表觀遺傳學(xué)分子機(jī)制及其在雜種優(yōu)勢(shì)上的應(yīng)用

陳彤彤，石 蕾

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040)

表觀遺傳學(xué)屬于生物遺傳學(xué)的分支學(xué)科，是指生物遺傳序列在不發(fā)生變化的情況下，利用有絲及減數(shù)分裂等方式，使得遺傳基因表達(dá)得以改變的相關(guān)內(nèi)容。當(dāng)前，表觀遺傳學(xué)的研究主要圍繞DNA甲基化、組蛋白密碼、染色質(zhì)重塑、非編碼RNA調(diào)控等方面。在現(xiàn)代遺傳學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中，進(jìn)行表觀遺傳學(xué)研究對(duì)探究生物生命本源、解決疑難疾病以及解密生物成長(zhǎng)發(fā)育等具有十分重要的意義。近年來，有關(guān)表觀遺傳學(xué)的研究逐漸增多，筆者對(duì)表觀遺傳學(xué)的基本分子機(jī)制及其在雜種優(yōu)勢(shì)上的應(yīng)用進(jìn)行綜述，以期為表觀遺傳學(xué)的深入研究及應(yīng)用提供參考。

1 表觀遺傳學(xué)的內(nèi)涵

從經(jīng)典遺傳學(xué)來看，基因序列發(fā)生變化可使生物體表現(xiàn)型發(fā)生變化，同時(shí)這種變化能夠自前一代向后一代進(jìn)行延續(xù)。在基因組DNA序列未出現(xiàn)改變時(shí)，基因表達(dá)出現(xiàn)的變化有可能由遺傳引起，使得可遺傳的表現(xiàn)型發(fā)生改變。其表現(xiàn)型的改變由于未能與基因序列信息發(fā)生關(guān)系，所以叫表觀遺傳變異，也稱表觀遺傳修飾。1942年，WADDINGTON C H第一次提出表觀遺傳學(xué)(epigenetics)，同時(shí)指出，表觀遺傳和遺傳之間不是絕對(duì)的。1987年，HOLLIDY R 對(duì)表觀遺傳學(xué)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的描述，認(rèn)為表觀遺傳學(xué)與DNA序列變化沒有關(guān)系，表觀遺傳學(xué)是通過利用有絲以及減數(shù)分裂進(jìn)行遺傳的基因表達(dá)變化，屬于遺傳學(xué)分支[1]?，F(xiàn)階段，對(duì)表觀遺傳學(xué)的研究重點(diǎn)圍繞DNA甲基化、組蛋白密碼、染色質(zhì)重塑和非編碼RNA調(diào)控等4個(gè)方面。

2 表觀遺傳修飾的分子體系

2.1 DNA甲基化

甲基化是以腺苷甲硫氨酸作為甲基供體，利用DNA甲基轉(zhuǎn)移酶催化，從而使胞嘧啶轉(zhuǎn)變?yōu)?′-甲基胞嘧啶(mC) 的反應(yīng)。對(duì)于基因組DNA來說，甲基化是其表觀遺傳修飾方式的一種，是對(duì)基因組功能進(jìn)行調(diào)節(jié)的主要渠道。在植物內(nèi)部，DNA甲基化主要出現(xiàn)CG區(qū)、CNG區(qū)和CHH區(qū)；對(duì)于脊椎動(dòng)物，DNA甲基化常發(fā)生于CpG二核苷酸，把基因組中含有大量CpG的一段DNA看成是CpG 島，其長(zhǎng)度一般為1～2 kb，對(duì)于CpG 島的位置，普遍認(rèn)為在轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)域內(nèi)[2]。對(duì)于真核生物體，其甲基化狀態(tài)具體有3種，一是連續(xù)的低甲基化狀態(tài)，如持家基因；二是誘導(dǎo)的去甲基化狀態(tài)，如發(fā)育時(shí)期的部分基因；三是與女性X染色體十分相近的高度甲基化狀態(tài)。DNA甲基化是利用DNA甲基將酶家族轉(zhuǎn)化使催化得以完成。DNA甲基轉(zhuǎn)移酶主要有類似Dnmtl的維持甲基化酶和類似Dnmt3a的重新甲基化酶，能夠?qū)⑷ゼ谆腃pG 位點(diǎn)重新甲基化[3]。

