表观遗传学对基因表达的调控及其机制

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　　生物遗传信息表达正确与否，既受控于DNA序列，又受制于表观遗传学信息。表观遗传学主要通过DNA修饰、蛋白质修饰与非编码RNA调控3个层面上调控基因表达。


　　1 DNA甲基化（DNA methylation）


　　甲基化是指生物分子在特定的酶系统催化下加上甲基（-CH3）的生物化学反应，是普遍存在原核生物和真核生物中的DNA修饰作用。甲基化没有改变基因序列，但对基因表达起调


　　控作用。在哺乳动物DNA分子中，甲基化一般发生在胞嘧啶（C）碱基上。在DNA甲基转移酶（DNA methyltransferases,DNMTs）催化下，甲基从S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethione）转移至胞嘧啶5位上，形成5-甲基胞嘧啶（m 5C）。在发生甲基化的胞嘧啶后通常紧跟着一个鸟嘌呤（G）碱基。因此，通常称胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤或CpG的甲基化。在基因组中富含CpG位点的区域称为CpG岛（CpG islands），人基因组序列约有29,000 CpG岛，约60%的人基因与CpG岛关联。


　　CpG岛通常与基因表达的启动序列区域（promoter regions）相关，CpG是否甲基化在基因表达中起重要作用。一般说来，DNA甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则可诱导


　　基因的重新活化和表达。脊椎动物基因的甲基化状态有三种：（1）高度甲基化状态,如女性两条X染色体中的一条处于失活状态；（2）持续的低甲基化状态,如细胞存活所需的一直处于活性转录状态的管家基因；（3）去甲基化状态,如生物发育的某一阶段或细胞分化的某种状态下，原先处于甲基化状态的基因，也可以被诱导去除甲基化，而出现转录活性。健康人基因组中，CpG岛中的CpG位点通常是处于非甲基化状态，而在CpG岛外的CpG位点则通常是甲基化的。这种甲基化的形式在细胞分裂的过程中能够稳定的保留。当肿瘤发生时，抑癌基因CpG岛以外的CpG序列非甲基化程度增加，而CpG岛中的CpG则呈高度甲基化状态，以致于染色体螺旋程度增加及抑癌基因表达的丢失。


　　DNA甲基化不仅影响细胞基因的表达，而且这种影响还可随细胞分裂而遗传并持续下去。哺乳动物一生中DNA甲基化水平经历2次显著变化，第一次发生在受精卵最初几次卵裂中，去甲基化酶清除了DNA分子上几乎所有从亲代遗传来的甲基化标志；第二次发生在胚胎植入子宫时，一种新的甲基化遍布整个基因组，甲基化酶使DNA重新建立一个新的甲基化模式。细胞内新的甲基化模式一旦建成，即可通过甲基化以“甲基化维持”的形式将新的DNA甲基化传递给所有子细胞DNA分子。


　　2组蛋白修饰（histone modification）


　　组蛋白是一类小分子碱性蛋白质，作为真核生物染色体的基本结构蛋白质。组蛋白的共价修饰包括赖氨酸残基乙酰化、丝氨酸残基和苏氨酸残基的磷酸化、谷氨酸残基的ADP-核糖基化、赖氨酸残基的泛素化与类泛素化（sumolyation）、赖氨酸残基和精氨酸残基的甲基化等。赖氨酸残基的-氨基可形成一甲基化、二甲基化或三甲基化物，精氨酸残基可形成一甲基化或二甲基化物。这些修饰成为组蛋白印记（histone imprints），现在也称为“组蛋白密码”（histone code）。组蛋白密码可被一系列特定的蛋白质所识别，并将其转译成一种特定的染色质状态，以实现对特定基因表达的调节，扩大了遗传密码的信息储存量。


　　3染色质重塑（chromatin remodeling）


　　真核生物染色质是一切遗传学过程的物质基础，染色质构型局部和整体的动态改变，是基因功能调控的关键因素。染色质的基本结构单位是核小体（nucleosome），每个核小体是由5种组蛋白和DNA链200bp组成，其核心颗粒是由H2A、H2B、H3和H4四种组蛋白各两个分子的八聚体和绕1.8圈的147bp组成。当DNA绕到两圈时，约用165bp，并结合上一个H1组蛋白分子。染色质重塑是指染色质位置和结构的变化，主要涉及核小体的置换或重新排列，改变了核小体在基因启动序列区域的排列，增加了基因转录装置和启动序列的可接近性。染色质重塑与组蛋白N端尾巴修饰密切相关，尤其是对组蛋白H3和H4的修饰。通过修饰直接影响核小体的结构，并为其他蛋白质提供了与DNA作用的结合位点。染色质重塑修饰方式主要包括两种：一种是含有组蛋白乙酰转移酶和脱乙酰酶的化学修饰；另一种是依赖ATP水解释放能量解开组蛋白与DNA的结合，使转录得以进行。


　　通常，DNA甲基化与染色质的压缩状态、DNA的不可接近性，以及与基因沉默（gene silencing）状态相关；而DNA去甲基化、组蛋白的乙酰化和染色质去压缩状态，则与转录的启动、基因活化和行使功能有关。这意味着，不改变基因结构，而改变基因转录的微环境条件就可以令其沉默，或使其激活。


　　4非编码微小RNA（MicroRNA，miRNA）的调节


　　长期认为RNA仅仅从DNA获取遗传信息，并将信息转换成蛋白质。上世纪九十年代初期发现21~28个核苷酸的miRNA能抑制植物基因表达。随后又发现双链RNA（dsRNA）注入线虫能诱导基因表达沉默。这种现象称为RNA干扰（RNA interference,RNAi），利用dsRNA使目的基因沉默的技术即为RNA干扰技术（RNAi技术）。现在认为，哺乳动物体内非编码的miRNA分子能通过染色质构建、RNA编辑、转录与剪接、RNA的稳定、翻译等多水平调控基因的表达