印記基因與胎兒生長發(fā)育關(guān)系的研究進(jìn)展

許敏，呂述彥

(南京醫(yī)科大學(xué)附屬淮安第一醫(yī)院，江蘇淮安223300)

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印記基因與胎兒生長發(fā)育關(guān)系的研究進(jìn)展

許敏，呂述彥

(南京醫(yī)科大學(xué)附屬淮安第一醫(yī)院，江蘇淮安223300)

摘要：基因組印記是種表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象，通過沉默親本一方的等位基因，導(dǎo)致單等位基因表達(dá)。印記主要存在于哺乳動物胎盤中，平衡親本向下一代的資源分配。因此，遺傳和表觀遺傳損害導(dǎo)致的特定基因的劑量改變可以導(dǎo)致多種發(fā)育疾病，這些疾病通常與胎兒生長和神經(jīng)系統(tǒng)異常有關(guān)。常見的印記基因有H19、胰島素樣生長因子2(IGF2)、生長因子受體結(jié)合蛋白10(GRB10)、δ樣蛋白1同源物(DLK1)。印記基因不僅影響胎兒出生前的發(fā)育和胎盤起源，在胎兒出生后同樣發(fā)揮重要作用。

關(guān)鍵詞：印記基因；胎兒；胎盤

基因組印記是種表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象，通過沉默親本一方的等位基因，導(dǎo)致單等位基因的表達(dá)。胎兒生長受限(FGR)顯著增加圍生期圍產(chǎn)兒的死亡率，且易導(dǎo)致成人時期心血管疾病和糖尿病的發(fā)生。FGR的發(fā)生與多種因素有關(guān)，如感染、染色體異常等。遺傳和表觀遺傳損害導(dǎo)致的特定基因的劑量改變可以導(dǎo)致多種發(fā)育疾病，這些疾病通常與胎兒生長有關(guān)。近年來，許多研究發(fā)現(xiàn)印記基因不僅影響胎兒出生前的發(fā)育和胎盤起源，在胎兒出生后同樣發(fā)揮重要作用。本文綜述了與生長發(fā)育相關(guān)的印記基因，旨在揭示印記基因與生長發(fā)育的相關(guān)性，從而更為有效地預(yù)防及治療生長發(fā)育相關(guān)疾病，更好地改善妊娠結(jié)局和圍產(chǎn)兒的預(yù)后。

1基因組印記

基因組印記是基因組學(xué)的一種表觀遺傳修飾過程，是指根據(jù)其親本來源沉默一個等位基因，使其單等位基因表達(dá)，而不發(fā)生DNA序列的改變。基因組印記主要發(fā)生在哺乳動物中，胎盤是印記調(diào)控的主要部位。印記基因的起源有兩種理論：親屬理論和相互適應(yīng)理論。親屬理論或親本“沖突理論”認(rèn)為印記可能是親本雙方基因組對母方的營養(yǎng)供給進(jìn)行競爭造成的結(jié)果。父方的基因組從母方獲得營養(yǎng)促進(jìn)胎兒生長，母方基因組則限制對后代的供給，以保證自己存活和后代間的營養(yǎng)均衡[1]。雙方都是為了使攜帶有自身基因的后代能夠最大化的存活。沖突理論能夠解釋小鼠中敲除父系表達(dá)基因胰島素樣生長因子2(IGF2)、中胚層特異轉(zhuǎn)錄基因(Mest)后胎兒生長受限(FGR)和敲除母系表達(dá)基因胰島素樣生長因子2受體(IGF2R)、H19和生長因子受體結(jié)合蛋白10(GRB10)后小鼠過度增長[2]的發(fā)生。

相互適應(yīng)理論認(rèn)為,印記基因通過相互適應(yīng)以達(dá)到胎兒生長發(fā)育和營養(yǎng)攝取的最大化。相互適應(yīng)理論可以解釋一部分在胎盤和下丘腦表達(dá)的父系基因。哺乳動物在發(fā)育過程中，胎兒、胎盤和母親的下丘腦發(fā)生復(fù)雜的相互作用，并影響胎兒生長、腦部發(fā)育、圍生期母體營養(yǎng)供給和產(chǎn)后護(hù)理。父系表達(dá)基因3(Peg3)即是該理論適用的一個例子[3]。

