表观遗传学

表观遗传学是一门研究生命有机体发育与分化过程中导致基因发生表观遗传改变的新兴学科。它的主要论点是生命有机体的大部分性状是由DNA 序列中编码蛋白质的基因传递的，但是DNA 序列以外的化学标记编码的表观遗传密码对于生命有机体的健康及其表型特征同样也有深刻的影响。本文就近几年来主要表观遗传机制及其与自身免疫病关系的研究综述如下。
1 表观遗传学的基本概念
表观遗传学是研究在没有细胞核DNA 序列改变的情况下，基因表达功能发生可逆的、可遗传的改变。这种改变是细胞内除了遗传信息以外的其他可遗传物质发生的改变，即基因型未发生变化而表型却发生了改变。决定表观遗传学过程的主要机制有DNA 修饰、组蛋白修饰以及非编码RNA 调控等。
2 表观遗传学的研究内容
2.1 DNA 甲基化：DNA 甲基化是哺乳动物DNA 最常见的复制后调节方式之一，也是脊椎动物DNA 唯一的自然化学修饰方式，由DNA 甲基转移酶（DNMTs ）介导，将甲基从一个S- 腺苷甲硫氨酸上转移到C-5 位置的胞嘧啶上。DNA 甲基化主要发生在CpG 岛，这个区域大约含有500 对碱基，CG 含量高于55%” 。在哺乳动物基因组中约有4 万个CpG 岛，而且只有CpG 岛的胞嘧啶能够被甲基化。CpG 岛通常位于基因的启动子区或是第一个外显子区。健康人基因组中CpG 岛中的CpC 位点通常是处于非甲基化状态，而在cpc 岛外的CpG 位点则通常是甲基化的。CpG 岛的胞嘧啶甲基化可通过阻止特异转录因子的结合或者促使核染色质重塑来抑制基因表达。这种甲基化形式在细胞分裂过程中能够稳定地保留。
2.2 组蛋白修饰：组蛋白可以分为两大类：①核心组蛋白（H2A ，H3B ，H3 和H4 ），是核小体核心部分；②连接组蛋白（H1 和H5 ），每2 个核心蛋白组成一个八聚体，真核生物DNA 缠绕在此八聚体上形成核小体，组蛋白H1 起连接作用，把每个核小体连接到一起。组蛋白带有折叠基序（motif ）的C 端结构域与组蛋白分子间发生相互作用，并与DNA 的缠绕有关。而N 端可同其他调节蛋白和DNA 作用，且富含赖氨酸，具有高度精细的可变区，组蛋白尾部15-38 个氨基酸残基是翻译后修饰的主要位点，调节DNA 的生物学功能。组蛋白翻译后修饰包括乙酰化与去乙酰化、磷酸化与去磷酸化、甲基化与去甲基化、泛素化与去泛素化、ADP 核糖基化等。单一组蛋白的修饰往往不能独立发挥作用，一个或者多个组蛋白尾部的不同共价修饰依次发挥作用或者组合在一起，形成一个修饰的级联，它们通过协同或拮抗来共同发挥作用。这些多样性的修饰以及它们时间和空间上的组合与生物学功能的关系可作为一种重要的表观标志或语言，也被称为“组蛋白密码”，在不同环境中可以被一系列特定的蛋白质或者蛋白质复合物所识别，从而将这种密码翻译成一种特定的染色质状态以实现对特定基因表达的调节。
2.3 微小RNA （miRNA ）：微小RNA 是存在于真核细胞中具有进化保守性的一族非编码小片段RNA ，大小为18-24 bp ，通过与靶基因mRNA 的碱基互补配对来影响mRNA 的稳定性或抑制其翻译，实现对蛋白表达的调控。微小RNA 是极为重要的一种基因调控物质，调控人类大约30% 的基因转录，控制着细胞的分化、增殖和程序性细胞死亡等多种重要生理过程。微小RNA 虽然其精细的过程还有待于阐明，但现已表明抑制翻译是微小RNA 最主要的沉默机制。如早期Lee 的研究表明lin-14 仅可降低lin-14 蛋白的表达水平，而不影响其mRNA 的表达，提示微小RNA 是通过抑制翻译过程，而且也可诱导靶标mRNAs 的脱腺苷化、帽子结构的去处和降解。微小RNA 与表观遗传调控之间存在着复杂的交互作用：一方面，微小RNA 的表达受到DNA 甲基化和组蛋白修饰等经典表观遗传机制的调控；另一方面，由于微小RNA 靶基因繁多，一些微小RNA 也可通过调节DNA 甲基化水平或改变组蛋白修饰等多种途径而参与构成表观遗传调控网络。
