表观遗传的调控机制

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1、表观遗传的调控机制摘 要：表观遗传是非DNA序列遗传信息的传递，它不涉及基因序列的改变，不符合孟德 尔式的遗传方式。表观遗传学研究的是生物可遗传的染色质修饰。目前，其主要研究内容包 括DNA甲基化、翻译后组蛋白修饰、组蛋白组成变化。其中DNA甲基化是一种重要的表观 遗传修饰方式， 是调节基因组功能的重要手段。组蛋白修饰作为表观传中重要的调控机制 之一，在包括基因表达调控等多种生物学过程中起着重要作用。组蛋白甲基转移酶和组蛋白 去甲基化酶共同参与形成和维持不同的组蛋白甲基化状态， 继而通过多种分子参与对组蛋 白甲基化修饰的识别而引起下游过程的发生。组蛋白乙酰化和去乙酰化修饰也是调控表观 遗传机制

2、之一。最近人们还发现非编码的RNA也参与了表观遗传调控。关键词：表观遗传，DNA甲基化，组蛋白修饰，RNA调控。一 DNA甲基化调控表观遗传经典遗传学认为，生命的遗传信息储存在 DNA 的碱基序列上，几乎所有的生命活动都受基 因调控。但是，作为开放的复杂系统，生命活动从来就不是由一种因素就能完全决定的。随 着科学的发展，人们发现一些DNA或染色体水平的修饰也会造成基因表达模式的改变。这 种通过有丝分裂或减数分裂来传递非DNA序列遗传信息的现象称为表观遗传(epigenetic inheritance)。由于它不涉及基因序列的改变，不符合孟德尔式的遗传方式，因此它是一种 全新的遗传机制。表观遗传

3、修饰有许多，其中DNA甲基化是基因组DNA的一种最重要的表 观遗传修饰方式，是调节基因组功能的重要手段。在植物中，DNA甲基化参与细胞的许多生 物学过程，在植物生长发育及进化过程中起着重要的调节作用。1 植物DNA胞嘧啶甲基转移酶植物DNA的甲基化是在DNA甲基转移酶(DNAMethyltransferase,DMT)的作用下，将S-腺 苷甲硫氨酸上的甲基基团转移到DNA分子的胞嘧啶碱基上。在植物细胞中广泛存在的有三 类结构和功能上不同的胞嘧啶甲基转移酶1,2。第一类是MET1甲基转移酶家族，它在甲 基化酶中处于统治地位。第一个编码植物 DNA 甲基转移酶的基因是由 Finnegan 等人1

4、从一个转基因的拟南芥品系中分离出来的，即MET1甲基转移酶。MET1编码的蛋白在结构 上类似于哺乳动物的甲基化酶Dnmt I，二者在结构域上有50%的同源性。MET1的主要功能 是在重复和单拷贝的DNA序列中维持甲基化，同样对许多形态特征、花期调控、移植变化 和胚胎发育等有影响作用1。最近的研究表明它在从头甲基化CG岛过程中与一个发起甲 基化的RNA片段有应答3。现已在胡箩卜、豌豆、西红柿、玉米等植物中鉴定出了 MET1及 其同源物4。第二类是结构域重排甲基转移酶(DRM)，包括DRM1、DRM2和Zmet3三个 成员。它的结构与哺乳动物的Dnmt3甲基化酶类似5。但它的催化结构域的保守基序排

5、列 方式是与众不同的，为W-IX-X-I-II-III-W- V。其作用是在非对称位点从头甲基化DNA 序列和维持失活转座子及转基因沉默位点的胞嘧啶甲基化修饰，并且对与外源SiRNA同源 的DNA中所有的胞嘧啶进行从头甲基化6。第三类是染色质甲基化酶(CMT)，该酶为植物 所特有7,负责维持CpNpG (N是A,T,C或G)三核苷酸中胞嘧啶的甲基化。其结构也 是与哺乳动物的DnmtI相似,但是在CMT中有一个新的有色域氨基酸基元插入到了两个正 则甲基转移酶基元之间。CMT同时具有一个染色体结构域和C-甲基化催化活性，对对称结 构上的甲基化有特殊作用。在拟南芥中已经识别了至少3个CMT编码基因1

