表遗传学与人类疾病和健康

 

cancer epigenetics(continued 7)  xue kai-xian.( genetic laboratory, jiangsu institute for cancer reseach，nanjing, 210009, china)

 

 ( 国际遗传学杂志. 2010; 33(4):251-256 )

 

第七讲 表遗传学与人类疾病和健康

 

人类基因组测序草图完成，和随后推动的大型相关计划，使医学、生物学的认识发生了深刻的变化。国际单体型图计划（the international hapmap project）构建了人类基因组常见遗传多态位点的目录，为研究它们与特定疾病风险间的关系提供了相关信息，然而完成的大量疾病关联性研究仅取得相当有限的成功。于是人们开始认识到生物系统的复杂性，以及基因-环境-疾病之间存在开放而复杂的相互作用，这不是简单的、线性dna中心法则所能概括的，这就意味着从一开始设计人类基因组计划，便注定了人类基因组测序结果不可能很快、大规模地应用于临床[1，2]。江苏省肿瘤医院肿瘤内科薛开先

另一方面，近20年来表遗传学研究进展表明，包括疾病在内的复杂性状，是由多种基因和环境因素相互作用的结果。表遗传学机制介导环境对人类基因组的效应，以及最终复杂性状的形成和疾病的发生，成为基因型和环境与表型和疾病之间的连接环节，弥补了目前基因组研究之不足，使疾病与遗传关系的研究展示了新的前景。本讲将从机制、表遗传学异常疾病、疾病的发育起源和跨代表型等方面，简述表遗传学与疾病、健康的密切联系[3-6]。

1  概述1．1 多层次的遗传信息    过去10年大规模的dna测序研究，一方面深入了基因组学的研究，另一方面意外得出了一些与传统遗传学不同观点：① 生物学复杂性一般与非蛋白质编码的基因组部分相关，而不是如以往推想的那样，复杂的生物有较多的编码基因，例如人和小鼠与美丽新小杆线虫有相近的基因数，甚至所有的多细胞生物比某些单细胞生物有更少的蛋白质编码基因；② 仅2%哺乳动物基因组编码mrna, 而基因组的绝大部分转录或长或短的非蛋白质编码rna ( non-protein-coding rnas ncrnas)，近年来大量研究证明，它们是一组功能rna，构成了表遗传学调控机制的一部分。挑战了传统遗传学如下观点：rna只是dna遗传信息流向蛋白质的中间载体；大量的非编码基因组dna是“垃圾”[2]。结合近年来表遗传学的研究成果，生命体的遗传信息有三个不同的层次：第一层次由编码蛋白质的基因组成，蛋白质是生命体结构和功能的物质基础，是最基本的遗传信息；第二层次由编码rna的基因组成，这类基因隐藏在巨大的、非编码的染色体dna序列中，转录形成的ncrna,参与基因表达的调控；第三层次为表遗传学信息，贮藏在dna及与其结合蛋白的各类共价修饰和染色质构型之中，是表遗传学调控的基本机制。如此既相区别、又协同的三层次遗传信息，构成了各类生物学过程所必需的遗传信息系统，其中传统遗传学信息提供了生命所必需的蛋白质的模板；第二和第三层次的表遗传学信息提供了何时、何地和何种方式应用这些遗传学信息的指令，介导了基因型形成表型，以及环境的各种生理、病理效应和可能的跨代效应[2，6-8]。

1．2 表遗传学介导常见疾病的发生    大部分人类疾病存在某种方式的基因功能缺陷，dna序列或表遗传学修饰的异常都可以改变基因功能。据估计单基因缺陷引发的人类疾病超过8000种，通常个别而且罕见，如血友病、囊性纤维化和家族性癌综合征等仅影响约1%的人群；而一些常见疾病如癌症和糖尿病等的病因比较复杂的，多和易感性基因与其环境的相互作用有关，而基因组的表遗传学修饰介导了两者间的相互作用 [9，10]。