2.4 染色质重塑：染色质是细胞核中由DNA 、组蛋白、非组蛋白组合而成的一种物质。染色质的基本组成单元是核小体，其DNA 缠绕在组蛋白八聚体上，这种结构能使DNA 在细胞核中有组织得紧紧折叠。复杂的重塑可以确保DNA 很容易地进入转录机制。长期以来，人们普遍认为染色质是静态的、抑制转录的结构，近年的研究结果表明，染色质是高度动态的，其丝状结构经常由于各种复合体的修饰而改变，染色质结构影响着DNA 复制、重组、修复以及转录控制等诸多方面。真核生物正是通过一系列转录调节因子对染色质修饰的精确控制来感受各种细胞和环境刺激，从而使生物体表现出正确的时空发育。
染色质重塑是基因表达调控过程中所出现的一系列染色质结构变化的总称。目前，对染色质重塑的了解主要得益于人们在动物和微生物中的研究成果，提出了与基因密码相对应的组蛋白密码来说明染色质重塑在基因表达调控中的作用。染色质重塑主要包括3 个方面：①通过对突出于核小体核心结构之外的组蛋白氨基端尾巴的修饰影响染色质的结构和基因表达。②SWI/SNF 和有关的染色质重塑复合体利用ATP 水解酶和解旋酶活性来改变核小体在DNA 上的位置。ATP 依赖的染色质重塑可以使与核小体结合的DNA 暴露出来，使核小体沿着DNA 滑动并重新分布，在改变单个核小体结构的同时改变染色质的高级结构，从而在DNA 修复、重组、复制及转录过程中调节全基因组的柔顺性和可接近性。③DNA 的甲基化，即对CpG 中的胞嘧啶进行甲基化修饰。
2.5 遗传印记：遗传印记是一种不符合传统孟德尔遗传的表观遗传现象，它是指因某种外源基因而导致亲本基因发生的饰变是可以遗传给后代的，但它是否表达则取决于发生饰变的基因是来自母本还是父本，我们称这种现象为遗传印记。它和生殖细胞发育过程中亲代特异性的DNA 甲基化和某些亲代基因特异性的关闭相关，在配子的形成过程中，印记的基因修饰仅保留了双亲中的一份。
比如说，不对称身材- 矮小- 性发育异常综合征（Silver-Russel 综合征）和脐疝- 巨舌- 巨人症综合征（Beckwith-Wiede-mann 综合征）两种罕见的先天性疾病，就是由遗传印迹甲基化修饰导致的。这两种情况的特定的印迹中心位于11 号染色体中编码胰岛素样生长因子（IGF ）2 和母系印迹表达转录物（H19 ）基因之间。在生理条件下，此印迹中心的甲基化只存在父亲的等位基因。脐疝- 巨舌- 巨人症综合征的特点是由于双方父母等位基因的甲基化导致IGF 过度表达，然而，另一种情况是印迹中心甲基化抑制IGF2 位点和H19 表达增加的双重丢失造成了不对称身材- 矮小- 性发育异常综合征。
2.6 其他表观遗传机制：RNA 介导的基因沉默是由双链RNA （dsRNA ）诱导同源mRNA 降解，从而使目的基因表达沉默。现已发现，在各种生物中dsRNA 可通过不同途径被分割成小的干涉RNA （siRNA ）或RNA 干扰。siRNA 功能：①使转录后的同源mRNA 降解。其过程是：dsRNA 先由Dicer （类似RNaseⅢ ）降解成正义和反义RNA ，即一些大约21-25 个核苷酸长的小分子RNA ，降解位点具有特异性。一般在尿嘧啶碱基处，间隔为21-25 个核苷酸。这些siRNA 充当信号指导一种核苷酸复合物-RNA 诱导沉默复合物（RISC ）降解同源单链mRNA ，RSIC 大约在mRNA 与siRNA 碱基配对的中间部位剪切，之后mRNA 进一步降解。②使同系的DNA 序列发生修饰性改变（甲基化）。研究发现，与引导同源mRNA 降解的siRNA 相似，只有当DNA 与引导序列互补时，才能使同源的DNA 甲基化，提示存在直接的RNA 与DNA 之间的反应。此外，RNA 指导的DNA 甲基化还能发生在通常不被转录的DNA 序列上，如启动子。这主要因为dsRNA 中含有启动子序列，因而能指导同源启动子的甲基化，引起转录沉默。③使rRNA 甲基化。
近几年来人们又发现副突变、核仁显性、休眠转座子激活等机制在表观遗传学方面也发挥着重要的作用。

3 表观遗传学与自身免疫病
