印記基因在個(gè)體發(fā)展中的調(diào)控機(jī)制（綜述）

肖　琳，楊海平，鄧先強(qiáng)

（肇慶學(xué)院 體育與健康學(xué)院，廣東 肇慶　526061）

哺乳動(dòng)物繼承2套染色體，分別來自父親和母親.對(duì)于每個(gè)基因，都有2個(gè)復(fù)制體.大多數(shù)基因的2個(gè)等位基因根據(jù)細(xì)胞類型分為表達(dá)基因和抑制基因.印記基因成串分布于基因組中，這些印記基因有1個(gè)離散的印記控制區(qū)域(ICR)來管理印記表達(dá)和父母等位基因的特異性標(biāo)記，如DNA甲基化和翻譯后組蛋白的修飾.印記基因和印記機(jī)制在老鼠和人類之間具有極高的相似性，研究人員已經(jīng)使用實(shí)驗(yàn)小鼠模型和人類遺傳疾病研究進(jìn)行基因印記領(lǐng)域的探究.印記基因一般位于3-12基因簇，遍布于20 kb-3.7 Mb的DNA，也有實(shí)例表明單個(gè)印記基因的存在.[1]來自母源和父源的表達(dá)印記基因具有調(diào)控編碼蛋白質(zhì)和非編碼RNA的作用.在過去的25年里很多研究一直圍繞著基因的鑒別和印記基因表達(dá)的機(jī)制展開，這些研究表明，少量表現(xiàn)出印記表達(dá)的基因?qū)Σ溉閯?dòng)物的生長發(fā)育有很大的影響.現(xiàn)在，更多的印記基因被發(fā)現(xiàn)并被證實(shí)對(duì)眾多不同的過程產(chǎn)生影響，包括胎兒生長的多能性、分化和表型.本文旨在綜述印記基因調(diào)控機(jī)制和印記基因在不同發(fā)展階段的不同作用，并詳細(xì)闡述近期證實(shí)其功能重要性的研究.

1　印記基因的發(fā)生、維持和消除機(jī)制

1）印記基因的建立.1991年首次證實(shí)的印記基因（IGF2R、IGF2和H19）引發(fā)了對(duì)于印記建立、印記維持、印記擦除機(jī)制的闡釋，這些機(jī)制共同控制著基因印記的時(shí)間和位置.印記控制區(qū)域的等位基因特異性DNA甲基化，是受精后賦予親本特異性的最合理的解釋.此外，配子形成期母源和父源基因處于分裂期能夠被獨(dú)立修飾，在此期間親本基因組能夠被區(qū)分開促使研究者分析其甲基化，這使得親本特異性印記的假說得到加強(qiáng).它最先表明H19/IGF2印記控制區(qū)域父本特異性甲基化在雄性性原細(xì)胞形成到減數(shù)分裂時(shí)期之前.[2]相比之下，母源特異性印記控制區(qū)域甲基化發(fā)生在卵母細(xì)胞形成之后,在此期間不同的印記控制區(qū)域在不同的時(shí)間段內(nèi)發(fā)生不同的甲基化.[3]在這2種生殖細(xì)胞中，DNA的甲基化是通過DNA甲基轉(zhuǎn)移酶3A(DNMT3A)和輔助蛋白DNMT3L來完成.[4]

2）印記基因的維持.受精后，盡管存在大范圍的基因重組和DNA去甲基化,但此時(shí)親本特異性印記必須維持.研究發(fā)現(xiàn)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶DNMT1在其中起維持作用，DNMT1可以通過甲基化新形成的DNA鏈，在受精后的重新編碼中，可能通過反式作用因子來識(shí)別獨(dú)特的順式作用序列，為特異性印記提供保護(hù).此外，鋅指蛋白57(ZFP57)在調(diào)節(jié)印記基因中扮演著更特殊的作用.在胚胎早期，有可能是因?yàn)槠渌形床槊鞯牡鞍自贗CR中維持DNA甲基化的作用.