表遗传学信息由染色质组成的表遗传学修饰所编码，主要有dna甲基化和组蛋白共价修饰，它们通过改变染色质的结构来影响基因的表达。这样当机体暴露于营养、化学品和病原体等环境因素时，诱发细胞dna和组蛋白共价修饰的改变，进而引发染色质结构的改变，并在许多与染色质相关的生物学过程如dna复制、修复、转录和发育中起重要作用，其中基因转录调控是核心机制，上述改变的表遗传学机制，通过对特殊细胞组织和在特定时间点，调控特殊一组基因的转录活性，介导环境对人类基因组的效应及至疾病的发生[6，9，11]。

就其本质而言，表遗传学改变是可遗传的，正基于此胚胎发育中经染色质重塑形成各种表基因组型，通过有丝分裂在谱系内细胞间世代相传，维持组织器官的稳定性。同样在发育早期的敏感阶段，一些环境因素引起的表基因组改变，通过表遗传机制可影响一些成人发病疾患的易感性；上述表基因组改变如能通过减数分裂，就产生了环境引发疾病的跨代遗传现象。另一方面，表遗传学改变又多是动态的，有时是可逆的，这为疾病的表遗传学治疗提供了理论依据，目前已有多种靶向dna甲基化酶和组蛋白脱乙酰化酶的药物已在临床试验中。因此，深入研究疾病发生和演进中的表遗传学机制，及其各种机制在特殊疾病状态下的不同作用，对疾病预防和治疗的表遗传学药物的开发具有重要意义[6，9，10-12]。

2        表遗传学异常与现代医学    表遗传学是研究没有dna序列的变化的、可遗传的基因和基因表达的改变。已如前几讲所述，表遗传的分子机制包括dna甲基化、组蛋白修饰、ncrna和染色质重塑等。近年来的研究表明，表遗传学机制调控从生至死的所有生物学过程，当表遗传学机制或标志发生错误，一些已建立可遗传状态的表遗传学现象或过程，如基因组印记、x染色体灭活等出现异常，以及参与dna和组蛋白共价修饰和染色质重塑的相关酶或结合蛋白等发生突变，均可引发表遗传相关的各类疾病，包括婴幼儿疾病或成年后发病的综合征；同时表遗传学机制对环境因素和药物反应的易感性也起重要作用，故表遗传学与现代医学关系十分密切[4，12-14]。2.1环境的表基因组效应及其医学意义    2．1．1  环境的表基因组效应    大多数常见疾病是基因与环境相互作用的结果,而表遗传学机制通过引起选择性的dna甲基化和组蛋白修饰，介导环境因素对基因表达的中、长期效应，而不改变dna序列。表基因组为一个细胞的总体表遗传学状态，是环境与基因组间的界面，表1显示一些环境因子可影响细胞的表基因组状态[4,15]。

表1 影响表基因组的一些环境因子[16]环境因子表遗传学修饰的证据
 
甲基供体（叶酸，维生素b12等）
 给小鼠补充甲基供体，通过深浅环纹基因附近部位的甲基化改变，使后代皮毛趋于棕色
 
性激素
 内分泌毒素引起大鼠dna甲基化，介导精子发生的可遗传的缺陷

围产期胎儿暴露于已烯雌酚，通过甲基化的改变增加妇科恶性肿瘤的发病
 
吸烟
 父源性对肥胖的跨代效应，高度提示为表遗传学改变
 
营养
 双亲源性对性别-配对后代死亡率的跨代效应，高度提示是表遗传学改变
 
维生素d
 维生素d受体结合复合物能引起表遗传学改变
 
应激
 应激状态下养育，引起大鼠糖皮质激素受体基因启动子区表遗传学改变儿童期受虐，与自杀者糖皮质激素受体的表遗传学改变相关
 

从表1可见，多种环境因子能引起表基因组的改变，并且与健康状况和疾病发生相关。这里值得指出以往研究较少的、生命早期心理因素对表基因组的影响，例如母鼠照顾较少下长成的大鼠，在糖皮质激素受体启动子区显示有较高水平的dna甲基化；当母性强小鼠的后代由低水平照顾母鼠养育时，对表基因组效应与母性弱小鼠自己的后代相似，这说明上述表遗传学改变是母亲养育的特殊效应；又如儿童期受虐与自杀者，他们的糖皮质激素受体启动子也存在相似的甲基化改变。因此，环境中应激因素对调节人的表基因组也有重要作用，表遗传学很可能参与应激相关疾病的发生 [4]。