6、,其中CMT1 被认为是没有功能的。CMT与DRM 一起，共同维持CpNpG和Cp-NpN (N非G)核苷酸序 列中胞嘧啶的甲基化。此外，植物中还存在第四类甲基转移酶，如玉米中的DMT104和拟南 芥中的DMT11,它们可能是DN-MT2家族的同系物，虽然它们在不少物种中是保守 的，但其功能目前还不清楚8。2 植物DNA甲基化方式及发生位置植物DNA甲基化方式同哺乳动物一样分为两种，一种是2条链均未甲基化的DNA被甲基 化，称为从头甲基化(denovo methylation)。另一种是双链DNA的其中1条链已存在甲基 化，另 1 条未甲基化的链被甲 基 化 ， 这 种 类 型 称 为 保 留

7、 甲 基 化 (maintenancemethylation)。高等植物中约有30%的胞嘧啶残基发生甲基化9,其中约有 90%的甲基化位于CpG二核苷酸或CpNpG三核苷酸序列中10。DNA的甲基化主要发生在 对称序列CG和CNG处oOakeley等11发现在非对称序列的位点也时常发生C的甲基化。 在烟草花粉DNA的T85基因的启动子区域发生了甲基化，但对应的叶片DNA中的同一序 列并没有甲基化。在测定的区域中，49个 C 碱基中有10个被高度甲基化，但只有 3 个 甲基化的C位于对称的位点。Chantal等12在芜菁甘蓝反转录子S1BnSINE序列中对C 的甲基化分析结果表明，在对称的CG和

8、CNG位点甲基化水平分别为87%和44%；而在非 对称位点甲基化水平为 5.1%。这说明：在植物体内基因非对称位点也会发生甲基化，但相 比之下很多非对称位点的甲基化频率较低，而且这些位点的甲基化模式在 各分子间的变化也比较大。3 植物DNA甲基化引起的表观遗传现象植物DNA甲基化修饰在基因表达、细胞分化及系统发育中起着重要的调节作用。基因甲基 化模式的改变可以影响植物的花期、育性、花及叶片的形态等。如果甲基化不足或者太高， 都会导致植物生长发育的不正常和形态异常13,14。如最早记载的云兰属植物Linaria vulgaris 的一个花由双面对称转变为辐射状的突变体既是由 Lcyc 基因的超甲

9、基化引起 的，与其DNA序列变化无关15。番茄Cnr位点发生DNA超甲基化抑制果实成熟，且产 生一系列表观变异，如果实无色、果皮缺乏16。可见，DNA甲基化在植物的不同部位及发 育不同时期均能调控基因的表达，导致植物某些表观形态变异。3.1 DNA甲基化与植物的正常生长发育在正常植物体内存在着数量和程度不等的甲基化DNA，它们是植物正常生长发育所必需的。 许多实验表明，甲基化水平不足或降低的植株会表现明显的表型异常。如水稻种子和甘蓝幼 苗经5-azaC (5-氮胞苷，一种甲基化抑制剂)处理后，植株DNA甲基化水平降低，致使 植株矮化、叶变小、株成丛状等17,18。菊花茎尖组织经一定浓度的5-a

10、zaC处理后可以 使丛生芽的产生受抑制，并能进一步影响植物根系的产生和生长19。这表明DNA甲基化 可能在植物的生长发育过程中起着关键的调节作用3.2 DNA甲基化与植物的开花有实验表明，5-azaC处理可以促使植物提早开花20。在亚麻开花研究中发现，控制早 花型的3个位点经常发生甲基化，在正常发育阶段，这些位点的去甲基化将导致相变的发生。 用5-azaC处理亚麻后，植株的株高明显降低，开花时间提早了 713d。这说明甲基化程度 降低可以促进植物早开花。低温春化作用亦可以促进开花，且二者在促进开花中具有加成作 用21。说明低温春化促进开花可能是因为诱导开花有关的基因或其启动子发生去甲基化进 行

