動(dòng)物初情期表觀遺傳調(diào)控的研究進(jìn)展

田 園，宋 敏，方富貴

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院，安徽 合肥 230036)

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動(dòng)物初情期表觀遺傳調(diào)控的研究進(jìn)展

田 園，宋 敏，方富貴*

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院，安徽 合肥 230036)

初情期是動(dòng)物從不能繁殖到能夠繁殖的轉(zhuǎn)折點(diǎn)和過(guò)渡時(shí)期，是非常重要的階段。初情期的啟動(dòng)機(jī)制復(fù)雜，主要與遺傳因素、環(huán)境因素、神經(jīng)內(nèi)分泌因素及其相互作用有關(guān)。由于中樞途徑控制初情期發(fā)育的關(guān)鍵部件還涉及到表觀遺傳學(xué)機(jī)制，因而本文綜述了DNA甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA和轉(zhuǎn)錄因子等表觀遺傳學(xué)機(jī)制對(duì)初情期影響的研究進(jìn)展，為調(diào)控初情期的研究提供依據(jù)。

初情期; 表觀遺傳; DNA甲基化; 組蛋白修飾

初情期是指母畜初次發(fā)情并發(fā)生排卵、公畜睪丸具有分泌功能和生精功能的時(shí)期，是動(dòng)物從出生開(kāi)始發(fā)育到獲得繁殖能力的標(biāo)志，其出現(xiàn)的早晚直接關(guān)系到動(dòng)物的性成熟和以后的繁殖性能。在動(dòng)物生產(chǎn)上，培育初情期早的母畜一方面可以節(jié)約飼養(yǎng)成本，提高母畜利用率，另一方面可以縮短優(yōu)良母畜世代間隔，加快遺傳育種進(jìn)程。另外，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的性早熟、性晚熟等相關(guān)疾病防治方面也有較大的研究和應(yīng)用價(jià)值。

初情期由下丘腦-垂體-性腺軸(hypothalamic-pituitary-gonadal axis，HPGA)活化引起，但HPGA活化引起初情期啟動(dòng)的具體機(jī)制目前尚不清楚。初情期啟動(dòng)的機(jī)制很復(fù)雜，一般認(rèn)為與遺傳因素、環(huán)境因素、神經(jīng)內(nèi)分泌因素及其相互作用有關(guān)[1]，但實(shí)際上環(huán)境和神經(jīng)內(nèi)分泌因子在遺傳因素的基礎(chǔ)上發(fā)揮作用[2]。大量的基因參與了神經(jīng)內(nèi)分泌控制的初情期啟動(dòng)過(guò)程[3-5]，Elks等[6]報(bào)道超過(guò)30種的基因變異與人類的月經(jīng)初潮年齡相關(guān)。目前已鑒定出下丘腦中與動(dòng)物初情期啟動(dòng)過(guò)程相關(guān)的重要調(diào)控基因系統(tǒng)包括Kiss-1/GPR54系統(tǒng)[7-8]、NPY系統(tǒng)[9]和Leptin系統(tǒng)[10]、LIN28系統(tǒng)[11]和NKB系統(tǒng)[12-14]等。沒(méi)有獨(dú)立的途徑或唯一的基因能完全控制初情期的發(fā)育過(guò)程[15]。由此可見(jiàn)，多基因遺傳是初情期啟動(dòng)的基礎(chǔ)[15-17]，與下丘腦相關(guān)分子、受體基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)水平的改變密切相關(guān)[16-18]。但是，這些與初情期相關(guān)的基因是如何被程序性的啟動(dòng)、進(jìn)行轉(zhuǎn)錄和翻譯；DNA序列內(nèi)部的、永久的變化是如何動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)基因表達(dá)，又同時(shí)協(xié)調(diào)多基因的轉(zhuǎn)錄，從而調(diào)控初情期等機(jī)理尚不明確。表觀遺傳機(jī)制建立了對(duì)DNA和組蛋白錯(cuò)綜復(fù)雜的修飾模式，導(dǎo)致了細(xì)胞表型和其功能的巨大差異[19]。表觀遺傳機(jī)制對(duì)外界刺激十分敏感，能夠通過(guò)修飾使細(xì)胞適應(yīng)外界環(huán)境，而這些復(fù)雜的修飾模式至今并未探明。眾所周知，神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境變化同樣有著高度敏感性，所以近年來(lái)表觀遺傳機(jī)制成為了神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)功能的研究熱點(diǎn)。例如人們已證實(shí)DNA甲基化在帕金森發(fā)病機(jī)制中起到重要作用[20]。同樣，科學(xué)家們也開(kāi)展了對(duì)動(dòng)物初情期表觀遺傳機(jī)制的研究。本文綜述了近年來(lái)表觀遺傳機(jī)制在初情期過(guò)程中的發(fā)現(xiàn)，以期為相關(guān)研究提供基礎(chǔ)。