2．1．2  环境表基因组效应的预防医学意义   环境对表基因组的效应对预防医学研究有着重要而深远的意义， 例如在生命敏感期环境因子的暴露，引发的表遗传学机制的改变是相对稳定的，并可通过细胞分裂遗传，增加成年发病疾病的敏感性，甚至可跨代遗传，这就意味着病因因素的暴露是在疾病发生或流行之前许多年就已发生，因此目前常用的、未考虑到上述事实的病例-对照研究，很难精确地推测病因因子及其所起作用的时间[3，4]。

对于现代医学表遗传学最令人感兴趣的部分是不同于dna序列改变，表遗传学改变是可逆的，在基因组与环境交会点有可能进行干预,。目前虽没有现行的任何公共卫生措施，是针对潜在的表遗传学病因的，但叶酸补充预防神经管缺陷的效果，有可能是通过表遗传学机制起的作用。支持这一观点的还有在小鼠模型的研究发现，神经管缺陷与候选基因启动子中cpg岛的单核苷酸多态相关，而这一区段在人和鼠之间是保守的[4]。

2. 2  表遗传学异常与人类疾病    表遗传分子机制和在发育起重要作用的表遗传现象如基因组印记、x染色体失活的异常，均可导致各类人体疾病，如癌症、精神疾病和多种罕见的综合征等，癌症的表遗传学改变本讲座将详细介绍，其他疾病已有不少作者介绍[4，9，11，14，16]，表2列举一些表遗传学异常相关的综合征，随后归类简介。

表1 表遗传学异常引发的人类疾病例证[9]

疾病或综合征    估计发病率×10-5    候选基因    表遗传学异常
angelman 综合征  6   位于15q11-13  ube3a位点的印记异常   亲本dna甲基化标志的破坏
 
atr-x 综合征  130   染色质重塑相关基因atrx 功能丢失   重复序列等的低甲基化
beckwith-wiedeman  综合征  10    位于   11p15.5  igf2/cdkn1c 位点的印记丢失   基因组印记丢失
 
coffin-lowry 综合征
 2 rsk 基因突变 经由creb结合蛋白基因激活,  破坏染色质重塑
脆性x染色体综合征(fmr) 50 fmr1/fmr2 基因功能丧失
  因cgg重复序列扩展,        启动子甲基化
 
klinefelter 综合征
 100 男人的额外x 染色体 异常x-染色体灭活/印记
prader-willi 综合征
 15 位于15q11?13 印记位点 snrf/snrpn 的缺陷
 基因组印记的缺陷
rett 综合征 8 mecp2基因突变
 失调的启动子活性
rubinstein-taybi 综合征 1
 编码creb结合蛋白基因突变 降低了组蛋白 h3 的乙酰化
williams 综合征
 10 wstf基因功能丧失 凝缩的染色质结构

2．2．1  基因组印记    基因组印记是取决于亲本来源的、等位基因差异表达的现象。印记基因多成簇存在于染色体上，可能受印迹中心（imprinting center，ic）的协同调控，如下述综合征相关的3个印记基因均存在于染色体15q11-15。印记基因编码生长因子、转录因子或非编码rna等，在调节胚胎、新生儿的生长和发育中起重要作用。印迹基因功能的紊乱将导致死胎和多种发育异常。与基因印记异常相关的疾病最典型的是angelman 综合征（as）和prader-willi 综合征 （pws  表2），都是神经系统疾病。pws患者肥胖、身材矮小、精神迟钝和行为有缺陷等；而as患者多动、爱傻笑、智力迟钝。父源染色体缺失时临床上表现为pws，而母源染色体缺失时表现为as。beckwith-wiedeman综合征（bws 表2），患者过度生长、脐疝、巨舌、内脏肥大、易患胚胎性肿瘤等,这与胰岛素样生长因子（igf2）基因的印记丢失有关，致使双等位基因表达，促进相关组织过度生长[17]。

