表觀遺傳學(xué)中的DNA可逆化學(xué)修飾

摘 要：DNA是遺傳信息的載體，也是生物個(gè)體以及物種的整個(gè)生命周期的藍(lán)圖。DNA在這整個(gè)生命周期中保持高度穩(wěn)定。DNA的可逆化學(xué)修飾在哺乳動(dòng)物的細(xì)胞分化、個(gè)體發(fā)育等過(guò)程中起到重要作用。本文主要關(guān)注針對(duì)DNA中胞嘧啶的甲基化與去甲基化動(dòng)態(tài)變化及功能的相關(guān)前沿研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：DNA的可逆化學(xué)修飾；胞嘧啶的甲基化；5mC去甲基化；哺乳動(dòng)物；細(xì)胞分化

一、 導(dǎo)言

細(xì)胞是生命體最基本的單位，其能組成頭發(fā)、眼睛、心臟等各種各樣的器官，并最終組成一個(gè)完整的生物個(gè)體。細(xì)胞核是細(xì)胞的“司令部”，而在細(xì)胞核中的“司令”們則是脫氧核糖核酸（DNA）。DNA由四種基本的單位腺嘌呤（A）、鳥(niǎo)嘌呤（G）、胸腺嘧啶（G）以及胞嘧啶（C）組成（圖1），其序列信息編碼了生物個(gè)體及種群的整個(gè)生命周期，因此其必須在整個(gè)周期中保持高度穩(wěn)定。另一方面，DNA需要編碼多細(xì)胞生物中多種多樣的細(xì)胞活動(dòng)，使其具有不同的形態(tài)、發(fā)揮不同的功能。這一看起來(lái)矛盾的兩個(gè)方面是由DNA的可逆化學(xué)修飾來(lái)調(diào)和的：DNA可以發(fā)生化學(xué)修飾，從而在不影響序列穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上擴(kuò)充其生物學(xué)功能。這種具有調(diào)控功能的修飾被稱為表觀遺傳學(xué)修飾。

二、 胞嘧啶的甲基化

多細(xì)胞生物中不同種類(lèi)細(xì)胞的差異是由于其不一樣的基因表達(dá)情況決定的，細(xì)胞中不同的基因表達(dá)情況可以由多種化學(xué)修飾調(diào)控。哺乳動(dòng)物細(xì)胞中存在最廣泛的修飾是5-甲基胞嘧啶（5mC）（圖2），它在生物個(gè)體的發(fā)育與疾病發(fā)生過(guò)程中均發(fā)揮著重要的作用。5mC主要出現(xiàn)在胞嘧啶-鳥(niǎo)嘌呤二核苷酸位點(diǎn)（CpG）上，哺乳動(dòng)物基因組中大約60%～80%的CpG位點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)5mC修飾。5mC的主要功能包括X染色體失活、抑制逆轉(zhuǎn)座元件的活性以及基因表達(dá)調(diào)控。

圖2 胞嘧啶的可逆化學(xué)修飾

5mC在化學(xué)上是穩(wěn)定的：甲基通過(guò)一個(gè)穩(wěn)定的碳-碳共價(jià)鍵連接到胞嘧啶的5號(hào)位（圖2），因此具有很高的鍵能，若想要直接破壞這種結(jié)構(gòu)不是那么容易。5mC在遺傳學(xué)上也是穩(wěn)定的：DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMT3A、DNMT3B）能夠直接將甲基連接到胞嘧啶上，DNA甲基轉(zhuǎn)移酶1（DNMT1）也可以識(shí)別雙鏈DNA中只有一條鏈含有5mC的位點(diǎn)并將其互補(bǔ)鏈進(jìn)行甲基化修飾；這種甲基化維持的機(jī)制可以保證DNA復(fù)制過(guò)程中新合成的鏈上帶有同樣的表觀遺傳學(xué)修飾。

三、 5mC的去甲基化

盡管5mC是很穩(wěn)定的，其需要通過(guò)多種途徑進(jìn)行去修飾，從而發(fā)揮其在細(xì)胞分化與個(gè)體發(fā)育中的調(diào)控作用。如在胚胎發(fā)育過(guò)程中，5mC會(huì)發(fā)生劇烈的重編程。最重要的三個(gè)表觀遺傳學(xué)重編程過(guò)程發(fā)生在：（1）受精卵的著床前發(fā)育過(guò)程；（2）著床后胚胎發(fā)育過(guò)程；（3）精、卵子前體細(xì)胞發(fā)育過(guò)程。

5mC可以通過(guò)以下兩種方式去除：（1）被動(dòng)稀釋甲基化：在一些情況下維持甲基化狀態(tài)的酶是不工作的，因此在發(fā)生DNA復(fù)制后，新合成的鏈上不帶有5mC修飾。隨著細(xì)胞分裂的進(jìn)行，這種胞嘧啶的共價(jià)修飾就逐漸被稀釋了；（2）主動(dòng)去甲基化：TET家族蛋白可以將5mC氧化并生成5-羥甲基胞嘧啶（5hmC）、5-醛基胞嘧啶（5fC）以及5-羧基胞嘧啶（5caC）（圖2）。氧化后的5mC可以通過(guò)不同途徑進(jìn)行去修飾作用，一是通過(guò)細(xì)胞分裂過(guò)程中的DNA復(fù)制進(jìn)行被動(dòng)稀釋去修飾，二是通過(guò)TDG酶介導(dǎo)的堿基切除修復(fù)（BER）通路將其主動(dòng)的還原成一個(gè)普通的胞嘧啶堿基（圖2）。