1 表觀遺傳對(duì)初情期的影響

表觀遺傳是指基因的核苷酸序列不發(fā)生變化，但基因表達(dá)卻發(fā)生了可遺傳的改變。這種改變是細(xì)胞內(nèi)除了遺傳信息以外的其他可遺傳物質(zhì)發(fā)生的改變，能夠在胚胎發(fā)育、細(xì)胞增殖過(guò)程中穩(wěn)定傳遞。表觀遺傳機(jī)制主要涉及DNA甲基化、組蛋白修飾、非編碼RNA和轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合等[21]。過(guò)去的研究主要集中在DNA甲基化和組蛋白修飾領(lǐng)域。

1.1 DNA甲基化

DNA甲基化是最常見(jiàn)的一種表觀遺傳機(jī)制，是指由S-腺苷甲硫氨提供的甲基供體(-CH3)，在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的催化下，轉(zhuǎn)移到DNA分子特定的堿基上，將胞嘧啶轉(zhuǎn)變?yōu)?-甲基胞嘧啶(5-mC)[20]。在哺乳動(dòng)物中，胞嘧啶-鳥(niǎo)嘌呤二核苷酸(CpG)是甲基化的高發(fā)部位。啟動(dòng)子區(qū)的CpG甲基化抑制轉(zhuǎn)錄因子與啟動(dòng)子結(jié)合，導(dǎo)致相關(guān)基因的表達(dá)抑制或沉默。

促性腺激素釋放激素(gonadatrophin releasing hormone, GnRH)是初情期的始動(dòng)因素和核心物質(zhì)。哺乳動(dòng)物在胚胎晚期及新生兒早期便存在GnRH的脈沖性分泌，但在個(gè)體出生后不久即被抑制。初情期前GnRH的脈沖式釋放再次激活，作用于性腺促進(jìn)性器官的發(fā)育及性激素的分泌，從而啟動(dòng)初情期。Terasawa等[22]將獼猴的GnRH神經(jīng)元?jiǎng)冸x進(jìn)行體外培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)GnRH mRNA表達(dá)量的增加與GnRH基因5′末端CpG 富集區(qū)CpG 甲基化狀態(tài)的減少存在關(guān)聯(lián)。Terasawa等進(jìn)一步對(duì)處于少年期和成年期雄性獼猴內(nèi)側(cè)基底下丘腦(medial basal hypothalamic，MBH)組織的GnRH mRNA水平和CpG島的甲基化狀態(tài)進(jìn)行了測(cè)定，發(fā)現(xiàn)成年獼猴與少年獼猴相比，GnRH mRNA顯著增高，CpG的第5、6、8、9、12和14位點(diǎn)的甲基化狀態(tài)顯著降低。所以推測(cè)，初情期啟動(dòng)時(shí)GnRH的DNA甲基化狀態(tài)可能發(fā)生改變。

