表觀遺傳修飾與胚胎著床

馬妮，張昌軍，3，刁紅錄，3*

表觀遺傳學(xué)是指在不改變DNA序列的前提下研究基因在轉(zhuǎn)錄能力及表觀遺傳性方面的變化[1]。在哺乳動(dòng)物胚胎發(fā)育過(guò)程中父系和母系基因組必須經(jīng)歷表觀基因重塑及轉(zhuǎn)錄模式的改變從而才能促進(jìn)胚胎的正常發(fā)育。在受精過(guò)程中雌、雄配子各自表達(dá)其表觀遺傳特異型，受精卵是一種比較獨(dú)特的細(xì)胞，因?yàn)樗袕囊粋€(gè)細(xì)胞分化發(fā)育為任何一種組織的能力，為了實(shí)現(xiàn)多能性，生殖細(xì)胞的表觀遺傳經(jīng)歷重設(shè)后胚胎基因組必須被轉(zhuǎn)錄因子在空間狀態(tài)下被高度修飾。胚胎著床同樣需要呈現(xiàn)接受態(tài)的子宮才能保證胚胎的順利植入，影響子宮內(nèi)膜接受態(tài)的形成因素眾多，以下我們主要介紹表觀遺傳修飾在胚胎發(fā)育及著床過(guò)程中的影響。

一、表觀遺傳學(xué)與胚胎發(fā)育

表觀遺傳學(xué)修飾包括組蛋白修飾、DNA甲基化、基因印記、非編碼RNA和X染色體失活等[2]。現(xiàn)在研究主要集中于組蛋白修飾和DNA甲基化與胚胎發(fā)育的關(guān)系，首先簡(jiǎn)要介紹表觀遺傳修飾在胚胎發(fā)育中的作用。

1.組蛋白修飾與胚胎發(fā)育

在真核生物中，染色體內(nèi)DNA和組蛋白結(jié)合所形成的染色質(zhì)中有一個(gè)重復(fù)的核小體單位，它是由146對(duì)堿基纏繞八個(gè)組蛋白后卷曲和壓縮后形成的[3]。核心組蛋白包括H2A，H2B，H3和H4，連接組蛋白包括H1和H5，核心組蛋白形成組蛋白的核心，連接組蛋白是連接DNA的。組蛋白有多種轉(zhuǎn)錄后修飾包括組蛋白上一些氨基酸乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等修飾[4]。組蛋白氨基酸末端突出于核小體表面，為了基因的轉(zhuǎn)錄它必須從物理結(jié)構(gòu)上發(fā)生改變使DNA可以容易或者不容易結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子從而實(shí)現(xiàn)基因的表達(dá)。

(1)組蛋白乙?；c胚胎發(fā)育：在胚胎著床前組蛋白不同殘基發(fā)生乙?；揎椩谂咛グl(fā)育時(shí)間窗中對(duì)染色質(zhì)重構(gòu)有重要的作用，H3不同殘基乙酰化在胚胎著床前的變化是不同的，在胚胎卵裂時(shí)可以檢測(cè)到H3K64ac，H3K56ac的豐富表達(dá)，但是H3K122ac僅有微弱的表達(dá)，說(shuō)明不同組蛋白修飾在胚胎早期發(fā)育中發(fā)揮的作用不同[5]。蛋白修飾中研究最多的是組蛋白乙?；?，乙?；蠼M蛋白與DNA結(jié)合疏松，這樣有利于DNA與轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合，相反，組蛋白去乙?；菇M蛋白與DNA緊密結(jié)合不利于基因的轉(zhuǎn)錄，這兩種狀態(tài)是由組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶(HAT)和組蛋白去乙?；?HDAC)相互作用而達(dá)到生物學(xué)平衡[6]。組蛋白乙?；梢哉T導(dǎo)DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄，HDAC1可以影響小鼠胚胎的發(fā)育，如果在胚胎發(fā)育早期缺乏HDAC1就會(huì)使胚胎發(fā)育延遲或停止[7]。

