表觀遺傳學

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表觀遺傳學又稱「擬遺傳學」、「表遺傳學」、「外遺傳學」以及「後遺傳學」(英文epigenetics),在生物學和特定的遺傳學領域,其研究的是在不改變DNA序列的前提下,通過某些機制引起可遺傳基因表達細胞表現型的變化[1]

表觀遺傳學是20世紀80年代逐漸興起的一門學科,是在研究與經典的孟德爾遺傳學遺傳法則不相符的許多生命現象過程中逐步發展起來的。
表觀遺傳現象包括DNA甲基化RNA干擾、組蛋白修飾等。與經典遺傳學以研究基因序列影響生物學功能為核心相比,表觀遺傳學主要研究這些「表觀遺傳現象」建立和維持的機制。其研究內容主要包括兩類,一類為基因選擇性轉錄表達的調控,有DNA甲基化、基因印記、組蛋白共價修飾和染色質重塑;另一類為基因轉錄後的調控,包括基因組非編碼RNA、微小RNA、反義RNA內含子核糖開關等。

表觀遺傳學指基因組相關功能改變而不涉及核苷酸序列變化。例如DNA甲基化和組蛋白修飾,兩者均能在不改變DNA序列的前提下調節基因的表達;阻遏蛋白通過結合沉默基因從而控制基因的表達。這些變化可能可以通過細胞分裂而得以保留,並且可能持續幾代。這些變化都僅是非基因因素導致的生物體基因表現(或「自我表達」)的不同[2],由於目前尚不清楚組蛋白的化學修飾是否可遺傳,有人對於用此術語描述組蛋白化學修飾提出了異議[3][4]
表觀遺傳學在真核生物中主要表現在細胞分化過程。在胚胎形態形成過程中,全能幹細胞分化成完全不同的細胞,也就是說,一個受精卵細胞分化出各種不同類型的細胞,包括神經細胞肌肉細胞、上皮細胞血管內皮細胞等,並通過抑制其他細胞和激活相關基因而進行持續的細胞分裂[5]
2011年的相關研究已證實,mRNA甲基化對人體內能量平衡發揮著至關重要的作用,對RNA上的N6-甲基腺苷進行脫甲基治療可控制FTO基因相關肥胖症,並因此而開創了RNA表觀遺傳學的相關領域[6][7]

目錄

詞源和定義

表觀遺傳機制

由於表觀遺傳學定義有多種,導致了在表觀遺傳學代表什麼這一問題上出現了分歧。表觀遺傳學由C. H. Waddington於1942年作為後生論和遺傳學的合詞而提出[8]
後生論是一個很古老的概念[9],現在更多的用於描述胚胎髮育過程中的細胞分化源自幹細胞的全能狀態。當Waddington提出這一詞語時,人們對基因的物理性質及其在遺傳中的作用還不清楚,使用該詞語是表示,基因可能與環境相互作用,併產生表現型的概念。Robin Holliday將表觀遺傳學定義為「在複雜有機體的發育過程中,對基因活性在時間和空間中調控機制的研究」[10]。因此,後生論也可用於描述任何影響有機體發育的因素,而不僅僅是DNA序列。
前在科學界對錶觀遺傳學有了更嚴格的定義。Arthur Riggs及其同事將其定義為,有關引起可遺傳的基因功能改變的有絲分裂和/或減數分裂的研究,這些變化以DNA序列改變無法解釋[11]。表觀遺傳學的希臘語前綴epi-意味著「在…之上」或「除…之外」,因此表觀遺傳學的特徵是傳統的分子水平遺傳之上或之外的遺傳。
「表觀遺傳學」也被用於描述還未證實的組蛋白修飾的遺傳過程,因此可嘗試用更廣義的術語來重新定義。
例如,Adrian Bird將表觀遺傳學定義為,染色體的構造適應,以便啟始、發出信號或保持變構的活性狀態[12]。這個定義既包括涉及DNA修復細胞周期的瞬態改變,也包括多代細胞的穩態改變,但是不包含細胞膜結構和普里昂蛋白,除非其影響到染色體功能。但這樣的定義並不被普遍接受並仍然受到爭議[13]

2008年的冷泉港會議達成了關於表觀遺傳學的共識,即「由染色體改變所引起的穩定的可遺傳的表現型,而非DNA序列的改變[14]