5-氮雜胞苷(5-Azacytidine，5AZA)是胞嘧啶核苷類藥物，能夠滲入并結(jié)合到DNA上，對(duì)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA metyltransferase, DNMTs)起到阻礙作用，進(jìn)而抑制DNA甲基化的發(fā)生。在雌性嚙齒類動(dòng)物中，陰道口的開(kāi)啟(Vaginal opening，VO)是其初情期啟動(dòng)的標(biāo)志。Lomniczi等[16]向雌鼠注射了AZA，觀察到注射組雌鼠的初情期和性成熟明顯延遲。在該試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)注射AZA的雌鼠VO日齡為(36.67 ± 0.67)d，而空白組的雌鼠VO日齡為(31.33±0.21)d，兩組時(shí)間差異極顯著。同時(shí)觀察兩組雌鼠28 d的卵巢形態(tài)，發(fā)現(xiàn)注射組與空白組相比卵巢較小、有腔卵泡的數(shù)量少，并且注射AZA的雌鼠44 d時(shí)卵巢內(nèi)缺乏黃體。以上試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)甲基化被AZA抑制時(shí)，初情期延遲。

通過(guò)幾項(xiàng)研究結(jié)果表明，DNA甲基化與初情期啟動(dòng)有著密切聯(lián)系，然而其具體的作用機(jī)制目前尚不明確。

1.2 組蛋白修飾

組蛋白是核小體的重要組成部分，依靠自身的正電荷從而與帶負(fù)電荷的雙螺旋DNA結(jié)合來(lái)影響基因的表達(dá)模式。組蛋白的翻譯后修飾(Post-translational modification of histone proteins，HPTMs)通過(guò)改變組蛋白與DNA間的結(jié)合力來(lái)吸引或排斥轉(zhuǎn)錄運(yùn)作機(jī)制和組蛋白修飾酶，從而改變轉(zhuǎn)錄效率和基因表達(dá)。常見(jiàn)的HPTMs包括乙?；⒓谆?、磷酸化、泛素化和ADP核糖基化等，其中乙酰化和甲基化是人們研究神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的主要關(guān)注點(diǎn)。乙?；亲钤绨l(fā)現(xiàn)的組蛋白修飾方式，能使組蛋白的負(fù)電荷增多，使染色質(zhì)區(qū)域的結(jié)構(gòu)變得松散，開(kāi)放某些基因的轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而提高其表達(dá)水平。而甲基化則屬中性，根據(jù)不同的位點(diǎn)和不同程度的甲基化(一甲基化、二甲基化、三甲基化)來(lái)抑制或促進(jìn)基因的表達(dá)[23]。

