DNA甲基化对基因表达的影响及其在衰老过程中的表现

国外医学分子生物学分册 �。。。年第 �� 卷第 � 期 ! ∀ # ∃ % & ∃ ∋ ( ) ∗ + , (− . /0 1 234 /5 6 ( 7 , 8 ! ! 9 : � ; & # 8 � � � � ∋ 3< = ( − . / 0 5 3> ( ? ( ≅ , 8 ! ! 9 # ; ; # % � Α ΒΧ ( Δ Ε ( − . /0 1 2 34 / 5 6 (7 , 8 ! ! 9 : � ; & # 8 ! ; % 8 13Φ Γ 2Η (− . / 0 1 234 / 5 6 ( 7 , 8 ! ! % : � ; 8 # 8 ; ; ; 8 8 � 8 ∃ /9 8 % 8& Ι . Φ Γ ϑ (− . /, ,> 4 ( Κ . −/ + ( . Δ Λ( 3 , 8 ! ! 9 # ! � # 9 9 Μ & 8 8 ? ∗. Φ Η Ε ( − . / 0 Ε Ν 2Ο 1 , 8 ! ! Α : 8 ; 8 8 ∀ # � & & 9 8 � Ι 3( ≅ ( Φ ( > Ν Λ ( − . /0 2 /4 4 Δ , 8 ! ! Α : ! � ; ∀ # � � % & + Γ . Φ 3 Π ( − . /0 Ν 4 / Θ 6 . > 7 . ( 4 / , 8 ! ! Α : 9 ∃ 9 ∀ # ; ∃ ! ϑ . ≅ ≅ 7 . Φ Φ Ν ( − . / 0 Ρ ΣΔ Φ ( ∗ ΒΦ − , 8 ! ! ; : 9 8 � ∀ # 9 % ; Κ . Γ . 4 Ν ( Τ . / 0 ΠΕ 2 Λ ∋ ( − − , 8 ! ! % : � Α ; # 8 % 8 Λ ( >Φ ( Φ Τ . ϑ ∋ ( − . / 0 1 2 34 / 5 6 ( 7 , 8 ! ! ∃ : � % ! : � � ∃ � ∀ # � Α ! Λ . /( (Δ . 9 ( − . / 0 + > ( 6 2 3/( 6 ( 7 234 Θ 6 ∗≅ , 8 ! ! % : � � ∃ � ∀ # � Α ! 8 ! ! ! 一 & ; 一� & 收稿 ∀ Υ Κ + 甲基化对基因达的影响及其在衰老过程中的表现 ‘ 陈培利 童坦君 张 宗玉 北京大学基础医学院生物化学与分子生物学系 北京 , 8 &。。Α � ∀ 摘要 Υ Κ + 甲基化是真核细胞基因组重要修饰方式之一 , 参与基因的表达调控 。 由甲基化结 合蛋白参与的复合体在抑制基因表达中发挥着重要作用 。 Υ Κ + 甲荃化表型的维持需要 Υ Κ + 甲一基 转移酶以催化 “半甲基化”Κ + 的甲基化 。 细胞在增龄过程中甲基 化水平明显 降低 , 对该过程的丛 因表达可能具有一定的调控作用 。 关键词 Υ Κ + 甲基化 : Υ Κ + 甲基转移酶 : 细胞衰老 Υ Κ + 甲基化是哺乳类遗 传和遗传外修 饰的重要调控方式 , 主要发生在对称 5 Θ ϑ 序 列中的 5 碱基上 , 在哺乳动物基因组中除某 些基因 , 如管家基 因和组织特异性基因调控 区的 5Θ ϑ 岛外 , 多数 5Θ ϑ 位点均 已甲基化 。 经此修饰的 5 9 7 5 ∀比 5 更不稳定 , 易于 自 发脱氨基形成 ς 。 在双链 Υ Κ + 中这种反应 大约 以 9 0 Α 火 8 & ‘� Ω Λ 的速度进行 , 若总数 以 � 0 Α 火 8护 5Θ ϑ 位点计 , 每个细胞每天大约要 产生两个 ς ‘ ϑ 错配 。 