一般來說，DNA甲基化可以使基因得到抑制，不再表達(dá)，基因的這種甲基化狀態(tài)可遺傳。對(duì)于哺乳動(dòng)物來說，在生殖細(xì)胞成長(zhǎng)過程中，其基因組能夠重新編程甲基化過程，使發(fā)育潛能細(xì)胞得以形成[4]。

2.2 組蛋白密碼和染色質(zhì)重塑

對(duì)于染色體的多級(jí)折疊來說，其DNA需要和H3等組蛋白有機(jī)聯(lián)系起來。組蛋白的結(jié)構(gòu)并非一成不變，在翻譯過程中其修飾會(huì)出現(xiàn)一定的變化，這樣能對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，使其他蛋白和DNA之間形成協(xié)同效應(yīng)或拮抗效應(yīng)，這是動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)錄中的一種調(diào)控成分，亦稱組蛋白密碼。組蛋白通過共價(jià)修飾，使甲基化、糖基化等發(fā)生，從而使得不同形態(tài)的組蛋白密碼得以形成。上述組蛋白密碼能夠通過某些特殊的蛋白質(zhì)進(jìn)行識(shí)別，使其翻譯成特殊的染色質(zhì)狀態(tài)，從而改變特定基因。所以，產(chǎn)生的組蛋白密碼可以使DNA中儲(chǔ)藏更多的遺傳信息[5]。其中，主要有2個(gè)研究方面，一是乙酰化，二是甲基化，這2類修飾不但能使基因得以有效激活，還可以令基因更加沉默。甲基化修飾主要發(fā)生于賴氨酸和精氨酸2種殘基。在進(jìn)化時(shí)，從機(jī)能上看，組蛋白甲基化以及DNA甲基化能夠結(jié)合起來[5]。

染色質(zhì)發(fā)生凝聚染色質(zhì)等變化能使核小體產(chǎn)生變化，使其在基因區(qū)域內(nèi)的次序得以改變，將轉(zhuǎn)錄裝置進(jìn)行有效補(bǔ)充，從而開啟可接近性。核小體和染色質(zhì)變化密切相關(guān)，染色質(zhì)重塑主要有2種，一種是以ATP物理修飾為依托，以ATP水解為基礎(chǔ)將能量釋放出來，從而使染色質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生變化；另一種是組蛋白密碼，以共價(jià)為依托，與反應(yīng)相結(jié)合而形成的化學(xué)修飾[6]。

2.3 非編碼RNA調(diào)控

2.3.1 長(zhǎng)鏈非編碼RNA X染色體失活是指DNA甲基化和組蛋白修飾共同參與，由長(zhǎng)鏈非編碼RNA所介導(dǎo)的一個(gè)過程。其中，RNA與X染色體失活基因編碼一一對(duì)應(yīng)，RNA在合成的X染色體外部包圍，處于一定條件時(shí)，這2種物質(zhì)能夠一塊參與，使得X染色體的失活得以有效保持[7]。一般來說，在基因組里，長(zhǎng)鏈非編碼RNA將單等位基因表達(dá)模式進(jìn)行構(gòu)建，在核糖蛋白復(fù)合物內(nèi)發(fā)揮催化作用，影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。

2.3.2 短鏈非編碼RNA 基因組內(nèi)的短鏈RNA對(duì)降解mRNA有著一定作用，能夠使染色質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，影響細(xì)胞分化，同時(shí)可有效體現(xiàn)核酸序列的降解功能，保護(hù)自身基因組。

