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表觀遺傳學現象范文第1篇

基因表達正確與否，既受控于DNA序列，又受制于表觀遺傳學信息。表觀遺傳學主要通過DNA的甲基化、組蛋白修飾、染色質重塑和非編碼RNA調控等方式控制基因表達。近年發現，副突變也包含有表觀遺傳性質的變化。

1.DNA甲基化

DNA甲基化是由酶介導的一種化學修飾，即將甲基選擇性地添加到蛋白質、DNA或RNA上，雖未改變核苷酸順序及組成，但基因表達卻受影響。其修飾有多種方式，即被修飾位點的堿基可以是腺嘌呤N-6位、胞嘧啶的N-4位、鳥嘌呤的N-7位和胞嘧啶的C-5位，分別由不同的DNA甲基化酶催化。在真核生物DNA中，5-甲基胞嘧啶是唯一存在的化學性修飾堿基，CG二核苷酸是最主要的甲基化位點。DNA甲基化時，胞嘧啶從DNA雙螺旋突出，進入能與酶結合的裂隙中，在胞嘧啶甲基轉移酶催化下，有活性的甲基從S-腺苷甲硫氨酸轉移至胞嘧啶5-位上，形成5-甲基胞嘧啶（5mC）。DNA甲基化不僅可影響細胞基因的表達，而且這種影響還可隨細胞分裂而遺傳并持續下去。因此，它是一類高于基因水平的基因調控機制，是將基因型與表型聯系起來的一條紐帶。在哺乳動物細胞的基因組DNA中，約有3%～5%的胞嘧啶是以5-甲基胞嘧啶形式存在的，同時70%的5-甲基胞嘧啶參與了CpG序列的形成，而非甲基化的CpG序列則與管家基因以及組織特異性表達基因有關。因而CpG的甲基化與否在基因的表達中起重要作用。高度甲基化的基因，如女性兩條X染色體中的一條處于失活狀態，而為細胞存活所需一直處于活性轉錄狀態的持家基因則始終處于低水平的甲基化。在生物發育的某一階段或細胞分化的某種狀態下，原先處于甲基化狀態的基因，也可以被誘導去除甲基化，而出現轉錄活性。

2.組蛋白修飾

組蛋白是真核生物染色體的基本結構蛋白，是一類小分子堿性蛋白質。組蛋白有兩個活性末端：羧基端和氨基端。羧基端與組蛋白分子間的相互作用和DNA纏繞有關，而氨基端則與其他調節蛋白和DNA作用有關，且富含賴氨酸，具有極度精細的變化區，這類變化由乙酰化、磷酸化、甲基化等共價修飾引起。這些修飾可作為一種標記或語言，是“組蛋白密碼”的基本組成元素。這種組蛋白密碼可被一系列特定的蛋白質所識別，并將其轉譯成一種特定的染色質狀態以實現對特定基因的調節，這顯著地擴大了遺傳密碼的信息儲存量。

3.染色質重塑

真核生物染色質是一切遺傳學過程的物質基礎，染色質構型局部和整體的動態改變，是基因功能調控的關鍵因素。染色體重塑是指染色質位置和結構的變化，主要涉及在能量驅動下核小體的置換或重新排列，它改變了核小體在基因啟動子區的排列，增加了基因轉錄裝置和啟動子的可接近性。染色質重塑的發生和組蛋白N端尾巴修飾密切相關，尤其是對組蛋白H3和H4的修飾。修飾直接影響核小體的結構，并為其他蛋白提供了和DNA作用的結合位點。染色質重塑主要包括兩種類型：一類是含有組蛋白乙酰轉移酶和脫乙酰酶的化學修飾;另一類是依賴ATP的物理修飾，利用ATP水解釋放的能量解開組蛋白和DNA的結合，使轉錄得以進行。

4.非編碼RNA

調控有多種功能性非編碼RNA可對基因表達水平進行干擾。各種生物中雙鏈RNA（dsRNA）可通過不同途徑被分割成小的干涉RNA（siRNA）或RNAi。RNA干涉（RNAi）屬于轉錄后基因沉默，它可使轉錄后的同源mRNA降解，使同系的DNA序列發生修飾性變化（甲基化），使rRNA甲基化，從而使目的基因表達沉默。

5.副突變

副突變是指一個等位基因可以使其同源基因的轉錄產生穩定可遺傳變化，即一個等位基因被另外一個等位基因在轉錄水平上被沉默且這種能力可遺傳。這種現象是1956年R.A.Brink在研究玉米的R基因座位時發現的。此后在其他植物、真菌甚至小鼠中發現。

二、遺傳學和表觀遺傳學的關系

傳統遺傳學認為遺傳信息儲存于DNA的序列中，它主要研究基因序列改變所致的基因表達水平的變化，是基因質的變化;表觀遺傳學則認為遺傳信息是DNA甲基化形式和組蛋白密碼、RNA干涉等，它實際上是以基因表達水平為主的量變遺傳學。表觀遺傳變異也能遺傳，并具重要的表型效應，但其不同于基因突變。在整個生命過程中，表觀遺傳學機制能對激素、生長因子等調節分子傳遞的環境信息在不改變DNA序列的情況下做出反應。因此，只有二者彼此協同，生命過程才能按序正常進行，否則就會出現異常。由此可見，遺傳學和表觀遺傳學系統既相區別、彼此影響，又相輔相成，共同確保細胞的正常功能。