11、表达，又使抑制开花的基因重新甲基化而关闭表达，从而诱导植物提早开花。3.3 DNA甲基化与转基因沉默Pcerbolte等人22早在20世纪80年代就报道了转基因烟草中T-DNA上的冠瘿碱基因 由于发生甲基化而使表达受抑制，即转基因沉默现象。转基因沉默是一个受多因素调控的复 杂过程，其中DNA甲基化是造成植物转基因沉默的主要原因之一。在转基因植物中，DNA甲 基化作用既可以发生在转录水平，又可以发生在转录后水平。转录水平的沉默(TGS)往往 和外源转入基因的启动子甲基化有关，如吴刚等人23研究抗虫转基因水稻的基因表达情 况，发现非甲基化启动子的存在也会造成 cry1Ab 基因在转基因水稻中发生沉

12、默，但用 5-azaC 处理可以使转录沉默的 cry1Ab 基因恢复一定的表达活性。这说明转基因水稻 crylAb基因沉默与基因启动子甲基化有关。而转录后水平的沉默（PTGS）则牵涉到基因编 码区的甲基化，主要是由于转录产生的RNA指导与其同源的DNA进行重新甲 基化而造成的。3.4 DNA甲基化与植物转座元件的表观遗传调节 转座元件在所有的真核基因组中是无所不在的。在玉米和拟南芥中，转座元件簇生于异染色 质区域，例如着丝点和节处，那里的DNA常被超甲基化24。玉米的Spm/En转座元件的 转录和转座活性与其启动子长0.2kb）及邻近的富GC区域的甲基化水平有直接关系。有 活性的Spm/En转

13、座元件在这两个位点往往是非甲基化或亚甲基化，而沉默的转座元件在这 两个位点超甲基化25。植物转座元件的去甲基化会激活转座元件并使其发生移动。如水稻 内源反转座元件Tos17正常情况下是没有活性的，在组织培养过程中该转座元件发生去甲 基化被激活，并且其临近基因组区域的甲基化模式也发生了可遗传性的改变26。可见，DNA 甲基化调节着植物转座元件的活性。3.5 DNA甲基化与杂种优势早在1975年,McClintock就提出DNA甲基化可能在杂合体形成过程中发挥作用Hepburn 等人27对DNA甲基化与基因抑制表达的分析认为，自交能导致甲基化程度的逐渐积累而 杂交能使甲基化程度得以解除或重新编排o

14、Xiong等28用MSAP法研究了水稻杂交种及其 亲本基因组DNA CCGG位点上的甲基化水平。结果表明两个亲本的甲基化水平相近（16.3%）， 而杂交种的甲基化为18 %。在水稻杂交种中，虽然总体上甲基化程度与杂种优势不相关, 但某些特异位点上甲基化程度的改变却对杂种优势有显著的效应。有的位点甲基化降低对杂 种优势有利，而有的位点上甲基化增强对杂种优势有利。说明杂种优势产生过程中，并不仅 仅是一些基因表达增强是有利的，而同时某些基因受到抑制也是有利的。杂交种与亲本间不 同的DNA甲基化模式可能是杂种优势表达的一个原因。对那些杂种优势有效应的甲基化片 断（染色体区段）测序特别是调控区，或启动子

15、序列区段的CpG岛，这显然在调控着一些 可能与杂种优势有关的基因的表达。3.6 DNA甲基化与体细胞无性系变异对植物DNA甲基化变化的研究，一般是以Hpall和Msp I两种甲基化敏感的核酸限制性内 切酶的比较来进行的。这两种酶的切点都是CCGG，当靠外的C被甲基化后，Msp I不能起 作用；当靠内的C被甲基化后，HspII不能起作用。一般情况下，C与G相邻时容易被甲 基化修饰，所以Msp I的作用位点比Hpall多一些。Brown等人29发现，玉米体细胞无性 系的有些再生植株与对照相比是超甲基化的，有些则更容易被Hpall消化，这说明甲基化的 趋势发生了改变。而且发现，在玉米的组织培养中，甲

16、基化变化在基因组中的分布不是随机 的，甲基化对无性系变异起重要作用。De-vaux等人30比较了大麦由组织培养形成的DH 群体，和由球茎大麦的染色体消失法所得DH群体的DNA甲基化差异，结果发现，由甲基 化引起的RFLP多态性变化96%来自组织培养法的DH群体，说明组织培养的确引起了 DNA 甲基化变化。MUller等人31发现，水稻无性系的甲基化变化，与包括管家基因在内的 RFLP多态性变化密切相关，说明甲基化确实与DNA水平的变异有关。4 结语 近年来，表观遗传学已经成为生命科学研究关注的前沿，其中植物表观遗传学研究也已取得 了一定的进展。DNA甲基化作为一种重要的植物表观遗传修饰方式，它