2．2．2   x染色体失活    为保持两性间x染色体的平衡，在胚胎发育的早期雌性两条x染色体中的一条，通过表遗传学机制使大部分基因永久地灭活，这一现象称为x-染色体失活（x-chromosome inactivation），而达到完成剂量补偿(dosage compensation)。x染色体的不对称失活，可导致多种疾病发生，如,例如男性发病率较高的wiskott-aldrich 综合征是由于x染色体的wasp基因突变所致。在rtt综合征是显性x染色体连锁神经发育紊乱（表2），mecp2基因突变是其主要病因，现已发现mecp2是甲基化cpg结合蛋白，能与hdac组蛋白脱乙酰基酶和染色质重塑复合物结合，最终引起基因的沉默。mecp2突变，将引发表遗传学机制异常。当x染色体灭活时，携带有mecp2突变基因的x染色体不对称地失活或逃避失活，产生mecp2含量的加倍或功能缺失，结果发现前者比后者有严重的表型后果[14，16，18]。

2．2．3  dna甲基化    dna甲基化是基因沉默的有效途径，是在dna甲基转移酶(dna methyltransferase dnmts) 的催化下，将甲基转移到cpg 岛中胞嘧啶上的修饰过程。酶促甲基化反应涉及多种dnmt，其中dnmt1参与维持型dna甲基化，而dnmt3a/dnmt3b复合物参与重新甲基化。dna甲基化异常与广泛的人类疾病相关，例如在癌细胞存在整体的低甲基化，多发生在重复序列和转座因子，增加基因组的不稳定性；而在肿瘤抑制基因的高甲基化使其灭活，两者结合促进肿瘤的发生；在脆性x染色体综合征(fragile x syndrome fmr)，因cgg重复序列扩展,启动子高甲基化，导致fmr1/fmr2 基因功能丧失而而发病（表2）；上述rtt综合征则是甲基化结合蛋白异常表达而发病[4，9，14]。

2．2．4  组蛋白修饰    组蛋白存在多样的转录后修饰，如乙酰化、甲基化和磷酸化等，其中关键的是由组蛋白乙酰基转移酶（histone acetyltransferase hat）催化的乙酰化，以及由组蛋白脱乙酰基酶（histone deacetylase hdac），通过影响染色质的构型调控基因的表达。组蛋白修饰异常与多种人类疾病相关，例如在肿瘤细胞都发现,肿瘤抑制基因的启动子区因存在组蛋白的脱乙酰化和dna甲基化灭活； 在rubinstein-taybi综合征，因编码creb(camp response element binding protein camp效应元件结合蛋白)结合蛋白基因突变失去了hat的活性，降低了组蛋白 h3 的乙酰化而引发一系列相关病变（表2）[4，14]。

2．2．5  染色质重塑    染色质重塑是在依赖atp染色质重塑复合物等一系列特化蛋白作用下，通过改变染色质纤丝上核小体与dna的相对位置，使dna有不同程度的可接近性。这是一个需能的过程，因此各种类型的重塑复合物起重要作用，如发生突变则可引发人类疾病，例如编码swi/ snf 复合物的atp酶的基因atrx 突变，可引发dna异常甲基化、 核小体重新定位的异常，进而引起的基因表达抑制，产生α地中海贫血症和x连锁智力迟钝等多种症状 [14，16,18]。

2．2．6  ncrna    人类基因组普遍地转录，产生数千种功能性、非编码rna (non -coding rna ncrnas)如微rna（micrornas）、小干扰rna（small interfering rnas）和不同类型的长非编码rna（long non-protein-coding lncrna）等，它们作为转录和转录后调节因子和在导向染色质修饰复合物中起关键作用，参与许多生理和细胞过程，促进正常生长发育；研究发现，mirna在人基因组转座因子、脆性位点处富集，还与致癌病毒整合位点相关，通过抑制它们的活动，保护基因组的稳定性；因此一旦ncrna功能失调，将导致疾病的发生，积累的大量的资料显示，癌症、心脏病、免疫疾病、代谢综合征和神经变性疾病等均与ncrna功能失常相关[2,16,19]。