5mC的主動(dòng)去甲基化過(guò)程發(fā)揮著重要作用，因此也受到了多層次的嚴(yán)格調(diào)控。（1）TET酶接觸到底物的難易程度是一種最直接的調(diào)控主動(dòng)去甲基化過(guò)程的方式：細(xì)胞核中的DNA會(huì)被不同種類(lèi)以及修飾狀態(tài)的蛋白結(jié)合并包裹起來(lái)，因此被TET酶結(jié)合并識(shí)別的概率是不一樣的。（2）TET酶發(fā)揮氧化作用時(shí)本身也需要多種不同的輔助因子：如α-酮戊二酸以及二價(jià)鐵離子，這些因素濃度的變化會(huì)影響TET酶的活力；此外，維生素C也能直接與TET酶的催化位點(diǎn)結(jié)合以及通過(guò)促進(jìn)輔助因子二價(jià)鐵的生成從而增強(qiáng)TET酶的活性。（3）參與到主動(dòng)去甲基化過(guò)程中的所有的酶本身的表達(dá)水平也可以受到上游機(jī)制的調(diào)控。（4）一些輔助蛋白可以幫助參與主動(dòng)去甲基化的蛋白到達(dá)基因組上的特定位點(diǎn)從而實(shí)現(xiàn)特異性的去甲基化。

四、 主動(dòng)去甲基化的功能

在人以及鼠的卵子受精后的很短時(shí)間內(nèi)，受精卵會(huì)發(fā)生劇烈的表觀遺傳學(xué)重編程，其中包括父源以及母源的全基因組水平的DNA去甲基化。在這個(gè)過(guò)程中，來(lái)自母方的基因組主要通過(guò)被動(dòng)稀釋來(lái)完成去甲基化，而來(lái)自父方的基因組則會(huì)受到主動(dòng)去甲基化與被動(dòng)稀釋去甲基化的雙重影響。受精卵在這個(gè)過(guò)程能夠擦除絕大部分來(lái)自父母的表觀遺傳學(xué)印記，并在后續(xù)的胚胎發(fā)育過(guò)程中重新建立新的表觀遺傳學(xué)印記。

由于神經(jīng)細(xì)胞中存在很高含量的5hmC，因此主動(dòng)去甲基化如何幫助神經(jīng)細(xì)胞發(fā)揮正常功能是一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。TET1蛋白對(duì)于小鼠大腦的正常記憶與學(xué)習(xí)功能是必需的，TET1含量的變化能夠影響神經(jīng)細(xì)胞中的基因表達(dá)情況。此外，TET3也在小鼠的嗅覺(jué)神經(jīng)細(xì)胞以及視覺(jué)神經(jīng)細(xì)胞中發(fā)揮重要作用，其功能的異常會(huì)影響神經(jīng)細(xì)胞中的5mC以及5hmC的含量，進(jìn)而會(huì)影響基因的正常表達(dá)情況以及神經(jīng)組織的發(fā)育。

異常的DNA去甲基化也會(huì)導(dǎo)致癌癥。在小鼠模型中，TET2催化功能的缺失會(huì)影響造血干細(xì)胞的自我更新能力，從而導(dǎo)致惡性血癌的發(fā)生。TET1以及TET3的功能突變也與多種其他類(lèi)型的癌癥相關(guān)。因此，DNA主動(dòng)去甲基化能否正常發(fā)揮功能，關(guān)系到5mC修飾以及細(xì)胞中的基因表達(dá)情況；這個(gè)過(guò)程如果出現(xiàn)異常，則可能導(dǎo)致包括癌癥等疾病在內(nèi)的細(xì)胞功能異常。

五、 總結(jié)與展望

哺乳動(dòng)物個(gè)體每個(gè)細(xì)胞中的基因組均包含完全一致的DNA序列信息，但是不同種類(lèi)的組織中的細(xì)胞卻能夠具有完全不一樣的基因表達(dá)情況從而發(fā)揮不同的功能。包括5mC在內(nèi)的多種不同類(lèi)型與層次的化學(xué)修飾能夠在不影響DNA序列穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)的差異化調(diào)控。endprint

胞嘧啶的甲基化修飾狀態(tài)能決定細(xì)胞的種類(lèi)與命運(yùn)，因此在胚胎與個(gè)體發(fā)育過(guò)程中每個(gè)不同的細(xì)胞需要逐漸獲得不同的表觀遺傳學(xué)修飾狀態(tài)。另一方面，受精卵需要擦除來(lái)自父母雙方的表觀遺傳學(xué)信息，從而重新建立新的表觀遺傳學(xué)印記，DNA的主動(dòng)去甲基化在這一表觀遺傳學(xué)重編程過(guò)程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。細(xì)胞中的表觀遺傳學(xué)狀態(tài)的異常可能會(huì)導(dǎo)致包括癌癥在內(nèi)的多種疾病。

通過(guò)加深對(duì)DNA化學(xué)修飾以及表觀遺傳學(xué)的認(rèn)識(shí)，能夠幫助人們理解包括癌癥在內(nèi)的疾病發(fā)生的深層次機(jī)理。通過(guò)針對(duì)這些細(xì)胞異常發(fā)生與發(fā)展的過(guò)程，可以開(kāi)發(fā)特異性的阻斷、逆轉(zhuǎn)等針對(duì)性的治療方式，從而最終促進(jìn)人類(lèi)健康事業(yè)發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：

萬(wàn)奕恒，湖北省武漢市，武漢市第六中學(xué)。endprint