表觀遺傳 缺氧作用機(jī)制的新研究

唐玉琴，淮文英，王艷秋，楊福權(quán)，張?zhí)於?/p>

（成都中醫(yī)藥大學(xué)，四川 成都 610075）

表觀遺傳 缺氧作用機(jī)制的新研究

唐玉琴，淮文英，王艷秋，楊福權(quán)，張?zhí)於?/p>

（成都中醫(yī)藥大學(xué)，四川 成都 610075）

表觀遺傳是指DNA序列不發(fā)生改變但基因表達(dá)卻發(fā)生了可遺傳的改變，已成為生命科學(xué)研究中的前沿領(lǐng)域。而缺氧在胚胎時(shí)期便可引起胎兒表觀遺傳的改變，誘發(fā)疾病的發(fā)生。為適應(yīng)缺氧環(huán)境，機(jī)體在心、肺、體、血四個(gè)層面均會(huì)產(chǎn)生明顯的抗缺氧效應(yīng)。眾所周知HIF調(diào)節(jié)缺氧，HIF激活其靶基因的轉(zhuǎn)錄確切機(jī)制仍然是不清楚的。同時(shí)，缺氧引起轉(zhuǎn)錄部分依賴(lài)后顯著降低的變化機(jī)制知之甚少。從上游基因表達(dá)過(guò)程入手，了解相關(guān)基因的表觀遺傳信息，即可通過(guò)調(diào)控這些環(huán)節(jié)，從而阻斷疾病的發(fā)生發(fā)展，就能賦予表觀遺傳一雙慧眼，自行抵抗疾病的入侵。

表觀遺傳；缺氧；綜述

1 缺氧對(duì)人體的影響

缺氧是機(jī)體生命活動(dòng)的必需物質(zhì),缺氧是指因組織的氧氣供應(yīng)不足或用氧障礙導(dǎo)致組織器官的代謝、功能以至形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生異常變化的病理過(guò)程，嚴(yán)重的可以直接引起機(jī)體死亡。為適應(yīng)缺氧環(huán)境，機(jī)體在心、肺、體、血四個(gè)層面均會(huì)產(chǎn)生明顯的抗缺氧效應(yīng),如從上游基因表達(dá)過(guò)程入手，了解相關(guān)基因的表觀遺傳信息，即可通過(guò)調(diào)控這些環(huán)節(jié)，達(dá)到防治的目的。

缺氧對(duì)機(jī)體的影響最早可始于胚胎早期。胚胎滋養(yǎng)層對(duì)基因信號(hào)和環(huán)境條件等諸如：氧分壓、營(yíng)養(yǎng)、激素等可改變絨毛滋養(yǎng)層的灌注方式，從而引起胎兒表觀遺傳的改變和妊娠病理變化[1-3]。宮內(nèi)缺氧可對(duì)胎兒大腦神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生重大的影響[4]。胚胎時(shí)期和幼年時(shí)期神經(jīng)干細(xì)胞增殖、定向分化為神經(jīng)元細(xì)胞,自身基因和環(huán)境又能介導(dǎo)神經(jīng)干細(xì)胞的增殖、分化[5]。其中，低氧誘導(dǎo)因子(HIF-1)可誘導(dǎo)多種基因表達(dá)[6]。但是，神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)缺氧最敏感,即便有HIF-1的調(diào)控,輕度缺氧也可能會(huì)引起神經(jīng)系統(tǒng)的生理功能變化和病理改變[7]。最常引起癌癥、中風(fēng)、心肌梗死和慢性腎臟病。細(xì)胞對(duì)缺氧的反應(yīng)在很大程度上依賴(lài)于基因表達(dá)的變化，HIF靶基因加強(qiáng)機(jī)體對(duì)缺氧的耐受力，細(xì)胞中的轉(zhuǎn)錄則相反。

2 缺氧對(duì)表觀遺傳的影響

1915年Wadding首次提出表觀遺傳學(xué)的概念，認(rèn)為基因型產(chǎn)生表型的過(guò)程是表觀遺傳學(xué)的研究范圍，并首次用整體觀解釋整個(gè)生命過(guò)程中遺傳物質(zhì)的表達(dá)。1987年，Holiday對(duì)“表觀遺傳”做出更詳盡的解釋“DNA序列無(wú)差異的、可遺傳的基因表達(dá)方式變化”。表觀遺傳學(xué)參與個(gè)體發(fā)育、成體的生物學(xué)進(jìn)程中基因表達(dá)的調(diào)控，這一過(guò)程受干擾可致人類(lèi)疾病的發(fā)生、發(fā)展。