3        健康与疾病的发育起源

3．1          历史与基本概念

约在20年前barker等的一组出生和死亡记录的流行病学研究发现，婴儿死亡率和某些类型成人死亡之间，以及出生体重与成年因缺血性心脏病疾病之间存在高度的地理相关。这些观察导致认为，怀孕期间胎儿营养不良，是成人心脏和代谢疾病的重要的早期起源，这是由于胎儿的编程使人体结构、功能和代谢长久地成形，促成某些成人疾病的发生。这一理论激发了对成人疾病胎儿起源的研究兴趣，并在不同国家的研究中得到验证。约在5年前扩充后提出健康与疾病的发育起源（developmental origins of health and disease dohad）的理论，并成立了对应的国际协会[20，21]。

编程是在发育关键期暴露于环境剌激或损伤, 给机体的生理和代谢带来持久性改变的过程。在怀孕过程中子宫内营养质与量的变化，可对发育中的胎儿产生长久的效应，目前认为，胎儿发育的编程是成人非传染病的重要危险因素。低出生体重和生命早期的营养不足，可导致终生代谢和激素水平、以及关键器官的细胞数量设定（setting）的改变；目前的实验研究也表明营养编程的可能性，宫内营养不良通常显示关键器官如肾、心和脑等的结构改变，这也与细胞增殖、分化异常相关的发育重塑相一致；结果增加了疾病的易感性[4，20，22]。子宫内不良状态引发的胎儿代偿性反应，反映了在这一关键期的发育可塑性，如此确立的表型维持终生，限定了出生后适应能力的范围，构成了疾病的易感性；在成年期诱发特殊疾病的风险取决于作用环境的性质,除上述营养不良外，怀孕期间营养过剩，可引起新生儿超重，则与提高的患癌风险相关，特别是乳腺癌和小儿白血病；发育起源疾病的发病风险，取决于改变基因组设定的易感性与一生所处环境间的相互作用，已有研究表明，婴儿期生长受限和儿童期迅速增重，将增加出生前受损生长的效应，进一步提高发病风险；在实验动物暴露在出生前后不匹配的环境中，易发生肥胖、胰岛素抗药性、血压升高和血管内皮细胞功能障碍等[4，22-24]。    在发育关键期的代谢编程所反映了发育的可塑性，为同一种基因型在应答不同环境产生的、可维持终生的、在一定范围内的不同的生理状态和形态特征。发育关键期包括怀孕、新生儿发育、青春和老年期，因为这些生命阶段对环境改变比较敏感，尤其是早期发育的胎儿，最易受到环境因素的影响，这是由于在早期发育期dna合成速率高，对正常组织发育所必需的、精致的dna甲基化模式正建立中[4，22，25]。目前研究已有足够证据表明，生命早期环境的限制是成年代谢综合征和心血管疾病的重要决定因素。代谢综合征包括了向心性肥胖、胰岛素耐药性、葡萄糖耐受不良、血脂异常、高血压、高胰岛素血症和微量蛋白尿症等。代谢综合征的发生率在世界范围内迅速增加，很大部分是肥胖日益流行的结果。新近研究进展表明，在对营养剌激反应中关键代谢基因的表遗传学和转录调节，介导了持续的改变和成人代谢综合征的表型；这些机制的研究最终可产生特异性干预，有利于降低心血管疾病和2型糖尿病的发病率[23，24-26]。3．2          表遗传学机制