3）印記基因的消除.最后，為完成印記周期，原始生殖細(xì)胞(PGCs)雙親的軀體模式印記被擦除.印記丟失包括一系列的主動(dòng)丟失和被動(dòng)丟失，涉及10-11易位酶(Tet)家族的甲基胞嘧啶雙加氧酶，它有催化氧化5-甲基胞嘧啶成為5-羥甲基胞嘧啶以及DNA修復(fù)的作用.[5]此外，在原始生殖細(xì)胞中，由DNMT1維持的新復(fù)制DNA的甲基化受到抑制，可能與表觀遺傳學(xué)因子UHRF1的抑制有關(guān)，UHRF1是招募DNMT1必不可少的一個(gè)因子.

2　印記基因調(diào)節(jié)機(jī)制研究

2個(gè)已知的印記基因調(diào)控機(jī)制已被證實(shí)：絕緣子模型和ncRNA模型.[6]在絕緣子模型中，母源等位基因ICR未甲基化，被絕緣子蛋白CCCTC結(jié)合因子CTCF阻斷.父源等位基因高甲基化使得CTCF無法結(jié)合，絕緣子無法形成.因此，IGF2基因被下游共享的增強(qiáng)子激活.在這個(gè)模型中，ICR表觀遺傳決定了位點(diǎn)的表達(dá)模式.另一個(gè)主要印記模型是ncRNA模型被運(yùn)用在許多位點(diǎn)上，包括IGF2R/Airn和Kcnq1/Kcnq1ot1.在這種情況下，長ncRNA的啟動(dòng)子位于ICR.父源等位基因ICR未甲基化，因此可以允許ncRNA表達(dá)，在順式區(qū)域中這反而會(huì)使其他基因沉默.這種機(jī)制來源可能是通過吸引抑制染色質(zhì)信號(hào)的組分或通過阻止RNA聚合酶II在啟動(dòng)子上集結(jié)來形成.母源等位基因相對(duì)基因ICR甲基化導(dǎo)致ncRNA沉默，因此允許近端基因激活.在這種情況下，長ncRNAs的作用是促進(jìn)相鄰基因的沉默.

2.1　印記基因?qū)ε咛ドL發(fā)育的調(diào)節(jié)

單系老鼠胚胎發(fā)育受限的研究證實(shí)印記基因是生長發(fā)育所必須的.在老鼠身上，單系胚胎可以通過受精卵原核細(xì)胞核的移植產(chǎn)生，但雄核胚胎(來自2個(gè)父源原核)和雌核胚胎(來自2個(gè)母源原核)缺乏胚胎及胚胎外的組織，[7]說明印記基因在早期生長具有重要的作用.

關(guān)于印記基因調(diào)節(jié)生長，研究最充分的是父系表達(dá)IGF2基因，它是胎兒生長的正調(diào)節(jié)基因，而IGF2雙等位基因不恰當(dāng)?shù)谋磉_(dá)導(dǎo)致胚胎廣泛增生或生長受限，[8]但母源表達(dá)的印記基因IGF2R可以使IGF2對(duì)胎兒生長的作用無效.IGF2R突變與過度生長和胚胎死亡相關(guān)，但在IGF2失效的情況下這2種表型不會(huì)發(fā)生.另一個(gè)對(duì)于胚胎發(fā)育起到廣泛促進(jìn)作用的是GRB10，其具有重要的生長調(diào)節(jié)作用，在大多數(shù)小鼠組織中母系表達(dá).和IGF2一樣，GRB10對(duì)生長的調(diào)控作用可能是通過胰島素信號(hào)通路，結(jié)合胰島素受體和胰島素樣受體IGF1R和IGF2R，且最近的研究也表明，GRB10是哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白mTOR的底物，通過mTOR介導(dǎo)的磷酸化和GRB10的穩(wěn)定導(dǎo)致胰島素信號(hào)降低.[9]