組蛋白乙?；?，一個(gè)與轉(zhuǎn)錄激活密切相關(guān)的過(guò)程，發(fā)生在賴(lài)氨酸殘基定位在組蛋白N-末端的尾巴[8]。組蛋白乙?；T導(dǎo)轉(zhuǎn)錄放松的高階結(jié)構(gòu)的染色質(zhì)。此外，乙?；M蛋白產(chǎn)生的信號(hào)與蛋白質(zhì)結(jié)合，經(jīng)常出現(xiàn)內(nèi)在活動(dòng)或是帽子染色質(zhì)重塑復(fù)合物的成員，從而促進(jìn)轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)[9]。

組蛋白乙?；怯蒆ATs和HDACs的抑制活動(dòng)控制[10]。眾所周知，HDAC底物包括非組蛋白，包括一些轉(zhuǎn)錄因子和輔助因子[11]。針對(duì)組蛋白和非組蛋白，組蛋白去乙?；敢话銜?huì)抑制轉(zhuǎn)錄[11]，但有趣的是，他們可以調(diào)節(jié)HIF依賴(lài)的轉(zhuǎn)錄均陰性。結(jié)果表明，在缺氧條件下，染色質(zhì)重塑因子HIF-1αReptin與HDAC1結(jié)合，HIF的靶基因涉及到HDAC1的補(bǔ)充啟動(dòng)，HDAC4，HDAC5補(bǔ)充表達(dá)HIF靶啟動(dòng)子從HIF依賴(lài)的轉(zhuǎn)錄變得積極[12]。與此相一致，組蛋白去乙酰化酶抑制劑，在大多數(shù)情況下，促進(jìn)基因在幾個(gè)HIF靶啟動(dòng)子的轉(zhuǎn)錄的表達(dá)[13]引起抑制和血管生成HIF依賴(lài)性[14]。HDAC依賴(lài)的基因激活機(jī)制還是沒(méi)有得到很好的定義。然而，它變得越來(lái)越明顯，HIF c-tad-p300/CBP相互作用是必需的[11]?，F(xiàn)有證據(jù)表明p300/CBP和HIF的脫乙?；痆13]目標(biāo)。在這個(gè)概念中，HIF，P300與HDAC4，HDAC5或HDAC7已被報(bào)道形成多蛋白復(fù)合物[15]。這也表明，HDAC4和HDAC5促進(jìn)HIF-1與p300的關(guān)系，從而增強(qiáng)HIF靶基因的表達(dá)[15]。

缺氧反應(yīng)的表觀遺傳調(diào)控。不同的表觀遺傳機(jī)制參與缺氧反應(yīng)的基因表達(dá)不同：HIF補(bǔ)充共激活因子可增強(qiáng)HIF表達(dá)。HIF-p300/CBP的相互作用是通過(guò)抑制缺氧誘導(dǎo)HIF-1表達(dá)。HDAC4和HDAC5促進(jìn)HIF-1α和p300之間的相互作用。SWI/SNF復(fù)合物在一些HIF靶啟動(dòng)子和增強(qiáng)子改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)，從而有利于它們的表達(dá)。缺氧促進(jìn)缺氧誘導(dǎo)基因啟動(dòng)子的組蛋白甲基化狀態(tài)改變：缺氧組蛋白去甲基化酶的激活和抑制JMJD1A組蛋白去甲基化酶，分別引起H3K9me2減少和H3K4me2水平的增加，從而增強(qiáng)基因的表達(dá)。此外，缺氧增加一些HIF靶啟動(dòng)子H3K27me3和 H3K4me3的表達(dá)；在缺氧條件下，HIF1-α和Reptin的相互作用是增強(qiáng)的，導(dǎo)致一些HDAC1對(duì)HIF靶基因的補(bǔ)充，負(fù)調(diào)控轉(zhuǎn)錄；組蛋白甲基化和乙酰化狀態(tài)的變化促進(jìn)被缺氧抑制的基因。缺氧引起H3K9me2水平增高，提高H3K4me3水平并降低H3K27me3和H3K9ac水平。