Iyer等[24]研究分析了兩種GnRH表達(dá)量不同的細(xì)胞株中的HPTMs。GN11是由小鼠嗅基板腫瘤分離出的細(xì)胞，GnRH mRNA表達(dá)量十分低；而GT1是由小鼠下丘腦中類似的腫瘤分離出的細(xì)胞，具有較高的GnRH mRNA表達(dá)量。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，GN細(xì)胞中GnRH 基因的啟動(dòng)子和增強(qiáng)子區(qū)域與抑制性HPTM-組蛋白3賴氨酸9(histone 3 lysine 9，H3K9)的二甲基化作用有關(guān)。而在GT1細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)同區(qū)域與促進(jìn)性HPTM-H3K9 乙酰化和H3K4三甲基化作用密切相關(guān)。為了便于比較，他們隨后又測(cè)定了非神經(jīng)元細(xì)胞株NIH3T3中的HPTM，發(fā)現(xiàn)抑制性HPTM作用在NIH3T3中表達(dá)最強(qiáng)，GN11次之，GT1細(xì)胞中最弱。相反，促進(jìn)性HPTM作用在NIH3T3、GN11中表達(dá)很低且相近，而在成熟GT1細(xì)胞中表達(dá)顯著增高-表明GnRH mRNA的表達(dá)量與HPTMs有關(guān)，而GnRH是初情期啟動(dòng)的核心物質(zhì)。 Rzeczkowska等[25]向雌鼠注射去乙酰轉(zhuǎn)移酶(histone deacetylase, HDAC)的抑制劑異羥肟酸(suberoylanilide hydroxamic acid, SAHA)，發(fā)現(xiàn)初情期啟動(dòng)時(shí)間推遲。取32 d卵巢和子宮稱重，發(fā)現(xiàn)注射SAHA的雌鼠卵巢重量(1.6±0.1) mg顯著低于空白組(2.0±0.1) mg；注射SAHA的雌鼠子宮重量(11.4±1.7) mg也顯著低于空白組(17.1±3.0) mg；注射組的雌鼠VO日齡顯著遲于正常組，種種現(xiàn)象顯示雌鼠初情期的啟動(dòng)時(shí)間推遲。作為去乙酰轉(zhuǎn)移酶的抑制劑，SAHA最終導(dǎo)致組蛋白的乙?；揎棧龠M(jìn)轉(zhuǎn)錄提高了基因的表達(dá)，這些基因的表達(dá)抑制了初情期的啟動(dòng)。那么，當(dāng)這些基因活性受到抑制時(shí)，初情期的啟動(dòng)會(huì)發(fā)生怎樣的改變呢？Rzeczkowska等[25]對(duì)雌鼠進(jìn)行了L甲硫氨酸(L-methionine,L-MET)處理，L-MET能夠提供甲基化所需的甲基供體。結(jié)果顯示，L-MET提前了雌鼠初情期的啟動(dòng)(處理組(30.5±2.2)d ，空白組(31.6±2.2) d。這些初步的研究結(jié)果表明，組蛋白修飾與初情期啟動(dòng)息息相關(guān)，然而其調(diào)控初情期啟動(dòng)的機(jī)制仍不清楚。

1.3 非編碼RNA

非編碼RNA為不能翻譯為蛋白的功能性 RNA 分子，在RNA水平行使生物學(xué)功能。根據(jù)功能不同分為看家非編碼RNA和調(diào)控非編碼RNA兩類。其中調(diào)控非編碼RNA又分為短鏈非編碼 RNA(包括 siRNA、miRNA、piRNA)和長(zhǎng)鏈非編碼 RNA[26]。雖然之前的研究熱點(diǎn)都聚集在DNA甲基化和HPTMs，但非編碼 RNA 同樣在表觀遺傳學(xué)修飾中扮演了重要的角色。

Perry等[27]，利用全基因組關(guān)聯(lián)研究(Genome-Wide Association Studies，GWAS)技術(shù)證實(shí)了對(duì)初情期啟動(dòng)時(shí)間起調(diào)控作用的32個(gè)新的基因位點(diǎn)和通路。其中，人類月經(jīng)初潮的年齡同LIN 28B基因上或其附近的6q21易變有關(guān)。LIN 28及其相關(guān)的Lin 28B、LIN 28A都是高度保守的RNA結(jié)合蛋白，編碼抑制產(chǎn)生非編碼RNA的細(xì)胞質(zhì)結(jié)合蛋白，并通過(guò)抑制let-7成熟的前體來(lái)阻止let7家族的miRNA發(fā)揮作用[28]。LIN28B的同系物L(fēng)IN28和LIN28A在秀麗隱桿線蟲(chóng)[29]、雌鼠[28]中的過(guò)量表達(dá)，能夠分別引起幼蟲(chóng)發(fā)育延遲和性晚熟，并且在嚙齒類動(dòng)物中，從新生兒到初情期LIN 28B家族成員的mRNA在下丘腦的表達(dá)水平顯著下降。另外，大鼠下丘腦let-7a和let-7b表達(dá)，同LIN 28B mRNA水平成反比，如在雄性和雌性大鼠出生后到青春期成熟時(shí)，檢測(cè)到其下丘腦的let-7miRNAs相對(duì)含量顯著增加。這些研究結(jié)果表明，LIN 28B / let-7可能在中樞控制初情期啟動(dòng)方面具有潛在作用，miRNA可能參與調(diào)節(jié)初情期的啟動(dòng)。