自身免疫病是多种凶素引起的复杂性疾病。大多数自身免疫病的病因目前仍不清楚。尽管全基因组关联研究已经发现该病具有一定的遗传背景，但尚未明确引起免疫耐受损害的遗传机制。在某些患自身免疫病的单卵孪生子中发现，双胞胎不一定同时患病，提示在这类患者中可能存在基于非基因序列改变的基因表达调控功能的紊乱。近年来，大量以DNA 甲基化和组蛋白修饰分析为重点的研究结果证实，表观遗传学的改变可能在触发自身免疫反应中发挥至关重要的作用。
3.1 系统性红斑狼疮（SLE ）：SLE 是自身抗体与细胞核和（或）细胞质抗原相互作用，表现出不同的异常免疫学特征和临床症状，从而导致全身多器官受累的自身免疫病。
目前DNA 甲基化状态在SLE 发病机制中的重要作用已较为明确，DNA 低甲基化通过促进共刺激分子的表达，首先使T 细胞具有自身反应性，活化的T 细胞一方面促使B 细胞活化、分泌免疫球蛋白；另一方面，大量杀伤巨噬细胞，增加血液循环中的自身抗原，降低了对免疫复合物的清除，两者相互促进，促进大量自身抗体的产生。研究发现，女性患SLE 的原因与DNA 甲基化状态相关，失活的X 染色体的调节序列发生DNA 低甲基化使CD40 配体（CD40L ，是T 细胞基因转录物，为共刺激分子）过度表达。
在小鼠实验模型中，用DNA 甲基化抑制剂（5- 氮胞苷或普鲁卡因酰胺）处理活化的T 细胞可改变基因的表达，伴随着基因表达的变化，这种自身反应性导致小鼠狼疮样发病。这些实验结果与药物诱导的人类SLE 的特征一致。SLE 患者T 细胞的DNA 甲基化转移酶活性降低，DNA 甲基化转移酶I （DNMTI ）减少，T 细胞基因DNA 存在普遍低甲基化。还证实了一些与SLE 有关的基因转录增加，如穿孔素、CD70 、CD40L 等。穿孔素主要表达于活化的细胞毒性T 细胞和自然杀伤细胞，贮存于其胞质颗粒中，是细胞毒性T 细胞和自然杀伤细胞杀伤靶细胞的主要毒性蛋白。CD70 是B 细胞CD27 的协同刺激受体，CD70 （编码基因TNFSF7 ）主要表达于激活的T 细胞，与B 细胞上的CD27 结合，为B 细胞产生IgG 提供协同刺激信号。CD11a 、穿孔素、CD70 均过度表达于SLE 患者的CD4+T 细胞，且调控序列均处于低甲基化，与经5- 聚胞苷处理的T 细胞基因低甲基化序列相同。
众所周知，男性只有1 条X 染色体，而女性拥有2 条X 染色体，研究发现其中一条处于失活状态，DNA 甲基化是X 染色体失活的重要机制之一。CD40LG 基因是X 染色体编码基因，仅在女性活动性SLE CD4+T 细胞中过度表达。而正常男性CD40LG 启动子和下游增强子几乎全部去甲基化，而女性一半为甲基化、一半去甲基化，且女性SLE CD4*T 细胞较正常女性低甲基化。5- 氮胞苷通过使调控序列低甲基化而上调女性CD4+T 细胞CD40LG mRNA 及蛋白表达，而对男性无明显影响。CD40LG 过度表达可辅助自身B 细胞产生大量自身抗体。因此可以推测，失活的X 染色体上CD40LG 因其启动子和下游增强子低甲基化而被重新激活，使女性过度表达CD40LG ．从而产生自身抗体，使得女性SLE 易感性增加。
目前对SLE 的组蛋白修饰研究主要集中在动物模型。研究发现，SLE 患者CD4+T 细胞组蛋白H3 和H4 存在不同程度的低乙酰化状态，组蛋白H3K9 甲基化水平也显著降低。组蛋白脱乙酰化酶（HDAC ）抑制剂（如制毛癣素A 和辛二酰苯胺异羟肟酸）处理狼疮小鼠，可明显改善蛋白尿、肾小球肾炎、脾大等症状l 埘。证实了体外使用HDAC 抑制剂能够导致组蛋白H3 和H4 乙酰化水平显著提高，并且减少了干扰素（IFN ）-γ 、白细胞介素（IL ）-12 、IL-6 和IL-10 的产生。
3.2 类风湿关节炎（RA ）：RA 是一种慢性全身性炎性疾病，主要影响四肢关节。与SLE 相同，RA 的发作与遗传易感性、免疫失调和环境等因素相互作用有关。只有特定的表观遗传改变才导致与RA 相关的免疫系统失调。虽然典型的RA 所涉及自身和环境因素还不清楚，但证实存在表观遗传的改变。