如果修复不能有效进 行 , 即在后代细胞中形成 5 Ξ ς 的转换突变 , 这可能是导致哺乳类动物基因组 中 5 Θ ϑ 位 ’国家重点基础研究发展规划 ϑ �& & & &9 8 ; & &8 , 与 国家自然科学基金重点项目 Κ 4 0 � !! � &8 ;& ∀资助课 点低于预期数量的原因 。 在 Θ 9 � 基因的突变 研究中证实了 ≅7 5 是突变热点 , 有证据表明 ≅7 5 的丢失程度与细胞恶性度成正 比 ’〕。 遗 憾 的 是 目前 还 不 清 楚 Υ Κ + 甲基 转 移 酶 Υ Κ + Ν ( −6 ∗/− > . Φ ≅ Ψ( > . ≅ ( , Υ Φ 7 − ∀在这 些 突 变热点形成中的作用 。 Υ Κ + 甲基化在胚胎发育 、细胞分化及转 化 , Ζ 一染色体 失活中均 起着重要 的作用 , 还 可能与细胞记忆有关 Σ �〕。 Υ Κ + 甲基化可分为 两种 。 将甲基加到从未 甲基化的 Υ Κ + 上称 为 “从头 甲基化 又称全程 甲基化 Δ 。 Φ 4) 。 7 ( − 6 ∗/. − 34 Φ ∀” , 由 Υ Φ 7 − � 催化 。根据遗 传物 质来 自父方还是来 自母方 , 两个等位基因可 呈不同的活性状态 , 此种现象称为基因印记 Γ ( Φ 4 Φ ‘35 37 Θ > 3Φ − 3Φ Γ 笋� , 。 近 年的研 究证明 8 9 % 0 国外汉学分子生物学分册 约。4 年第 �� 卷第 � 期 Υ Κ + 甲基化与基因印记存在着密切关系 。个 体的甲基化表型并非继承精卵细胞 , 而是在 胚胎发育过程中逐步形成的 。 在胚胎形成早 期 , 囊胚期 [/ .≅ −< /. ∀中几乎所有 的 Υ Κ + 均 无甲基化修饰 , 但是一旦受精卵着床后 , 从头 甲基化迅速修饰多数 5Θ ϑ 位点 , 在原肠胚形 成期 Γ . ≅ − > < /. − 34 Φ ∀前 即形 成特有 的甲基化 表型 ,仅有管家基因的 5 Θ ϑ 仍保持未甲基化 状态 。原肠胚形成期后 , 从头甲基化活性即迅 速降至难以测得的水平 。 一些组织特异性基 因的甲基化方式也在原肠胚形成期建立 , 且 在生命过程中相对恒定 。 关于组织特异性基 因甲基化表型的形成 目前尚不清楚 , 似 乎需要脱甲基过程的参与 。 在不表达该基因 的组织中 , 其调控区保持甲基化状态 : 而在表 达该基因的组织中则可能由脱甲基化机制将 其活化 。 Υ Φ 7 − � 分为 + 、 2 两种 。 最近发现人类 的 一 种 称 为 Β5 Π 37 < Φ 4 Δ ( Ψ3( 3( Φ ( ∗ , 5 ( Φ ∴ − > 4 7 ( > 3( 3Φ ≅ − . [ 3/3−∗ , . Φ Δ Ψ. ( 3./ . Φ 4 7 . /3( ≅ , Β5 Π ∀的稀有遗传病与 Υ Φ Φ /− � 2 基因突变有 关〔� Μ 。 8 Υ Κ + 甲基化对真核生物基 因表达 的影响及其机理 Υ Κ + 甲基化是真核生物基 因表达调控 的重要方式之一 。 多数学者认为 , Υ Κ + 甲基 化可以在转录水平抑制基 因的表达 主要是 转录起始阶段 ∀ 。 Υ Κ + 甲基转移酶在增殖细 胞核抗原 Θ > 4 /3Ψ( > . −3Φ Γ ( ( // Φ < ] /( . # . Φ − ≅Γ ( Φ , ,] Κ + ∀的参与下聚集在 Υ Κ + 复制叉处江‘〕, 催化 “半 甲基 化 6 ( 7 37 ( − 6 ∗/. −( Δ ∀ ”的 子代 Υ Κ + 转变为“全 甲基化 ”Υ Κ + 。 