中發(fā)揮著重要作用。

3.3 非編碼RNA

研究表明, 各種非編碼 RNA, 包括小干擾RNAs (siRNAs)、Piwi-相互作用的RNAs (piRNAs)和miRNAs參與表觀遺傳信息的跨代傳遞[7,10,11]。因?yàn)榉蔷幋a RNA可以影響表觀遺傳標(biāo)記和染色質(zhì)狀態(tài), 由此推測(cè)這些RNA在某些情況下可能成為表觀遺傳跨代傳遞的物質(zhì)基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn), RNAi機(jī)制在維持可遺傳的dsRNAs表達(dá)和H3-K9me異染色質(zhì)標(biāo)記的儲(chǔ)備中不可缺少[26]。dsRNA 的積累先于H3-K9me3染色質(zhì)標(biāo)記的出現(xiàn), 圍繞dsRNA識(shí)別的靶序列, 抑制性標(biāo)記能擴(kuò)展幾個(gè) kb[26]。在缺少dsRNA的情況下, H3-K9me3標(biāo)記亦能維持至少兩個(gè)世代[26]。在果蠅中發(fā)現(xiàn), piRNAs通過(guò)母性細(xì)胞質(zhì)遺傳, 參與轉(zhuǎn)基因跨代沉默現(xiàn)象, 與植物中副突變(Paramutation)很相似[27]。副突變是一種不符合孟德爾遺傳法則的遺傳模式, 即同一位點(diǎn)的兩個(gè)等位基因之間相互作用后導(dǎo)致其中一個(gè)等位基因失活。副突變也是表觀遺傳標(biāo)記跨代傳遞的典型例子。雜合子小鼠由于 kit基因突變減少了 kit mRNA表達(dá)量,尾巴會(huì)有斑點(diǎn)。但令人驚奇的是, 經(jīng)過(guò)雜交后攜帶兩個(gè)正常kit基因的小鼠, 尾巴也有斑點(diǎn)[28]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn), kit基因突變體小鼠精子中一些異常RNA可能是導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因, 因?yàn)橄蚴芫炎⑸渫蛔凅w小鼠精子 RNA或注射針對(duì) kit mRNA 的miRNA能夠重復(fù)該現(xiàn)象[28]。這些研究表明一些遺傳信息并不是DNA序列編碼的, 很可能由RNA攜帶,通過(guò)生殖系傳遞。其他研究亦支持該觀點(diǎn)：向小鼠受精卵注射 Cdk9激酶(調(diào)節(jié)心臟生長(zhǎng)的因子)的靶miRNA誘導(dǎo)成年動(dòng)物心臟肥大現(xiàn)象[29]。更重要的是,這種心臟肥大至少遺傳 3代, 很像人類中家族遺傳的肥厚型心肌病[29]。廣為認(rèn)可的觀點(diǎn)是, 父親對(duì)子代的貢獻(xiàn)僅限于提供一套染色體, 然而這種貢獻(xiàn)看來(lái)是被低估了, 因?yàn)槭芫珪r(shí)由精子攜帶的因子及非編碼RNAs可能在表觀遺傳跨代繼承中發(fā)揮著重要作用[30,31]。