    发育关键期的不良环境引起后代持久的表型改变，提示胎儿生长迟缓和日后的某些成人疾病易感性的增加，与基因表达的稳定改变相关，基因组的表遗传学修饰提供了细胞世代间基因表达活性状态稳定传递的机制。近年来的研究表明，表遗传学修饰为dohad提供了分子机制，由于表遗传学机制本身是易适应和可塑的，足以应答变化的内外环境信号。如此诱发的表遗传学改变能被固定，并在细胞分裂中传递，结果长久维持所获得的表型；如出生后所遇的环境与诱发特定表遗传学模式的环境不相配或失谐时，就可能增加发生与作用环境性质相关的疾病[27-29]。dohad理论是基于在胚胎发育中存在感知和传导各种剌激信号的机制，以及表遗传学修饰能“记录” 发育关键期的剌激，并在细胞世代间传递，例如2型糖尿病（t2d）是一种复杂疾病，同时受到易感基因与环境因素的影响，当胎儿处于不正常的宫内代谢环境下，则通过表遗传学机制调整关键基因的表达，这些基因包括在肌肉中调控β细胞发育的pdx1基因和葡萄糖转运的glut4基因，长久地影响胎儿的发育和成人t2d的易感性。又如应用染色质免疫沉淀等技术的研究表明，导致肥胖的高卡路里的母本饮食，通过位点特异性的组蛋白修饰，在表遗传学上改变了灵长类胎儿的染色质结构，长久地影响基因表达。在这些代谢编程中，表遗传机制将环境和基因与表型和疾病连接起来，从而构建了dohad的分子基础[6,30-32]。较近的研究表明，激素在上述表遗传学修饰中有重要作用，能将环境作用的类型、严重程度和持续时间等的信号传达至发育中的胎儿-胎盘组织。这些信号改变基因表达和胎盘的表型，直接或间接地影响发育中的胎儿组织，也在很大程度上改变了不同组织的蛋白质的丰度，并对出生前后的许多生理系统有功能后果。在对子宫主导环境产生特异性表基因组修饰的过程中，激素作为发育编程的表遗传学信号，而这一编程对成人健康和疾病有重要意义[33]。4跨代表遗传与疾病发生在胚胎或出生后的器官发育敏感期，环境因子可诱发体细胞表基因组改变，进而起动细胞分化的级联效应，直到成年发生疾病；而累及种系的表遗传学异常可传递数代。相对体细胞表基因组改变，种系表基因组改变很少见，这是因为种系表基因组重编程的敏感期很短，只有在这一发育阶段的改变才能成为表遗传学跨代表型。目前将环境因子不仅在暴露个体、而且能在其后代中促成一种表型和疾病状态的能力称之为跨代遗传（transgenerational inheritance）。跨代遗传的生物学基础是种系表基因组的重编程，它涉及到暴露胚胎的性腺发育和种系分化，以及暴露个体的配子发生和生殖细胞的发育。环境成分促成种系的重编程，看来是表遗传学跨代表型的原因[34,35]。作为跨代表型应排除直接暴露，必须能传递数代。例如怀孕雌性提供了f0代雌性、f1代胚胎和将产生f2代种系的直接暴露，因此对于跨代现象至少必需有f3的表型。已有研究发现没有种系表遗传学改变的跨代传递，因此有必要区别跨代表型传递的两种情况：一种是真正的表遗传学跨代过程（an intrinsic epigenetic transgenerational process），需要生殖细胞表基因组的永久的改变，并且仅一次暴露于环境因子；另一种为外在的表遗传学跨代过程(extrinsic epigenetic transgenerational process)，事关体细胞的表遗传学改变，需要每一代的暴露才能维持跨代表型[34-36]。大部分环境因子例如营养、毒物（如内分泌紊乱剂等）并不引起基因突变，但有能力改变表基因组，如这种表突变在种系成为持久的编程，就允许表遗传跨代表型的传递，例如内分泌干扰因子的功能是作为类固醇受体信号的拮抗剂或激动剂，其作用的结果影响发育、促患成人发病的疾病。在启动男性生殖道发育时内分泌紊乱因子的暴露，干扰正常的激素信号和男性生殖器官的形成。特别是，暴露于内分泌干扰物乙烯菌核利（vinclozolin）促进了成人发病状态的跨代传递，如男性不育症、提高肿瘤发病率、前列腺疾病，肾脏疾病，以及老年男性发生的免疫异常[34-36]。环境因子引发表遗传表型的传递已积累了不少资料，但仍属初期阶段，然而这一领域的研究不仅有医学意义，更重要的是对生物的个体发育和系统发育（进化）等生物学基本问题的研究具有重大的意义，值得深入探讨。 参考资料

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