第4讲典型环境污染物的表观遗传效应学.docx

本文格式为Word版，下载可任意编辑第4讲典型环境污染物的表观遗传效应学 典型环境污染物的表观遗传效应 浙江大学 金永堂 随着人类社会城镇化和工业化程度的逐步提高，人类环境污染及其健康效应日益引起人们关注大气、水体、土壤及食物等污染严重要挟着人类健康，导致免疫、神经、呼吸等多个系统的疾病危害性增加，尤其与心脑血管疾病、糖尿病及癌症等繁杂疾病的发生紧密相关人们不仅从分子生物学和遗传学的角度研究了环境污染引发疾病的机制，而且近十年来环境因素导致的表观遗传变化，已经成为环境污染与疾病关联研究的重要生物标记 一、表观遗传及主要机制 表观遗传学研究不发生DNA序列变化的状况下基因表达发生遗传变更的一门新兴学科表观遗传的主要机制包括DNA甲基化、组蛋白修饰、遗传印记损失和非编码RNA在环境因素影响下，表观遗传能够变更基因组功能表观遗传变化的重要特征是既可在亲子细胞间遗传（有丝分裂遗传）、也可在代间遗传（减数分裂遗传）表观遗传可以解释具有一致DNA的细胞或有机体可能具有显著不同的表型环境暴露可能变更表观遗传调理的水平和范围另外，基因表达的表观遗传调理与大量疾病的病因机制有关，更加是恶性肿瘤。

故DNA的表观遗传修饰可为早期癌症检测、预料和治疗供给新的生物标记而且，表观遗传变化的可逆性也为制订疾病有效的防治策略和用药方案供给了可能性 在环境表观遗传学研究领域，DNA甲基化及组蛋白修饰已经成为基因表达调控机制的研究热点DNA甲基化指DNA序列中甲基团共价结合或脱离胞嘧啶核苷酸的过程甲基化过程受到家族特异酶即DNA甲基化转移酶（DNMTs）的操纵对于脊椎动物而言，甲基团仅结合在鸟嘌呤前的胞嘧啶上（即CpG双核苷酸上）基因组中富含CpG序列的部位被称为CpG岛实际上，CpG岛存在于基因组半数基因的启动子部位就染色质修饰而言，染色质由组蛋白和DNA组成组蛋白是染色质的蛋白组分，其上缠围着DNA组蛋白八聚体（组蛋白与DNA的复合体即核小体）上有大量伸出来尾巴影响组蛋白尾巴的翻译后修饰有几种类型，包括甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化这些修饰影响DNA和组蛋白间的交互作用，导致基因转录、DNA修复、DNA复制甚至染色体布局发生变化DNA甲基化与组蛋白修饰间也可能发生联合作用 相当长的一段时间内，人们都认为蛋白质是由细胞核内DNA序列编码的虽然，从本质上讲，生物体内的每个体细胞包含着一致的未经加工过的遗传信息，但是，时间或环境的影响变更了单个细胞或组织的功能，同时伴随或者不伴随辅佐因子及其他修饰的作用。

现在领会的是，哺乳动物基因组不仅包含DNA的根本序列信息，同时也受表观遗传学机制操纵 表观遗传学机制主要包括组蛋白尾部翻译后修饰以及DNA的化学修饰由于不同的修饰会对染色质布局产生有利或有害的影响，因此，细胞染色质布局是可以反映大量不同信号通路的净效应，而这些信号通路是由不同刺激激发的下面细致介绍概括的表观遗传修饰，如：DNA甲基化﹑组蛋白修饰和非编码RNA表观遗传变化的分子机制见图 （一）DNA甲基化 CpG岛DNA甲基化是研究最多的表观遗传学修饰胞嘧啶第5位碳原子位置共价添加一个甲基基团有可能扰乱转录因子的结合，以及通过影响DNA大沟来阻挠基因表达有关的机制因此，DNA甲基化可能抑制转录因子与它操纵的同源回响元件的相互作用，或者促进甲基结合蛋白与随后的空间阻滞因素结合，这些都有可能反过来抑制DNA与转录因子的相互作用这些相互作用，连同其他招募到胞嘧啶甲基化区域的蛋白质复合体，使得DNA甲基化通常与有着相对繁杂基因组的生物体中的转录沉静有关如前所述，启动子高甲基化与转录沉静有关几乎是一个教条；但是，最近的研究说明，调理蛋白复合物，最终调理基因表达，而与DNA甲基化无关。