1.4 轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合

轉(zhuǎn)錄因子(transcription factors，TFs)是能夠與基因5'端上游特定序列專一性結(jié)合的蛋白質(zhì)分子，保證目的基因以特定的強(qiáng)度在特定的時(shí)間與空間表達(dá)。TFs以單獨(dú)或組合的形式結(jié)合到DNA上，不同發(fā)育階段的不同組織中不同的組合是基因空間和時(shí)空表達(dá)的重要決定因素[30]。TFs結(jié)合通過(guò)改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)和DNA來(lái)影響基因表達(dá)。轉(zhuǎn)錄因子在HPGA軸上一直扮演重要角色。例如, PROP1、HESX1和 LHX3突變影響垂體的發(fā)育，而NR5A1的突變則導(dǎo)致卵巢、睪丸和腎上腺的缺陷。此外,GWAS鑒別出的32個(gè)與女性初潮年齡有關(guān)基因位點(diǎn)中有15個(gè)是轉(zhuǎn)錄因子。

雖然TFs參與初情期調(diào)控機(jī)制尚未確定,但這些GWAS數(shù)據(jù)顯示了TFs在調(diào)節(jié)初情期時(shí)間的作用。轉(zhuǎn)錄因子IRF2BPL被稱作EAP1(enhanced at puberty 1)。在嚙齒動(dòng)物下丘腦研究發(fā)現(xiàn) ,轉(zhuǎn)錄因子EAP1 與初情期延遲有關(guān)[31]，初步揭示TFs在初情期的時(shí)間上發(fā)揮重要作用。

2 結(jié)語(yǔ)

DNA甲基化、HPTMs、miRNA和TFs等均參與初情期的調(diào)控，有望成為調(diào)控初情期的新途徑、新方法。但是，迄今有關(guān)調(diào)控初情期的表觀遺傳學(xué)方面的研究?jī)H局限于表型觀察，對(duì)初情期調(diào)控的表觀遺傳學(xué)研究目前主要是有關(guān)嚙齒動(dòng)物鼠的報(bào)道，其它動(dòng)物如家畜方面還沒(méi)有涉及；表觀遺傳學(xué)調(diào)控初情期啟動(dòng)的具體基因和靶標(biāo)仍不清楚。因此，表觀遺傳學(xué)調(diào)控初情期啟動(dòng)的確切機(jī)制有待進(jìn)一步重視，加強(qiáng)研究。

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Research Progress on Epigenetic Regulation of Animal Puberty

TIAN Yuan, SONG Min, FANG Fu-gui*

(CollegeofAnimalScienceandTechnology,AnhuiAgriculturalUniversity,Hefei，Anhui230036,China)

The puberty is an important transitional period for animals to acquire reproductive capacity. The startup mechanism of puberty is very complex and related to genetic factors, environmental factors, neuroendocrine factors and their interaction. Recent research showed that epigenetics was also involved in the regulation of puberty in central pathway . In the paper, the research progress in epigenetic mechanisms of puberty, including DNA methylation, histone modification, non-coding RNA and transcription factors were summarized to provide a basis for the study of puberty.

puberty; epigenetics; DNA methylation; histone modifications

2014-09-23，

2014-11-18

國(guó)家自然科學(xué)基金資助(31472096)

田 園(1991-)，女，山東高唐縣人，碩士生，研究方向：動(dòng)物生理生化。E-mail:tianynan22106@163.com

*[通訊作者] 方富貴(1973-)，女，安徽潛山縣人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：動(dòng)物生殖調(diào)控技術(shù)與機(jī)制。E-mail:fgfang@ahau.edu.cn

S811.6

A

1005-5228(2015)04-0006-04