與「遺傳學」相似的詞衍生出很多平行的用法。「表觀基因組」是「基因組」的平行詞,指的是一個細胞的整體表觀遺傳狀態。「遺傳密碼」與「表觀遺傳密碼」對應,用於描述不同細胞產生不同表現型的一系列表觀遺傳特徵。「表觀遺傳密碼」可代表細胞的總體狀態,按每個分子在表觀遺傳地圖上所佔的位置,可得出DNA甲基化和組蛋白修飾狀態的特定基因組區域的基因表達圖表。更典型的是,這個詞用於提及和評估特定的系統性措施,如組蛋白編碼或DNA甲基化模型相關的表觀遺傳學形式。 心理學家Erik Erikson在其著作中提到「後生論」,認為後生規則是「任何生長的事物都有一個平面圖,在這個圖之外各個部分先後出現,而每個部分都有其特定的優勢期,直至所有的部分出現從而形成一個功能整體。」[15]個用法有一定的歷史價值[16]

表觀遺傳學的分子基礎

表觀遺傳的改變可以導致特定基因的激活,而不必改變DNA序列。此外,染色質蛋白DNA相關聯可能被激活或沉默。這是不同的細胞在多細胞有機體中只表達其活動必需基因的原因。當細胞進行分裂時,表觀遺傳的變化得以保存。
大多數表觀遺傳變化只發生在生物個體的一生中,但是,如果形成受精卵的精子卵細胞發生了基因失活,那麼這種表觀遺傳變化將被傳遞給下一代[17]。由此拉馬克學說提出了一個問題:這種生物體表觀遺傳的變化是否可改變DNA的基本結構。
特殊的表觀遺傳過程包括副突變、書籤、印跡、基因沉默、X染色體失活位置效應重組、縮並、母體效應、致癌進程、致畸劑影響、組蛋白化學修飾的調控以及異染色體和受技術局限的單性繁殖克隆
DNA損傷也會導致表觀遺傳變化[18][19][20]。DNA損傷發生頻繁,人體平均每天會發生10000次。這些損傷大部分被修復,但在DNA修復時仍然可能發生表觀遺傳變化[[21]。尤其是雙鏈DNA的斷裂可能會引起未編程的表觀遺傳基因沉默,導致DNA甲基化和促進沉默蛋白質組的修飾(染色質重構)[22]。此外,多聚二磷酸腺苷核糖酶(Parp1酶)及其產物多聚二磷酸腺苷核糖(PAR)在修復過程中會積聚DNA的損傷[23]。這種累積,反過來,直接補充和激活染色質重塑蛋白ALC1進而導致核小體的重構[24]。而核小體的重構會導致DNA修復基因MLH1的沉默[25]。能造成DNA損傷的化學物質,如苯、對苯二酚、苯乙烯、四氯化碳三氯乙烯,可通過激活氧化應激通路導致大量的DNA低甲基化[26]
不同飲食影響老鼠表觀遺傳變化[27]。一些食物成分可增加DNA修復酶、MGMT、MLH1[27]p53[28]和p53 [29][30])的水平,另一些食物成分如大豆異黃酮[31][32]花青素[33]降低DNA損傷。
表觀遺傳研究廣泛使用分子生物學技術,如染色質免疫沉澱反應、熒光原位雜交法、甲基化敏感限制酶、DNA腺嘌呤甲基轉移酶識別、亞硫酸鹽定序等,從而幫助人們更深入地理解表觀遺傳現象。此外,生物信息學方法也發揮著越來越重要的作用(計算表觀遺傳學)。計算機模擬和分子動力學方法揭示了原子運動與組蛋白尾端變構分子的識別有關.[34]

機制

一些類型的表觀遺傳系統在細胞記憶中可能扮演重要角色[35],然而需注意的是,並不是所有的表觀遺傳學例子都能被普遍接受。

DNA甲基化和染色質重組

DNA與組蛋白結合形成染色質

細胞核個體的表現型受到自身基因轉錄的影響,因此可遺傳的轉錄能提高表觀遺傳效應。基因表達分多層調控,基因調控的一種途徑是通過染色質重組。染色質是DNA和組蛋白結合的複合體,DNA纏繞著組蛋白球體,若DNA纏繞組蛋白的方式發生改變,基因表達也將改變。染色質重組通過以下兩個主要機制完成:

  1. 第一條途徑是組成組蛋白的胺基酸的平移修改。組蛋白由長鏈胺基酸構成,如果鏈中的胺基酸改變,組蛋白的形態將發生改變。複製期間的DNA並非完全解鏈,因此,經過修改的組蛋白可能被用於每個新複製的DNA,這些組蛋白將作為模板,以新的方式合成新形態的組蛋白。通過改變周圍蛋白的形態,這些修改的組蛋白將確保分化的細胞保持分化狀態,而不是重新回到幹細胞狀態。
  2. 第二條途徑是通過增加位於CpG島上的DNA的甲基,使胞嘧啶轉化為5-甲基胞嘧啶。5-甲基胞嘧啶同正常的胞嘧啶一樣與鳥嘌呤配對,然而,基因組某些區域的甲基化較多,甲基化較高的區域通過不完全清楚的機制使得轉錄的活力減小。甲基化的胞核嘧啶也可以從父母一方的生殖細胞保留在受精卵中,標記染色體遺傳自雙親(遺傳印記)。

細胞分化過程中DNA甲基化將導致組蛋白性狀的變化。某些酶(如DNMT1 )對甲基化胞嘧啶有較高的親和力。如果這種酶達到DNA的「半甲基化」部分(兩條DNA鏈中只有一個甲基胞嘧啶),這種酶將催化另一部分。
雖然組蛋白修飾發生在整個序列中,非結構化的N-末端的蛋白(稱為組蛋白尾端)特別容易被修改。這些修改包括乙醯化,甲基化,泛素化磷酸化和修飾作用。乙醯化是這些修飾中研究得最多的。例如,組蛋白H3尾部的K14和K9賴氨酸被組蛋白乙醯轉移酶(HATs)乙醯化通常與轉錄能力有關。
有人認為這種與「激活的」轉錄有關的乙醯化傾向於是一種生物物理學改變。因為通常在組蛋白末端有一個帶正電荷的氮,賴氨酸可以與DNA主鏈帶負電荷的磷酸鹽結合。乙醯化使側鏈上帶正電荷的氨基團變成中性的醯胺鍵。正電荷的去除,使DNA從組蛋白上解開。這時,SWI/SNF和其他轉錄因子複合體就可以結合到DNA上使轉錄開始。這是表觀遺傳作用的「順式」模型。就是說,組蛋白尾部改變對於DNA本身有一種直接效應。
另一種表觀遺傳作用模型是「反式」模型。在這個模型中,組蛋白尾部改變對DNA起間接作用。例如,賴氨酸乙醯化可以為染色質修飾酶(和基礎轉錄裝置)產生一個結合位點,然後該染色質重構體導致染色質狀態改變。實際上,布羅莫結構域——一個特異性與乙醯-賴氨酸結合的蛋白片段(域)——發現其幫助很多酶激活轉錄,包括SWI/SNF複合體(在polybromo蛋白上)。乙醯化可能作用於此和之前的途徑而幫助轉錄激活。
組蛋白甲基化也證實了由相關因素導致的對接模塊作為一種修飾方式的推斷。組蛋白H3賴氨酸9的甲基化與組成型轉錄沉默染色質(組成型異染色質)有關。已確定轉錄阻遏蛋白HP1的一個染色質域(特異性結合甲基-賴氨酸的域)在HP1到K9的甲基化區域發揮作用。而一個看起來像反駁甲基化的生物物理學模型,賴氨酸4上的組蛋白H3的三甲基化與轉錄激活強相關(且完全需要)。三甲基化將在組蛋白尾部引進一個固定正電荷。
已研究證明,組蛋白賴氨酸轉甲基酶(KMT)在組蛋白H3和H4模式中負責甲基化激活。該酶利用一個叫SET域(Suppressor of variegation,zeste增強子,Trithorax)的催化活性位點。SET域是一個130個胺基酸的序列,參與調控基因活化。已證實其可與組蛋白尾部結合,導致組蛋白甲基化。[36]不同的組蛋白修飾可能通過不同的方式起作用;一個位置的乙醯化可能比另一個位置的乙醯化發揮更大的作用。另外,還可以同時發生多重修飾,這些修飾可以一起作用來改變核小體的行為。多重動態修飾以一種系統的可繁殖的方式調節基因轉錄叫做組蛋白密碼。