4 環(huán)境因素與表觀遺傳跨代繼承性疾病

4.1 環(huán)境內(nèi)分泌干擾物

近年來(lái), 由于工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展、除草劑和殺蟲劑的大量應(yīng)用, 環(huán)境污染日益嚴(yán)重, 人類時(shí)刻暴露在環(huán)境污染物之中。有些環(huán)境污染物通過(guò)模擬或阻斷激素的作用、改變激素的信號(hào)傳遞途徑或阻斷激素的產(chǎn)生等方式影響內(nèi)分泌系統(tǒng)的功能, 這些物質(zhì)統(tǒng)稱為“環(huán)境內(nèi)分泌干擾物”[3,4,8,19]。環(huán)境內(nèi)分泌干擾物不僅影響直接接觸的個(gè)體, 也影響其后代。近年來(lái), 一系列研究表明許多疾病是由內(nèi)分泌干擾物引起的(表1)。內(nèi)分泌干擾物影響生殖系統(tǒng)功能的研究首先來(lái)自于乙烯菌核利暴露實(shí)驗(yàn)。在胚胎性腺分化決定階段, 孕期母鼠暴露于乙烯菌核利會(huì)導(dǎo)致子代雄鼠精子數(shù)量和活性降低、雄性不育的發(fā)病率升高, 該表型從 F1代持續(xù)到 F4代[4,8,19]。乙烯雌酚(Diethylstilbestrol, DES), 這個(gè)能夠幫助女性懷孕的藥物, 卻增加女性后代患乳腺癌、卵巢癌的風(fēng)險(xiǎn)。臨床報(bào)道一個(gè)15歲女孩被診斷為患有非常罕見的小細(xì)胞卵巢癌, 可能與其外祖母在懷孕時(shí)服用乙烯雌酚有關(guān)[32]。乙烯雌酚的跨代繼承作用亦見于小鼠, 圍產(chǎn)期母鼠暴露該藥物誘導(dǎo)第一代和第二代子宮發(fā)育異常和子宮癌[33]。另外, 孕期母鼠暴露雙酚A(BPA)能夠改變子代精巢類固醇激素受體及其共調(diào)節(jié)因子的表達(dá)模式, 損害精子發(fā)生過(guò)程, 致病表型從F1代持續(xù)到F3代[34]。孕期母鼠暴露TBT(三丁基錫)能夠產(chǎn)生肥胖激素效應(yīng), 誘導(dǎo)子鼠產(chǎn)生非酒精性脂肪肝表型(F1-F3)[35]。最近研究發(fā)現(xiàn)孕期母鼠暴露噴氣燃料 JP-8導(dǎo)致 F1代子鼠雌雄均出現(xiàn)腎臟異常、雄性子鼠前列腺異常、雌性子鼠原始濾泡細(xì)胞喪失和卵巢多囊性疾病等, F3代仍出現(xiàn)肥胖癥狀(無(wú)論雌雄)、雌性生殖系統(tǒng)疾病等[36]。其他研究發(fā)現(xiàn)二噁英也有相似的生物學(xué)效應(yīng)[37]。通過(guò)對(duì)F3代生殖系細(xì)胞表觀基因組研究, 發(fā)現(xiàn)了一些新的DNA甲基化位點(diǎn), 稱為表觀遺傳突變(Epimutations)[36～38]。很顯然, 環(huán)境復(fù)合物干擾了內(nèi)分泌系統(tǒng)的功能, 永久性改變了生殖系細(xì)胞DNA甲基化模式, 從而產(chǎn)生了跨代繼承表型。

表1 環(huán)境內(nèi)分泌干擾物及其作用

4.2 飲食因素

越來(lái)越多的資料表明, 父母不良飲食習(xí)慣造成的有害影響能遺傳好幾代[46]。二戰(zhàn)時(shí)荷蘭大饑荒,母親受此影響懷孕出生的嬰兒體重減少, 此影響持續(xù)幾代, 盡管后代在懷孕或撫養(yǎng)過(guò)程中并不缺乏食物[15,18]。相似的現(xiàn)象亦見于實(shí)驗(yàn)性動(dòng)物, 雌鼠在懷孕前和孕期喂食低蛋白食物, 產(chǎn)下的幼仔體重和大腦重量降低, 營(yíng)養(yǎng)不良的幼仔其子代亦繼承了這一現(xiàn)象[18]。孕期和哺乳期母鼠低蛋白飲食, 導(dǎo)致第二代和第三代胰島素/葡萄糖比值增加, 雄性子代更嚴(yán)重[47]。關(guān)于母鼠高脂肪飲食對(duì)后代的影響亦有研究,跨代繼承效應(yīng)(體長(zhǎng)增加和胰島素敏感性降低)持續(xù)2代[48]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn), 在第3代中僅有雌性個(gè)體表現(xiàn)出體長(zhǎng)增加的表型, 這種效應(yīng)僅通過(guò)父系傳遞[6]。在孕期和哺乳期, 母親營(yíng)養(yǎng)不良或營(yíng)養(yǎng)過(guò)?？梢酝ㄟ^(guò)胎盤影響后代健康, 但父親肥胖影響后代健康的機(jī)制仍不甚清楚。最近, Fullston等[49]研究了高脂肪飲食誘導(dǎo)的雄鼠肥胖對(duì)后代的影響, 發(fā)現(xiàn) F1代雌鼠中肥胖表型升高 67%, F2代雄鼠中肥胖表型升高24%。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn), 肥胖雄鼠精子中 miRNAs含量發(fā)生改變、生殖細(xì)胞DNA甲基化整體水平降低25%[49]。有研究表明, F0孕期母鼠飲食酒精, 導(dǎo)致F1代個(gè)體中編碼神經(jīng)多肽垂體阿黑皮素原(Proopiomelanocortin, POMC)基因 DNA甲基化水平升高/基因表達(dá)下降現(xiàn)象, 該現(xiàn)象亦出現(xiàn)在F2和F3代個(gè)體中[50]。POMC涉及多種機(jī)制的調(diào)控(包括能量穩(wěn)態(tài)、腦功能、應(yīng)激效應(yīng)和免疫調(diào)節(jié)等), 其功能失調(diào)與肥胖癥和糖尿病有關(guān)[50]。父母不良飲食習(xí)慣導(dǎo)致的疾病表型跨代繼承的原因是多方面的, 以生殖系為基礎(chǔ)的跨代傳遞可能占據(jù)重要地位[6,49,50]。

