經(jīng)典表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象分析

黃發(fā)享 渠 源

（華中師范大學(xué)第一附屬中學(xué) 湖北武漢 430060）

生物體中形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能特性各異的細(xì)胞的出現(xiàn)本質(zhì)上是因?yàn)榛虻倪x擇性表達(dá)?；蛟诤螘r(shí)表達(dá)、在哪些組織器官中表達(dá)以及表達(dá)量的高低均受到嚴(yán)格的調(diào)控，表觀遺傳調(diào)控在其中發(fā)揮著重要的作用。與經(jīng)典遺傳相比，表觀遺傳也能夠使基因的表達(dá)和生物的表型發(fā)生可遺傳的改變，但不同的是表觀遺傳學(xué)視域下基因的堿基序列并不發(fā)生改變，并且所帶來(lái)的改變具有不穩(wěn)定性和可逆性。表觀遺傳學(xué)在解釋基因的選擇性表達(dá)、細(xì)胞分化、拓展經(jīng)典遺傳學(xué)邊界等方面具有重要意義，因此這一領(lǐng)域的研究成為了近年來(lái)生命科學(xué)研究的熱點(diǎn)。

為緊跟生物學(xué)發(fā)展的步伐、更好地培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，2019年版人教版高中生物學(xué)《必修2·遺傳與進(jìn)化》中也加入了表觀遺傳的概念及相關(guān)實(shí)例。但是因?yàn)楸碛^遺傳的概念與經(jīng)典遺傳有很大不同，表觀遺傳學(xué)這個(gè)學(xué)科也處于蓬勃發(fā)展之中，很多現(xiàn)象和問(wèn)題還亟待解決，因此對(duì)表觀遺傳概念和作用的理解成為了教學(xué)中的難點(diǎn)。如何在教學(xué)中使學(xué)生們明晰表觀遺傳學(xué)中的概念是需要不斷探索的問(wèn)題。下面介紹位置效應(yīng)花斑、副突變、X染色體失活、基因組印記這四種經(jīng)典表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象的含義和其內(nèi)在原理。

1 位置效應(yīng)花斑

1.1 現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及含義

細(xì)胞中間期染色質(zhì)按其形態(tài)特征、活性狀態(tài)和染色性能可分為常染色質(zhì)和異染色質(zhì)。與常染色質(zhì)相比，由于異染色質(zhì)處于聚縮狀態(tài)，無(wú)法完成正常的基因轉(zhuǎn)錄，因此異染色質(zhì)區(qū)表現(xiàn)出了顯著的遺傳惰性，而位置效應(yīng)花斑現(xiàn)象的出現(xiàn)正與異染色質(zhì)的這一特性有關(guān)。

位置效應(yīng)花斑現(xiàn)象最早是由科學(xué)家繆勒在用X射線誘導(dǎo)果蠅突變體時(shí)發(fā)現(xiàn)的。果蠅中最早發(fā)現(xiàn)的突變基因是white基因，該基因使果蠅呈現(xiàn)白眼性狀，而不是野生型的紅眼性狀。但是在誘變過(guò)程中，繆勒發(fā)現(xiàn)有些果蠅的眼色一部分呈現(xiàn)白色，一部分呈現(xiàn)紅色，表現(xiàn)為花斑狀。后來(lái)科學(xué)家通過(guò)對(duì)這種果蠅的多線染色體進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)不是因?yàn)閣hite基因的堿基序列發(fā)生了改變，而是因?yàn)楣壢旧w中出現(xiàn)了染色體倒位，染色體斷裂的位點(diǎn)一個(gè)在染色體臂間的異染色質(zhì)區(qū)，一個(gè)鄰近white基因（圖1）。由于果蠅花斑眼性狀的出現(xiàn)是因?yàn)閣hite基因位置改變，進(jìn)而影響了基因的表達(dá)，所以這種現(xiàn)象被稱為位置效應(yīng)花斑。

圖1 位置效應(yīng)花斑原理示意圖（引自Elgin and Reuter 2013）

1.2 基本原理

位置效應(yīng)花斑的出現(xiàn)是由于染色體倒位導(dǎo)致white基因的位置發(fā)生改變，由原來(lái)位于常染色質(zhì)區(qū)域變?yōu)榭拷惾旧|(zhì)區(qū)域，異染色質(zhì)區(qū)域能夠?qū)⑵淙旧|(zhì)聚縮的狀態(tài)擴(kuò)展至周圍染色質(zhì)區(qū)段，進(jìn)而導(dǎo)致white基因的轉(zhuǎn)錄受到抑制，無(wú)法正常表達(dá)。