(2)組蛋白甲基化與胚胎發(fā)育：組蛋白翻譯后修飾被廣泛研究，例如在胚胎基因組激活中H3K9me3和H3K27me3被認(rèn)為是轉(zhuǎn)錄活性的一種抑制性標(biāo)志，而H3K4me3、H3K36me3和H3K9ac被認(rèn)為是轉(zhuǎn)錄活性的一種激活性標(biāo)志[8]。在早期發(fā)育的胚胎中H3K4me3高表達(dá)且表達(dá)于父系基因組[9]，而胚胎發(fā)育為1細(xì)胞到4細(xì)胞是胚胎基因激活期，H3K4me3是從配子融合形成胚胎開(kāi)始出現(xiàn)的，在受精卵中表達(dá)降低，隨后在胚胎發(fā)育為2細(xì)胞時(shí)表達(dá)升高直至囊胚期[8]。在母系基因組及卵母細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)有一種非經(jīng)典的H3K4me3(nc H3K4me3)存在，并可以與大部分DNA甲基化區(qū)域重復(fù)，在2細(xì)胞胚胎時(shí)經(jīng)典H3K4me3開(kāi)始建立而nc H3K4me3的表達(dá)慢慢消失，說(shuō)明在胚胎發(fā)育早期H3K4me3在父系基因組和母系基因組都發(fā)揮一定的生物學(xué)功能，與DNA甲基化有一定的聯(lián)系并且在哺乳動(dòng)物早期發(fā)育中是動(dòng)態(tài)變化的[9]。在胚胎發(fā)育過(guò)程中的囊胚期前H3K27me3表達(dá)較囊胚期后低，說(shuō)明H3K27me3在分化的細(xì)胞中表達(dá)高于分裂細(xì)胞，可能的原因是多能性基因的啟動(dòng)子處被甲基化而無(wú)法轉(zhuǎn)錄[10]。

合子基因激活(ZGA)主要發(fā)生在1細(xì)胞和2細(xì)胞階段，這對(duì)正常個(gè)體的發(fā)育是非常重要的，胚胎植入前基因激活(MGA)主要發(fā)生在4細(xì)胞到8細(xì)胞階段，轉(zhuǎn)錄因子主要在這個(gè)階段開(kāi)始表達(dá)并調(diào)控內(nèi)外胚層的發(fā)育[11]。CHD1(chromodomain helicase DNA binding protein 1)是ATP酶依賴性染色質(zhì)重塑因子家族的成員，它可以使H3K4三甲基化，并促進(jìn)mRNA的轉(zhuǎn)錄，對(duì)維持小鼠胚胎干細(xì)胞多能性必不可少[12]。在外胚層發(fā)育過(guò)程中CHD1可以促進(jìn)基因轉(zhuǎn)錄使外胚層快速發(fā)育，如果敲除Chd1基因后小鼠胚胎就會(huì)在第6.5天的時(shí)候因?yàn)橥馀邔影l(fā)育障礙而停止發(fā)育[13]。在小鼠胚胎中敲除Chd1基因后會(huì)使植入的胚胎死亡，有研究認(rèn)為，在小鼠胚胎早期發(fā)育中如果抑制Chd1基因的轉(zhuǎn)錄因子Pou5f1、Nanog和Cdx2，基因激活(MGA)就開(kāi)始急劇下降，而調(diào)節(jié)以上轉(zhuǎn)錄因子的Hmgpi和Klf5在ZGA期被顯著抑制，Hmgpi的表達(dá)被抑制直至囊胚期，而Klf5的表達(dá)抑制在桑葚胚期被解除，說(shuō)明在基因激活階段主要是通過(guò)Hmgpi和Klf5調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子而影響CHD1的表達(dá)進(jìn)而控制小鼠胚胎的發(fā)育與存活[13]，還有研究認(rèn)為，CHD1通過(guò)改變?nèi)旧w結(jié)構(gòu)而影響基因的表達(dá)，說(shuō)明CHD1對(duì)于小鼠早期胚胎的正常發(fā)育必不可少。

在核心組蛋白中H2A是變化最多的一種核心蛋白，而在H2A中H2A.Z是研究最多的一種，H2A.Z是最先發(fā)現(xiàn)與哺乳動(dòng)物發(fā)育有密切關(guān)系組蛋白變體，雖然其序列高度保守，但是它在不同生物中扮演的角色不同。H3K36me3可能與基因轉(zhuǎn)錄延長(zhǎng)有關(guān)，H3K36甲基化轉(zhuǎn)移酶通過(guò)Rbp1最大的亞基CTD與RNA聚合酶II相互作用影響基因轉(zhuǎn)錄[14]。早期胚胎發(fā)育的特點(diǎn)是細(xì)胞的多能性和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，在小鼠胚胎發(fā)育為2細(xì)胞階段，H2A.Z乙?；胶虷3K36me3表達(dá)水平下降，2細(xì)胞胚胎為胚胎基因組主要的激活時(shí)間(在牛胚胎發(fā)育時(shí)胚胎基因組激活時(shí)間為8細(xì)胞階段)，說(shuō)明這些活性標(biāo)志與胚胎基因組轉(zhuǎn)錄激活有關(guān)系，如果小鼠缺乏H2A.Z會(huì)使胚胎內(nèi)細(xì)胞團(tuán)增殖和分化有缺陷而導(dǎo)致胚胎著床前死亡[15]。