4.3 行為因素

越來(lái)越多的研究表明, 精神、行為性疾病如孤獨(dú)癥、精神分裂癥和認(rèn)知障礙等亦能跨代傳遞[7,10～12,18]。行為模式跨代傳遞的典型例子來(lái)自動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。Weaver等[51]研究顯示, 母鼠對(duì)幼仔的舔舐和理毛(Licking and grooming, LG)行為可以改變幼仔海馬區(qū)糖皮質(zhì)激素受體(Glucocorticoid receptor, GR)基因啟動(dòng)子的表觀遺傳狀態(tài)。與那些有較多舔舐、理毛行為的母親相比, 表現(xiàn)出較少上述行為的母親撫養(yǎng)的子代GR啟動(dòng)子DNA甲基化增加, 而同區(qū)域內(nèi)組蛋白 H3K9乙?；瘻p少。這一現(xiàn)象出現(xiàn)于子鼠出生后 1周內(nèi), 并在成年后維持穩(wěn)定, 由此推斷母愛行為可能是通過(guò)表觀遺傳學(xué)途徑改變 GR表達(dá), 調(diào)節(jié)個(gè)體對(duì)應(yīng)激事件的敏感性[10,18,51]。在人類中研究發(fā)現(xiàn), 母親在懷孕晚期表現(xiàn)出嚴(yán)重的抑郁和焦慮情緒,嬰兒在出生3個(gè)月即表現(xiàn)出明顯的皮質(zhì)醇應(yīng)激效應(yīng)[52],且情緒的改變與糖皮質(zhì)激素受體基因 NR3C1高甲基化相關(guān)。為研究早期經(jīng)歷和后期應(yīng)激反應(yīng)之間的表觀遺傳聯(lián)系, McGowan等[53]檢驗(yàn)了有兒童期虐待史的自殺者大腦海馬區(qū)樣品, 發(fā)現(xiàn)糖皮質(zhì)受體mRNA表達(dá)量降低、NR3C1基因啟動(dòng)子甲基化水平升高等現(xiàn)象。其他研究表明, 由生命早期遭受應(yīng)激壓力而產(chǎn)生的社會(huì)行為、認(rèn)知行為和精神行為障礙在第 2代和第 3代仍能體現(xiàn), 這種變化與包括MeCP2(Methyl-CpG binding protein 2)在內(nèi)的幾個(gè)基因啟動(dòng)子處DNA甲基化改變有關(guān)聯(lián)[54,55]。在小鼠中研究表明, 行為異常的跨代繼承可能與Axin基因(該基因與成熟精子的尾部形狀有關(guān))的甲基化狀態(tài)有關(guān), 該基因在配子發(fā)生過(guò)程中不經(jīng)歷表觀遺傳重編程[55]。研究表明, 幼鼠母子分離不僅改變幼鼠腦部基因的甲基化狀態(tài), 而且改變雄鼠生殖細(xì)胞DNA甲基化模式[15,55]。總之, 這些證據(jù)說(shuō)明生命早期遭受的應(yīng)激刺激和災(zāi)難經(jīng)歷顯著影響行為并跨代傳遞。雖然不能排除遺傳因素, 但表觀遺傳的改變?cè)谶@些疾病的跨代繼承中發(fā)揮著重要作用[54,55]。