多位科學(xué)家對(duì)異染色質(zhì)狀態(tài)的維持以及常染色質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楫惾旧|(zhì)的機(jī)制進(jìn)行了深入研究，目前形成的調(diào)控模型如圖2所示。正常情況下，常染色質(zhì)區(qū)域具有H3K4me2/3（組蛋白H3第4位賴氨酸二甲基化或三甲基化）、H3K9Ac（組蛋白H3第9位賴氨酸乙?；3S10（組蛋白H3第10位絲氨酸）磷酸化等修飾，這些修飾能夠促進(jìn)染色質(zhì)的開放和基因的表達(dá)。而當(dāng)常染色質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楫惾旧|(zhì)時(shí)，這些修飾首先會(huì)分別被LSD1（一種組蛋白去甲基化酶）、HDAC1（一種組蛋白去乙?；福┖土姿崦赋ィ▓D2A）。隨后，SU（VAR）3-9和SUV4-20（組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶）會(huì)分別使H3K9（組蛋白H3第9位賴氨酸）和H4K20（組蛋白H4第20位賴氨酸）發(fā)生甲基化修飾（圖2B），這兩個(gè)位點(diǎn)的修飾會(huì)促進(jìn)染色質(zhì)聚縮，進(jìn)而抑制基因表達(dá)。正是在這些表觀遺傳調(diào)控蛋白和修飾方式的調(diào)控下，常染色質(zhì)區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)楫惾旧|(zhì)區(qū)域，white基因的表達(dá)受到抑制，果蠅出現(xiàn)了位置效應(yīng)花斑現(xiàn)象。

圖2 常染色質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楫惾旧|(zhì)的機(jī)制（引自Elgin and Reuter 2013）

2 副突變

2.1 現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及含義

副突變最先是由美國(guó)威斯康星大學(xué)的Brink教授在玉米中發(fā)現(xiàn)的。Brink教授發(fā)現(xiàn)在玉米R(shí)基因的基因座位上存在兩個(gè)等位基因Rst和Rr，這兩個(gè)等位基因的純合個(gè)體表現(xiàn)出不同的性狀，但是Rst和Rr雜合子自交后代中的Rr純合子并不表現(xiàn)為Rr所控制的性狀，反而表現(xiàn)Rst所控制的性狀，但是這一表型不穩(wěn)定，幾代之后又會(huì)回復(fù)為Rr所控制的性狀。由于這種現(xiàn)象不同于突變，但是與突變相似，因此Brink教授將此現(xiàn)象命名為副突變。

后來(lái)，科學(xué)家在玉米中發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)副突變位點(diǎn)b1。b1基因的表達(dá)產(chǎn)物為轉(zhuǎn)錄因子，能夠激活花青素的生物合成通路，進(jìn)而使玉米植株呈現(xiàn)出紫色，因此當(dāng)b1基因的表達(dá)發(fā)生變化時(shí)會(huì)造成玉米顏色的改變。在b1基因座位上存在兩個(gè)特殊的等位基因B-I和B’。研究發(fā)現(xiàn)B-I和B’純合植株分別表現(xiàn)為紫色和綠色，二者雜交產(chǎn)生的子一代表現(xiàn)為綠色，說(shuō)明B’相對(duì)于B-I基因來(lái)說(shuō)為顯性。子一代與隱性純合子進(jìn)行測(cè)交，若符合孟德爾遺傳定律，子二代中綠色植株與紫色植株的比例應(yīng)為1∶1，但實(shí)際上子二代植株全部呈現(xiàn)綠色。深入分析發(fā)現(xiàn)，B-I和B’基因在堿基序列上并沒(méi)有區(qū)別，啟動(dòng)子區(qū)域和編碼區(qū)的甲基化程度也沒(méi)有差別。因此，推測(cè)可能存在表觀遺傳調(diào)控方式使得B’/B-I雜合子中B-I變?yōu)榱薆’*，進(jìn)而使子二代中全部表現(xiàn)為B’所控制的性狀。