組蛋白甲基化是一個(gè)嚴(yán)格的調(diào)控過(guò)程，依賴(lài)于組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶和組蛋白去甲基化酶的活性。組蛋白去甲基化酶(jhdm)誘導(dǎo)缺氧條件下趨于恢復(fù)組蛋白甲基化的動(dòng)態(tài)平衡，缺氧時(shí)，增加這些酶的表達(dá)，酶的活性降低由氧氣缺乏實(shí)現(xiàn)完全或部分地補(bǔ)償調(diào)控。一些組蛋白賴(lài)氨酸甲基化在缺氧條件下可以專(zhuān)門(mén)預(yù)防。缺氧誘導(dǎo)的組蛋白甲基化可能通過(guò)部分抑制球面的jhdms[16]，而減少了一定的缺氧應(yīng)答啟動(dòng)子[16]組蛋白甲基化。有趣的是，JMJD1A是HIF靶基因本身。Krieg和他的同事[17]建議調(diào)節(jié)HIF可能代表的JMJD1A偏愛(ài)HIF依賴(lài)的基因表達(dá)的前饋機(jī)制。他們提出，JMJD1A保持目標(biāo)啟動(dòng)子活性的表觀遺傳模式，從而最大限度地減少所需的能量支持的表達(dá)。具體調(diào)控僅僅是一部分，而不是所有的缺氧誘導(dǎo)基因啟動(dòng)子的特異性機(jī)制。JMJD1A表明更多的考慮差異基因的誘導(dǎo),其他jhdms也參與具體的低氧反應(yīng)基因的激活。需要進(jìn)一步的研究來(lái)確定這是否是事實(shí)。

雖然取得了對(duì)jhdm誘導(dǎo)缺氧條件下的詳細(xì)研究，這一類(lèi)酶在缺氧需要進(jìn)行單個(gè)或者多個(gè)JHDMS的RNA干擾沉默實(shí)驗(yàn)靶向作用研究或多個(gè)jhdms響應(yīng)的生物學(xué)作用。在缺氧表觀調(diào)節(jié)中，組蛋白的修飾及有關(guān)酶引起的染色質(zhì)重塑也起到了關(guān)鍵作用[18-19]。缺氧引起組蛋白乙?；?，已成為阿爾茲海默病和多動(dòng)癥的一個(gè)高度疑似病因。

總之，缺氧誘導(dǎo)廣泛的組蛋白修飾，通常與轉(zhuǎn)錄或轉(zhuǎn)錄激活有關(guān)。雖然需要更多的研究，充分了解其生物學(xué)作用，以及識(shí)別酶和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，但現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始更精確地定義了這些改變。它將整體評(píng)估缺氧對(duì)表觀遺傳造成的改變。在缺氧條件下SWI/SNF是HIF-1α補(bǔ)充的基因啟動(dòng)子，這是HIF-1αmRNA的表達(dá)要求。SWI/SNF水平的調(diào)控可以說(shuō)明HIF依賴(lài)性反應(yīng)對(duì)缺氧的深刻影響[20]。

約翰遜等分析缺氧誘導(dǎo)基因啟動(dòng)子區(qū)的表觀遺傳變化在低氧下激活或抑制[16]。對(duì)HIF靶基因VEGF低氧誘導(dǎo)EGR1、H3K9ac和H3K4me3水平顯著增加和H3K27me3啟動(dòng)子水平降低，三者與轉(zhuǎn)錄活性位點(diǎn)通常相同或類(lèi)似的表觀遺傳變化也被觀察到缺氧誘導(dǎo)基因啟動(dòng)子的EPO，HMOX1和DAF[21-22]。缺氧感應(yīng)的H3K4me3似乎依賴(lài)組蛋白去甲基化酶脫甲基酶的抑制作用。

現(xiàn)有證據(jù)表明，H3K9me2增加部分是由缺氧誘導(dǎo)的G9A甲基轉(zhuǎn)移酶依賴(lài)的支持。在i缺氧水平，H3K9me2[17]誘導(dǎo)某些基因的啟動(dòng)子也增加。需要進(jìn)一步的研究來(lái)評(píng)估缺氧誘導(dǎo)的表觀遺傳改變生物的結(jié)果。

為了激活基因的轉(zhuǎn)錄，HIF一系列特定基因的共同因素或甲基化組蛋白乙?；?，或改變?nèi)旧|(zhì)的結(jié)構(gòu)。另一方面，缺氧刺激誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄的抑制，可能通過(guò)支持整體的染色質(zhì)變化。因此，似乎在基因的表觀遺傳機(jī)制規(guī)律的研究，缺氧扮演雙重角色，控制HIF靶基因的誘導(dǎo)和通用轉(zhuǎn)錄下調(diào)。