三、表觀遺傳學研究的應用前景

表觀遺傳學補充了“中心法則”忽略的兩個問題，即哪些因素決定了基因的正常轉錄和翻譯以及核酸并不是存儲遺傳信息的唯一載體;在分子水平上，表觀遺傳學解釋了DNA序列所不能解釋的諸多奇怪的現象。例如，同一等位基因可因親源性別不同而產生不同的基因印記疾病，疾病嚴重程度也可因親源性別而異。表觀遺傳學信息還可直接與藥物、飲食、生活習慣和環境因素等聯系起來，營養狀態能夠通過改變表觀遺傳以導致癌癥發生，尤其是維生素和必需氨基酸。

表觀遺傳學現象范文第2篇

1 DNA甲基化和組蛋白乙酰化

1.1 DNA甲基化 DNA甲基化是指在DNA復制以后,在DNA甲基化酶的作用下,將S-腺苷甲硫氨酸分子上的甲基轉移到DNA分子中胞嘧啶殘基的第5位碳原子上,隨著甲基向DNA分子的引入,改變了DNA分子的構象,直接或通過序列特異性甲基化蛋白、甲基化結合蛋白間接影響轉錄因子與基因調控區的結合。目前發現的DNA甲基化酶有兩種:一種是維持甲基轉移酶;另一種是重新甲基轉移酶。

1.2 組蛋白乙酰化 染色質的基本單位為核小體,核小體是由組蛋白八聚體和DNA纏繞而成。組蛋白乙酰化是表觀遺傳學修飾的另一主要方式,它屬于一種可逆的動態過程。

1.3 DNA甲基化與組蛋白乙酰化的關系 由于組蛋白去乙酰化和DNA甲基化一樣,可以導致基因沉默,學者們認為兩者之間存在串擾現象。

2 表觀遺傳學修飾與惡性腫瘤耐藥

2.1 基因下調導致耐藥 在惡性腫瘤中有一些抑癌基因和凋亡信號通路的基因通過表觀遺傳學修飾的機制下調,并與化療耐藥有關。其中研究比較確切的一個基因是hMLH1,它編碼DNA錯配修復酶。此外,由于表觀遺傳學修飾造成下調的基因,均可導致惡性腫瘤耐藥。

2.2 基因上調導致耐藥 在惡性腫瘤中,表觀遺傳學修飾的改變也可導致一些基因的上調,包括與細胞增殖和存活相關的基因。上調基因FANCF編碼一種相對分子質量為42000的蛋白質,與腫瘤的易感性相關。2003年,Taniguchi等證實在卵巢惡性腫瘤獲得耐藥的過程中,FANCF基因發生DNA去甲基化和重新表達。另一個上調基因Synuclein-γ與腫瘤轉移密切相關。同樣,由表觀遺傳學修飾導致的MDR-1基因的上調也參與卵巢惡性腫瘤耐藥的形成。

3 表觀遺傳學修飾機制在腫瘤治療中的應用

3.1 DNA甲基化抑制劑 目前了解最深入的甲基化抑制劑是5-氮雜脫氧胞苷(5-aza-dc)。較5-氮雜胞苷(5-aza-C)相比,5-aza-dc首先插入DNA,細胞毒性比較低,并且能夠逆轉組蛋白八聚體中H3的第9位賴氨酸的甲基化。有關5-aza-dc治療卵巢惡性腫瘤的體外實驗研究結果表明,它能夠恢復一些沉默基因的表達,并且可以恢復對順柏的敏感性,其中最引人注目的是hMLH1基因。有關地西他濱(DAC)治療的臨床試驗,研究結果顯示,結果顯示:DAC是一種有效的治療耐藥性復發性惡性腫瘤的藥物。 3.2 HDAC抑制劑 由于組蛋白去乙酰化是基因沉默的另一機制,使用HDAC抑制劑(HDACI)是使表觀遺傳學修飾的基因重新表達的又一策略。根據化學結構,可將HDACI分為短鏈脂肪酸類、氯肟酸類、環形肽類、苯酸胺類等4類。丁酸苯酯(PB)和丙戊酸(VPA)屬短鏈脂肪酸類。PB是臨床前研究最深入的一種HDACI,在包括卵巢惡性腫瘤在內的實體腫瘤(21例)Ⅰ期臨床試驗中有3例患者分別有4~7個月的腫瘤無進展期,其不良反應是短期記憶缺失、意識障礙、眩暈、嘔吐。因此,其臨床有效性仍有待于進一步在Ⅰ、Ⅱ期臨床試驗中確定。在VPA的臨床試驗中,Kuendgen等在對不同類型血液系統腫瘤中使用VPA進行了Ⅱ期臨床試驗,結果顯示,不同的患者有效率差異甚遠。辛二酰苯胺異羥肟酸(SAHA)是氯肟酸類中研究較深入的一種HDACI。其研究表明,體內使用安全劑量SAHA時,可有效抑制生物靶點,發揮抗腫瘤活性。大量體外研究結果顯示,聯合使用DNA甲基化抑制劑和HDACI會起到更明顯的協同作用。