2.DNA甲基化與胚胎發(fā)育

DNA甲基化是DNA復(fù)制后的一個(gè)共價(jià)修飾調(diào)節(jié)，一個(gè)甲基化基團(tuán)結(jié)合到核苷酸的CpG島處(位于鳥(niǎo)嘌呤后的胞嘧啶)，它作為DNA和轉(zhuǎn)錄因子之間的物理屏障，或者吸引酶和蛋白從而減少轉(zhuǎn)錄因子和DNA之間的結(jié)合[16]。

DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶(DNMTs)對(duì)促進(jìn)DNA甲基化必不可少，一旦DNA序列被甲基化那么就會(huì)有一些蛋白識(shí)別甲基化的胞嘧啶并使染色質(zhì)重塑從而抑制基因轉(zhuǎn)錄，與組蛋白修飾一樣，DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶對(duì)于胚胎的正常發(fā)育必不可少，DNA甲基化在胚胎著床前也會(huì)發(fā)生一系列變化，成熟的精子和卵母細(xì)胞中DNA都被高度甲基化幾乎沒(méi)有轉(zhuǎn)錄活性，在內(nèi)細(xì)胞團(tuán)中DNA甲基化水平高于外胚層，說(shuō)明甲基化可以調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄活性，影響細(xì)胞的多能性及分化能力[17-18]。在人類輔助生殖技術(shù)中發(fā)現(xiàn)異常胚胎和冷凍胚胎中DNMTs的表達(dá)比新鮮胚胎中低，說(shuō)明異常發(fā)育和低溫保存可能影響胚胎中DNMTs的表達(dá)[19]。在哺乳動(dòng)物中最常發(fā)生的DNA甲基化是在DNA結(jié)構(gòu)中第5個(gè)鍵發(fā)生甲基化(5mC)，盡管在小鼠卵母細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)非CpG甲基化水平表達(dá)顯著但是其功能未知，5mC的作用在各個(gè)方面研究較多，在哺乳動(dòng)物發(fā)生發(fā)育過(guò)程中，DNA甲基化是表觀遺傳作用中比較重要的一種修飾，當(dāng)細(xì)胞分化發(fā)育為不同譜系時(shí)5mC將會(huì)引導(dǎo)細(xì)胞分化并作為一種障礙阻止其向未分化細(xì)胞分化[20]。

3.基因印記與胚胎發(fā)育

是指來(lái)自父系或母系的等位基因在子代中有不同的表達(dá)方式。在父系基因印記中父系等位基因被表觀遺傳修飾而不發(fā)生轉(zhuǎn)錄，這樣就會(huì)使在子代中只有單母系等位基因的表達(dá)；而在母系印記基因中，母系等位基因被表觀遺傳修飾而不發(fā)生轉(zhuǎn)錄，這樣就會(huì)使在子代中只有單父系等位基因的表達(dá)，基因印記通常被組蛋白修飾[21]。哺乳動(dòng)物每次生殖周期中配子將會(huì)重新建立印記基因，在受精后的第11.5天原始生殖細(xì)胞將會(huì)發(fā)生去甲基化以抹去遺傳父母的印記，在第13天印記被完全抹去后會(huì)根據(jù)胎兒性別等特征重新發(fā)生基因印記[22]。

4.非編碼RNA與胚胎發(fā)育

非編碼RNA是指不翻譯成蛋白即不參與基因轉(zhuǎn)錄的RNA，包括很多種如snRNA、snoRNA、microRNA，主要功能是參與DNA轉(zhuǎn)錄后表達(dá)的調(diào)節(jié)，非編碼RNA中當(dāng)前研究最多的是miRNA，它主要是結(jié)合到mRNA序列上阻止其翻譯從而抑制DNA的表達(dá)[23]。在早期胚胎中發(fā)現(xiàn)母系遺傳的miRNA相當(dāng)豐富，小鼠胚胎2細(xì)胞階段時(shí)miRNA的表達(dá)明顯升高[24]，在小鼠胚胎發(fā)育中如果缺乏Dicer酶(是RNAi發(fā)揮作用過(guò)程中重要的物質(zhì))那么miRNA將無(wú)法發(fā)揮作用，這樣就會(huì)減少小鼠胚胎干細(xì)胞的數(shù)量，說(shuō)明miRNA可以維持干細(xì)胞的多能性，參與胚胎的發(fā)育[25]。