图 表观遗传变化的分子机制： （a）表观遗传沉静之前的DNA，组蛋白复合体（H）被乙酰化（连接其上的小球），其上伸出的CpG岛未被甲基化；（b）赖氨酸特异脱甲基酶1（LSD1）和异染色质蛋白质1（HP1）结合到组蛋白复合体上；（c）LSD1和HP1募集DNA甲基化酶（DNMT3a/DNMT3b）且CpG岛被甲基化，裁减转录因子的结合和基因表达；（d）甲基化CpG岛组合蛋白（MBP）结合到甲基化的CpG岛上并募集组蛋白去乙酰化酶（HDAC）；（e）乙酰化组氨酸浓缩导致DNA因表观遗传变化而失活 事实上，哺乳动物中基因组CpG岛一般不具有代表性而且是非随机发生的与非甲基化胞嘧啶相比，甲基化的胞嘧啶自发脱氨基形成胸腺嘧啶的频率更大由于胸腺嘧啶是DNA中碱基自发形成的，修复胸腺嘧啶对细胞而言是一个两难的境地，假设不解决将导致自发性C:G→T:A型突变增加脱氨率和有问题的修复方案这两方面理由相结合，使得哺乳动物的基因组偏向逐步废弃一些CpG二核苷酸想必那些剩下的CpG二核苷酸已被生物选择及传递重要的生物学意义照此说来，CpG序列与印迹基因﹑转座子及基因转录起始位点有关 如前所述，基因组DNA甲基化模式的建立发生在生物体发长过程中，是动态的但是也是严格监管的过程。

事实上，DNA甲基化对正常生长而言是至关重要的，也是分化的细胞存活所必需的此外，人们还提出，特定启动子或整个基因组的甲基化状态是甲基化和去甲基化回响之间的平衡，也是环境和生理信号之间的平衡受精卵是这种动态平衡的一个突出例子在受精卵中，母亲和父亲的原核融合前，若用5 -甲基胞嘧啶免疫组化的方法来测量，两种基因组DNA甲基化水平大致相当在受孕后的头几个小时，父系基因组正积极地去甲基化，在前几个有丝分裂中也保持着去甲基化状态，而在接下来的分裂中母系基因组却被动地去甲基化植入后，融合核中的胞嘧啶核苷酸以细胞及组织特异性的方式重新甲基化，该过程由从头甲基化酶催化，有学者提出，该过程的变更可导致成年才发病的疾病以及老化过程 一些化学性﹑养分性或者生物性诱导效应已被证明可以影响DNA甲基化例如，己烯雌酚（DES）影响特定基因（c-fos蛋白和乳铁蛋白）甲基化模式，这可以导致新生期处理后的小鼠基因奇怪表达，增加其子宫癌的发病率好玩的是，这些效应也可以遗传此外，对于降压药肼屈嗪和抗心律失常药物普鲁卡因，人们对其靶器官和机制也有了较好的了解，体外测验随即察觉，这两种药可以阻拦T细胞DNA甲基化我们将在下面细致介绍关于黄色条纹刺豚鼠模型和大鼠中烯菌酮的跨代效应研究的例子。

（二）组蛋白修饰 如前所述，组蛋白的N-端是翻译后共价修饰的位点核心组蛋白的乙酰化和甲基化40年前被首次描述，当时这种现象被认为与基因表达及染色质重塑的有利或有害的变更有关在单个组蛋白内已对位于特定氨基酸修饰的定位举行了广泛的研究，研究还包括其他修饰的表征，其中有组蛋白磷酸化，泛素化，SUMO化，ADP-核糖基化，生物素及脯氨酸异构化据揣测，其他形式的修饰也可能存在，而且这些修饰的组合也能影响基因表达与染色质重塑组蛋白特定的赖氨酸残基乙酰化一向以来被认为与基因表达增加有关组蛋白乙酰转移酶（HAT）介导的组蛋白乙酰化，可导致染色质开放，RNA聚合酶及转录因子的聚集这个过程可由组蛋白尾部去乙酰化而逆转，该过程由组蛋白去乙酰化酶（HDACs）介导，从而 导致基因沉静 这些修饰能影响染色质布局，进而影响基因表达，是通过顺效应的方式顺效应定义为组蛋白尾巴物理性质的修饰可以变更核小体布局或与染色体的相互作用例如，静电荷或尾部布局的变更可以影响DNA和组蛋白之间的关联染色质变更的典型例子是组蛋白乙酰化，已作为这样一种机制，消释带正电，因组蛋白尾巴导致与带负电DNA的松散联系这种宽松的构象允许特定的转录因子与同源回响元件的相互作用。