3.3 逆轉耐藥的治療 Balch等使用甲基化抑制劑—5-aza-dc或zebularine處理卵巢惡性腫瘤順柏耐藥細胞后給予順柏治療,發現此細胞對順柏的敏感性分別增加5、16倍。在臨床試驗中,Oki等將DAC和伊馬替尼(imatinib)聯合使用治療白血病耐藥患者,結果說明,應用表觀遺傳學機制治療惡性腫瘤確實可以對化療藥物起到增敏作用,并且在一定范圍內其療效與體內表觀遺傳學的改變呈正比。Kuendgen和Pilatrino等對HDACI和化療藥物的給藥順序進行研究,結果顯示,在使用VPA達到一定血清濃度時加用全反式維甲酸可增加復發性髓性白血病和骨髓增生異常綜合征患者的臨床緩解率,這可能與VPA引起的表觀遺傳學改變增加患者對藥物的敏感性有關。

表觀遺傳學現象范文第3篇

關鍵詞 硒 表觀遺傳修飾 表觀標志物抑制劑 抗癌藥 開發

中圖分類號：R979.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1533（2017）03-0075-04

Selenium compounds ― looking forward to be developed as epigenetic targeting selenium-containing anti-tumor drugs*

ZHU Huiqiu1**， HUA Yan1， WANG Mingli2***

（1. Anhui Huaxin Pharmaceutical Co. Ltd.， Hefei 230000， China； 2. Anhui Medical University， HeFei 230032， China）

ABSTRACT Selenium compounds can produce an intervention effect on the abnormality of epigenetic modification and then repress the occurrence and metastasis of tumor. They can be used as the inhibitors of some tumor specific epigenetic markers and expected to be developed as a new type of epigenetic targeting selenium-containing anti-tumor drugs.

KEy WORDS selenium； epigenetic modification； inhibitors of epigenetic markers； anti-cancer drugs； development

硒最重要的生物學功能是抗癌，并以多種機制發揮其抗癌作用。近年來的研究發現，硒又可對表觀遺傳學調控機制異化產生干預影響，特別是對在腫瘤發生機制中的特異性靶點進行干預，進而阻抑腫瘤的發生及轉移。硒化物是某些腫瘤特異性表觀標志物有效的抑制劑。硒的這個功能不僅對臨床腫瘤診斷、治療、預防具有現實意義，更為“含硒表觀靶向抗癌藥物”開發提供了科學依據。“含硒表觀靶向抗癌藥物”是期待開發的新型抗癌藥。現就近些年在這些方面的相關研究作一簡要介紹。

1 表觀遺傳學

什么是表觀遺傳學？從孟德爾遺傳規律講，親代（一代）把遺傳信息傳遞給子代（二代），主要由攜帶遺傳信息的脫氧核糖核酸（DNA）分子中堿基的排列順序（即堿基序列）來決定，并在細胞核內遺傳。但人們在研究中發現，在DNA堿基序列以外還有一套調控機制，包括 DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質重塑以及非編碼RNA等，它們在不涉及改變DNA堿基序列的情況下，影響轉錄活性并調控基因的表達，改變機體的性狀，并且是一種可以預和逆轉的遺傳機制。這種非孟德爾遺傳現象，稱作表觀遺傳學[1-2]。

2 硒對表觀遺傳修飾異常產生干預及逆D作用

腫瘤發生發展的主要生物學原因是原癌基因活化和抑癌基因失活[3]。研究顯示，DNA甲基化水平同這些基因的表達密切相關。通常情況下，甲基化水平同基因表達呈負相關，甲基化程度越高，基因表達活性越低，甲基化程度越低，基因表達越活躍[4]。

DNA甲基化主要表現為基因組整體甲基化水平降低和局部CpG島[在哺乳動物中富含胞嘧啶-磷酸-鳥嘌呤（CpG）二核苷酸的一段DNA稱為CpG島]甲基化程度的異常升高，人類基因組的甲基化主要發生在CpG島[5]。

研究表明，實體瘤普遍存在基因組廣泛低甲基化現象，低甲基化使原癌基因活化，癌細胞異常增殖；低甲基化還使腫瘤轉移增加，例如胃癌的甲基化水平越低，癌細胞浸潤、轉移的傾向越明顯[6]。

CpG島的甲基化程度異常升高，會導致某些抑癌基因表達沉默，進而參與腫瘤的發生發展。在正常情況下，CpG島為非甲基化。當腫瘤抑癌基因的啟動子區域（CpG島）過度甲基化，就會使抑癌基因的表達沉默。其間DNA甲基轉移酶（DNMT）家族中的DNMT1發揮著重要的調控作用，它的高表達導致抑癌基因在CpG島失活。所以，CpG島高甲基化成了多種腫瘤特異性表觀標志物，已成為臨床多種腫瘤早期診斷的依據和指標[7]。

近年來，作為表觀遺傳學調控機制之一的組蛋白修飾在腫瘤研究領域受到越來越多的關注。組蛋白乙酰化由組蛋白乙酰轉移酶（HAT）和組蛋白去乙酰化酶（HDACs）共同調控，而編碼HAT或HDAC的基因如果發生染色體易位、擴增等突變會導致某些腫瘤的發生。