不同的組蛋白修飾可能通過不同的方式起作用;一個位置的乙醯化可能比另一個位置的乙醯化發揮更加不同的作用。另外,同時可以發生多重修飾,這些修飾可以一起工作來改變核小體的行為。多重動態修飾以一種系統的和可繁殖的方式調節基因轉錄叫做組蛋白密碼。
DNA甲基化頻繁發生於重複序列,幫助抑製表達和「轉座子」的流動性::[37]由於5-甲基胞嘧啶可以自發脫氨基(用氧替代氮)變成胸苷,除了CpG島保持未甲基化外,CpG位點經常發生變化,其在基因組中逐漸變得稀少,。因此這種類型的表觀遺傳改變具有直接增加永久的基因突變頻率的潛力。已知DNA甲基化通過至少三個獨立的DNA甲基轉移酶的複雜的相互作用而對環境因子做出反應,從而使其得以建立和修改,DNMT1,DNMT3A和DNMT3B,其中任何一個缺失對於小鼠都是致命的。DNMT1在體細胞中是最多的轉甲基酶,[38] DNMT1在體細胞中是最多的轉甲基酶,[39]局限在複製中心。[40]對於半甲基化的DAN具有10-40倍的優先權,並與增殖細胞核抗原(PCNA)發生相互作用。[41]
通過優先修飾半甲基化的DNA,DNMT1在DNA複製後將甲基化模式轉移給一條新的合成鏈,因此經常作為「維持」甲基轉移酶被提及。[42]DNMT1對於適當的胚胎髮育、印刻銘記和X失活是必需的。[43][44]為了強調這個遺傳分子機制與權威的瓦特生-克里克遺傳信息鹼基配對遺傳機制的區別,引進了「表觀遺傳模板」這個術語。[45]此外,除了維持和傳送甲基化DNA狀態,相同的原理也能作用於保持和傳送組蛋白修飾,甚至細胞質(結構上)的遺傳狀態。[46]
組蛋白H3和H4也能利用組蛋白賴氨酸脫甲基酶(KDM),通過反甲基化而調節。這個最近被確認的酶有一個叫Jumonji域(JmjC)的催化活性位點。當JmjC使用多個輔助因子使甲基團羥基化時,發生了反甲基化,由此除去甲基。JmjC能夠對單、雙和三甲基化底物進行脫甲基。[47]
染色體區域能夠採用穩定的和可遺傳的二選一的狀態導致無DNA序列變化的雙穩態的基因表達。表觀遺傳控制經常與非正統的組蛋白共價修飾有關。[48]的染色體區域的穩定性和遺傳性狀態經常被認為包含正反饋,在那裡被修飾的核小體動員酶對附近的核小體進行類似的修飾。這一發現證實了表觀遺傳學的一種簡化隨機模型。[49][50]
由於DNA甲基化和染色質重塑在很多表觀遺傳類型中發揮著核心作用,「表觀遺傳」這個詞有時被用來作為這些過程的一個同義詞。然而,這可能是有誤導性。染色質重塑不一定遺傳,而且不是所有的表觀遺傳都包括染色質重塑。[51]
有人認為組蛋白密碼能夠被小RNAs的作用所調節。最近發現和界定的一種大量的小的(21-到26-nt)非編碼RNAs,提示有一種RNA組分可能參與表觀基因調控。小干擾RNAs能通過靶啟動子的表觀遺傳調節來調節轉錄基因表達。[52]

