第三章 表观遗传学与临床
第一节 表观遗传的基本原理
表观遗传(epigenetics)是调控基因表达的基本方式之一,是在DNA分子中核苷酸序列并不改变,通过DNA甲基化、组蛋白修饰、基因组印记、染色质重塑以及RNA干扰等机制,使基因表达发生可遗传的变化。因此,人类疾病涉及遗传学和表观遗传学两个方面。
一、DNA甲基化
以S-腺苷甲硫氨酸等作为活性甲基供体,在DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase,DNMT)催化下,使DNA分子特定核苷酸的碱基甲基化。DNA甲基化(DNA methylation)常常在Cp G二核苷酸的胞嘧啶5位碳相连的氢被活性甲基取代,形成5-甲基胞嘧啶,使CpG转变为5-m Cp G(图2-3-1)。
图2-3-1 DNA甲基化的分子机制
SAM-CH 3:S-腺苷甲硫氨酸,提供活性甲基;DNMT:DNA甲基转移酶
DNA甲基化后抑制基因的转录活性,出现基因沉默(gene silence)。结构基因的启动子部位或其邻近区CpG常串联排列,甲基化后,直接抑制转录因子与启动子结合,阻断转录或显著降低转录水平。基因启动子中顺式调控元件发生甲基化后,能结合5-m CpG结合蛋白,间接阻止转录因子与启动子结合,阻断转录活性。DNA甲基化后还会改变染色体的构象,阻碍基因转录。
二、组蛋白修饰
组蛋白是染色质的结构蛋白。组蛋白修饰(modification of histone)主要表现为组蛋白N-末端发生乙酰化、甲基化、泛素化和磷酸化等反应。
组蛋白乙酰化和脱乙酰化是可逆的酶促动态反应过程;前者由组蛋白乙酰基转移酶催化,后者由脱乙酰基酶催化;多数发生在N-末端赖氨酸残基上,如组蛋白H3的9号、14号赖氨酸,H4的5、8、12和16号赖氨酸(图2-3-2)。
图2-3-2 赖氨酸乙酰化与脱乙酰化分子机制
HATS:组蛋白乙酰基转移酶;HDS:组蛋白脱乙酰基酶
组蛋白乙酰化和脱乙酰化是调节基因转录的重要环节。组蛋白N-末端赖氨酸乙酰化后,解开了局部DNA与组蛋白八聚体的紧密缠绕结构,使各种反式转录因子能接近基因启动子区域特异的顺式元件并互相结合,促使基因转录。组蛋白脱乙酰化后,则八聚体又形成紧密结构,限制转录因子与调控元件结合,基因转录停止或速度锐减。
组蛋白甲基化多数发生于H3和H4赖氨酸、精氨酸残基,由组蛋白赖氨酸甲基转移酶催化,组蛋白赖氨酸甲基化后,在组蛋白赖氨酸脱甲基化酶催化下可去除甲基,也是可逆的酶促动态反应过程(图2-3-3、图2-3-4)。
图2-3-3 组蛋白精氨酸与赖氨酸甲基化分子机制
HMT:组蛋白甲基转移酶
图2-3-4 组蛋白赖氨酸脱甲基化分子机制
LSD1:(lysine specific demethylase 1)赖氨酸脱甲基化酶-1
三、基因组印记
按孟德尔遗传信息传递规律,来自父母基因组中的等位基因有同等的遗传性,但人类精子或卵子传递遗传信息给子代过程中发生了某些修饰,如DNA甲基化、染色质结构变化等,使子代只有父本或母本单等位基因中的一种有表达功能,这种现象称基因组印记(genomic imprinting)。这些能表达的单等位基因称印记基因。如胰岛素样生长因子-2基因(IGF-2)不表达母本等位基因,只表达父本等位基因;而胰岛素样生长因子-2受体基因(IGF-2R)不表达父本等位基因,只表达母本等位基因。
基因组印记在胚胎生长发育、行为发生、代谢和代谢调节中起重要作用,基因组印记紊乱导致严重疾病,如肿瘤、糖尿病等。
四、RNA干扰
RNA干扰(RNA interference,RNAi)作用属转录后基因沉默,与DNA分子无直接关系,是表观遗传的重要现象和功能。(详见第一章第四节)