人们认为，大块加合物，如：泛素和ADP-核糖，以大致一致的方式，当附着在组蛋白尾巴时，能显著抑制核小体复合物的压实 此外，组蛋白修饰，也能够以反效应的方式变更染色质构象，这可以变更其他蛋白质与DNA修饰酶的相互作用概括来说，识别一个特定的共价标记可能会促进蛋白复合物的聚集，这可能最终会变更染色质构象bromodomains，一个保守的具有110个氨基酸的区域，代表着一系列与染色质相互作用的蛋白质，特意识别乙酰化的组蛋白以及促进其与染色质重塑复合物结合甲基化的组蛋白赖氨酸残基可以被染色体域的DNA结合蛋白识别，可永久保持区域的组蛋白甲基化在任何处境下，一个最初的表观遗传修饰是很重要的，可以导致染色质构象的区域变更以及随之而来的基因表达的变更 组蛋白的概括修饰及机制的议论，包括它们的识别以及表征，已超过了这篇综述的范围然而，理解组合性的﹑协调的调控机制，可能会供给更多的表观遗传调控的生物学的理解大量的研究已经说明，已经研究的这些组蛋白尾部的修饰是一个动态过程，通过一系列酶促回响来添加以及移除目前，“组蛋白编码假说”已被提议作为一种手段来表征基因组区域的功能，作为组蛋白状态的结果。

虽然在某些处境下，这种方法能切实预料基因和组蛋白的状态，但是没有一种代码是可以跨门类通用的事实上，表观基因组动态性本质可能会由于过于繁杂而简化成少数起作用的“规律”进一步的工作将需要更好地界定表观基因组中的模式和类似之处，并与生物功能等同起来 外源性药物已被证明能影响组蛋白修饰酶事实上，一个重要的新兴主题可能是环境物质或者是药品，可以变更表观遗传修饰，但以前不知道它们能影响基因表达例如，丙戊酸是一种抗癫痫处方药物，被认为是γ-氨基丁酸（GABA）受体冲动剂，最近被证明能够影响表观基因组，它可以直接导致染色质构象的变更此外，丙戊酸被重新分类，作为一种抗癌药物并进入临床试验，由于它有组蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制剂的活性，能够重新激活抑癌基因未来的化学品的测试，可能会涉及在一系列药理和毒理测验中评估组蛋白修饰酶的活性 （三）RNA干扰与microRNA 非编码RNA作为遗传调控机制的展现，大大变更了基因组中“垃圾”DNA的概念，它代表大于97％的总核DNA事实上，这导致了一场辩论，针对目前的基因定义是否过时，以及补充的生物学的中心法那么（DNA-RNA-蛋白）是否正确。

如今，通过非编码RNA的行动，中心法那么已被建议改写为DNA-非编码RNA，它能够影响染色质布局，反过来又可以影响基因的功能RNA干扰（RNAi）的活性是一个过程，是宿主生物借以将双链RNA降解成小片段，导致转录后基因表达的沉静另外，转录沉静的机制也被归结到RNA干扰，从而导致浓缩型染色质的形成在几乎全体的有机体从酵母，四膜虫，植物，果蝇到哺乳动物，这些基因的调理作用已被记录在案非编码RNA作为染色质模板是建立和维持特定的染色质状态的关键，也通过沉静侵入DNA的区域，如转座子和逆转录病毒，来维持基因组的完整性此外，在染色体的着丝粒异染色质区域稳定的过程，在蛋白质复合体中也是凭借非编码RNA的 总之，非编码RNA的进一步理解察觉，它在细胞﹑遗传和染色体分开与稳定的表观遗传学调控中有着重要作用但可以断定的是，未来的研究将持续表明非编码RNA的生物学作用，一些研究人员已经确定了它们在癌症﹑养分压力以及变更对药物回响中的作用同样，microRNA可能会变更与外源性暴露有关的基因表达，抑或外源性暴露也可能会影响microRNA的表达，两者可能有助于个体对化学物或药物暴露个体差异的解释鲜明，对非编码RNA的日益理解将有助于理解其对正常生物操纵以及外源化学物暴露的影响。

二、典型环境污染物与表观遗传 环境中大量理化因素的表观遗传效应已经得到初步表明，显示了表观遗传学机制在环境相关疾病发生过程中的重要作用随着多个环境因素表观遗传效应研究的不断深入，环境相关疾病高危人群确实定、早期筛查与诊断、预防与。