表觀遺傳學(xué)與人類疾病關(guān)系研究概述

張淑萍

（吳江高級(jí)中學(xué) 江蘇蘇州 215200）

在人類基因組研究以來的二十年里，人類在疾病遺傳學(xué)基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)上取得了前所未有的成功。但兩個(gè)基因相同的雌性同卵雙生雙胞胎，成長于相同的環(huán)境，卻表現(xiàn)出差異較大的生物學(xué)性狀。對(duì)于這一現(xiàn)象，人們無法用經(jīng)典遺傳學(xué)來進(jìn)行解釋基因型與表型之間的關(guān)系，于是便有了表觀遺傳學(xué)的誕生。隨著表觀遺傳學(xué)的深入研究，人們發(fā)現(xiàn)一些復(fù)雜疾病的臨床現(xiàn)象越來越離不開表觀遺傳學(xué)修飾調(diào)控機(jī)制的分析。

1 表觀遺傳學(xué)的基本概念

DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的破譯是生命科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)里程碑式的發(fā)現(xiàn)，這也是經(jīng)典遺傳學(xué)研究的基礎(chǔ)，核酸序列儲(chǔ)存著生物體的遺傳信息，堿基序列的改變會(huì)引起生物體上下代之間遺傳表型的改變。然而，隨著人類基因組計(jì)劃的研究，人們對(duì)遺傳信息的傳遞和表達(dá)有了更深入的認(rèn)識(shí)，意識(shí)到細(xì)胞內(nèi)遺傳信息有著復(fù)雜的表達(dá)機(jī)制。1942年，沃丁頓在研究“基因與表型關(guān)系”過程中發(fā)現(xiàn)了經(jīng)典遺傳學(xué)不能解釋的意外現(xiàn)象，并首次提出了表觀遺傳學(xué)。隨著科學(xué)家對(duì)遺傳學(xué)的深入研究，表觀遺傳學(xué)的基本概念越來越具體化。

經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為表型特征遺傳是由于DNA序列的改變而造成的。表觀遺傳學(xué)的逐步發(fā)展是因?yàn)樵谘芯窟z傳學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)了許多不符合經(jīng)典遺傳學(xué)的現(xiàn)象。表觀遺傳學(xué)主要探討在DNA序列不發(fā)生改變的情形下，環(huán)境、飲食或其他原因?qū)е翫NA甲基化、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化等改變，使基因組表達(dá)受到影響，最終導(dǎo)致表型變異的遺傳學(xué)機(jī)制?？梢?，遺傳學(xué)與表觀遺傳學(xué)既有區(qū)別，又協(xié)調(diào)參與調(diào)節(jié)生命活動(dòng)。表觀遺傳學(xué)調(diào)節(jié)生命進(jìn)程中基因的表達(dá)，這一過程若發(fā)生異?？蓪?dǎo)致人類癌癥和其他疾病的發(fā)生。與DNA改變不同的是，許多表觀遺傳學(xué)的改變是可逆的，這為表觀遺傳疾病的治療帶來了曙光，但是想要解開分子調(diào)節(jié)機(jī)制是如何影響人類疾病這一世界難題，對(duì)于人類則是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。筆者結(jié)合最新研究進(jìn)展，對(duì)表觀遺傳學(xué)與人類疾病的產(chǎn)生、診斷和治療進(jìn)行闡述。

2 表觀遺傳學(xué)與人類疾病的發(fā)生

研究發(fā)現(xiàn)，雙胞胎在X連鎖的腎上腺腦白質(zhì)營養(yǎng)不良（ALD）基因上發(fā)生相同突變后，一個(gè)失明，另一個(gè)非常健康。1996年，科尼塞克等首次解釋是“可能有一些非遺傳性因素對(duì)表型起著非常重要的作用”。在2004年，佩通發(fā)現(xiàn)有些同卵雙胞胎盡管在相似的環(huán)境條件下長大，卻有不同的精神分裂癥表型。這類病例的研究揭示了表觀遺傳學(xué)在人類健康和疾病中所起的作用。

2.1 DNA甲基化與人類疾病

2.1.1 DNA甲基化與腫瘤

現(xiàn)代腫瘤理論認(rèn)為，基因缺陷和表觀遺傳修飾調(diào)控可引發(fā)癌癥，大量的臨床研究表明，腫瘤細(xì)胞中的表觀遺傳修飾調(diào)控發(fā)生異常變化，一般表現(xiàn)為基因組甲基化水平低，而CpG島甲基化水平高。