常見短鏈RNA主要有2種：一是小干涉RNA(siRNA)，是RNA干擾的執(zhí)行者；siRNA通常由細(xì)胞內(nèi)部的雙鏈RNA通過酶加工產(chǎn)生，同時(shí)會(huì)與有酶切功能的蛋白共同作用產(chǎn)生RNA干擾復(fù)合體，識(shí)別mRNA，對(duì)mRNA的降解起引導(dǎo)作用，在轉(zhuǎn)錄后還能對(duì)基因表達(dá)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。siRNA一方面能使降解mRNA的作用發(fā)揮；另一方面能將蛋白質(zhì)聚集起來，使異染色質(zhì)得以激活。同時(shí)，還能參與染色質(zhì)的失活，促使產(chǎn)生絲粒異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。二是微小RNA(miRNA)，在RNA干擾過程中起作用，同時(shí)自身有獨(dú)立的作用機(jī)制[8]。miRNA的作用方式：一是與靶基因3′端進(jìn)行并不完全的互補(bǔ)結(jié)合，對(duì)翻譯進(jìn)行阻止，對(duì)mRNA的穩(wěn)定性不產(chǎn)生變化；二是與靶基因進(jìn)行完全的結(jié)合，其作用方式與siRNA相似[9]。

2.4 蛋白質(zhì)侵染因子

蛋白質(zhì)侵染因子又名朊病毒，表觀遺傳修飾的領(lǐng)域包含其侵染以及繁殖過程。朊蛋白PrPsc錯(cuò)誤折疊后有致病性，能夠利用正常朊蛋白PrPc 通過不正確的拆疊等方式從而完成自我繁殖。到目前，蛋白質(zhì)侵染因子在植物內(nèi)未能查找到，但近年來有實(shí)驗(yàn)證明，蛋白質(zhì)折疊中Hsp90的抑制作用非常關(guān)鍵，可使植物表型效應(yīng)得以形成[10]。

3 表觀遺傳學(xué)在雜種優(yōu)勢(shì)上的應(yīng)用

在自然界中，雜種優(yōu)勢(shì)是一種常見現(xiàn)象，是指基因組成不同親本的雜交后代在多方面表現(xiàn)出超越親本的特性，包括生活力、產(chǎn)量、生物量、適應(yīng)性和對(duì)脅迫的抵抗力等[11]。雜種優(yōu)勢(shì)是一種十分復(fù)雜的生物學(xué)現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)其遺傳機(jī)理進(jìn)行了研究，并提出了許多假說，其中，較為經(jīng)典的假說有顯性假說、超顯性假說和上位性假說；但這幾種假說并不能完全解釋某些自然現(xiàn)象。如同果殼內(nèi)大小相似的2枚花生具有完全相同的基因，在相同環(huán)境中生長(zhǎng)，但結(jié)實(shí)率等表現(xiàn)不同。這顯然不符合經(jīng)典的孟德爾遺傳理論。表觀遺傳學(xué)研究的正是基因序列不發(fā)生改變但基因表達(dá)了可遺傳的變化，利用表觀遺傳學(xué)解釋雜種優(yōu)勢(shì)表明，DNA甲基化、小分子RNA和組蛋白修飾都與雜種優(yōu)勢(shì)有關(guān)。

3.1 DNA甲基化與雜種優(yōu)勢(shì)

GAO M等[12]使用甲基化DNA免疫沉淀和高通量測(cè)序技術(shù)，對(duì)美洲黑楊親本及其種內(nèi)F1雜交種系的全基因組DNA甲基化譜進(jìn)行綜合分析后發(fā)現(xiàn)，楊樹F1雜種具有非加性甲基化水平(高于親本中值)，表明親本的甲基化模式部分和動(dòng)態(tài)地傳遞到雜種上并被重構(gòu)。優(yōu)良親本F1雜種的高甲基化基因在類別代謝過程、應(yīng)激反應(yīng)、結(jié)合和催化活性、發(fā)育以及參與激素生物合成、信號(hào)傳導(dǎo)途徑中富集，這可能與雜種優(yōu)勢(shì)高度相關(guān)，但不同物種、不同試驗(yàn)的結(jié)論不一致。LIU T J等[13]研究玉米雜種優(yōu)勢(shì)的分子機(jī)理發(fā)現(xiàn)，雜交種組織的甲基化水平要比親本低，去甲基化水平要高；進(jìn)一步利用局部比對(duì)搜索工具分析發(fā)現(xiàn)，甲基化水平低區(qū)域的片段與其他物種已知功能蛋白在代謝、發(fā)育、應(yīng)激反應(yīng)和信號(hào)傳導(dǎo)等方面有相似性，說明去甲基化可能使更多基因得到表達(dá)，從而促進(jìn)玉米的生長(zhǎng)發(fā)育。雖然結(jié)論不一，但均體現(xiàn)了DNA甲基化在雜種優(yōu)勢(shì)中的作用，這不僅對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)的研究提供了新思路，更為表觀遺傳學(xué)的研究擴(kuò)寬了視野。