1.1印記基因簇對小鼠的研究得知印記基因中80%以上都是成簇存在的。至少有13簇集中在8條染色體上，這些簇包含2~15個基因，大小從幾個堿基對到100 kb不等[4]。基因簇既包含母系和父系表達(dá)的基因，也包括編碼和不編碼蛋白的RNA。除了GRB10不同時期不同親本表達(dá)外(胚胎發(fā)育期間母系表達(dá)，出生后腦內(nèi)父系表達(dá))，其他印記基因均只呈母系或父系一種親本表達(dá)。小鼠中代表性的印記基因簇有鳥嘌呤核苷酸結(jié)合蛋白α刺激素基因簇、核內(nèi)小分子核糖核蛋白N簇。

1.2印記控制區(qū)域單個簇內(nèi)的印記基因受印記控制區(qū)域(ICR)的原位調(diào)控[4]，該區(qū)域表現(xiàn)出親本等位基因特異性的甲基化和染色質(zhì)修飾。ICR的甲基化在父方或母方生殖細(xì)胞內(nèi)通過轉(zhuǎn)錄獲得。ICR非甲基化時激活，甲基化時失活。非甲基化的ICR調(diào)控印記基因表達(dá)的機制涉及長鏈非編碼RNA(lncRNA)和絕緣體兩種模式。lncRNA沉默印記基因是個研究熱點，有研究表明lncRNA的產(chǎn)物[5]和lncRNA的轉(zhuǎn)錄[6]均參與沉默印記基因的表達(dá)。絕緣體模式適用于IGF2-H19簇，激活的ICR通過綁定鋅指蛋白CCCTC結(jié)合因子(CTCF)形成絕緣體，阻斷下游增強子到IGF2啟動子之間的通路，繼而沉默IGF2。

2印記基因與胎兒生長

FGR影響全球3%~8%的妊娠。盡管多數(shù)FGR的嬰兒會追趕性生長，但宮內(nèi)生長不良伴隨兒童期加速生長會增加對許多成人期疾病的易感性，如2型糖尿病、高血壓、冠心病等。印記基因?qū)μ荷L發(fā)育至關(guān)重要，如前文所述，多數(shù)母系基因抑制胎兒生長、父系基因促進(jìn)胎兒生長。來自父系的多形性腺癌基因樣1(PLAGL1)，有鋅指蛋白的作用，敲除PLAGL1的小鼠表現(xiàn)為FGR、骨形成不良。人類則表現(xiàn)為新生兒暫時性糖尿病[7]。來自母系的普列克底物同源域家族A成員2基因(PHLDA2)在FGR和低出生體質(zhì)量兒中顯著高表達(dá)，其啟動區(qū)變異與體質(zhì)量明顯相關(guān)；敲除PHLDA2的小鼠則表現(xiàn)為胎盤過度生長。

2.1H19/IGF2胰島素(INS)/IGF生長因子軸包括INS，胰島素樣生長因子1(IGF1)，IGF2及相應(yīng)的受體IR，IGF1R、IGF2R和6個綁定蛋白IGFBP1、IGFBP2、IGFBP3、IGFBP4、IGFBP5、IGFBP6, 對胎兒生長有內(nèi)分泌調(diào)控因子的作用。IGF2R位于染色體6q25.3，只在10%的人類胎盤和絨毛膜中表現(xiàn)為母系表達(dá)。IGF2R的主要功能是溶酶體靶向降解IGF2，抑制生長。IGF2和H19位于人類染色體11p15上，是研究最多的印記基因簇，其印記由ICR1的甲基化狀態(tài)決定。大約50%銀羅素綜合征(SRS)生長受限的表型與ICR1的甲基化丟失有關(guān)。如上所述，絕緣體模式參與IGF2-H19簇的印記。