2.2 基本原理

為了進(jìn)一步分析B-I基因轉(zhuǎn)變?yōu)榱薆’*的內(nèi)在機(jī)制，科學(xué)家對(duì)B-I和B’基因及其上下游序列進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與正常的b1基因相比，在B-I和B’基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（b1基因座位）上游100 kb處有一個(gè)長(zhǎng)約6 kb的區(qū)域，該區(qū)域存在7個(gè)853 bp長(zhǎng)的串聯(lián)重復(fù)序列（圖3）。研究者發(fā)現(xiàn)B-I和B’基因中的串聯(lián)重復(fù)序列正義鏈和反義鏈都能夠轉(zhuǎn)錄，并能夠形成雙鏈RNA。在B-I和B’基因純合時(shí)，B’基因上游的串聯(lián)重復(fù)序列轉(zhuǎn)錄出的雙鏈RNA能夠與多種蛋白結(jié)合，抑制其自身的表達(dá)，因此與B-I基因相比，B’基因的b1基因座位表達(dá)量較低，植株呈現(xiàn)綠色。在B’/B-I雜合子中，B’上游串聯(lián)重復(fù)序列轉(zhuǎn)錄出的雙鏈RNA能夠使B-I轉(zhuǎn)變?yōu)锽’*，b1基因座位的表達(dá)量下降，因此雜合子的測(cè)交后代中植株全部表現(xiàn)為綠色。在未來(lái)的研究中還需要進(jìn)一步探討副突變中RNA介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄沉默的機(jī)制，明確參與這一過(guò)程的關(guān)鍵蛋白。

圖3 B-I和B’基因的結(jié)構(gòu)（引自Arteaga-Vazquez and Chandler 2010）

3 X染色體失活

3.1 現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及含義

在XY型性別決定的生物中，雌性個(gè)體細(xì)胞中含有兩條X染色體，雄性個(gè)體細(xì)胞中含有一條X染色體，若沒(méi)有相應(yīng)的調(diào)控機(jī)制，雌性個(gè)體中X連鎖基因的表達(dá)量將是雄性個(gè)體的兩倍。但是，實(shí)際上雌雄個(gè)體中X連鎖基因的表達(dá)量基本一致。這種現(xiàn)象是通過(guò)劑量補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)的。劑量補(bǔ)償有3種方式：①雌性個(gè)體每條X染色體上基因的表達(dá)量減半，這種機(jī)制存在于線蟲中；②雄性個(gè)體X染色體上基因的表達(dá)量是雌性個(gè)體每條X染色體上基因表達(dá)量的兩倍，這種機(jī)制存在于果蠅中；③在哺乳動(dòng)物中，雌性個(gè)體的兩條染色體中只有其中一條染色體的基因正常表達(dá)，這種現(xiàn)象又被稱為X染色體失活。

早在1949年，科學(xué)家巴爾就在間期細(xì)胞核中發(fā)現(xiàn)了染色較深、處于聚縮狀態(tài)的染色質(zhì)小體，并將其命名為巴氏小體。隨后為了解釋這一現(xiàn)象，科學(xué)家Lyon提出假說(shuō)：在胚胎發(fā)育早期雌性哺乳動(dòng)物細(xì)胞中有一條染色體會(huì)失去活性，形成巴氏小體的結(jié)構(gòu)，而且X染色體的失活是隨機(jī)的。

3.2 基本原理

X染色體失活的直接原因是由于X染色體處于聚縮狀態(tài)，基因無(wú)法正常表達(dá)，但是根本原因是非編碼RNA Xist的轉(zhuǎn)錄以及其帶來(lái)的X染色體上DNA和組蛋白修飾的變化。在X染色體上有一段序列被稱為X染色體失活中心，從X染色體失活中心中會(huì)轉(zhuǎn)錄出非編碼RNA Xist（圖4中虛線），Xist能夠結(jié)合在X染色體上，招募一系列蛋白，使DNA和組蛋白的修飾發(fā)生改變（圖4中實(shí)心圈線），導(dǎo)致染色體聚縮，隨后進(jìn)一步招募其他類型的染色質(zhì)修飾分子，增加染色質(zhì)的修飾（圖4中空心圓圈），進(jìn)一步鞏固異染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使X染色體失活，抑制基因的表達(dá)。