甲基化可能 通过如下途径抑制基因表达 # � � ! 的 甲基 影响了蛋 白质 因子与 ∀ # ∃ 间的相互作用 % ∀ # ∃ 的大沟是众 多蛋 白质因子与 ∀ # ∃ 结 合的部位 , � ! 的 甲基也恰好 处于此沟 内 , 从而阻碍了蛋 白质因子与 ∀ # ∃ 间的相互作 用 。 目前 已 知的该类 因子有 & ∋( , ! ) & ∗ 及 # ( ‘ ∗ 等 +」。 , ∀ # ∃ 甲基化导致染色质结构 改变 , 从而抑制基因表达 。 早在 −. 年代即发 现由甲基化所致的基因抑制作用发生于染色 质装配之后 。 ∀ # ∃ 甲基化对基因的表达抑制 需要特异结合于 ! / 0 甲基化位点 的蛋 白质 因子参与 , 这些特异 因子称为甲基化结合蛋 白 1 2 3 4 56 73一! / 0 一 8 9 2 : 9 % , ; / < = 5 4 9 2 � , > 4 ! ?� ≅ 。 > 4 ! ? � 对 甲基化的 ! / 0 位点周围的序列似 无特殊要求 , 因而能够广泛参与基因调控 。其 中了解得 比较清楚 的有 > 4 ! Α ≅ Β 和 > 4 ! Α〕Χ 。 > 4 ! Α,Β 可与对 称的多个 !/ 0 位点相结合 , 其 构 成 单 位 ?!> Α 1 / < = 5 4 9 2 ‘、Δ 2 5Ε 9 2 92 Φ <2 4 56 73一! / 0 8 9 2 : 9 2 Φ 1 Γ= <2 Ε 92 � ≅与 ∀ # ∃ 甲基 转移酶 及 Η ) Ι 具有相 同的特征性序列川 。 与 > 4 ϑ ? Α 相 比 , > 4 ϑ3 , Χ 的丰度更高 , 并能与 单一的甲基化 ! / 0 位点相结合 。 > 4 ! Α , Χ 内 的两个结构域对其功能至关重要 % 一是 ! ?0 结 合 区 1 2 、4 5 67 3 8 9 2 : 9 2 Φ : = Ε 9 2 , > ∗ Α ≅ ≅ , 另 一个是抑制转录的活性区域 1 5 < Ε 2 � 4 < 9 Κ, 5 9= 2 Ε 3 < 4 / < 4 、 Λ 9= 2 : = Ε 9 2 , ’Μ ) ∀ ≅ Ν 下」。 正常情况 下 , 多 数 > 4 ! ? ∋ 均定位于异染色质 , 但当 ∀ # ∃ 甲 基 化 程 度 降 低 时 上 述 定 位 即 发 生 变 化 。 > 4 ! ? ∋ 可以定 向取代染 色质上特定位置核 小体的 Η 3 组蛋 白 , 而引起染色质结构变化 。 目前认为 > 4 ! Α犯 需与其他蛋白质共 同形成 复合体才能发挥转录抑制作用 。 这种作用与 组蛋白 1 Μ招 和 Η Ο≅ 的去乙酞化密切相关 吕 · ‘司 。 研究表明 , > 4 ! ? ∋ 是与共抑制因子 �9 2 Π∃ 及组蛋 白脱 乙酞基酶 1 Η ∀ ∃ ! Α 和 Η ∀ ∃ ! Χ≅ 形成复合体共 同发挥作用 。 此转录抑制作用 可被组蛋 白脱 乙酸基酶抑制剂 Θ < 3ϑ Ρ、=� 5 Ε 59 2 ∃ 所抑制 。 因此可以认为 , 在上述复合物中 , > 4 ! Α,Χ 只是将其定位干染色质的特定区域 , 而对转录起实际抑制作 用的是组蛋白乙酞化 水平的下降 。 组蛋 白乙酞化水平改变导致其 所带 电荷变 化 , 与 ∀ # ∃ 骨架的结合状态随 之改变 , 进而影响了染色质结构 。 