H19/IGF2與SRS、韋-伯綜合征有關(guān)。H19的外顯子編碼兩種微小RNA(miRNA)：miR-675-3p和miR-675-5p。Keniry等[8]發(fā)現(xiàn)，H19敲除后胎盤miR-675增多，過表達(dá)miR-675后細(xì)胞增殖降低。MiR-675也受壓力反應(yīng)性RNA結(jié)合蛋白HuR的動態(tài)調(diào)控。Moore等[2]發(fā)現(xiàn)，早期絨毛中IGF2、IGF2R和IGF2/IGF2R與頂臀長及體質(zhì)量明顯相關(guān)，足月胎盤中不相關(guān)。因此，H19可能通過miR-675調(diào)控妊娠早期的胎兒生長和胎盤發(fā)育，并能對細(xì)胞應(yīng)激和腫瘤信號作出反應(yīng)。CTCF是個高度保守的鋅指蛋白，是基因組空間結(jié)構(gòu)的主要組織者，參與多種基因調(diào)控過程。許多研究表明，CTCF通過組織IGF2和H19基因座上的染色質(zhì)調(diào)控IGF2和H19。Liu等[9]通過酵母雙雜交和共沉淀實驗發(fā)現(xiàn)，RNA結(jié)合蛋白vigili能夠與CTCF相互作用從而調(diào)控IGF2和H19的表達(dá)。敲除vigili并不影響CTCF的結(jié)合，而敲除CTCF能夠明顯減少vigili與H19 ICR的綁定。在多種細(xì)胞系中過表達(dá)vigili 均能夠顯著下調(diào)IGF2、上調(diào)H19表達(dá)，敲除vigili 能夠明顯上調(diào)IGF2、降低H19表達(dá)。該研究表明CTCF-vigili復(fù)合體參與IGF2/H19的調(diào)控。

2.2GRB10GRB10位于人類染色體7q12的印記區(qū)域。FGR是SRS的特征性表型之一，SRS發(fā)生FGR的原因可以是母系基因的過表達(dá)，也可以是父系基因的丟失。GRB10編碼一種生長因子受體結(jié)合蛋白，該蛋白可與多種胞內(nèi)信號分子，特別是能夠與受體酪氨酸激酶和mTOR[10]相互作用，共同調(diào)控胎兒生長。GRB10的印記具有種型和組織特異性，它在人類大多數(shù)組織中表現(xiàn)出雙等位基因表達(dá)，在腦內(nèi)表現(xiàn)出種型特異性的父系表達(dá)，在胎盤絨毛滋養(yǎng)層則限于母系表達(dá)；在小鼠，GRB10在腦內(nèi)呈父系表達(dá)，在其他組織中則呈母系表達(dá)。這與IGF2相反，IGF2在小鼠腦內(nèi)呈母系表達(dá)，在其他組織中呈父系表達(dá)[11]。因此，一個基因可通過不同親本的組織特異性表達(dá)來實現(xiàn)多種功能，這也反映了印記的適應(yīng)能力。

Moore等[2]發(fā)現(xiàn)，GRB10的表達(dá)與頭圍明顯負(fù)相關(guān)，與胎兒、胎盤體質(zhì)量不相關(guān)。 Cowley等[12]發(fā)現(xiàn)，GRB10是小鼠中影響發(fā)育的關(guān)鍵基因，可作為中介調(diào)節(jié)小鼠出生后的營養(yǎng)供給與需求。母親體內(nèi)的GRB10控制供給，后代體內(nèi)的GRB10控制需求，共同調(diào)節(jié)后代生長。GRB10還能夠決定發(fā)育中瘦肉與脂肪的比例，影響成年的能量穩(wěn)態(tài)。