5 結(jié)語(yǔ)

人們普遍認(rèn)為遺傳病是由 DNA序列改變引起的, 但許多研究表明, 非DNA序列改變導(dǎo)致的疾病亦能跨代傳遞[3,4,8,15]?？绱^承現(xiàn)象需要通過(guò)生殖系細(xì)胞傳遞一些異常的表觀遺傳標(biāo)記, 表觀遺傳標(biāo)記如何逃脫重編程、在代間傳遞中保留下來(lái), 這個(gè)問題仍需深入研究。最近, 人們提出甲基化DNA、組蛋白轉(zhuǎn)錄后修飾、非編碼RNA等可能構(gòu)成表觀遺傳信息跨代傳遞的遺傳物質(zhì)[7,10～12,14,15,55]。表觀遺傳修飾具有可逆性, 易受環(huán)境因子影響而改變。內(nèi)分泌干擾物是人們?nèi)粘＝佑|到的主要環(huán)境復(fù)合物,它干擾內(nèi)分泌系統(tǒng), 引起生殖系表觀基因組發(fā)生突變、影響與發(fā)育相關(guān)的下游事件。特別是內(nèi)分泌干擾物誘導(dǎo)的表觀遺傳跨代繼承表型的出現(xiàn)[35～45], 使人們不得不對(duì)環(huán)境污染造成的長(zhǎng)期影響深表憂慮。令人遺憾的是, 目前環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重, 華北、華東地區(qū)霧霾天氣持續(xù)時(shí)間屢創(chuàng)新高, “癌癥村”的報(bào)道層出不窮, 而環(huán)境污染物引起的疾病跨代繼承現(xiàn)象并沒有引起人們足夠的重視。借此呼吁人們, 為了子孫后代的健康, 加強(qiáng)環(huán)境保護(hù), 采取更健康、更合理的生活方式！

[1] Eichler EE, Flint J, Gibson G, Kong A, Leal SM, Moore JH, Nadeau JH. Missing heritability and strategies for finding the underlying causes of complex disease. Nat Rev Genet, 2010, 11(6): 446–450.

[2] Matthews SG, Phillips DI. Transgenerational inheritance of stress pathology. Exp Neuro, 2012, 233(1): 95–101.

[3] Guerrero-Bosagna C, Skinner MK. Environmentally induced epigenetic transgenerational inheritance of phenotype and disease. Mol Cell Endocrinol, 2012, 354(1–2): 3–8.

[4] Skinner MK, Manikkam M, Guerrero-Bosagna C. Epigenetic transgenerational actions of endocrine disruptors. Reprod Toxicol, 2011, 31(3): 337–343.

[5] Khashan AS, Abel KM, McNamee R, Pedersen MG, Webb RT, Baker PN, Kenny LC, Mortensen PB. Higher risk of offspring schizophrenia following antenatal maternal exposure to severe adverse life events. Arch Gen Psychiatry, 2008, 65(2): 146–152.

[6] Dunn GA, Bale TL. Maternal high-fat diet effects on third-generation female body size via the paternal lineage. Endocrinology, 2011, 152(6): 2228–2236.

[7] Jensen P. Transgenerational epigenetic effects on animal behaviour. Prog Biophys Mol Biol, 2013, 113(3): 447–454.

[8] Skinner MK. What is an epigenetic transgenerational phenotype? F3 or F2. Reprod Toxicol, 2008, 25(1): 2–6.

[9] Champagne FA. Epigenetic mechanisms and the transgenerational effects of maternal care. Front Neuroendocrinol, 2008, 29(3): 386–397.

[10] Bohacek J, Gapp K, Saab BJ, Mansuy IM. Transgenerational epigenetic effects on brain functions. Biol Psychiatry, 2013, 73(4): 313–320.

[11] Gabory A, Attig L, Junien C. Sexual dimorphism in environmental epigenetic programming. Mol Cell Endocrinol, 2009, 304(1-2): 8–18.

[12] Migicovsky Z, Kovalchuk I. Epigenetic memory in mammals. Front Genet, 2011, 2: 28.

[13] Li YF, Sasaki H. Genomic imprinting in mammals: its life cycle, molecular mechanisms and reprogramming. Cell Res, 2011, 21(3): 466–473.