可見，DNA甲基化和組蛋白乙酰化等表觀遺傳修飾異常是腫瘤發生的另外一個機制。而近年研究發現，硒通過靶向干預可逆轉甲基化和乙酰化異常的過程，從而抑制腫瘤的發生及轉移。硒化物成了潛在的治癌新藥物，是亟待開發、臨床應用前景可觀的“含硒表觀靶向抗癌藥物”。

2.1 硒對DNA甲基化產生干預作用

研究表明，膳食硒通過干預表觀遺傳過程顯示出其抗癌潛力，膳食缺硒時組織呈現整體低甲基化[8]。Davis等[9]早些時候研究發現，給大鼠喂食缺硒膳食，其肝臟和結腸都出現顯著DNA低甲基化，而經硒處理的人結腸癌細胞株Caco-2 DNA甲基化水平顯著高于未經硒處理的對照組，據此研究者認為，膳食缺硒會增加肝臟和結腸腫瘤的發生。Remely等[8]研究表明，膳食硒營養缺乏會引起動物組織和人體結腸癌DNA低甲基化。我國學者徐世文等[4]通過實驗也發現，飼料硒缺乏可導致雞肌肉組織 DNA甲基化水平降低。硒對DNMT有抑制作用，缺硒會導致DNMT活性增加，使原癌基因活化，引起結腸癌等多種腫瘤發生。保持硒等營養素均衡攝入，有利于維持DNA甲基化正常水平及抑制DNMT活性[6]。

CpG島DNMT1的高表達是使抑癌基因失活的重要機制。抑制DNMT1靶酶活性，使失活的抑癌基因復活，是腫瘤治療中探索的新途徑。硒在多種腫瘤中有去甲基化的生物學功能，能誘導失活的抑癌基因重新活化和表達[3]。研究發現，硒可以直接干預DNA甲基化，抑制腺癌細胞株DNMT的高表達[8]。膳食硒干預DNA甲基化的方式之一是通過去甲基化過程來調節DNMT1活性的；研究還證實，亞硒酸鈉和苯甲基氰酸硒（BSC）、1，4-苯雙（亞甲基）氰酸硒（p-XSC）兩種合成硒化物對人大腸癌細胞核提取物中DNMT的活性都有抑制作用[10]。

各方面的研究驗證，硒對DNA甲基化產生干預影響，是靶酶DNMT有效的抑制劑。

2.2 硒干預影響組蛋白的乙酰化

近年來，國內外學者研究發現，組蛋白去乙酰化酶與腫瘤的發生密切相關。HDACs家族中的HDAC1高表達可明顯增加腫瘤細胞的增殖能力。在食管鱗癌、前列腺癌等多種腫瘤中均發現HDAC的高表達，靶酶HDAC已成為首選的攻擊靶點。

目前，人們通過體內、體外的研究鑒定出了硒、丁酸鹽、曲古抑菌素A（TSA）等一些HDAC的抑制劑，這些抑制劑可在體外誘導多種腫瘤細胞的生長停滯、分化或凋亡[2]。Somech等[11]通過臨床試驗表明，HDAC抑制劑對人體白血病及實體瘤進行治療，表現出明顯的抗腫瘤增殖效果，研究者認為，各類HDAC抑制劑是另一類新型抗癌藥物、“癌癥治療的新工具”。

Xiang等[12]的研究證明，硒可以通過下調DNMT和抑制HDAC活性，活化人前列腺癌LNCaP細胞系中因高甲基化沉默的基因GSTP1， APC和CSR1。這些基因是具有保護免受氧化損傷的抗癌活性物質、化學致癌物解毒劑或腫瘤抑制劑。

甲基硒酸（MSA）是近年來新研制成的一種人工低分子量有機硒化合物，是很具潛力的抗癌制劑。Kassam等[13]通過對彌漫性大B細胞淋巴瘤細胞系（DLBCL）w外研究首次發現，MSA可以抑制該細胞系HDAC的活性。研究者認為，有關MSA抑制HDAC活性的作用以前從未報道過，從而為人們提供了硒元素一種新的機制，MSA是日后臨床試驗中可以使用的硒化物。

我國科研人員胡琛霏[2]通過蛋白質免疫印跡的方法，檢測到MSA可抑制食管鱗癌細胞系HDAC的活性，降低HDACl和HDAC2的蛋白表達，引起細胞內組蛋白乙酰化水平顯著升高；同時，還檢測到硒甲硫氨酸（SLM）對食管鱗癌細胞系KYSEl50細胞和MCF7細胞的作用，在SLM處理細胞24 h后，細胞中組蛋白去乙酰化酶的活性也顯著降低。

這些年，越來越多的含硒組蛋白去乙酰化酶抑制劑被發現和驗證。亞硒酸鈉、酮C甲基硒丁酸鹽（KMSB）、甲基硒代半胱氨酸（MSC）、甲基硒丙酮酸（MSP）等硒化物都可以抑制HDAC活性，提高組蛋白乙酰化水平，作為潛在的HDAC抑制劑，發揮其抗腫瘤的作用[14]。Fernandes 等[15]介紹，KMSB 和 MSP在體外作為HDAC的競爭性抑制劑發揮抗癌作用；還報道，合成的SAHA含硒類似物（5-苯甲酰戊氰硒）二硒醚和5-苯甲酰戊氰硒對不同肺癌細胞株HDAC抑制效果比SAHA更好。SAHA是氧肟酸類HDAC抑制劑，是目前在臨床上以皮膚T淋巴細胞瘤（CTCL）為適應癥而廣泛應用的表觀靶向抗癌藥物。這也提示，含硒類抑制劑對靶酶HDAC抑制效果優于無硒類抑制劑。