5. X染色體失活與胚胎發(fā)育

在女性胚胎中有2條X染色體，其中將會(huì)隨機(jī)選擇一條失活，而參與X染色體失活的表觀遺傳包括不同的組蛋白修飾和DNA甲基化，它可以參與胚胎干細(xì)胞多能性的維持[26]。

二、表觀遺傳修飾與子宮內(nèi)膜容受性

子宮內(nèi)膜容受性是胚胎著床和成功妊娠的先決條件，子宮內(nèi)膜接受態(tài)的形成包括很多復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄過(guò)程，該過(guò)程由雌孕激素以及眾多分子的相互作用完成的，其中一些精細(xì)調(diào)節(jié)是由表觀遺傳修飾所調(diào)控的。容受性的子宮內(nèi)膜是一種正常的生理狀態(tài)，它主要是為胚胎順利著床做準(zhǔn)備，在人類、小鼠和牛的發(fā)情周期中子宮內(nèi)膜變化都涉及以上分子的表達(dá)[27]，體內(nèi)和體外產(chǎn)生的胚胎分別在形態(tài)、功能和轉(zhuǎn)錄水平都有差異，它們成功植入需要激活子宮內(nèi)膜不同的基因和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)機(jī)制，這些調(diào)控可能是通過(guò)基因的表觀遺傳學(xué)實(shí)現(xiàn)的。

在月經(jīng)周期中，子宮內(nèi)膜發(fā)生蛻膜化(子宮內(nèi)膜基質(zhì)細(xì)胞形態(tài)和功能上的改變)對(duì)于其接受態(tài)的形成和胚胎植入必不可少，而表觀遺傳修飾可能影響月經(jīng)周期中子宮內(nèi)膜相關(guān)基因的表達(dá)從而導(dǎo)致基質(zhì)細(xì)胞發(fā)生蛻膜化，異常的表觀遺傳修飾可能會(huì)導(dǎo)致蛻膜化異常影響胚胎植入。體外表觀遺傳修飾HDAC(修飾組蛋白去乙?；?參與月經(jīng)周期的變化，HDAC抑制劑Trichostatin A(TSA)作用于子宮內(nèi)膜后可使上皮細(xì)胞凋亡、基質(zhì)細(xì)胞發(fā)生形態(tài)學(xué)變化及蛻膜化標(biāo)志蛋白的表達(dá)，例如：胰島素樣生長(zhǎng)因子(IGFBP-1)、催乳素等都可以促進(jìn)基質(zhì)細(xì)胞發(fā)生蛻膜化[28]，在蛻膜化中發(fā)現(xiàn)H3、H4發(fā)生乙?；⑶襀4乙酰化與卵巢類固醇激素密切相關(guān)可以激活I(lǐng)GFBP-1的啟動(dòng)子[29]。DNA甲基化可以調(diào)節(jié)一些與子宮內(nèi)膜接受態(tài)相關(guān)基因的表達(dá)，例如可以使Cdh1，Pgr，Esr，Lif等基因啟動(dòng)子處甲基化，影響子宮內(nèi)膜接受態(tài)的形成[30]。有研究認(rèn)為E-cadherin對(duì)于子宮內(nèi)膜接受態(tài)的形成至關(guān)重要，而它的表達(dá)又受到DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶的調(diào)節(jié)，單獨(dú)抑制DNMT-1、-3A、-3B分子后對(duì)E-cadherin的表達(dá)無(wú)影響，但是聯(lián)合抑制三種DNMT-1、-3A、-3B分子后就會(huì)使E-cadherin的表達(dá)上升并促進(jìn)子宮內(nèi)膜向接受態(tài)轉(zhuǎn)變，說(shuō)明了不同價(jià)甲基化轉(zhuǎn)移酶均參與了子宮內(nèi)膜接受態(tài)的形成[31]。

在細(xì)胞分化發(fā)育過(guò)程中PRC1可以調(diào)節(jié)一些基因的表達(dá)，多梳抑制復(fù)合體1(Polycomb repressive complex 1，PRC1)成員(Cbx2、Cbx4、Ring1B和Rybp)可以調(diào)節(jié)組蛋白修飾(H3K27me3和H2AK119ub1)影響子宮組織蛻膜化中多倍體的發(fā)育，在小鼠胚胎著床前體外注射PRC1抑制劑PRT4165后觀察小鼠胚胎著床情況，發(fā)現(xiàn)藥物處理組和對(duì)照組無(wú)明顯的區(qū)別，說(shuō)明PRC1對(duì)于胚胎與子宮黏著的影響較小，但是發(fā)現(xiàn)在PRT4165處理后小鼠早期妊娠蛻膜化中的多倍體形成被破壞[32]。