除了HIF-1依賴(lài)調(diào)節(jié)，其他幾個(gè)因素和途徑已被證明調(diào)節(jié)p300/CBP和HIF-α亞基之間在缺氧時(shí)的相互作用受到阻礙。這些因素包括正性調(diào)節(jié)因子，如酪蛋白激酶II和絲裂原活化蛋白激酶（MAPK），以及負(fù)性調(diào)節(jié)因子：CITED2和CITED4。雖然p300/CBP已被證明是調(diào)節(jié)HIF依賴(lài)性指示器和幾個(gè)HIF靶基因表達(dá)[23]，以及顯示的組蛋白活性及HIF靶啟動(dòng)子[21]。這些因素的通則在HIF依賴(lài)性轉(zhuǎn)錄尚未得到證實(shí)，這個(gè)領(lǐng)域有基因特異性，只對(duì)部分基因是必不可少的。

除了啟動(dòng)子的特異性染色體改變，缺氧表明整體表觀遺傳學(xué)改變[16,22]細(xì)胞。一些研究小組已經(jīng)表明，乙酰化和甲基化整體分布的H3和H4[16,24]和甲基化的DNA[25]對(duì)氧敏感。值得注意的是，在缺氧誘導(dǎo)的整體表觀遺傳學(xué)改變，組蛋白翻譯后修飾通常是轉(zhuǎn)錄抑制或激活。

它已經(jīng)表明，缺氧引起基因轉(zhuǎn)錄[16]普遍減少。然而，它仍然被確定在何種程度上整體表觀遺傳學(xué)的改變?cè)谌毖鯐r(shí)占整體基因表達(dá)的情況。約翰遜和他的同事們[16]已經(jīng)確定，HEPA 1–6細(xì)胞在低氧減少約50%。這在mRNA合成的組蛋白修飾相關(guān)數(shù)急劇減少，這不僅引起轉(zhuǎn)錄抑制，但也導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)。同樣，作為一個(gè)特定的組蛋白標(biāo)記可以促進(jìn)不同的，甚至相反的生物學(xué)效應(yīng)，它不能被排除，這些“積極”的組蛋白標(biāo)記在缺氧誘導(dǎo)的特殊的生理和表觀遺傳整體背景下，可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)機(jī)體缺氧時(shí)，常導(dǎo)致HIF活化,進(jìn)而誘導(dǎo)VEGF和EPO等100多種基因的轉(zhuǎn)錄，但也同時(shí)伴有一般轉(zhuǎn)錄因子大幅度下降。對(duì)此有學(xué)者認(rèn)為[26]，缺氧引起的基因表達(dá)改變，不都與HIF聯(lián)系，表觀修飾可參與其中，表觀機(jī)制在缺氧時(shí)起到了雙向調(diào)節(jié)作用，即可上調(diào)HIF控制的靶基因，又可下調(diào)一般轉(zhuǎn)錄因子。具體機(jī)理還有待進(jìn)一步發(fā)掘。

表觀遺傳學(xué)不僅對(duì)生命科學(xué)研究有重要意義，還提供了理解遺傳和進(jìn)化的新觀點(diǎn)。缺氧對(duì)人體生長(zhǎng)發(fā)育有嚴(yán)重影響，對(duì)胎兒早期神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育影響尤為明顯，通過(guò)表觀遺傳作用使其基因表達(dá)狀態(tài)發(fā)生可遺傳性的改變。缺氧對(duì)表觀遺傳影響的研究還很有限，且有相互矛盾的結(jié)果。我們可以從上游基因表達(dá)過(guò)程入手，了解相關(guān)基因的表觀遺傳信息，確立缺氧標(biāo)志Marker及臨床干預(yù)藥物，將有利于胎兒缺氧的早期預(yù)報(bào)，從而阻斷疾病的發(fā)生發(fā)展。開(kāi)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(lèi)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。

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Epigenetics a new study on the mechanism of hypoxia

Tang Yu-qin,Huai Wen-ying,Wang Yan-qiu,Yang Fu-quan,Zhang Tian-e
(Chengdu university of traditional Chinese medicine,Chengdu,Sichuan,610075,China)

Epigenetics which has become the frontier of life science research refers to the gene expression has undergone genetic changes without DNA sequence changing.During the embryonic period,Hypoxia can cause fetal Epigenetic changes,even cause disease.In order to adapt to the hypoxia environment,the body would produce obvious anti-hypoxia effect in four levels:the heart,the lung,the body and the blood.The most ideal state is to start from the upstream gene expression process:knowing about Epigenetics information of genes can regulate these links to interrupt the occurrence and development of the disease,which will be able to give a pair of eye to Hypoxia and help resisting the invasion of the disease.

Epigenetic;Hypoxia;Review

10.3969/j.issn.1009-4393.2017.15.089

四川省科技支撐計(jì)劃（2013FZ00101)

張?zhí)於穑珽-mail：1153615912@qq.com