Χ ∀ # ∃ 去甲基化 作为一种 “遗 传外 ”调控 ·方式 , 甲基化过 国外医学分子生物学分册 � & & 。年第 �� 卷第 � 期 程必然要求相应的去 甲基化过程与之协调 , 而能克服甲基化抑制作用使沉寂基 因激活机 制也有存在的可能 。 在胚胎发育期组织特异 性基因的脱 甲基化可能是由一过性表达的酶 所催化 , 也可能通过碱基或核昔酸切除修复 途径实现 0 。〕。 特定基因的去 甲基作用似乎需 要特异序列识别机制的参与 。 序列附近的顺 式调控元件在该识别过程中可能起着重要作 用 。 肌母细胞中的 . 一肌动蛋 白基 因 , 巨噬细 胞中 Ν 一溶菌酶 Ν 一/∗ ≅ 4≅ ∗7 ( ∀基因及免疫球 蛋白 ‘ 轻链基 因的去 甲基化 , 就是通过这种 方式实现的 0 ‘〕。 免疫球蛋白 ‘轻链基因内含 子中的增强子序列及基质结合区 7 . −> 3⊥ . − ∴ − . ] 67 ( Φ − > ( Γ 34 Φ , Ν+ ? ∀与其去 甲基化作用 相关 。 该增强子序列含有转录因子 Κ Π 一。2 等 的结合位点 , 单一点突变即可极大地影响其 去甲基化效率 。 鸡免疫球蛋白 ‘ 轻链基因脱 甲基 化 过 程 中 起 调 控 作 用 的 Ν+ ? 与 Ν (5 , _ 有 同源性 Σ8 _⎯ , 但其生物学 意义 尚未 见报道 。 目前已经在鸡胚中发现一种具有主 动脱 甲基 作 用 的酶 , ≅7 5 一Υ Κ + 糖基 化 酶 ≅7 ( −6 ∗/5 一Υ Κ + Γ /∗ ( 4 ≅∗ /. ≅ ( ∀〔’� Μ 。 它可以将 ≅7 5 从半 甲基化的 Υ Κ + 中脱去 , 其 催化过 程需要 双链 ? Κ + 参与 。 后者 可能 通过 与 Υ Κ + 同 源互 补 而 起 着 定 位 作 用 , 从 而 使 Υ Κ + 去 甲基反应具有基因特异性 。 关于去甲基化过程如何激活已失活的基 因 , 就象甲基化如何抑制基因表达一样 , 仍是 一个有待解决的问题 。 目前认为 , 它可能同样 与染色质结构变化有关 , 需要组蛋白的参与 。 同时 , 结合 于 甲基 化 5 Θ ϑ 位 点上的 Ν (5,≅ 也需要通过某种机制将其去除 。 但是目前对 于这些过程的认识刚刚起步 , 人们还不能够 描绘出一幅完整的 、满意的蓝图 。 � 衰老过程中的 Υ Κ + 甲基化 Α & 年代初 , Ι 3/ ≅ 4 Φ 等即发现人二倍体成 纤维细胞 中 ≅7 5 的含量在增龄过 程中明显 降低 。进而人们发现细胞 ≅7 5 丢失的速率与 其寿限 可传代龄 ∀密切相关 # 鼠的成纤维细 胞的寿限远短于人 , 它在体外培养约倍增 8& 一 89 次 , 其 ≅7 5 的丢失速率 即明显 的高 于 人二 倍体成纤维 细胞 : 而 永 生化 细胞 系 的 ≅7 5 含量则保持相对稳定 。 如前所述 , Υ Κ + 甲基化 表型有 赖于 Υ Κ + 甲基转 移酶 催化 “半甲基化 ” Υ Κ + 来维持 。如果增龄使得 甲基 化维持机制不能有效发挥作用 , 随着细胞 的 增龄 , Υ Κ + 的复制 , 其 ≅7 5 含量必然逐代降 低 。低 甲基化的基因组具有遗传不稳定性 , 易 突变巨’‘〕。 人二倍体成纤维细胞的寿限与分裂 次数的关 系较培养时间更为密切这一客观事 实 , 也支持寿限与去 甲基化速度相关的学说 。 