RNA轉錄及其編碼蛋白

有時,一個基因被發動後轉錄成保持該基因活性的產物(直接或間接)。例如,Hnf4和MyoD通過編碼蛋白的轉錄因子活性而分別加強很多肝臟和肌肉特異性基因的轉錄,包括它們自己的轉錄。RNA信號傳輸包括有區別的募集同層次的一般染色質修飾複合體和在分化及發展中通過RNAs使DNA轉甲基酶到特定的位點。[53]其他表觀遺傳變異由RNA不同粘接形式的產物或雙鏈RNA(RNAi)的形成來介導。即使基因活化的原始刺激已經不存在,基因被發動的細胞的後代也將繼承這種活性。這些基因對一些系統合胞體縫隙連接很重要,常常被信號轉導打開或關閉,,RNA可以通過擴散直接傳播到其他細胞或細胞核中。大量RNA和蛋白通過母親卵子形成過程或通過足細胞促成受精卵,導致母體效應的表型。少量精子RNA來自於父親,但最近證明該表觀遺傳信息能導致幾代後代的明顯改變。[54]

微小RNAs

微小RNAs(miRNAs)是非編碼RNAs的成員,大小範圍從17到25個核苷酸。正如王等研究的,[55]微小RNAs調節植物和動物各種各樣的生物功能。迄今為止,2013年在人類中以發現大約有2000種微小RNAs,都可以在在線微小RNAs資料庫中找到。[56]在細胞中表達的每一種微小RNAs可靶向約100到200種由其下調的信使RNAs。[57]多數信使RNAs的下調通過靶向信使,使RNA發生衰退,另一些下調發生在翻譯成蛋白的水平。[58]
大約60%的人類蛋白編碼基因由微小RNAs調節。[59]很多微小RNAs由表觀遺傳調控。約50%的微小RNA基因與CpG島有關,[60]其可能被表觀遺傳甲基化抑制。來自甲基化的CpG島的轉錄被強烈抑制並可遺傳。[61]其他微小RNAs通過組蛋白修飾或通過DNA甲基化和組蛋白修飾組合來進行表觀遺傳調節。[62]

小RNAs

小RNAs是在細菌中發現的小的(50-250的核苷酸),高度結構化的,非編碼的RNA片段。小RNAs控制基因表達,包括病原體毒力基因,並被認為是與細菌耐藥性作鬥爭的新靶點。[63]小RNAs在很多生物進程中發揮重要作用,與原核生物靶向信使RNA和蛋白結合。對小RNAs的系統發育分析,例如通過小RNA-信使RNA靶向互動或蛋白結合特性,可建立綜合資料庫。[64]同時也建立了與微生物基因組的目標相關的小RNA-基因圖譜。[65]

普里昂蛋白

普里昂蛋白是蛋白質傳染性的部分。通常,蛋白質摺疊成執行不同細胞功能的不相關的單元,但有些蛋白質也能形成有傳染性的構象狀態,如已知的感染性蛋白質。雖然曾經認為普里昂蛋白具備將相同蛋白質的其他原生狀態催化轉變為一種有傳染性構象狀態的能力,但在以後的研究中,又認為其是表觀遺傳的代理,具有不修飾基因組而引起表型改變的能力。[66]
真菌普里昂蛋白被認為具有表觀遺傳,原因是由感染性蛋白質引起的感染性表型能夠不修飾基因組而遺傳。1965年和1971年在酵母菌中發現的PSI+和URE3,是這種感染性蛋白質中研究最為充分的兩個。[67][68]病毒可以通過抑製表型效應蛋白的聚集,從而降低蛋白質的活性。在PSI +細胞,Sup35蛋白質的損失(參與翻譯終止)導致核糖體終止密碼子翻譯率更高,抑制其他基因中無意義突變。Sup35形成普里昂蛋白的能力可能一直存在。它可以賦予細胞適應性優勢,使之能夠切換到PSI+狀態,表達休眠基因,而通常,這些特性被終止密碼子突變所抑制。[69][70][71][72]

結構遺傳系統

在基因完全相同的纖毛蟲中,例如四膜蟲屬和草履蟲屬,其遺傳差異顯示在細胞表面纖毛紋的方式上。這種改變可以傳給子細胞,似乎存在一種結構起到模板的作用這種遺傳的機制還不清楚,但多細胞有機體也可利用現存的細胞結構來組裝一個新的有機體的假設是有理由存在的。[73][74][75]

功能和因果關係

發展

體細胞表觀遺傳通過表觀遺傳修飾,特別是通過DNA甲基化和染色質重塑,在多細胞真核生物的發育中非常重要。基因組序列不變(有一些值得注意的例外),但細胞區分為很多不同的類型,執行不同的功能,對環境和細胞間的信號做出不同的反應。因此,作為個體發育,成形素激活或抑制在一種表觀遺傳方式里的沉默基因,賦予細胞一個「記憶」。在哺乳動物中,多數細胞終末分化,僅幹細胞保留分化成幾種細胞類型的能力(「全能性」和「多潛能性」)。在哺乳動物中,一些幹細胞在整個生命中持續產生新分化的細胞,但哺乳動物不能對一些組織的失去做出反應,例如,不能再生肢體,而其他一些動物可以。不像動物,植物細胞不終末分化而保持全能,具有產生一個新植物個體的能力。雖然植物像動物一樣利用很多相同的表觀遺傳機制,例如染色質重塑,已有假說認為一些種類的植物細胞不使用或不要求「細胞記憶」,而用來自環境和周圍細胞的位置信息重新設置其基因表達方式來決定其命運。[76]
表觀遺傳可分為預定的和基於機率的。預定的表觀遺傳是一種從DNA的結構性發展到蛋白質的功能成熟的單向運動。「預定」在這裡指發展是照本宣科和可預見的。另一方面,基於機率的表觀遺傳是一種隨著經歷和外部造型的發展的雙向結構-功能發育。[77]