3.2 組蛋白修飾與雜種優(yōu)勢(shì)

組蛋白修飾與植物發(fā)育和脅迫反應(yīng)密切相關(guān)，通過靈活改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)基因表達(dá)，使F1代表現(xiàn)出雜種優(yōu)勢(shì)；但組蛋白的種類、數(shù)量、修飾類型繁多，具體調(diào)控機(jī)制需要進(jìn)一步研究。ZHU A等[14]調(diào)查擬南芥雜交種在發(fā)芽種子中4種組蛋白修飾的全基因組模式發(fā)現(xiàn)，盡管雜合體在基因組的大多數(shù)區(qū)域具有與父母相似的組蛋白修飾模式，但在特定基因座處具有改變的模式，這些基因的組蛋白修飾模式的改變可能與擬南芥的一些雜種優(yōu)勢(shì)性狀相關(guān)(如開花時(shí)間)，并可能在雜種優(yōu)勢(shì)中起作用。

3.3 小分子RNA與雜種優(yōu)勢(shì)

小分子RNA(small RNA,sRNA)是生命活動(dòng)重要的調(diào)控因子，幾乎存在于所有的生物體中，通過mRNA降解、翻譯抑制、異染色質(zhì)形成、DNA去除來調(diào)控生物體的生長(zhǎng)發(fā)育、基因表達(dá)、代謝及疾病的發(fā)生，從而影響雜種優(yōu)勢(shì)。 ZHANG L等[15]對(duì)F1超級(jí)雜交水稻LYP9及其親本進(jìn)行sRNA譜分析發(fā)現(xiàn)，sRNA可能通過調(diào)控其靶基因，特別是控制生長(zhǎng)素信號(hào)通路，在超級(jí)雜交稻的雜種優(yōu)勢(shì)中發(fā)揮重要作用，表明小RNA是超級(jí)雜交稻雜種優(yōu)勢(shì)的重要調(diào)控者。 WANG Y等[16]對(duì)小麥幼苗sRNA文庫(kù)進(jìn)行生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，來自tRNA-Val-CAC、tRNA-Thr-UGU、tRNA-Tyr-GUA和tRNA-Ser-UGA的stRNA的表達(dá)不僅在高溫脅迫下上調(diào)，而且由滲透脅迫誘導(dǎo)，表明stRNA的切割增加可能是小麥幼苗發(fā)育的機(jī)制，以幫助應(yīng)對(duì)不利的環(huán)境條件，從而影響雜種優(yōu)勢(shì)。 SEIFERT F等[17]通過對(duì)21個(gè)玉米親本自交系小組的小RNA文庫(kù)進(jìn)行測(cè)序發(fā)現(xiàn)，親本sRNA表達(dá)變異與谷粒產(chǎn)量(GY)雜種優(yōu)勢(shì)呈負(fù)相關(guān)，雜種中sRNA可能會(huì)對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)有負(fù)面影響，抑制了雜種優(yōu)勢(shì)。

4 小結(jié)

表觀遺傳學(xué)是對(duì)中心法則忽略問題的補(bǔ)充。表觀遺傳信息能夠利用控制基因的時(shí)間、位置等對(duì)發(fā)育和生理反應(yīng)進(jìn)行調(diào)控。因此，許多不能通過DNA序列來解釋的現(xiàn)象，如雜種優(yōu)勢(shì)中的某些現(xiàn)象可以利用表觀遺傳學(xué)分析得到結(jié)論。此外，表觀遺傳學(xué)是處于發(fā)展中的一個(gè)研究領(lǐng)域，很多細(xì)節(jié)需要不斷研究完善。通過深入分析表觀遺傳學(xué)，有利于揭示生命現(xiàn)象的本質(zhì)，同時(shí)為其他學(xué)科的研究提供新的思路與方向。