[14] Guibert S, Forné T, Weber M. Global profiling of DNA methylation erasure in mouse primordial germ cells. Genome Res, 2012, 22(4): 633–641.

[15] Franklin TB, Russig H, Weiss IC, Gr?ff J, Linder N, Michalon A, Vizi S, Mansuy IM. Epigenetic transmission of the impact of early stress across generations. Biol Psychiatry, 2010, 68(5): 408–415.

[16] Li Y, O'Neill C. Persistence of cytosine methylation of DNA following fertilisation in the mouse. PLoS ONE, 2012, 7(1): e30687.

[17] Kelsey G, Feil R. New insights into establishment and maintenance of DNA methylation imprints in mammals. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci, 2013, 368: 20110336.

[18] Franklin TB, Mansuy IM. Epigenetic inheritance in mammals: evidence for the impact of adverse environmental effects. Neurobiol Dis, 2010, 39(1): 61–65.

[19] Skinner MK, Haque CGBM, Nilsson E, Bhandari R, McCarrey JR. Environmentally induced transgenerational epigenetic reprogramming of primordial germ cells andthe subsequent germ line. PLoS ONE, 2013, 8(7): e66318.

[20] Hammoud SS, Nix DA, Zhang H, Purwar J, Carrell DT, Cairns BR. Distinctive chromatin in human sperm packages genes for embryo development. Nature, 2009, 460(7254): 473–478.

[21] Brykczynska U, Hisano M, Erkek S, Ramos L, Oakeley EJ, Roloff TC, Beisel C, Schübeler D, Stadler MB, Peters AH. Repressive and active histone methylation mark distinct promoters in human and mouse spermatozoa. Nat Struct Mol Biol, 2010, 17(6): 679–687.

[22] Greer EL, Maures TJ, Ucar D, Hauswirth AG, Mancini E, Lim JP, Benayoun BA, Shi Y, Brunet A. Transgenerational epigenetic inheritance of longevity in Caenorhabditis elegans. Nature, 2011, 479(7373): 365–371.

[23] Stern S, Fridmann-Sirkis Y, Braun E, Soen Y. Epigenetically heritable alteration of fly development in response to toxic challenge. Cell Rep, 2012, 1(5): 528–542.

[24] Carone BR, Fauquier L, Habib N, Shea JM, Hart CE, Li RW, Bock C, Li CJ, Gu HC, Zamore PD, Meissner A, Weng ZP, Hofmann HA, Friedman N, Rando OJ. Paternally induced transgenerational environmental reprogramming of metabolic gene expression in mammals. Cell, 2010, 143(7): 1084–1096.

[25] Muramoto T, Müller I, Thomas G, Melvin A, Chubb JR. Methylation of H3K4 is required for inheritance of active transcriptional states. Curr Biol, 2010, 20(5): 397–406.

[26] Gu SG, Pak J, Guang SH, Maniar JM, Kennedy S, Fire A. Amplification of siRNA in Caenorhabditis elegans generates a transgenerational sequence-targeted histone H3 lysine 9 methylation footprint. Nat Genet, 2012, 44(2): 157–164.

[27] de Vanssay A, Bougé AL, Boivin A, Hermant C, Teysset L, Delmarre V, Antoniewski C, Ronsseray S. Paramutation in Drosophila linked to emergence of a piRNA-producing locus. Nature, 2012, 490(7418): 112–115.

[28] Kiani J, Grandjean V, Liebers R, Tuorto F, Ghanbarian H, Lyko F, Cuzin F, Rassoulzadegan M. RNA-mediated epigenetic heredity requires the cytosine methyltransferase Dnmt2. PLoS Genet, 2013, 9(5): e1003498.

[29] Wagner KD, Wagner N, Ghanbarian H, Grandjean V, Gounon P, Cuzin F, Rassoulzadegan M. RNA induction and inheritance of epigenetic cardiac hypertrophy in the mouse. Dev Cell, 2008, 14(6): 962–969.

[30] Kumar M, Kumar K, Jain S, Hassan T, Dada R. Novel insights into the genetic and epigenetic paternal contribution to the human embryo. Clinics(Sao Paulo), 2013, 68(Suppl. 1): 5–14.

[31] Sendler E, Johnson GD, Mao SH, Goodrich RJ, Diamond MP, Hauser R, Krawetz SA. Stability, delivery and functions of human sperm RNAs at fertilization. Nucleic Acids Res, 2013, 41(7): 4104–4117.