雖然IGF2、IGF2R、H19和GRB10對(duì)調(diào)節(jié)生長、控制通路有重要作用，但還有許多其他印記基因影響胚胎的生長是通過其他機(jī)制進(jìn)行的.研究表明，一些印記基因，包括PEG1（MEST）、GTL2（MEG3）、CDKN1C、PLAGLl1和DLK1，在多種組織中相互協(xié)調(diào)，與IGF2和GRB10在“印記基因網(wǎng)”中共同調(diào)節(jié)生長.[10]轉(zhuǎn)錄因子ZAC1(Plagl1)是父系表達(dá)的印記基因，它已被證實(shí)在印記基因網(wǎng)中改變其表達(dá)，敲除該基因可導(dǎo)致小鼠宮內(nèi)生長受限和新生小鼠死亡.此外ZAC1改變多個(gè)印記基因的表達(dá)，包括Cdkn1c和Dlk1，它通過結(jié)合其增強(qiáng)子來直接調(diào)節(jié)H19/IGF2.此外，H19集結(jié)MBD1有可能是反式印記基因網(wǎng)的調(diào)控因子.最后，BMI1是核心蛋白復(fù)合體1(PRC1)中的一員，在印記基因網(wǎng)絡(luò)中也與其他印記基因的表達(dá)有關(guān).[11]

盡管之前印記基因的研究運(yùn)用的都是老鼠模型，在胚胎發(fā)育中印記異常導(dǎo)致的多種臨床表型在人類中也是顯而易見的.例如，貝克維斯-威德曼綜合癥（BWS）是一種先天過度生長的疾病，其與第11號(hào)染色體上印記基因相鄰簇的基因缺陷有關(guān).貝克維斯-威德曼綜合癥患者一般在出生前就已發(fā)生過度生長，出生之后可能發(fā)生新生兒低血糖，并伴隨有巨舌、內(nèi)臟腫大、半邊肥大等病癥.這種綜合癥大部分是由于KCNQ1OT1基因長ncRNA ICR甲基化的缺失引起的.這種甲基化的缺失導(dǎo)致ncRNA的雙等位基因的表達(dá)，而通過KCNQ1OT1的調(diào)節(jié)對(duì)蛋白編碼基因產(chǎn)生順勢(shì)作用抑制.與BWS表型有關(guān)的蛋白編碼基因CDKN1C，其編碼蛋白質(zhì)充當(dāng)細(xì)胞周期抑制劑和生長調(diào)節(jié)閥，CDKN1C的缺失或突變都會(huì)導(dǎo)致過度生長.[12]相比BWS，銀羅素綜合癥（SRS）使嬰兒在胎齡期長得很小，隨后表現(xiàn)出侏儒癥癥狀.SRS與H19/IGF2 ICR低甲基化高度相關(guān)，這導(dǎo)致H19雙等位基因的表達(dá)和IGF2雙等位基因的抑制.[13]BWS和SRS都與不對(duì)稱生長和各種有害的表型相關(guān)，這表明這些印記基因在與生長相關(guān)的生物進(jìn)程中具有至關(guān)重要的作用.

2.2　印記基因?qū)Υ竽X與神經(jīng)發(fā)育的影響

印記基因在哺乳動(dòng)物大腦的發(fā)育過程中同樣具有特別重要和極其復(fù)雜的作用.這在研究單性生殖（PG，類似于雌核胚胎但由受精卵而來）和雄激素細(xì)胞（AG，只存在父系）在嵌合胚發(fā)育過程中對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的作用中表現(xiàn)得尤為明顯.PG和AG細(xì)胞在嵌合體大腦發(fā)育中僅有很少的作用，PG嵌合體具有較大的大腦和較小的身體，而AG嵌合體具有較小的大腦，但更大的身體.此外，PG和AG細(xì)胞對(duì)于大腦分區(qū)有影響，PG細(xì)胞在新皮質(zhì)中更加普遍，而AG細(xì)胞在前視區(qū)和下丘腦更為普遍.這表明母源和父源基因組在神經(jīng)元發(fā)育中具有不同的作用，這取決于他們中的許多關(guān)鍵印記基因及其調(diào)節(jié)功能.