為何上述各種硒化物都可靶向抑制DNMT和HDAC活性，研究發現不管其結構如何改變，硒都是這些化合物生物活性的中心元素，發揮著關鍵作用，硒的這一生物學功能對含硒抗癌藥物的開發具有重要的指導意義[16]。

2.3 硒對非編碼RNA調控機制產生干預效應

表觀遺傳學的一個重要調控機制是非編碼RNA。非編碼RNA是指不能翻譯為蛋白質的RNA分子。近年來，非編碼RNA一族中的微小RNA-200（miR-200）受到人們的高度關注。研究發現，miR-200家族中的成員微小RNA-200a（miR-200a）與腫瘤的發生發展關系密切，miR-200a在腫瘤組織中呈現明顯低表達。因此，miR-200a的表達下調是腫瘤發生的重要因素之一，miR-200a也成了腫瘤特異性表觀標志物[17]。

胡琛霏[2]通過TaqMan芯片，檢測了MSA處理食管鱗癌細胞后細胞中微小RNA（miRNA）的變化情況，發現MSA可以上調細胞中miR-200a 的表達水平，miR-200a 表達升高后，負性調控Kelch樣環氧氯丙烷相關蛋白-1（Keap1）的表達，使Keap1蛋白水平下降，上調轉錄因子NF-E2相關因子2（Nrf2）蛋白水平并提高其轉錄活性（Nrf2活性受其細胞質接頭蛋白Keap1的調控），從而活化Keap1-Nrf2信號通路。而Keap1-Nrf2信號通路在抗氧化、預防腫瘤發生等諸多方面有重要作用[18]。

體外研究顯示[19] ，人腦膜瘤組織中miR-200a表達明顯低于正常組織，β-循環蛋白（β-catenin）和其下游靶基因細胞周期蛋白D1表達顯著增高，二者和miR-200a呈現負相關，上調miR-200a可降低β-catenin的表達，進而阻斷Wnt/β-catenin信號傳導通路來抑制腦膜瘤的生長。胡琛霏課題組前期研究也發現MSA可以抑制食管鱗癌細胞系中β-catenin的表達[2] 。研究已證實，Wnt/β-catenin信號通路的激活和高表達可促進腫瘤細胞的增殖、侵襲、轉移及抑制腫瘤細胞的凋亡[20]。

由此可見，MSA可能介導、調控著miR-200a表達及參與復雜的分子調控網絡，從而抑制腫瘤發生及轉移。

3 展望

加強硒與表觀遺傳學之間關聯的研究，有著重要的生物醫學意義。它有可能解釋硒化學抗腫瘤的新機制，從理論上證明硒元素可能具有表觀遺傳學的效應[21] 。綜上所述，硒在腫瘤形成中對表觀遺傳修飾異常產生干預影響，靶向抑制腫瘤特異性表觀標志物，逆轉表觀遺傳修飾發生異化過程，使我們認識了硒化學抗癌的新機制、新作用，硒化物是潛在開發的新型靶向抗癌藥物。Fernandes 等[15]指出，硒化物都是癌癥治療藥。目前，非表觀類含硒靶向抗癌藥如硒唑呋喃、依布硒啉、乙烷硒啉等早已進入臨床研究[16]，展示出很有希望的臨床應用前景。而含硒表觀靶向抗癌藥物是亟待開發的抗癌藥“富礦”，加快開發含硒表觀靶向抗癌藥物，可為臨床腫瘤治療增加一種“新的工具”，為癌癥患者戰勝病魔增添一份新的希望。人們熱切期盼“含硒表觀分子靶向抗癌藥物”早日問世。

致謝：本課題研究得到華中科技大學徐輝碧、黃開勛兩位教授和安徽醫科大學張文昌碩士的支持，在此表示衷心感謝。

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表觀遺傳學現象范文第4篇

[關鍵詞]表觀遺傳修飾；DNA甲基化；牙周病；炎癥；細胞因子

[中圖分類號]R 781.4[文獻標志碼]A[doi]10.3969/j.issn.1673-5749.2012.02.034

Association between epigenetic modification and periodontal diseasesLei Dan, Jiang Su, Wu Yafei, Zhao Lei.（Dept. of Periodontics, West China Hospital of Stomatology, Sichuan University, Chengdu 610041, China）

[Abstract]Periodontitis is a multifactorial infection characterized by inflammation and destruction of tooth supporting tissues, the main cause of tooth lost. The pathogenesis is complex. Not only the periodontal pathogens and its metabolites damage the tooth supporting tissues directly, but also trigger immune response. Cytokines are pro－ducted during the immune response. In recent years, some researches demonstrated that the expressing of cytokines gene was regulated by epigenetic modification. Owing to cytokines, epigenetic modification has something to do with the periodontitis. In this review, the epigenetic modification involved in periodontitis and research progress were discussed.