17、参与了植物基因的表 达调控，调节着植物的生长发育。但是DNA甲基化调节植物基因表达的详细机制还有待于 深入研究。另外，DNA甲基化水平变化与植物体内其它代谢之间的关系也知之甚少。相信随 着功能基因组研究的深入，进一步揭示DNA甲基化的分子机制有助于加深对植物表观遗传 现象的认识，同时对农业发展也具有重要而深远的实用价值。二 组蛋白修饰调控表观遗传1 组蛋白甲基化和去甲基化染色质的基本组成单位为核小体，每个核小体由146bp的DNA围绕组蛋白八聚体形成, 组蛋白八聚体由两个H2A、H2B、H3和H4亚基组成。通常组蛋白的N末端可发生磷酸化、 乙 酰化、甲基化、泛素化等多种修饰 ，继而对染色质结构

18、以及转录过程发生影响 ，使这些 位 点上的修饰可以单独或以联合的方式作用于下游过程。组蛋白的甲基化通常可发生在组蛋白N末端的赖氨酸（K）或精氨酸（R）残基上， 最终体现为包括转录激活、抑制等在内的多种效应。研究认为组蛋白甲基化修饰的作用可能 通过特异性识别甲基化残基的效应蛋白实现 。 这些效应蛋白可能起到衔接作用， 也可能 自身即是某些重要生命过程中的关键分子， 继而表现出对染色质功能的调控。由于每一个 赖氨酸残基可以具有单甲基化、二甲基化、三甲基化三种形式 （精氨酸残基具有单甲基 化、对称及非对称二甲基化三种形式 ），同时接移除赖氨酸及精氨酸甲基化的胺氧化酶和 羟化酶。因而组蛋白的甲基化修饰

19、即存在了甲基化酶和去甲基化酶动态调节的潜能， 同时 这些甲基化酶和去甲基化酶也参与和影响了与组蛋白甲基化标志密切相关的下游效应。这 种类型的调控方式主要是通过改变染色质的结构来调节转录起始复合体能否介入到启动子 核心上从而启动（或关闭）植物基因的表达， 被认为是植物基因在转录水平上进行调控的第 一个重要步骤。2 组蛋白乙酰化和去乙酰化组蛋白乙酰化是转录发生的一个重要特征, 它选择性地使染色质结构由紧密变松散, 开 放某些基因的转录, 增强其表达水平; 组蛋白去乙酰化则抑制转录的发生。组蛋白乙酰化 （HAT）和去乙酰化酶（HDAC）分别催化这些过程。在动物、酵母和植物中都发现了这样的酶 类323

20、6。组蛋白乙酰化酶使核小体上组蛋白 N 末端的赖氨酸发生乙酰化, 使 DNA 和 组蛋白八聚体作用不稳定, 从而降低染色质的压缩或者改变组蛋白和其他蛋白质的相互作 用。豌豆的 PetE 基因是没有内含子的单拷贝基因, 在绿色茎尖中有 很 高的表 达量 , 但在根和黄化茎尖中却不表达。研究发现这一现象与- 176到 -53的启动子区 以及-444到-177的增强子区的组蛋白H3和H4的乙酰化程度有关。PetE在绿色茎 尖中的组蛋白乙酰化程度明显高于其他两种组织 36。除发生乙酰化/去乙酰化修饰之外, 组蛋白还可以发生甲基化和磷酸化修饰, 它们同样决定着特定染 色 质 的 状 态 以 及 特 定位

21、点 是否 具有转 录 活性37, 38。组蛋白 N 末端赖氨酸的甲基化是一种相对 稳定的修饰, 被认为使染色质处于异染色质状态从而使基因沉默。如拟南芥开花抑制基因 FLC 所在区域内的组蛋白 H3 第 9 位和第 27 位上的赖氨酸发生二甲基化后, FLC 不表 达, 拟南芥便由营养生长向生殖生长转变。除赖氨酸位点外, 组蛋白中的精氨酸也能发生 甲基化修饰作用, 只是这种修饰对转录的调控并不是很稳定39。此外, 组蛋白 N 末端丝 氨酸的磷酸化修饰能影响某些蛋白复合体向染色质集结 , 并对细胞的有丝分裂等过程产生 影响, 从而加速核酸的复制和提高基因的转录水平40。中国农业大学巩志忠课题组38