近来研究发现，RA 患者存在基因组DNA 广泛低甲基化，尤其是在滑膜成纤维细胞（RASFs ）内的DNA 或长散布核元件（LINE-1 ）启动子上富含GC 的CpG 岛序列发生低甲基化作用，导致某些基因的异常表达，从而参与RA 的全身及关节局部炎症。在实验小鼠模型中，给小鼠注射FK228 种组蛋白脱乙酰化酶抑制剂），最终导致小鼠关节肿胀，滑膜炎症和关节破坏，同时FK228 还能抑制血管内皮生长因子的产生，并诱导抗体生成，从而阻碍生成血管。因此人们提出在RA 患者体内组蛋白修饰主要通过乙酰化和脱乙酰化作用调节基因表达，前者通过蛋白乙酰化酶介导将乙酰基转移到赖氨酸，导致染色质结构松散，促进基因表达；而后者以组蛋白脱乙酰化酶转移乙酰基，导致染色质凝聚，抑制基因转录拉。
目前，有学者提出微小RNA 特定的调控可能会引起RA ，尤其是miRNA-155 和miRNA-146 ，因为在RA 患者体内发现RA 滑膜成纤维细胞能够高度表达miRNA-155 和miRNA-146 ，而骨关节炎滑膜成纤维细胞则无此现象。实验证实miRNA-155 在RASFs 中对金属蛋白酶类呈现负性作用，而miRNA-146 在RA 滑膜组织中促进炎性反应，而且在单核细胞中对核因子-κB 途径起到负性调节作用。
3.3 1 型糖尿病：1 型糖尿病是遗传和环境因子相互作用所导致的自身免疫病。它表现为T 细胞介导的胰岛细胞破坏，胰岛素分泌不足。迄今为止，通过基因组连锁分析的方法已经发现超过30 个基因与1 型糖尿病易感性有关．如Ⅱ类人类主要组织相容性复合体（MHC ）-DR 和DQ 、胰岛素、蛋白酪氨酸磷酸酶非受体型22 （PTPN22 ）、细胞毒T 淋巴细胞相关抗原（CTLA ）4 等。
最新研究发现，在胚胎发育过程中，各种环境因素刺激（如营养不良等）可通过组蛋白异常修饰及DNA 甲基化改变，调控与糖尿病有关的特定基因的表达，从而引起胰岛B 细胞破坏及胰岛素抵抗，导致糖尿病的发生。1 型糖尿病胰岛B 细胞胰岛素基因启动子邻近区域的H3K4 （组蛋白H3 乙酰化水平和组蛋白3 赖氨酸4 ）甲基化水平均明显减低，从而抑制了胰岛素的表达。
有学者发现1 型糖尿病患者空腹及蛋氨酸负荷后，体内出现高同型半胱氨酸血症。体内同型半胱氨酸作为蛋氨酸代谢的中间产物，其本身并不参与蛋白质的合成。其来源为蛋氨酸在ATP 的参与下形成S- 腺苷蛋氨酸，后者是一个活泼的甲基供体，并在甲基转移酶作用下变成S- 腺苷蛋氨酸，再脱去腺苷而生成同型半胱氨酸。因此可以说明高同型半胱氨酸直接减少S ．腺苷蛋氨酸的生成即甲基供体减少，从而导致了DNA 低甲基化。
3.4 干燥综合征（SS ）：SS 是以涎腺和泪腺淋巴细胞浸润而导致腺体分泌不足为特征，眼、口腔干燥为主要临床表现的自身免疫病。其确切发病机制目前尚不明确，可能是由于个体特定人类白细胞抗原（HIA ）-DR/DQ 等位基因出现率增高，诱导HLA-DR/DQ 蛋白在腺上皮表达，腺体CD4+T 细胞浸润，产生细胞因子参与炎症，诱导穿孑L 素等通过细胞免疫破坏腺体，B 细胞在腺体内呈单克隆扩增，产生针对核抗原SSA 、SSB 的自身抗体，打破正常免疫耐受，加之病毒感染（特别是疱疹、逆转录病毒）起到有力辅助作用。研究结果表明，SS 患者CD4 ．T 细胞CD70 基因启动子区域处于低甲基化状态，可能参与CD70 基因的过度表达，在SS 患者的涎腺和周边淋巴细胞中检测到miRNA-146 增加。最近研究还发现SS 患者涎腺中存在2 种微小RNA （名为miRNA-574-3p 和miRNA-768-3p ）过度表达，在患SS 的小鼠模型中也发现其他微小RNAs 在靶组织和周边淋巴细胞起上调作用。
表观遗传学作用机制的阐述意味着可运用表观遗传学的原理和技术提出相应治疗措施，称之为“表观遗传疗法”。因此，进一步研究DNA 甲基化和组蛋白修饰等表观遗传机制在自身免疫病发病中的作用，将有助于深入探讨该病发病机制，进而指导疾病的治疗和新药的研制。