环境因素引起的表观遗传变异探析,医学遗传学论文

　　在表观遗传机制建立和成熟过程中，环境刺激对出生前和出生后早期的表观遗传水平有重要的影响，所产生的错误信息在以后的表观遗传复制中被不断积累，最终导致个体随着年龄的增长而表观差异越来越大。近几年提出的环境表观基因组学正是在基因组水平探讨环境因素的表观遗传效应及其对基因表达影响的学科。研究表明，环境因素可引起错误的表观遗传程序建立进而导致多种人类疾病，如肿瘤、衰老、印记综合征、免疫疾病、中枢神经系统及精神发育紊乱。

　　长期以来，人们普遍认为作为有机体发育关键步骤的甲基化只是静态地 DNA 修饰，不会随环境条件变化而改变。Salk 生物研究所的研究人员发现处于逆境下植物的 DNA 甲基化模式会发生变化，从而改变对基因的调控，这意味着表观基因组并不只是一种静态指令，这种指令也能根据植物的经历进行重写，该研究以及其他研究者的发现共同证明，生活经历会给 DNA 打下印记[1].环境因素引起的人体表观遗传变异也已被证实。西班牙和美国的科学家首次利用全基因组高通量分析对同卵双胞胎一种特殊的表观遗传修饰---DNA 甲基化进行研究，通过对比双胞胎中正常的一方和患有自身免疫疾病的一方的 DNA 甲基化水平，发现双胞胎双方大量基因的 DNA 甲基化水平不同。同卵双胞胎的遗传组成几乎相同，存在于双胞胎之间的这些差异表明除了遗传因素以外，还有其他因素（如环境因素）在决定人的表型差异方面起重要作用[2].

　　1 环境因素引起的表观遗传变异

　　1. 1 重金属诱导的表观遗传变异锌参与甲基化合物的生成与调节，也参与 DNA 甲基转移酶（ DNAmethyltransferase, DNMT ）和组蛋白去乙酰化酶（ histone deacetylase,HDAC）等修饰酶的构成。重金属如三价铬的暴露，使父系基因组表观遗传修饰改变，增加子代癌症发生[3].近期研究发现，在植物和哺乳动物细胞体外和体内实验中，镉可以诱导产生各种表观遗传变异，包括 DNA 甲基化、组蛋白修饰、miRNA降解或翻译抑制等[4].为模拟真实情况下的重金属暴露，镉、铅、锌等重金属联合暴露所引起的表观遗传变异也成为学者们研究的新方向。

　　1. 2 有机化合物诱导的表观遗传变异一些非遗传毒性致癌物，如饮水氯化消毒副产物二氯乙酸（ DCA）和三氯乙酸（ TCA） ,在体内和体外试验中[5],未表现出显着的遗传毒性，但长期接触可导致啮齿动物肝、肾、结肠的 DNA 和（或）原癌基因 c2myc 的低甲基化，提示它们具有表观遗传活性。其他非遗传毒性致癌物，如三卤甲烷类（氯仿，一溴二氯甲烷）、其他卤乙酸（二溴乙酸）、三氯乙烯、过氧化物酶体增殖剂、芸香苷、胆汁酸等，也都有文献表明能通过降低 DNA 甲基化而致癌[6].近期有课题组选用具有明确致畸作用的酒精处理 CP15-13 心肌祖细胞，发现酒精可引起组蛋白 H3K9 的高乙酰化及心脏发育相关基因的高表达，HATs 活性抑制剂姜黄素可拮抗上述作用。在活体小鼠实验中也发现了类似结果：孕鼠酒精暴露后，各发育时期胚胎心脏的组蛋白 H3K9 乙酰化水平均高于正常对照组。即酒精干扰了组蛋白 H3K9 乙酰化水平的正常时序性。同时，心脏发育相关基因 GATA4、Mef2c 的表达时序性也发生紊乱。该研究提示组蛋白乙酰化修饰可能介导了酒精引起的胚胎心脏畸形[7-8].