[Key words]epigenetic modification；DNA methylation；periodontitis；inflammation；cytokine

表觀遺傳學的概念與遺傳學相對，1942年，沃丁頓最早提出了“epigenetics”一詞，主要指研究基因型和表型之間的關系。1987年，霍利迪針對“epigenetics”給出更進一步的定義[1]，即現在比較統一的認識，他認為其是一門主要研究沒有DNA序列改變并且可以遺傳的基因功能變化的學科。表觀遺傳機制主要是通過調控基因轉錄來調節基因的表達，表觀遺傳修飾包括DNA甲基化、組蛋白乙酰化、DNA乙酰化、基因印記、基因沉默等[2]。本文就DNA甲基化和組蛋白乙酰化與牙周病的相關性作一綜述。

1表觀遺傳學及相關概念

1.1DNA甲基化

DNA甲基化是指在DNA甲基轉移酶（DNA methyltransferases，DNMT）的作用下，催化S-腺苷甲硫氨酸作為甲基供體，將一個甲基基團添加到DNA分子中的堿基上。這種甲基基團的添加主要發生在DNA的轉錄啟動因子CpG島（基因組中富含CpG二核苷酸的一些區域）內的胞嘧啶C5上的碳原子，形成5-甲基胞嘧啶[3]。DNA甲基化后，能直接干擾特異轉錄因子，如核因子-κB與啟動子的識別位置結合，甲基CpG結合蛋白與轉錄因子競爭性結合甲基化DNA位點，均可使轉錄因子與DNA分子的結合減少，因此DNA甲基化會抑制特定基因的轉錄過程。如果DNA未發生甲基化或者去甲基化后，特定轉錄因子與DNA分子的結合會恢復正常或者增多，因此DNA去甲基化能夠促進特定基因的轉錄過程[4]。

1.2染色體組蛋白修飾

組蛋白是染色質基本結構單位核小體的核心部分，外周被DNA纏繞。當組蛋白發生結構改變，即發生組蛋白修飾時，常常會影響基因的轉錄和表達。目前，有關組蛋白修飾的研究多集中在組蛋白乙酰化方面。組蛋白乙酰化是組蛋白乙酰基轉移酶（histone acetyltransferase，HAT）將乙酰輔酶A的乙酰基部分轉移至組蛋白氨基末端上特定賴氨酸殘基的ε-氨基基團上。帶負電的乙酰基消除了氨基基團的正電荷，此時DNA分子本身的負電荷使得DNA構象展開、核小體結構松弛。松弛的核小體結構可促進轉錄因子與DNA分子的接觸，因此組蛋白乙酰化激活了特定基因的轉錄過程；當組蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）移去組蛋白賴氨酸殘基上的乙酰基時，組蛋白恢復正電性，增加了與DNA之間的吸引力，使啟動子不易接近轉錄調控元件，從而反向抑制特定基因的轉錄[5]。

近年來，許多學者進行了表觀遺傳修飾的相關研究，大多涉及的均是腫瘤、癌癥、自身免疫性疾病等，對炎癥性疾病的研究較少。

2炎癥發生的分子機制

炎癥反應以免疫細胞的滲出為其重要特征，滲出的免疫細胞分泌的細胞因子與炎癥的發生發展緊密相關。免疫細胞主要包括T細胞、B細胞、單核吞噬細胞和樹突細胞等。T細胞是參與炎癥反應的重要免疫細胞，慢性炎癥炎灶部位出現大量激活的CD4+T輔助細胞（T helper，Th），識別并幫助CD8+Th細胞殺死外源病原菌。CD4+Th細胞還能分化為多種效應T細胞：Th1、Th2、Th17。

3表觀遺傳修飾對炎癥反應的調控

3.1Th1/Th2細胞的分化及其細胞因子

天然CD4+T細胞在抗原呈遞細胞信號作用下，分化為Th1或者Th2細胞，發揮不同的免疫功能。Th1細胞能夠調節細胞免疫，分泌干擾素（interferon，IFN）-γ、腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α、白細胞介素（interleukin，IL）-2等細胞因子抵抗細胞內的細菌或病毒。Th2細胞介導體液免疫，分泌IL-4、IL-5、IL-13等細胞因子，抵抗胞外病原體[6]。

天然CD4+T分化為Th1和Th2細胞依賴于表觀遺傳修飾。包括各自特異性細胞因子基因的組蛋白乙酰化和DNA甲基化等。Th1細胞的分化受ifn-γ基因DNA低甲基化及組蛋白3高乙酰化和Th2的特征細胞因子———il-4、il-5、il-13基因的表觀遺傳沉默的調控，而Th2細胞分化則受il-4、il-13基因的組蛋白3快速乙酰化和Th1特征細胞因子———ifn-γ基因的表觀遺傳沉默的調控[7]。

3.2Th17細胞分化及細胞因子

CD4+T除分化為Th1和Th2外，近年來發現了一種新的Th細胞亞群，即Th17細胞。Th17細胞分泌IL-17和IL-17F，具有較強的促炎性，在炎癥疾病中具有重要作用。與Th1、Th2的分化一樣，Th17的分化也受表觀遺傳修飾的調控，其特點為il-17基因啟動子區存在組蛋白乙酰化和甲基化現象[8]。