22、 最新研究发现，具有DNA损伤修复功能的复制蛋白R0R1/RPA2A在表观基因沉默中 也起着重要的作用。三 RNA 调控的表观遗传非编码RNA是指不编码蛋白质的RNA,但不意味着这种RNA不包含遗传信息或者不 具有功能。虽然普遍意义上认为大部分遗传信息都是通过蛋白质发挥作用的，然而，最近的 研究表明，哺乳动物和其他复杂生物体的大部分基因组实际上被转录成非编码RNA,许多 非编码RNA能被可变剪切进而成为更小的产物41,包括小核仁RNA(snoRNAs)、微 RNA(miRNAs)、短干涉RNA(siRNA)和小双链RNAs,调控了多层次上基因的表达，如染 色质重构、R N A编码、R N A的

23、稳定性、翻译、转录和剪切。R N A的调控网络在物种内 和物种间的疾病发生以及遗传多样性中发挥着重要的作用 42。此外，在细胞周期的调控、 凋亡、分化、干细胞特性的维持以及印记等方面的作用也非常重要43。miRNA 介导的表观遗传调控已经成为干细胞研究的新领域。研究发现 ,一些miRNA 在鼠和人 ESC 中特异性表达,但不在已分化的胚胎组织和成体组织中表达,表明小RNA与ESC的自我更新有关45。基因剔除Dicerl导致动物在胚 胎发育早期阶段死亡和ESC数量减少46。另外，许多特异性miRNA在动物不同的发育阶段以组织特异性方式表达 , 对发育中细胞命运的选 择 至 关 重 要 , 如 m

24、iR- 61 调节线虫阴门前体细胞的形成, miR-1 与果蝇肌肉祖细 胞的 分 化 有 关 ; 在 哺 乳 动 物 骨 髓 造 血 祖 细 胞 中 miR- 181 过表达特异增加 B 淋巴细胞的数量44， 46。 miRNA 对干细胞分化的调控不是孤立的, 它调控 Notch 信号通路47, 并与染色质 重塑、转录因子等一起形成复杂的网络整合信息调控干细胞走向分化或者自我更新。RNA介导的甲基化最早在烟草中发现，与RNA病毒同源的基因组序列被甲基化修饰。 在植物体内表 达双链 DNA 产 生 siRNA，siRNA 与 ARG-ONAUTE 4 (AGO4)蛋 白 结 合 。 这 种 AG

25、O4-siRNA 复 合 体 指 导 DOMAINS REARRANGED METHYL-TRANSFERASE 2 (DRM2)执行胞嘧啶甲基化功能。此时，AGO4蛋白执行了 RNaesH 的活性。 DEFEC-TIVE IN RNA-DIRECTED DNA METHYLATION 1(DRD1)(参与染色体重塑)也参与了 RNA介导的DNA甲基化，它能够促使DRM2更接近DNA。 最近，参与 RNA 介导的 DNA 甲基化途径的蛋白被发现位于不同的细胞器，例如 Cajal body，它是处理和修饰非编码RNA的主要场所。不同的定位需要siRNA-AGO4复合体高 效地穿过核膜，与DRM2

26、共同指导甲基化(Hendersonl and Jacobsen, 2007)。四 总结与展望综上所述,DNA甲基化、组蛋白修饰 和RNA组成的表观遗传调控机制是真核基因表达调 控在转录前、转录和转录后三个水平上协调一致的综合体现, 也是维持干细胞和分化的前体 细胞基因表达模式所必需的。在干细胞分化进程中, 与自我更新有关的基因下调表达, 与细 胞系特化有关的基因激活表达。在这个过程中, 必然涉及表观遗传标志的可逆转变 、染色 质活性修饰酶( 甲基化酶/去甲基化酶 、乙酰基转移酶/去乙酰化酶 、磷酸化酶/磷酸酶等 ) 在动态调节表观遗传标志中起关键作用。因此, 研究表观遗传调控的机制, 确定分化

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