　　2 环境因素引起的表观遗传变异对人类的影响

　　2. 1 表观遗传学与胚胎（胎儿）生长发育
　　
　　胚胎（胎儿）发育是遗传信息和环境因素相互作用而产生特异表型的编程过程，具有很强的可塑性。发育编程中的表观遗传事件主要有 4 方面：早期发育重编程、基因组印记、X 染色体失活和组织分化中的表观遗传调节。

　　日前，研究人员首次展示了子宫内环境对新生儿表观遗传学图谱的影响，即出生时就带有的 DNA 化学修饰，这项研究将为人们提供宝贵的疾病风险信息。

　　该研究首次对同卵双胞胎和异卵双胞胎新生儿的脐带组织、脐带血和胎盘的基因组甲基化图谱进行了分析，评估了双胞胎基因、共享母体环境和差异性子宫内环境对其表观基因组的影响。研究发现，即使在同卵双胞胎之间，新生儿出生时的表观遗传学图谱也存在着广泛的差异。有研究认为，这应该是由于双胞胎在母体环境中经历的不同所引起的，尽管双胞胎共享一个子宫，胎盘和脐带等特定组织的影响可能不同，从而产生了表观遗传学图谱的不同[9].了解新生儿出生时的表观遗传学图谱，是对其未来健康进行管理的超强工具，未来科学家有望在人们幼年时期对疾病风险进行鉴别和跟踪，甚至能通过特殊的环境或者饮食干预手段，对个人疾病风险做出相应调节。

　　2. 2 表观遗传变异与人类疾病

　　2. 2. 1 表观遗传变异与肿瘤：在肿瘤的发生过程中，调控细胞基因表达的程序经常被打破。目前认为DNA 中 CpG 岛的甲基化及组蛋白乙酰化修饰是调控基因表达的两种重要方式[10-11].DNA 甲基化是指在DNA 甲基转移酶（ DNA methyltr ansferase,DNMT）的作用下，以 S-腺苷甲硫氨酸为甲基供体，将甲基基团转移到胞嘧啶和鸟嘌呤（ CpG）二核苷酸的胞嘧啶中5 位碳原子上。组蛋白的 N-末端可通过乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等进行翻译后修饰，其中以乙酰化和甲基化修饰尤为重要。组蛋白乙酰化状态受组蛋白乙酰化酶（ histone acetylt ransfer ases,HATs）和组蛋白去乙酰化酶（ histone deacetylases,HDACs）双重调节。受到环境影响，细胞正常的表观遗传状态被打破，从而导致癌基因异常活化或抑癌基因失活，促进肿瘤形成。

　　2. 2. 2 表观遗传变异与神经发育性疾病：表观遗传学调节机制准确无误地进行决定高等真核细胞的正常发育。该机制失调可以导致多种遗传性神经发育性疾病，其中典型代表有孤独症谱系疾病（ Autism spectrumdisorders,ASDs）、脆性 X 染色体综合征（ Frag ile Xsyndrome,FXS ）、RTT 综合征（ Rett syndrome,RS）、Prader-W illi 和 Angelm an 综合征（ Prader-W illi andAngelm an syndromes,PWS and AS）等[12].对这些病人的神经病理样本分析显示，一些候选基因（ Candidate gene）某些位点的异常甲基化为其关键性致病因素之一，如 cAMP-GEF 、SLC 25A12、5-HTTLPR 和 Neurex in.这些基因往往与神经元增殖、生长、分化、凋亡及突触发生和递质传递密切相关。异位甲基化引起基因表达水平及下游信号传递改变，最终导致大脑内环境紊乱、神经元冲动传递受阻、神经网络对周围环境反应性障碍等一系列神经病理改变[13],从而导致某些相关的临床症状。