圖4 Xist RNA誘導(dǎo)X染色體失活的大致過(guò)程（引自Brockdorff and Turner 2015）

4 基因組印記

4.1 現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及含義

對(duì)于二倍體哺乳動(dòng)物來(lái)說(shuō)，體細(xì)胞中均含有一半來(lái)自父源的染色體和一半來(lái)自母源的染色體，因此對(duì)于每個(gè)基因來(lái)說(shuō)都含有兩個(gè)拷貝，若父源和母源的基因表達(dá)情況相同，那么一個(gè)受精卵中僅含有母源的染色體或僅含有父源的染色體仍然可以發(fā)育為正常個(gè)體。但實(shí)際情況并非如此。

有科學(xué)家做了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：將受精卵中的雌原核或雄原核取出，利用顯微注射核移植技術(shù)移入一個(gè)雄原核或雌原核。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，具有兩個(gè)雌原核或兩個(gè)雄原核的胚胎會(huì)出現(xiàn)致死現(xiàn)象，只有雄原核和雌原核同時(shí)存在的胚胎才能存活。這說(shuō)明父源和母源染色體上基因的表達(dá)并不一致，父源和母源基因的表達(dá)對(duì)于胚胎的正常發(fā)育均至關(guān)重要。因此，細(xì)胞中可能存在基因組印記，只有父源或母源一方的基因會(huì)正常表達(dá)，另一方的基因會(huì)處于沉默狀態(tài)。

印記基因的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了基因組印記的存在，研究發(fā)現(xiàn)印記基因通常在染色體上成簇存在，例如Igf2r、Igf2、Kcnq1、Gnas、Dlk1基因簇，印記基因簇的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中ICE為印記控制元件，在父源（Pat）和母源（Mat）染色體中此區(qū)域的甲基化程度有顯著差別，IG表示印記基因，IG-NC表示印記非編碼RNA，NI表示非印記基因。圖5中該基因簇為母源表達(dá)的印記基因。

圖5 印記基因基本結(jié)構(gòu)（引自Barlow and Bartolomei 2014）

基因組印記與某些人類疾病的發(fā)生直接相關(guān)。例如，帕德維利綜合征和天使綜合征的發(fā)生均與15號(hào)染色體同一片段的缺失有關(guān)，父源染色體中這一片段的缺失會(huì)導(dǎo)致帕德維利綜合征，而母源染色體中這一片段的缺失會(huì)造成天使綜合征。父源和母源印記基因的缺陷會(huì)導(dǎo)致不同類型疾病的發(fā)生，在個(gè)體中產(chǎn)生不同的表型。

4.2 基本原理

目前基因組印記存在絕緣子模型和長(zhǎng)鏈非編碼RNA模型（圖6）兩種調(diào)控機(jī)制。

Igf2基因簇為父源表達(dá)的印記基因，該印記基因的建立符合絕緣子模型（圖6A）。在這一基因簇中，母源染色體的ICE區(qū)域不發(fā)生甲基化，CTCF蛋白能夠結(jié)合在ICE區(qū)域并組成絕緣子結(jié)構(gòu)，由于絕緣子的存在，增強(qiáng)子（圖6中標(biāo)有E的橢圓）只能激活非編碼RNA H19-NC的轉(zhuǎn)錄，Igf2和Ins2基因的轉(zhuǎn)錄受到抑制。而在父源染色體中ICE區(qū)域會(huì)發(fā)生甲基化，因而無(wú)法與CTCF蛋白結(jié)合形成絕緣子結(jié)構(gòu)，H19-NC也無(wú)法轉(zhuǎn)錄，因此增強(qiáng)子能夠作用于Igf2和Ins2基因，激活基因表達(dá)。

Igf2r基因簇為母源表達(dá)的印記基因，該印記基因的建立符合長(zhǎng)鏈非編碼RNA（lncRNA）模型（圖6B）。在這一基因簇中，母源染色體的ICE區(qū)段會(huì)發(fā)生甲基化，該區(qū)段含有非編碼RNA Airn的啟動(dòng)子序列，因此ICE的甲基化會(huì)抑制Airn的轉(zhuǎn)錄，Airn不能發(fā)揮轉(zhuǎn)錄抑制作用，因而Igf2r等基因得以正常表達(dá)。而在父源染色體中，ICE區(qū)域不會(huì)發(fā)生甲基化，因而非編碼RNA Airn正常轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而抑制了Igf2r等基因的表達(dá)。

圖6 基因組印記的基本原理（引自Barlow and Bartolomei 2014）