miRNA是重要的轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)者可以編碼高度進(jìn)化的RNAs，長(zhǎng)度大約有22個(gè)核苷酸，可以通過(guò)降解或抑制目標(biāo)mRNA的表達(dá)，也是子宮內(nèi)膜容受性的潛在調(diào)節(jié)者，miRNA-mRNA調(diào)控系統(tǒng)與胚胎著床有關(guān)，有研究認(rèn)為miR-30b，miR-30d，miR-494在子宮內(nèi)膜容受性形成過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，在接受態(tài)的子宮內(nèi)膜中miR-30b，miR-30d高表達(dá)，而miR-494和miR-923低表達(dá)，miRNA在調(diào)節(jié)子宮內(nèi)膜接受態(tài)形成過(guò)程中通過(guò)不同的途徑參與其中，例如Wnt信號(hào)通路、軸突傳導(dǎo)信號(hào)、ERK/MAPK信號(hào)通路、TGF-β信號(hào)通路、p53信號(hào)和白細(xì)胞外滲信號(hào)傳導(dǎo)途徑等[33-34]。

幾種良性的婦產(chǎn)科疾病如子宮內(nèi)膜異位癥、子宮肌瘤、輸卵管積水、多囊卵巢綜合征等都可以導(dǎo)致生殖能力下降和影響子宮內(nèi)膜接受態(tài)的形成，而DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶與組蛋白乙酰化修飾可以影響胚胎植入相關(guān)基因的表達(dá)，例如LIF、HOXA10等[35]。在上面所提的幾種疾病中都發(fā)現(xiàn)在胚胎著床窗口期的內(nèi)膜中HOXA10(孕激素作用的靶基因)的表達(dá)較正常降低，有研究認(rèn)為在子宮內(nèi)膜異位癥當(dāng)中DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶表達(dá)升高，它可以沉默HOXA10的啟動(dòng)子使HOXA10的表達(dá)下降，HOXA10的缺乏可以導(dǎo)致胚胎著床失敗和子宮內(nèi)膜接受態(tài)的形成受阻[36]。有研究認(rèn)為在胚胎植入子宮的過(guò)程是HOXA10調(diào)控的兩個(gè)過(guò)程，第一個(gè)過(guò)程是胚胎著床前HOXA10高表達(dá)有利于基質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)橥懩せ?xì)胞，第二個(gè)過(guò)程是蛻膜化細(xì)胞中HOXA10的表達(dá)下降有利于胚胎的浸潤(rùn)，研究認(rèn)為在滋養(yǎng)層細(xì)胞中LIF和IL6大量產(chǎn)生后以旁分泌的形式刺激STAT3和MMP的產(chǎn)生以降低HOXA10的表達(dá)，STAT3和MMP的高表達(dá)有利于促進(jìn)滋養(yǎng)細(xì)胞向子宮內(nèi)膜的浸潤(rùn)[37]。 所以可以認(rèn)為表觀遺傳修飾中的DNA修飾 、組蛋白修飾、非編碼RNA參與子宮內(nèi)膜蛻膜化的形成對(duì)子宮內(nèi)膜接受態(tài)的形成有重要的作用。

三、展望

盡管在哺乳動(dòng)物著床前基因的轉(zhuǎn)錄序列已經(jīng)被確認(rèn)，但是理解分子的相互作用可以更好的認(rèn)識(shí)在胚胎著床前轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行。精子和卵母細(xì)胞發(fā)育并形成受精卵的過(guò)程中它們各自的基因高度甲基化后發(fā)生轉(zhuǎn)錄沉默，這就保持了受精卵的全能性，受精卵發(fā)育過(guò)程中基因發(fā)生表觀遺傳修飾后又恢復(fù)了轉(zhuǎn)錄活性，從而行使生物學(xué)功能。哺乳動(dòng)物精卵融合過(guò)程中原始生殖細(xì)胞發(fā)生時(shí)間和空間的表觀遺傳修飾，DNA修飾和染色質(zhì)修飾決定哪些基因區(qū)域先開(kāi)放發(fā)生轉(zhuǎn)錄，哪些先關(guān)閉發(fā)生沉默。但是有關(guān)表觀遺傳學(xué)在哺乳動(dòng)物生殖，尤其是在子宮內(nèi)膜容受性建立的過(guò)程還需深入探索，這樣才會(huì)更好地為輔助生殖技術(shù)提供理論基礎(chǔ)，才能提高妊娠率，造福于人類不孕不育事業(yè)。