醫學

表觀遺傳有各種各樣的潛在的醫學上的應用,同時它在世界上也趨向多面性。[78]先天性遺傳性疾病很好理解,表觀遺傳能夠發揮作用也很清楚,例如,Angelman症候群和普拉德-威利症候群。由基因缺失或基因失活導致的遺傳疾病並不多見,這是由於基因組印記本質上是半合子,因此單個基因敲除足夠致病,但多數病例需要兩個拷貝都被敲除。[79]

進化

當表觀遺傳改變可遺傳時,表觀遺傳可影響進化。一個隔離種系或魏斯曼屏障對於動物是特異的,表觀遺傳在植物和微生物中更為普遍。Eva Jablonka和Marion Lamb已經爭論過這些作用,認為可能需要推進現代綜合進化論標準的概念框架。[80][81]其他進化生物學家則建議結合表觀遺傳與群體遺傳學模型[82]或表示公開懷疑。[83]
表觀遺傳有兩個重要方式,可與傳統遺傳相區別,對於進化有重要的作用,這就是表突變率比一般突變率快得多[84]及表突變更容易逆轉。[85]種表觀遺傳要素,如PSI陽性系統可充當「臨時替代者」,由於短期適應足夠好,使得此血統存活足夠長,直到突變和/或複合以遺傳同化適應性的表型改變。[82] [86]這種存在可能增強一個物種的進化力。

樣本

觀遺傳改變已被觀察到在對環境暴露產生反應時發生,例如,給予膳食補充劑的小鼠具有影響基因表達的表觀遺傳改變,影響其毛色,體重和患癌症的傾向。[87][88]
就人類在不同環境暴露下來說,Fraga等研究年輕的和年老的單卵雙胞胎。發現儘管這些雙胞胎在早年很難從表觀遺傳上區分,但老年雙胞胎在5-甲基胞嘧啶DNA和組蛋白乙醯化的整體含量及基因組分布上具有顯著差異。共度時間較短的雙胞胎和/或醫療史差異較大的雙胞胎在5甲基胞嘧啶DNA和組蛋白H3及H4乙醯化水平差異也更大。
在廣泛的有機體範圍內,包括原核生物,植物和動物,已有超過100種的跨代的表觀遺傳現象被報導。[89]
最近的分析提示,胞嘧啶脫氨酶APOBEC/AID家族的成員能夠利用類似的分子機制同時調節基因的和表觀的遺傳。[90]

人類的表觀遺傳效應

基因組印跡和相關疾病

一些人類疾病與基因組印記有關,在哺乳動物中有一種現象,即父親和母親在其生殖細胞中對特定的染色體組位點貢獻不同的表觀遺傳模式。[91]在人類疾病中眾所周知的印記案例是Angelman症候群和普拉德-威利症候群——兩者可由相同的基因突變產生,染色體15q部分缺失,這個特別的症候群將依賴於突變是繼承於母親還是父親而發展。[92]原因是在這個區域里存在基因組印記。
Beckwith-Wiedemann症候群也與基因組印記有關,經常由母體基因組印記的染色體11上的一個區域異常導致。

跨代表觀遺傳觀察

見主要文章 跨代表觀遺傳 在Överkalix研究中,Marcus Pembrey等[93]觀察到,在19世紀,瑞典男子如在青春期前遭受營養不良,則其孫子可能較少死於心血管疾病。如果這些男子的食物豐富,那其孫子的糖尿病死亡率就增加,提示這是一種跨代的表觀遺傳。[94]在女性中觀察到相反的效應——如女子在在子宮內經歷過營養不良(且其卵子正在形成),則其孫女的平均壽命短一些。[95]

表觀遺傳與發育異常

很多致畸劑通過表觀遺傳機制對胎兒發揮特定作用。[96][97]表觀遺傳效應可以保持致畸劑的作用,如己烯雌酚可以影響兒童的整個生命周期,但由父親暴露引起後代出生缺陷的可能性因為缺乏理論基礎而不能成立。[98]然而,一系列由男性介導的異常已被證實,如阿扎胞苷[99]FDA規定,當使用5-阿扎胞苷(當其整合進入DNA後形成低甲基化胞苷成為不可甲基化類似物的物質)時,「男性應注意避孕」。證據是:5-阿扎胞苷處理過的雄性小鼠繁殖力下降,增加了胚胎丟失和異常胚胎髮育的機會。[100]在暴露於嗎啡的雄性大鼠的後代中觀察到內分泌差異。[101]在小鼠中,己烯雌酚的第二代效應已被描述為是通過表觀遺傳機制而發生的。[102]
除了形成受精卵的卵子和精子的基因發生表觀遺傳變化會傳遞給下一代外,正在發育的胎兒在宮內也會因為母親暴露於某些因素而發生表觀遺傳變化。很多流行病學調查顯示,胎兒在宮內的生長發育狀況與某些成人疾病的發生存在一定的關係。如Barker著名的「成人疾病胎兒起源」假說。該假說認為,胎兒在孕中晚期營養不良,會引起生長發育失調,且成年後易患冠心病。與低出生體重相關的疾病還包括動脈粥樣硬化、冠心病、2型糖尿病等。