[32] Blatt J, Van Le L, Weiner T, Sailer S. Ovarian carcinoma in an adolescent with transgenerational exposure to diethylstilbestrol. J Pediatr Hematol Oncol, 2003, 25(8): 635–636.

[33] Bromer JG, Wu J, Zhou YP, Taylor HS. Hypermethylation of homeobox A10 by in utero diethylstilbestrol exposure: an epigenetic mechanism for altered developmental programming. Endocrinology, 2009, 150(7): 3376–3382.

[34] Salian S, Doshi T, Vanage G. Impairment in protein expression profile of testicular steroid receptor coregulators in male rat offspring perinatally exposed to Bisphenol A. Life Sci, 2009, 85(1–2): 11–18.

[35] Chamorro-García R, Sahu M, Abbey RJ, Laude J, Pham N, Blumberg B. Transgenerational inheritance of increased fat depot size, stem cell reprogramming, and hepatic steatosis elicited by prenatal exposure to the obesogen Tributyltin in mice. Environ Health Perspect, 2013, 121(3): 359–366.

[36] Tracey R, Manikkam M, Guerrero-Bosagna C, Skinner MK. Hydrocarbons (jet fuel JP-8) induce epigenetic transgenerational inheritance of obesity, reproductive disease and sperm epimutations. Reprod Toxicol, 2013, 36: 104–116.

[37] Manikkam M, Tracey R, Guerrero-Bosagna C, Skinner MK. Dioxin (TCDD) induces epigenetic transgenerational inheritance of adult onset disease and sperm epimutations. PLoS ONE, 2012, 7(9): e46249.

[38] Manikkam M, Tracey R, Guerrero-Bosagna C, Skinner MK. Plastics derived endocrine disruptors (BPA, DEHP and DBP) induce epigenetic transgenerational inheritance of obesity, reproductive disease and sperm epimutations. PLoS ONE, 2013, 8(1): e55387.

[39] Aly HAA, Azhar AS. Methoxychlor induced biochemical alterations and disruption of spermatogenesis in adult rats. Reprod Toxicol, 2013, 40: 8–15.

[40] Li XJ, Jiang L, Chen L, Chen HS, Li X. Neurotoxicity of dibutyl phthalate in brain development following perinatal exposure: A study in rats. Environ Toxicol Pharmacol, 2013, 36(2): 392–402.

[41] Das N, Paul S, Chatterjee D, Banerjee N, Majumder NS, Sarma N, Sau TJ, Basu S, Banerjee S, Majumder P, Bandyopadhyay AK, States JC, Giri AK. Arsenic exposure through drinking water increases the risk of liver and cardiovascular diseases in the population of West Bengal, India. BMC Public Health, 2012, 12: 639.

[42] Henson MC, Chedrese PJ. Endocrine disruption by cadmium, a common environmental toxicant with paradoxical effects on reproduction. Exp Biol Med (Maywood), 2004, 229(5): 383–392.

[43] Dagdemir A, Durif J, Ngollo M, Bignon YJ, Bernard-Gallon D. Histone lysine trimethylation or acetylation can be modulated by phytoestrogen, estrogen or anti-HDAC in breast cancer cell lines. Epigenomics, 2013, 5(1): 51–63.

[44] Perobelli JE, Martinez MF, da Silva Franchi CA, Fernandez CDB, de Camargo JLV, Kempinas Wde G. Decreased sperm motility in rats orally exposed to single or mixed pesticides. J Toxicol Environ Health A, 2010, 73(13–14): 991–1002.

[45] Zhuang SL, Zhang J, Wen YZ, Zhang CL, Liu WP. Distinct mechanisms of endocrine disruption of DDT-related pesticides toward estrogen receptor α and estrogen-related receptor γ. Environ Toxicol Chem, 2012, 31(11): 2597–2605.

[46] Roseboom TJ, Watson ED. The next generation of disease risk: are the effects of prenatal nutrition transmitted across generations? Evidence from animal and human studies. Placenta, 2012, 33(Suppl. 2): e40–e44.