3.3CD8記憶性T細胞的分化及其細胞因子

CD4+T細胞與CD8+T細胞的激活密切相關。天然CD8+T細胞激活分化為CD8記憶性T細胞（CD8 memory T cells，CD8Tm）。CD8Tm能分泌促炎細胞因子，如IL-2、IFN-γ，參與炎癥反應。CD8+T分化為CD8Tm的過程中受表觀遺傳修飾的調控，其特點是細胞因子il-2和ifn-γ基因啟動子區DNA低甲基化和ifn-γ基因啟動和增強區的組蛋白乙酰化[9]。

綜上可知，炎癥反應中的免疫細胞在發揮定向分化功能的過程中，存在表觀遺傳修飾，與炎癥性疾病的發展密切相關[10]。

4表觀遺傳修飾與牙周病的調控

4.1對基因的調控

現在人們普遍認為，研究表觀遺傳現象的一個經典模式就是雙胞胎。同卵雙生的2個人具有完全相同的基因組，在同樣的環境中長大后，他們在性格、健康方面仍會有較大的差異[11]。

在對雙胞胎牙周疾病的研究中，學者們發現其牙周病的表型往往有所不同。Torres de Heens等[12]在排除了教育程度、吸煙、病原菌等的影響，對同卵雙胞胎的牙周病表型進行研究后發現，同卵雙胞胎之間的附著喪失、牙槽骨吸收程度均不一致，且雙胞胎年齡越大，牙周病表型的差異性也越大。由此提示，表觀遺傳修飾可能參與了牙周病相關基因表達的調控。

X染色體上的基質金屬蛋白酶組織抑制因子（tissue inhibitor of metallo proteinase，timp）-1基因表達產物TIMP-1是基質金屬蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）的抑制因子，其可通過酪氨酸蛋白激酶和絲裂素活化蛋白激酶途徑促進破骨細胞的骨吸收作用；在高濃度時抑制MMP活化，在低濃度時反而促進MMP的活化。正常狀態下，女性2條X染色體中的一條處于甲基化修飾狀態時，此X染色體上的基因不表達[13]。國內外學者均在女襲性牙周炎患者中發現，2條X染色體上的timp-1基因都處于去甲基化狀態時，才有活性表達，由此會引起TIMP-1生成增多，促進牙槽骨吸收。男性只有一條X染色體，由此提示，女襲性牙周炎的發病率高于男性可能與timp-1基因的表達有關[14]。

4.2牙周致病菌

牙齦卟啉單胞菌、伴放線放線桿菌是常見的牙周致病菌，檢出率高，致病作用確定。

牙齦卟啉單胞菌是檢出率最高的牙周致病菌，與牙周病密切相關。伴放線放線桿菌的致病性與其毒力因子密切相關，如菌毛和囊泡可介導其對宿主上皮細胞的黏附、侵入，毒素分泌等[15]。DNA腺嘌呤甲基轉移酶是DNA甲基化的關鍵酶，與革蘭陰性菌的生物功能相關，可調節毒力相關基因的表達。Wu等[16]在研究伴放線放線桿菌時發現，敲除dam基因的菌株和標準菌株與人口腔上皮癌細胞黏附后，缺乏株分泌的白細胞毒素是標準株的24倍。這可能是因為敲除dam基因后，伴放線放線桿菌白細胞毒素基因的DNA甲基化減少，呈低甲基化狀態，dam基因的表達增強導致的。但具體作用機制不明確，需進一步研究證明。

4.3調控牙周炎癥反應

4.3.1發病機制牙周病的始動因子是牙菌斑。菌斑微生物及其毒性產物引發并驅動炎癥反應，同時激活宿主的免疫細胞，產生并釋放多種細胞因子。IL、IFN、轉化生長因子-β、TNF、前列腺素E2等，能調節破骨細胞的分化，導致牙槽骨吸收。MMP可以直接破壞和降解膠原，還可以通過分泌細胞因子，降解結締組織，并使其降解持續和延長，是牙周組織破壞的最主要侵襲者。牙周炎發病過程中，涉及的細胞因子主要有IL-6、IL-8、IFN-γ、TNF-α、MMP等。

4.3.2調控牙周病相關細胞因子表觀遺傳修飾調控細胞因子基因的表達，DNA高甲基化和組蛋白去乙酰化可抑制細胞因子的表達，而DNA低甲基化和組蛋白乙酰化則能促進基因的表達。在牙周炎患者中，常常有多種細胞因子的表達增高。有研究[17-19]發現，細胞因子的分泌增多與其基因的表觀遺傳修飾存在相關性。慢性牙周炎患者的口腔上皮細胞中，ifn-γ、il-6、tnf-α基因啟動子區DNA常常處于低甲基化狀態，促進了相應的mRNA表達增多，分泌了IFN-γ、IL-6、TNF-α蛋白[20]。牙周炎活動期ptgs2基因啟動子DNA甲基化僅為靜止期的1/5，因此活動期PTGS2的表達較靜止期明顯增多。在侵襲性牙周炎和慢性牙周炎患者的口腔上皮細胞中，il-8基因啟動子區的低甲基化均明顯高于健康對照組。由此可見，表觀遺傳修飾的DNA甲基化能夠調控ifn-γ、il-6、tnf-α、ptgs2、il-8基因的轉錄，在牙周炎癥的發生發展中起一定的作用。