因此除端区长度外 , Υ Κ + 甲基化水平也可以 作为细胞分裂的“计时器 ” 。 与水生化细胞系 ≅7 5 的量相对 隐定相 一致 , 这些细胞 中的 Υ Κ + 甲基转 移酶 含量 较高匕’9 Μ 。 以 Υ Κ + 甲基化酶抑制剂 9 一氮胞昔 9 一 . Τ . 一 ] ∗ − 3Δ 3Φ ( ∀ 或 9 一氮脱氧胞昔 9 一 . Τ . 一 〔/( ∴ 4 ⊥ ∗] ∗− 记3Φ ( ∀处理 人成纤 维细胞或 某些 肿瘤 细胞可使其增殖能力下降 , 体外培养寿限缩 短 , 这些 事实也 表明即 Υ Κ + 甲基化 水平与 细胞增殖能 力密切相关““ 。 衰老中甲基化水 平的降低可以 归因于 Υ Κ + 甲基转移酶活性 下降 、 ≅7 5 脱氨基 的积累致修复机制 减弱 、 ≅7 5 一Υ Κ + 一糖 基 化 酶 活 性 升 高 等 作 用 于 Υ Κ + , 导致 Υ Κ + 甲基 化水平 降低 。 14 ≅ − 等 人山」发 现 分 化 中 的 肌 母 细 胞 首 先 出 现 Ν ς . ≅ ( 活性降低 , 随 后 9 一7 5 一 Υ Κ + 一糖基 化 酶活性升高 。 然而在基因组整体甲基化水平降低的同 时 , 衰老过程也伴有个别基因甲基化水平增 高 的现象 , 如 鼠肝 中 Η . 一 > . ≅ 的 9 ‘翼 区 5 Θ ϑ 位点〔‘Α习。 某些印记基 因的甲基化状态在衰老 过程中也会发生改变 。在年轻个体中 , 胰岛素 样 生长因子 Βϑ Π _ ∀基因仅仅是来 自母方等 位基因的 , _一 ∃ 启动子被 甲基化 , 随着增龄 , 来 自父方 的等位基因也逐渐被 甲基化 , 从而 使 Βϑ Π _ 的表达下降或缺失 8 ‘∀」。 国外医学分子生物学分册 � & 。。年第 咒 卷第 � 期 可见 , 甲基化的调控可以关闭某种组织 或细胞不必需 的基因 , 保持管家基因呈活性 状态 , 而去 甲基化作用则可指导组织特异性 或阶段特异性基 因的活性 , 使基 因表达具有 时空特点 。 异常的甲基化表型可能是导致肿 瘤和其它疾病乃至衰老的重要原因 。 参 考 文 献 Υ ( Φ 3≅ ≅ ( Φ Χ4 Ν Π、 , > 4 ( Κ . −/ + ( . Δ Λ ( 3 α Λ + , 8 ! ! ; : ! ∃ # � Α ! � 2 3> Δ + 0 Λ ( 3( Φ (( , 8 ! ! ! : � Α % # � � Α ; 1. ( Φ 3≅ ( 6 ? 0 0 ς > ( Φ Λ ϑ ( Φ ( − , 8 ! ! ; : 8 � # � � � 5 6 < .Φ Γ ∋ ΛΗ ( − . /0 Λ ( 3( Φ ( ( , 8 ! ! ; : � ; ; # 8 ! ! % ? . Δ −Χ ( Π ( − . / 0 2 34 / 5 6 ( 7 Η 4 ,Θ ( 一Λ ( ∗/( > , 8 ! ! % : � ; ; # ∃ ; 5> 4 ≅ ≅ Λ Η ( − . / 0 Κ . − < > ( ϑ ( Φ ( − , 8 ! ! ; : 8 % # � 9 % Κ . Φ Ζ ( > . /, 5 ( //, 8 ! ! ; : Α Α # ∃ ; 8 Κ . Φ Ζ ( − . /, Κ . − < > ( , 8 ! ! Α : � Α % 8 ∃ /9 8 % / ; /Α 8 ! 