　　正常的认知和行为依赖于严格的神经稳态控制机制，不管是分子功能的缺失还是增加，对神经系统都是有害的。拷贝数变异、非编码 RNAs 和表观遗传学介导基因表达调控的变化都改变了基因量，可引起神经稳态的破环。因此，确定精神发育迟缓和神经精神障碍的共同分子途径有助于更好的了解神经网络和认知、语言、行为、社会交往、情感的关系。随着分子生物技术的发展，正常表观遗传机制的译解，与表观遗传相关的一些特异性 DNA 序列的阐明，对神经发育性疾病开展广泛的表观遗传学研究，可以为早期揭开神经发育性疾病的发病机制提供一种新的研究方法。

　　2. 3 表观遗传学与衰老
　　
　　衰老是内、外因素共同作用的结果，是一种多基因的复合调控过程，衰老相关基因的表达调节衰老的进程。衰老过程中表观遗传修饰改变复杂，通常基因组脱氧甲基胞苷（ dmC）的含量普遍减少，而在 CpG 岛 dmC 的含量增加[14].因此表现为细胞衰老时出现总基因组 DNA 甲基化水平下降和某些特异基因的高甲基化。人们认为表观遗传学调控可能在发育和衰老过程中起到重要作用，但这方面的证据一直很少，具体作用机制尚不清楚。

　　中科院遗传与发育生物学研究所韩敬东实验室通过生物化学、分子生物学、遗传学和系统生物学相结合的方法，发现组蛋白 H3H27me2/3 去甲基酶 UTX-1/UTX 对衰老发挥了重要的调控作用。在秀丽线虫中，该基因的杂合突变体及野生型的 RNAi 敲除后都能极大地延长线虫寿命，其抗逆性也大大加强。杂合突变或敲除以上基因后，机体内胰岛素样信号通路的一部分受体和激酶处于较高的抑制性标记 H3H27me3 修饰状态，从而引起表达量的降低，抑制了衰老信号的传递，最终导致控制寿命的重要转录因子 DAF-16 功能的增强，从而延缓了衰老[15].这种通过重新建立组蛋白修饰模式的作用方式揭示了细胞的重编程在抑制衰老过程中的重要作用，并提示其作用机制在哺乳动物细胞中同样存在。该研究首次报道了组蛋白修饰基因对衰老的调控作用，加深了对表观遗传功能的认识，并为新型抗衰老药物的研发提供了潜在的靶点。

　　另外，科学家们发现小鼠神经元中 DNA 甲基化减少有可能导致年龄相关的记忆衰退，发表在 2012 年 7月 1 日《自然神经科学》上的一项新研究将 DNA 甲基化与脑退化联系到了一起[16].研究人员证实一种将甲基团添加到整个基因组胞嘧啶上的酶的水平与认知能力下降有关，其过表达可以恢复老龄小鼠在记忆任务中的表现。当前的研究是建立在其他研究证实脑细胞中甲基化作用的适当调控对记忆形成至关重要的基础上。从前的研究提出了 DNA 甲基化丧失与阿尔茨海默氏症之间的联系，表明如果研究人员能够修复甲基转移酶活性并治愈或延缓痴呆，将是开发药物治疗年龄相关性认知疾病的一个极好的模型。

　　3 结语

　　由于表观遗传学决定基因在什么时间、什么位置表达，许多用 DNA 序列不能解释的现象，通过表观遗传研究将找到答案。近年来的研究已经表明，表观遗传在环境因素和遗传因素之间起着桥梁作用，并参与调控胚胎发育与疾病发生过程。但仍有许多问题有待人们去研究，如：环境因素是通过哪些信号通路引起表观遗传学改变的？不同的表观遗传调控类型是否对特定的环境因素易感？孕期能否找到一些特异性的表观遗传预警标志？如何对环境因素引起的表观遗传改变进行有针对性的干预？随着表观遗传学研究的深入，必将为揭示人类生长发育及疾病的发生机制做出新贡献，也将为临床疾病的预防、诊断和治疗提供新的思路和方法。