2.1.2 DNA甲基化與精神疾病

近幾年研究人員發(fā)現(xiàn)，在精神分裂和精神異?；颊叩哪X細(xì)胞中DNA甲基化處于高水平狀態(tài)，從而抑制Reelin蛋白的表達(dá)，影響神經(jīng)遞質(zhì)的正常釋放、記憶的形成和突觸傳遞等活動(dòng)。除此之外，DNA甲基化對(duì)學(xué)習(xí)記憶功能也起著重要的作用，很多學(xué)者認(rèn)為，DNA甲基化可對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)揮動(dòng)態(tài)、快速的調(diào)節(jié)功能。

2.1.3 DNA甲基化與衰老

科學(xué)發(fā)現(xiàn)，在細(xì)胞衰老的過程中，隨著年齡增加，DNA甲基化總體處于下降水平，但同時(shí)又伴隨著某些基因啟動(dòng)子局部區(qū)域處于高甲基化狀態(tài)。研究人員發(fā)現(xiàn)，阿爾茨海默癥和帕金森氏綜合癥（PD）等退行性腦病可能與老年后甲基化的異常有關(guān)。不僅如此，有些老化的細(xì)胞呈現(xiàn)胞嘧啶的甲基化降低現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致染色體的不穩(wěn)定或重組，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生腫瘤的概率增加。另一方面，過度的甲基化也會(huì)造成抑癌基因的沉默，從而增加癌變的可能，如拜林等人發(fā)現(xiàn)在腫瘤細(xì)胞中，總DNA甲基化酶的活性會(huì)增強(qiáng)。

2.1.4 DNA甲基化與免疫

相關(guān)疫病研究發(fā)現(xiàn)，DNA甲基化修飾異常可影響一些免疫活性物質(zhì)的正常表達(dá)（如黏附分子和細(xì)胞因子等），導(dǎo)致T淋巴細(xì)胞的自身發(fā)生功能性異常，引起自身免疫性疾病。例如，系統(tǒng)性紅斑狼瘡患者的T細(xì)胞甲基化酶活性下降，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的DNA甲基化水平低下，引起一些免疫相關(guān)因子的過度表達(dá)，導(dǎo)致此疾病發(fā)生。

除此之外，研究人員在動(dòng)脈粥樣硬化患者體內(nèi)發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞內(nèi)存在基因組多數(shù)低甲基化和某些CpG島的異常高甲基化的現(xiàn)象，其表明DNA甲基化的改變可引發(fā)心血管疾病。

2.2 組蛋白修飾與疾病

構(gòu)成真核生物體染色質(zhì)的組蛋白發(fā)生修飾作用后，致使染色體的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導(dǎo)致正常基因不能表達(dá)。例如，研究人員發(fā)現(xiàn)，脆性X染色體綜合征患者體內(nèi)FMRI基因5′端的CpG島甲基化異常，組蛋白乙?；降陀谡Ｈ?，導(dǎo)致FMRI基因不能表達(dá)，表現(xiàn)為智力發(fā)育遲緩。

2.3 染色質(zhì)重塑與疾病

染色質(zhì)重塑包括核小體滑動(dòng)、移除和構(gòu)象改變，以及置換組蛋白等模式，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常均會(huì)影響基因組DNA的正常表達(dá)，繼而引發(fā)一些復(fù)雜的人類疾病。例如，X連鎖的α珠蛋白生成障礙性貧血綜合征，其染色質(zhì)重塑缺陷，α珠蛋白基因座下調(diào)，臨床表現(xiàn)為智力低下、溶血性貧血和外生殖器畸形等癥狀。

2.4 遺傳印記與疾病

1984年，詹姆斯等科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，同一基因的改變，源自不同性別的親本，產(chǎn)生表達(dá)效用不同，造成表型出現(xiàn)差異，并將其命名為遺傳印記。研究顯示，遺傳印記與一些復(fù)雜的人類疾病相關(guān)，如Prader-Willi綜合征（PWS）和Angelman綜合征（AS）。這兩種疾病均是缺失14q11-q13上一個(gè)相同區(qū)域?qū)е碌?，但由于PWS是缺失父本來源的該區(qū)域，AS是缺失母本源的該區(qū)域，導(dǎo)致產(chǎn)生不同表型的兩種疾病。除此之外，人們通過研究發(fā)現(xiàn)，異常的印記基因可誘發(fā)癌癥。