14 Φ ( ≅ , ∋ ( Τ . / 0 Κ . − < > ( ϑ ( Φ ( − , 8 ! ! Α : 8 ! # 8 Α ; 14 ≅ − 1, ( − . /0 ,> 4 Γ Κ < ( /( 3( + ( 3Δ ? ( ≅ Ν 4 / 2 34 /, 8 ! ! ; : 9 ; # � 8 ; Λ( 67 / − Τ + ( − . /0 1 234 / 5 6 ( 7 , 8 ! ! ; : � ; � # � & Α 9 & Ι ( 3− Τ ( / 1Ν ( − . / 0 Ν 4 / 5 ( // 234 / , 8 ! ! ; : 8 ; # 9 % 9 % Π > ( 7 4 Φ − Ν ( − . /0 Κ < ( /( 3( + (3Δ ≅ ? ( ≅ , 8 ! ! ; : � 9 # � � ; 9 5 6 ( Φ ? / ( − . / 0 Κ . − < > ( , 8 ! ! Α : � ! 9 # Α ! Ν . (/( 4 Δ + ? ( − . / 0 1 2 34 / 5 6 ( 7 , 8 ! ! #� : � ; & # 8 8 � � ; 2 ( Φ Δ ( > 5Ν ( − . / 0 5 . Φ (( > ? ( ≅ , Μ ! ! Α : 9 Α # ! 9 14 ≅ − 1, ( > . / 0 1 2 34 / 5 6( 7 , 8 ! ! ∃ : � % ! # 8 & & ∃ & 5 4 < Φ − ≅ 1/ ( − . / 0 ΒΦ − 1 5 . Φ ( ( > , 8 ! ! ; : ; � # ∃ ! 8 Β≅ ≅ . 1, ( − . /0 ,> 4 ( Κ . − / + ( . Δ Λ ( 3 α Λ + , 8 ! ! % : ! � # 8 8 ; 9 ; 8 ! ! ! 一& ; 一 � & 以欠稿 ∀ 红系 Κ ΠΕ _ 反式作用因子 徐冬冬 刘德培综述 梁植权审阅 中国医学科学院基础 医学研究所 中 国 协 和 医 科 大 学 医学分子生物学国家重点实验室 北京 , 8 。。& & 9 ∀ 摘要 Κ Π Ε _ 是碱性亮氨酸拉链家族成员之一 , 由一个广泛表达的 8 ΑΧ Υ 亚基和一个组织限 制表达的 ∃ 9Χ Υ 亚基组成 。 Κ ΠΕ _ 是生血组织特异的反式作用因子 。 它通过 。 和 俘珠蛋白基 因簇的 位点控制区调节珠蛋白基因转录 。 而且对正常血小板的生成是必须的 。 关键词 转录 :红 系核因子 � :珠蛋白 人 件珠蛋白的位点控制区含有许多红系 特异的和广泛存在的因子结合基序 。 在这些 基序中 , Κ ΠΕ _ 是红系核因子 � Κ < ( /( . > Π. ( ∴ − 4 > Ε > ∗ − 6> 4 3Δ _ , Κ Π Ε _ ∀和 ϑ + ς + 序列是最 引人注 目的 。 主要是 由于这两种基序在高敏 位点 � , � 和 ∃ Η Λ _ , Η Λ � , Η Λ ∃∀ 的核心序列 内都存在 。 这些结合位点对单个 Η Λ 的功能 是非常重要 。 并且 Κ Π Ε _ 位点在进化上的保 守性也说明 Κ Π Ε _ 在 ∋ 5 ? 中起重要作用 。 ϑ + ς + 一 8 以前被称为 Κ Π Ε Β 。 Κ ΠΕ _ 是 由组织限制的 , ∃9 和小的 广泛存在 的 Ν .Ψ 蛋 白家族成员形成的碱性亮氨酸拉链异源二 聚体 仁‘〕。 + >击 ( Φ ≅ Σ ‘Μ等检测各种细胞系和 鼠组 织 中 , ∃9 7 ? Κ + 表 明 # 所有红系 、成血前体