表觀遺傳與癌症

多種複合物被認為是表觀遺傳致癌物——導致腫瘤發生率增加,但不顯示誘變活性(有毒複合物和導致腫瘤發生或複發的病原體應該被排除)。實例包括己烯雌酚,亞砷酸鹽六氯苯和鎳複合物。最近的研究已顯示,系白血病(MLL)基因通過在不同染色體中重排和接合其他基因導致白血病,是一個在表觀遺傳控制下的過程。[103]
其他研究證實,在許多基因中發生的組蛋白乙醯化改變和DNA甲基化對前列腺癌起作用。[104]前列腺癌的基因表達可被營養和生活方式改變所調節。[105]
2008年國家衛生研究院宣布,在接下來的5年中將投資1.9億美元用於表觀遺傳研究。在宣告書中,政府注意到表觀遺傳具有解釋老化機制,人類發育和癌症起源,心臟病精神疾病及其他的健康狀況的潛力。一些研究者,如杜克大學醫學中心博士Randy Jirtle認為,在疾病治療方面,對於以上疾病,表觀遺傳學研究可能比遺傳學具有更大的作用。[106]

在癌症中的DNA甲基化

DNA甲基化是一種基因轉錄的重要的調節器,許多證據已經證實,異常的DNA甲基化與不定期的基因沉默有關,若在啟動子區域具有高水平的5-甲基胞嘧啶,將發生基因沉默。DNA甲基化在胚胎髮育期間是必需的,在體細胞中,DNA甲基化的方式通常是高保真的傳給子細胞。異常的DNA甲基化模式與大量的人類惡性腫瘤有關,並發現其與正常組織相比存在兩種不尋常的形式:超甲基化和低甲基化。超甲基化是主要的表觀遺傳修飾中的一種,其通過腫瘤抑制基因的啟動子區抑制轉錄。超甲基化通常發生在啟動子區的CpG島,且與基因失活有關。整體的低甲基化也通過不同機制與癌症的發生和發展有關。[107]

在癌症中的DNA修復表觀遺傳學

種系(家族的)突變已在34種導致癌症高風險的不同的DNA修復基因中被確定,包括如BRCA1和ATM。這些被列於「DNA repair-deficiency disorder」一文中。然而,由這樣的種系突變導致的癌症僅占癌症中非常小的比例。例如,種系突變僅導致2%到5%的結腸癌病例。[108]
DNA修復基因表達的表觀遺傳減少,在散發性(非種系)癌症中非常頻繁,如在下表中顯示的,在一些代表性的散發性癌症中DNA修復基因的突變非常罕見。[109]

散發性癌症中DNA修復基因的表觀遺傳改變
癌症 基因 後生變化 頻率 文獻.
乳房 BRCA1 CpG島甲基化 13% 1
WRN CpG島甲基化 17% 2
卵巢 WRN CpG島甲基化 36% 3
BRCA1 CpG島甲基化 5%-30% 1,11,12
FANCF CpG島甲基化 21% 11
RAD51C CpG島甲基化 3% 11
結腸直腸 MGMT CpG島甲基化 40%-90% 4-8
WRN CpG島甲基化 38% 2
MLH1 CpG島甲基化 2%-65% 2,5,9
MSH2 CpG島甲基化 13% 6
ERCC1 表觀遺傳類型未知 100% 10
Xpf 表觀遺傳類型未知 55% 10
頭頸部 MGMT CpG島甲基化 35%-57% 13-16
MLH1 CpG島甲基化 27%-33% 17,19,20
NEIL1 CpG島甲基化 62% 13
FANCB CpG島甲基化 46% 13
MSH4 CpG島甲基化 46% 13
ATM CpG島甲基化 25% 18