[47] Zambrano E, Bautista CJ, Deás M, Martínez-Samayoa PM, González-Zamorano M, Ledesma H, Morales J, Larrea F, Nathanielsz PW. A low maternal protein diet during pregnancy and lactation has sex- and window of exposure-specific effects on offspring growth and food intake, glucose metabolism and serum leptin in the rat. J Physiol, 2006, 571(Pt 1): 221–230.

[48] Dunn GA, Bale TL. Maternal high-fat diet promotes body length increases and insulin insensitivity in second-generation mice. Endocrinology, 2009, 150(11): 4999–5009.

[49] Fullston T, Ohlsson Teague EM, Palmer NO, Deblasio MJ, Mitchell M, Corbett M, Print CG, Owens JA, Lane M. Paternal obesity initiates metabolic disturbances in two generations of mice with incomplete penetrance to the F2 generation and alters the transcriptional profile of testis and sperm microRNA content. FASEB J, 2013, 27(10): 4226–4243.

[50] Govorko D, Bekdash RA, Zhang CQ, Sarkar DK. Male germline transmits fetal alcohol adverse effect on hypothalamic proopiomelanocortin gene across generations. Biol Psychiatry, 2012, 72(5): 378–388.

[51] Weaver ICG, Cervoni N, Champagne FA, D’Alessio AC, Sharma S, Seckl JR, Dymov S, Szyf M, Meaney MJ. Epigenetic programming by maternal behavior. Nat Neurosci, 2004, 7(8): 847–854.

[52] Oberlander TF, Weinberg J, Papsdorf M, Grunau R, Misri S, Devlin AM. Prenatal exposure to maternal depression, neonatal methylation of human glucocorticoid receptor gene (NR3C1) and infant cortisol stress responses. Epigenetics, 2008, 3(2): 97–106.

[53] McGowan PO, Sasaki A, D’Alessio AC, Dymov S, Labonté B, Szyf M, Turecki G, Meaney MJ. Epigenetic regulation of the glucocorticoid receptor in human brain associates with childhood abuse. Nat Neurosci, 2009, 12(3): 342–348.

[54] Franklin TB, Mansuy IM. The prevalence of epigenetic mechanisms in the regulation of cognitive functions and behaviour. Curr Opin Neurobiol, 2010, 20(4): 441–449.

[55] Kubota T, Miyake K, Hirasawa T. Epigenetic understanding of gene-environment interactions in psychiatric disorders: a new concept of clinical genetics. Clin Epigenetics, 2012, 4(1): 1.

(責(zé)任編委: 馬用信)

Research progress of epigenetic transgenerational phenotype

Kexue Ma1, Keshi Ma2, Xingzi Xi3

1. College of Life Sciences, Henan Normal University, Xinxiang 453007, China;
2. College of Life Sciences, Zhoukou Normal University, Zhoukou 466000, China;
3. Department of Education Sciences, Xinxiang University, Xinxiang 453003, China

The epigenome undergoes a reprogramming process during gametogenesis and early embryogenesis. Therefore, it is believed that epigenetic information cannot be transmitted across generations. However, the occurrence of epigenetic transgenerational phenotype suggests that certain epigenetic marks may escape reprogramming. Although the existence of such a mode of inheritance has been controversial, there is increasing evidence that epigenetic memory does occur in mammals. Due to the reversibility of epigenetic modification, the epigenome is easily changed by a variety of environmental factors, such as chemicals, nutrition and behaviour. Therefore, it provides a potential mechanism for the transgenerational transmission of the impact of environmental factors. The purpose of this review is to introduce the concept of epigenetic transgenerational phenotype, to discuss the epigenetic reprogramming and the molecular mechanism of epigenetic transgenerational transmission, and to list some environmental factors that are associated with epigenetic transgenerational diseases.

epigenetics; transgenerational phenotype; germ cells; reprogramming; environmental factors

2013-08-28;

2013-12-11

河南省教育廳自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2011B180031)和河南省青年骨干教師項(xiàng)目(編號(hào)：2011GGJS-163)資助

馬克學(xué), 副教授, 研究方向：細(xì)胞和分子生物學(xué)教學(xué)與科研。E-mail: makexue@sina.com

致 謝：特別感謝本教學(xué)組李芬和王改平兩位教授對(duì)本文的修改和提出的寶貴建議！

10.3724/SP.J.1005.2014.0476

時(shí)間: 2014-2-10 9:36:01

URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20140210.0936.003.html