癌症科普
表观遗传学与疾病
2019-06-14 癌症科普 表观遗传学
表观遗传修饰可在不改变基因序列的前提下,通过DNA甲基化、组蛋白修饰、染色体重塑、RNAi等机制(盘点 | 表观遗传学的作用机制),影响和调节基因的功能和特性,从而对机体的生命状态产生影响。

表观遗传变化可导致疾病


而越来越多的研究证明,表观遗传所导致的表型变化,可以在许多条件下发挥作用,从而导致疾病的发生,包括癌症,精神疾病,自身免疫疾病,糖尿病和肥胖症等。

例如Rett综合征的发生:甲基化CpG结合蛋白-2(methyl-CpG-binding protein 2, MECP2)可编码甲基-胞嘧啶结合蛋白,这种蛋白质识别并结合DNA中的甲基化胞嘧啶,从而募集其它复合物的作用,随后可以改变DNA的转录状态,而MECP2中的致病性功能丧失变体便可导致Rett综合征的发生。

来自宾夕法尼亚大学的研究者们发现,组蛋白H4表面16号赖氨酸乙酰化修饰(H4K16ac)会影响细胞核染色质的压缩。正常人在衰老的过程中,基因组新的位点会发生H4K16ac修饰的增强,而阿兹海默症患者则会出现基因H4K16ac修饰的减弱。

环境与基因相互作用,成就了表观遗传


表观遗传就好比基因的记事本,记录的是宿主个人生活经历及其所处的外部环境。

例如营养状态对表观遗传变化的影响。

营养是目前研究最多、最易理解的表观遗传影响因素之一。它可以可逆地改变DNA甲基化状态、组蛋白修饰和染色质重塑,随后改变基因表达,并对整体健康产生影响。在产前、孕期、产后,都能观察到营养状态与疾病风险之间的相关性。

“荷兰饥饿冬季”便是一个例子:在1944-45年“荷兰饥饿冬季”的严重饥荒期间,研究人员对暴露于不良宫内环境的个体,尤其是孕早期的个体,进行了观察研究。观察结果发现,由于饥饿的情况在怀孕后期便已结束,所以这部分个体的出生体重正常,但是他们在成年后肥胖率和二型糖尿病(T2D)的发病率明显增加。这一结果表明,在胎儿时期,营养状态已经使基因的表型发生了改变。而60年后,研究人员进一步将这些个体的DNA与其兄弟姐妹的DNA进行了比较,结果观察到了DNA甲基化模式的改变,更是支持了这一观点。

我们都知道,孕期补充叶酸对于胎儿的发育至关重要。叶酸是一种水溶性B族维生素,其代谢与DNA甲基化的表型变化有关,我们可以将它看做是一种甲基供体营养素,其他甲基供体营养素,如胆碱,也可以改变DNA甲基化状态,并继而影响基因表达。在妊娠早期,母体甲基供体营养素的供应,不但对于正确的胎儿发育非常重要,而且对孩子整个儿童期的健康和疾病易感性都有影响。在一项动物研究中,研究人员发现,在围孕期间限制甲基营养素的母体饮食,可影响后代的DNA甲基化模式,并进而使表型发生改变。



除了对胎儿时期的影响,营养因素同样可在孕前对后代的表观遗传变化产生影响。小鼠实验证明,暴露于高脂肪饮食或低营养饮食的父亲,可导致后代的DNA甲基化模式发生改变。

对你的健康状态不满意?不一定是妈妈孕期营养没跟上/营养过剩,也极有可能是爸爸的锅。



除了营养因素之外,其他生活方式同样可通过表观遗传改变,从而影响我们的健康,如久坐不动的生活方式可导致T2D风险的增加;烟草导致与T2D相关的几种基因甲基化减少;运动已被证明可促进T2D相关基因的甲基化变化以及改变组蛋白脱乙酰酶表达;孕期暴露于烟酒,可以通过表观遗传学发挥细胞作用,从而影响婴儿健康,对其神经发育、行为和认知功能皆发生损害等等。



表观遗传变化是可遗传的


在过去很长的一段时间内,科学家们曾以为表观遗传修饰是不会遗传的,在精子和卵子产生之前,曾经写入我们基因中的表观遗传标记会被完全清除。

但近几年的研究揭示,表观遗传学标记是可以跨世代传递的。

以目前为学者们研究得最为透彻的DNA甲基化为例。

我们已经知道,甲基化发生在DNA序列CG的C上,成为5mC,5mC被特定蛋白质识别,并在该位点上与DNA结合,再进一步导致其它蛋白质的募集,然后,这些蛋白质复合物引起染色质结构的改变,从而影响基因的活性。


Jackson M, The genetic basis of disease, Essays Biochem. 2018 Dec 2;62(5):643-723.

DNA的甲基化需要在DNA甲基转移酶(DNMTs)的催化下进行,其中,DNMT3A和DNMT3B似乎专门用于从头甲基化,而DNMT1的主要作用则是维持甲基化。

在DNA复制时,维持甲基化非常重要。

当甲基化的DNA进行复制时,产生的新链上并没有甲基的存在。也就是说,新合成的DNA单链并未被甲基化。此时,DNMT1可以识别半甲基化的DNA,然后使新链上的胞嘧啶甲基化。就是这一步,确保了DNA甲基化在细胞世代之间是可遗传的。


Jackson M, The genetic basis of disease, Essays Biochem. 2018 Dec 2;62(5):643-723.

表观遗传修饰的这种特性,导致环境对我们基因的影响可以被传递给子孙后代,这也就意味着,今天你吃下去的一顿夜宵,或许导致了你孙子的肥胖体质。

这样一来,是不是减肥的动力更足一些了呢?


随着对表观遗传学与疾病之间关系的一步步深入研究,它似乎为我们人类疾病的预防、诊断、治疗手段带来了新的曙光。

例如,观察生活方式对表观遗传标记的影响,可以为管理T2D、肥胖等多种疾病的风险提供行之有效的方式;单卵双胞胎DNA中存在的表观遗传标记随着年龄的增长而显示出差异,当这两个个体表现出不同的疾病状态时,通过对他们的比较,可以在关键基因中对疾病相关表观遗传修饰进行识别,进一步服务于疾病诊断及治疗;通过检测机体中DNA甲基化中间产物5hmC的水平,可协助对肝癌、肺癌、肠癌等疾病进行癌症诊断

随着研究的不断深入,表观遗传学将渗透至人类疾病的预防、诊断、治疗的方方面面,为人类生命的延续做出卓越的贡献。


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