表中文獻如下:
1, [110]2, [111]3, [112]4, [113]5, [114]6, [115] 7, [116] 8, [117]9, [118]10, [119]11, [120]12, [121]13, [122] 14, [123]15, [124]16, [125] 17, [126]18, [127]19, [128] 20[129]
DNA修復基因表達不足導致突變率增加。如由於DNA修復基因PMS2, MLH1,MSH2,MSH3或MSH6缺陷或DNA修復基因BRCA2,[130][131]或DNA修復基因BRCA2, [132]錯配,小鼠突變率增加,同時注意到在DNA修復基因BLM有缺陷時,人類染色體重排非整倍性有所增加。[133]因此,DNA修復缺陷可導致基因組不穩定,且這種基因組不穩定可能是導致癌症的遺傳改變的主要潛在原因。實際上,如Nowak等指出的,通過一種數學計算,很多散發性腫瘤的首要事件是一種遺傳性改變,其影響遺傳不穩定性,並且應注意到DNA修復的表觀遺傳缺陷是由體細胞遺傳的。

癌症中的組蛋白變體H2A

H2A家族的組蛋白變異體在哺乳動物中被高度保存,其通過改變染色質結構在很多調節核內過程中發揮決定性作用。其中一種主要的H2A突變體,H2A.X,標誌著DNA損傷,需要補充DNA修復蛋白來促進恢復基因組的完整性。另一種突變體,H2A.Z,在基因活化和抑制中發揮重要作用。在很多癌症中廣泛發現有高水平的H2A.Z表達,並且與細胞增殖和基因組不穩定顯著相關。[134]組蛋白變異體macroH2A1在很多類型癌症的發病機理中也很重要,例如肝癌[135]

癌症治療

最近的研究已顯示,表觀遺傳藥物可替代當前公認的治療方法,如放射治療化學治療,或作為輔助治療提高當前療法的效果。[136]已證明,原癌基因區的表觀遺傳控制和腫瘤抑制序列可通過組蛋白構象變化而直接影響癌症的形成和進展。[137]此外,表觀遺傳具有可逆性,是其他任何一種癌症治療法所不能提供的特性。[138]
藥物發展主要聚焦於組蛋白乙醯轉移酶(HAT)和組蛋白脫乙醯基酶(HDAC),已經上市的新藥vorinostat,是一種HDAC抑制劑[139]其在口腔鱗狀細胞癌的進展中發揮整體作用。[140]對當前領跑的新藥靶點候選者還有組蛋白賴氨酸甲基轉移酶(KMT)和蛋白質精氨酸甲基轉移酶(PRMT)。[141]

孿生子研究

最近涉及雙卵和單卵雙胞胎的研究也提供了一些人類表觀遺傳影響的證據。[142][143][144]

微生物中的表觀遺傳

大腸桿菌

細菌廣泛利用DNA甲基化的表觀遺傳,控制DNA-蛋白的相互作用。細菌利用DNA腺嘌呤甲基化(不是DNA胞核嘧啶甲基化)作為一種表觀遺傳信號。DNA腺嘌呤甲基化對於細菌在有機體內的毒力很重要,如大腸桿菌沙門氏菌屬弧菌屬,耶爾森氏菌屬,嗜血桿菌屬和布氏桿菌屬。對於甲型變形菌,腺嘌呤甲基化可調節從細胞周期和配對基因轉錄到DNA複製。對於丙型變形菌,腺嘌呤甲基化為DNA複製,染色體分離,錯配修復,噬菌體包裝,轉座酶活性和基因表達控制提供了信號。[145][146]
絲狀真菌粗糙鏈孢霉有助於理解胞核嘧啶甲基化在一個突觸的模型系統中的控制和功能。在這個有機體內,DNA甲基化抑制轉錄延伸,與RIP(重複誘導點突變)的基因組防禦系統的殘餘物和沉默基因表達有關。[147]
酵母菌感染性蛋白(PSI)由一種翻譯終止因子的某一構象改變而產生,其子細胞可繼承這種改變,並在不利條件下提供一種生存優勢。這是表觀遺傳調節使單細胞有機體能夠快速對環境應激產生反應的一個範例。普里昂蛋白可被視為能夠誘導表型改變而不修飾基因組的表觀遺傳中介。[148]
用單分子實時排序方法可以在微生物中直接檢查表觀遺傳標誌,聚合酶的敏感性允許在測序時測量一個DNA分子的甲基化和其他修飾。[149]幾項研究已經證實,該方法具備在細菌中收集整組基因表觀遺傳資料的能力。[150][151][152][153]

方式

參見

文獻

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