2.5 染色質(zhì)失活與疾病

早在1961年，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，有些哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)只有一條X染色體有活性，而另一條X染色體隨機(jī)失活并固縮，進(jìn)而導(dǎo)致基因沉默的現(xiàn)象。例如，在血友病遺傳中，一般來說，基因型為XHXh雜合子不會(huì)患病，但科學(xué)家發(fā)現(xiàn)部分女性血友病是雜合子，分析發(fā)現(xiàn)此雜合子和XhXh純合子同樣缺乏凝血因子，可能是其肝臟組織中編碼正常凝血因子的X染色體隨機(jī)失活導(dǎo)致的。

2.6 非編碼RNA與疾病

非編碼RNA在表觀遺傳修飾調(diào)控中發(fā)揮著舉足輕重的作用，科學(xué)發(fā)現(xiàn)，DNA甲基化、組蛋白化學(xué)修飾和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)重塑之間的調(diào)節(jié)作用，均有長鏈非編碼RNA（lncRNA）和功能性蛋白質(zhì)有關(guān)（圖1）。目前多項(xiàng)研究已證實(shí)lncRNA影響腫瘤、心血管和感染性疾病的發(fā)生。

科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)在人體內(nèi)基因組大約為3 000Mb，基因數(shù)約為22 000，但基因組中非編碼序列所占比例ncDNA（開環(huán)DNA）/tgDNA（全基因組DNA）為0.983。研究發(fā)現(xiàn)，不能將基因組的大小或多少作為生物學(xué)復(fù)雜程度的唯一指標(biāo)，ncDNA/tgDNA似乎比基因組大小和基因數(shù)目更加適合作為生物復(fù)雜程度的一個(gè)指標(biāo)。

3 表觀遺傳學(xué)與疾病診斷

綜上所述，表觀遺傳修飾調(diào)控的改變會(huì)導(dǎo)致一些嚴(yán)重的人類疾病。令人欣慰的是，表觀遺傳修飾調(diào)控造成的異?；蚴强赡娴模瑸槿祟悓ふ液吞剿髂孓D(zhuǎn)基因沉默的治療方法及戰(zhàn)勝疾病帶來了曙光。

3.1 表觀遺傳疾病的診斷技術(shù)

近年在研究表觀遺傳學(xué)的過程中，諸多新技術(shù)被用來闡明表觀遺傳學(xué)的遺傳特征，目前廣泛應(yīng)用的有表觀遺傳學(xué)生物信息學(xué)分析和數(shù)據(jù)庫、與DNA甲基化修飾作用相關(guān)的新技術(shù)、組蛋白修飾與染色質(zhì)重塑分析相關(guān)的技術(shù)、DNA芯片技術(shù)、非編碼RNA研究技術(shù)和質(zhì)譜分析技術(shù)等。

3.2 表觀遺傳學(xué)與疾病治療

表觀遺傳修飾調(diào)控的改變導(dǎo)致了一些重大的人類疾病。目前，開發(fā)治療藥物主要朝著改變DNA甲基化或進(jìn)行組蛋白修飾的方向進(jìn)行。臨床上用鹽酸普魯卡因胺（一種DNA甲基化抑制劑）抑制DNA甲基化過程，進(jìn)而治療心律失調(diào)疾病，除此之外，反義寡核苷酸（一種抑制DNA甲基轉(zhuǎn)移酶活性藥物）也在實(shí)驗(yàn)室開展研究。研究發(fā)現(xiàn)，在腫瘤細(xì)胞中加入組蛋白去乙?；福℉DAC）抑制劑，可使一些沉默基因重新表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞生長和分化，這對(duì)于抑制細(xì)胞增殖的腫瘤治療非常重要。

細(xì)胞內(nèi)的一些小分子干涉RNA（siRNA）是受外來的核酸誘導(dǎo)產(chǎn)生的，通過RNA干涉清除外來的核酸。目前，人類發(fā)現(xiàn)一些重大疾病的RNA干涉的靶位點(diǎn)，為此類疾病的治療提供了新的思路和方案。