許多印記基因在大腦中的表達(dá)模式和功能與在其他組織中是不同的.研究最充分的是UBE3A，其在大多數(shù)組織中雙等位基因表達(dá)而在某些特定的神經(jīng)元亞型中只有母源性表達(dá).母源UBE3A缺陷導(dǎo)致天使綜合征AS，AS是一種與認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)障礙有關(guān)的神經(jīng)發(fā)育障礙性遺傳病.[14]UBE3A是泛素連接酶，它可使靶蛋白降解.在體外培養(yǎng)中，UBE3A已被證明是泛素化蛋白質(zhì)，對(duì)細(xì)胞周期調(diào)控有重要作用,如P53(TRP53)、HHR23A(RAD23A)和MGMT.[15]UBE3A一種存在于神經(jīng)突觸中的蛋白，同樣被證明可以泛化ARC，其對(duì)于神經(jīng)可塑性非常重要的谷氨酸受體內(nèi)在化有促進(jìn)作用.敲除小鼠UBE3A，大腦凍融物ARC和P53水平提高，這證明了UBE3A在神經(jīng)元中具有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)水平的作用.

其他顯示大腦特異性表達(dá)模式的印記基因有助于大腦的高復(fù)雜性細(xì)胞類型的建立.PEG3是一個(gè)父系表達(dá)基因，通過與P53和促凋亡因子rBAX的相互作用控制神經(jīng)元中的凋亡.[16]父源PEG3的缺失導(dǎo)致了新生兒特定大腦區(qū)域細(xì)胞凋亡的增加.這種凋亡最終使催產(chǎn)素分泌神經(jīng)元總數(shù)減少，掩蓋大腦不同區(qū)域細(xì)胞凋亡導(dǎo)致的性別特異性差異，這些區(qū)域涉及性行為，嗅覺和信息處理.另一個(gè)影響特異性神經(jīng)元亞型的印記基因是父源表達(dá)的NDN基因，它可以編碼一種蛋白質(zhì)使其與P53以及多種生長因子相互作用從而影響神經(jīng)元的分化和生長.[17]NDN突變的小鼠表現(xiàn)出下丘腦神經(jīng)元密度的減少以及在軸突擴(kuò)展上的形態(tài)異常，此外，大量的下丘腦功能障礙在普拉德-威利綜合征(PWS)上表現(xiàn)很明顯.[18]因此，NDN突變，以及在其他具有相同印記簇的基因，包括SNRPN和核仁小RNAs突變均與PWS有關(guān).

3　印記基因?qū)Ω杉?xì)胞的作用

最近發(fā)現(xiàn)印記基因?qū)Ω杉?xì)胞具有至關(guān)重要的作用，相關(guān)研究涉及到胚胎干細(xì)胞(ESCs)、誘導(dǎo)性多功能干細(xì)胞(iPSCs)和成人干細(xì)胞.

不管這些細(xì)胞將來是否被用于研究基礎(chǔ)發(fā)育過程或人類治療，一個(gè)適當(dāng)?shù)挠∮洏?biāo)準(zhǔn)是必不可少的.印記丟失(LOI)不僅可以導(dǎo)致前面提到的早期生長發(fā)育障礙，而且與細(xì)胞轉(zhuǎn)化和癌癥也高度相關(guān).許多印記基因，包括H19、PEG1、PEG3是已知的腫瘤抑制基因.[19]此外，“imprint-free”小鼠ESCs具有完全的LOI，對(duì)于嵌合體發(fā)育產(chǎn)生明顯的效果，這些老鼠在一年之后患有多種類型的癌癥.[20]因此,對(duì)于iPSCs中印記基因的表達(dá)和功能需要仔細(xì)研究，這些研究結(jié)果以及對(duì)于胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞的印記分析，突出了多功能干細(xì)胞群中印記基因功能的重要性.