2.3PHLDA2PHLDA2基因位于染色體11p15.5上，含有兩個外顯子和一個內(nèi)含子，受印記控制區(qū)域2(IC2或KvDMR1)調(diào)控。母系表達(dá)的印記基因PHLDA2，能夠編碼普列克底物同源域家族A成員2蛋白，該蛋白內(nèi)含一個高度保守的底物同源(PH)區(qū)域。PHLDA2的PH區(qū)域能夠與PIPs結(jié)合，參與胞內(nèi)運輸、細(xì)胞信號傳導(dǎo)和胞膜與細(xì)胞骨架之間的相互作用。PHLDA2在人類胎盤中高表達(dá)，且主要集中在細(xì)胞滋養(yǎng)層。多個研究均證實，PHLDA2表達(dá)升高與FGR有關(guān)[13,14]。有研究表明，PHLDA2在絨毛中與體質(zhì)量不相關(guān)，而在足月胎盤中呈負(fù)相關(guān)[15]，有后期生長效應(yīng)的作用。PHLDA2敲除后小鼠胎盤變大，且PHLDA2對胎盤的作用不受IGF2通路或同一簇內(nèi)其他印記基因的影響。外源性轉(zhuǎn)入PHLDA2基因后，小鼠胎盤萎縮，同時胎兒體質(zhì)量降低[16]。利用小鼠模型，Jensen等[17]認(rèn)為，PHLDA2在胎盤中的高表達(dá)不是FGR的結(jié)果而是導(dǎo)致FGR的原因之一。PHLDA2可能是通過對胎兒的直接效應(yīng)或是影響胎盤發(fā)育實現(xiàn)胎兒生長的負(fù)調(diào)控的。而胎兒生長不僅受限于胎盤的生長發(fā)育，也可能取決于胎盤中印記基因?qū)I養(yǎng)運輸?shù)恼{(diào)控，還可能受胎盤糖原儲備減少的影響。

2.4DLK1DLK1(亦名為PREF1或FA1)是位于人類染色體14q32印記簇的父系表達(dá)的印記基因，距離母系表達(dá)的非編碼RNA基因母系表達(dá)3(MEG3，也稱為GTL2)相隔僅90 kb。DLK1編碼帶有6個表皮生長因子樣受體的跨膜糖蛋白，參與脂肪形成。敲除GRB10的小鼠表現(xiàn)出高圍生期致死率及產(chǎn)前、產(chǎn)后生長受限。DLK1和GRB10作用的拮抗性使得Madon-Simon等[18]提出DLK1和GRB10可能是哺乳動物調(diào)控生長并獨立于IGF通路的另一個軸。這是繼IGF2和IGF2R之后，第二對有拮抗功能的印記基因。GRB10在胰島細(xì)胞中高表達(dá)，并參與胰島β細(xì)胞分化。DLK1-MEG3印記區(qū)域被認(rèn)為是T1D的易感區(qū)域，父系遺傳的G等位基因的rs941576 SNP位點與T1D風(fēng)險降低有關(guān)[2]。DLK1-脫碘酶類型3(Dio3)印記區(qū)域內(nèi)含3個父系表達(dá)的印記基因DLK1，逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子1(Rtl1)、Dio3和幾個非編碼轉(zhuǎn)錄本，包括Gtl2、很多核內(nèi)小RNA和miRNA。這些miRNA基因被分為兩類，來自Rtl1轉(zhuǎn)錄本反義鏈的miR-127/miR-136簇和miR-379/miR-410簇(在人類也稱為C14MC)。miR-127/miR-136簇通過siRNA樣機制沉默父系表達(dá)的Rtl1；C14MC在哺乳動物出生時的代謝轉(zhuǎn)變中發(fā)揮重要作用[19]。

3展望

基因組印記通過沉默一方親本的等位基因，使得單等位基因表達(dá)，調(diào)控生長發(fā)育。胎兒宮內(nèi)生長不良或生長過度將增加圍生期發(fā)病率和致死率，也提高了成年期的患病風(fēng)險。從基因水平發(fā)現(xiàn)調(diào)控胎兒生長的基因?qū)樘簩m內(nèi)生長調(diào)控提供更為精確的監(jiān)測手段，進(jìn)一步優(yōu)化妊娠結(jié)局。

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(收稿日期：2015-06-25)

中圖分類號：R596

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-266X(2016)01-0102-03

doi：10.3969/j.issn.1002-266X.2016.01.040