印記基因與成體干細(xì)胞群的維持和功能密切相關(guān).父系PEG3表達(dá)轉(zhuǎn)基因報(bào)告顯示小鼠成體鼠的PEG3在各種組織中的干細(xì)胞群中表達(dá)受限，這些組織包括大腦、腸、骨骼、肌肉和皮膚.[21]神經(jīng)球的生成，是通過體外神經(jīng)元分離和擴(kuò)增技術(shù)形成的，在此過程中導(dǎo)致了約100%的PEG3陽性細(xì)胞的生成.此外，表皮移植實(shí)驗(yàn)表明轉(zhuǎn)移PEG3陽性細(xì)胞在毛囊干細(xì)胞壁龕中具有自我更新和分化能力.這些實(shí)驗(yàn)表明，PEG3在成體干細(xì)胞中起著功能性作用，雖然目前尚不清楚這些作用是否與早期發(fā)育中所體現(xiàn)出的作用不同.

在小鼠中，母系表達(dá)H19基因與成人造血干細(xì)胞（HSC）群的維持也有關(guān).[22]誘導(dǎo)母系HSCs H19/IGF2 ICR刪除，導(dǎo)致H19表達(dá)減少和IGF2表達(dá)增加，伴隨著造血干細(xì)胞數(shù)目長期減少，短期增加，逐漸喪失造血潛能和功能.此外，母系H19/IGF2 ICR的刪除通過增加IGF2表達(dá)量和降低IGF1R表達(dá)量導(dǎo)致IGF2-IGF1R通路的不適當(dāng)?shù)募せ?，而IGF1R又是mir-675的靶位點(diǎn)，這導(dǎo)致由FOXO3介導(dǎo)的細(xì)胞周期阻滯相關(guān)的靜止受到抑制，最終導(dǎo)致活化以及長期HSCs耗盡.

此外，研究證實(shí)小鼠神經(jīng)干細(xì)胞（NSCs）及其壁龕選擇性丟失DLK1印跡對(duì)于后天神經(jīng)形成至關(guān)重要.[23]DLK1是Notch信號(hào)的膜結(jié)合受體，出生后大多數(shù)組Notch信號(hào)下調(diào).小鼠DLK1缺陷導(dǎo)致慢區(qū)分神經(jīng)干細(xì)胞減少，從而導(dǎo)致成人嗅球神經(jīng)元耗竭.神經(jīng)干細(xì)胞和周圍的星形膠質(zhì)細(xì)胞從2個(gè)等位基因表達(dá)DLK1，而DLK1只從父系等位基因表達(dá).DLK1這種協(xié)調(diào)雙等位基因表達(dá)凸顯了印記基因調(diào)控環(huán)境特異性的重要性，以及基因劑量對(duì)印記基因的重要性.

4　總結(jié)

雖然初期研究表明，印記基因的表達(dá)對(duì)早期胚胎生長和分化十分關(guān)鍵，特別是基因組印跡對(duì)哺乳動(dòng)物的發(fā)育起著更廣泛的作用.值得注意的是這一評(píng)述旨在強(qiáng)調(diào)的只是基因組印記和印記基因的部分功能，并不全面.許多印記基因的各項(xiàng)功能已被記載下來，但對(duì)組織特異性印記的理解還不夠充分.對(duì)于印記在復(fù)雜的組織如大腦以及成人干細(xì)胞中作用的進(jìn)一步探索無疑將為我們帶來關(guān)于印記基因的表達(dá)及其功能的更多發(fā)現(xiàn).

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