5小結和展望

表觀遺傳修飾的DNA高甲基化能抑制細胞因子基因的表達，反之則可促進其表達，此過程的調控依賴于DNA甲基轉移酶和組蛋白去乙酰化酶，以及它們的促進劑或抑制劑[21]。表觀遺傳修飾與牙周病的相關性尚處于探索階段，學者們在牙周炎癥組織中發現存在表觀遺傳修飾的改變，但其具體機制尚不明確，需進一步研究。

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表觀遺傳學現象范文第5篇

摘要:

燈刷染色體是存在于除哺乳動物以外幾乎所有動物雌配子減數分裂第一次分裂雙線期的一種暫時性巨大轉錄體，因狀如燈刷而得名，但在細胞遺傳學三大經典染色體研究中關注度最低。它是研究減數分裂時期染色體的結構、組織形式、轉錄和轉錄過程的好材料。本文一方面對以上研究及形成機制作一簡要綜述，另一方面探討燈刷染色體可能的作用，也即從已有文獻表明卵細胞核的燈刷染色體或多倍化為相關生物胚胎發育提供足夠的轉錄產物。最后探討將其作為一個案例用于遺傳學教學的可能性，以激發學生學習遺傳學的興趣。

關鍵詞:

遺傳學；細胞遺傳學；燈刷染色體；研究進展；遺傳學教學

遺傳學是生命科學領域中一門兼具理論性和實驗性的基礎性學科之一，從遺傳學發展史上可以清楚地看到一系列經典的研究案例對遺傳學的發展起到巨大的推動作用[1]，賦予遺傳學新的內容，使遺傳學理論不斷地完善和提高，從而在更高水平指導遺傳學的發展。例如果蠅和豌豆因其豐富的表型在性狀遺傳研究上成為經典研究案例，奠定了遺傳學的初創和發展；唾腺染色體和燈刷染色體因其形體的巨大性和特異的細胞結構，促進了細胞遺傳學的發展；以噬菌體為材料促進了生化和分子遺傳學的發展；以大腸桿菌為材料的研究揭示了原核表達調控的機制；以擬南芥和水稻為材料解析了植物基因組的特點并促進了植物功能基因組學的研究[2,3]。這些案例還有很多，限于篇幅不一一枚舉。不過，關于遺傳學發展史上經典案例的研究和關注并不平衡。例如在細胞遺傳學三大經典染色體的研究中，關于唾腺染色體和巴氏小體的研究很多，而燈刷染色體(Lampbrushchromosomes,LBCs)的關注度較低。盡管LBCs因擁有數以萬計的正在轉錄的單位而具有了結構的巨大性，但在過去的130多年中公開發表的文獻僅有350多篇（projects.exeter.ac.uk/lampbrush）。究其原因可能有四點：一是分離LBCs技術難度較大；二是所使用的儀器是顯微鏡，而不是時髦的微量移液器，導致學生的興趣不足；三是可用分離該染色體的典型材料不易取得，多數動物材料都是各國重點保護的動物；四是可能由于偏重理論研究，無法取得足夠的經費支持[4]。盡管如此，LBCs的研究仍然取得了令人興奮的成績，本文擬沿著LBCs研究的蹤跡，比較系統地綜述相關生物卵細胞減數分裂第一次分裂雙線期染色體的結構、組織形式以及轉錄等相關知識。最后探討將這一被忽視的“明星染色體”案例介紹給學生，以期引導學生對LBCs研究的重視，激發他們學習和研究遺傳學的熱情。

1燈刷染色體的研究進展

1882年，Flemming首先在蠑螈（Notophthalmusviridescens）的卵母細胞中發現了這種結構[5]，十年之后，Rückert(1892)在狗鯊（Chiloscylliumpunctatum）卵母細胞中再次發現了Flemming所描述的結構，因為其形如19世紀的燈刷或20世紀的試管刷而命名為燈刷染色體[6]。典型的LBCs實質上是存在于除哺乳動物以外幾乎所有動物（在兩棲類、鳥類和昆蟲類都有很好的研究）雌配子減數分裂第一次分裂雙線期的一種暫時性巨大轉錄體,大小可以達到5~6mm。細胞核中每個LBCs是二價體（一對同源染色體），核中有幾個二價體就有幾個LBCs，每個二價體包含四條染色單體，同源染色體通過交叉（Chiasmata）相連。它們具有獨特的染色粒—側環（Chromomere–lateralloop）結構：染色粒串聯形成單體的主軸，是遺傳惰性區；顯著的側環結構則為轉錄活性區，包括了成千上萬的活性轉錄單元[7]。隨著轉錄的進展，RNA鏈不斷延長，外形呈“圣誕樹”樣結構。除了在以上動物的卵細胞中發現LBCs外，在果蠅細胞Y染色體和植物中也有發現，比如在單細胞藻類（Acetabularia）中發現有典型的LBCs結構[8]，其它所報道的植物LBCs不具有典型結構，只是一條較長的染色體，周圍有絨毛狀的結構。由于LBCs在普通光學顯微鏡下可以看到，因而它是研究基因組結構和功能的極為理想的實驗材料[9]。

1.1燈刷染色體的基本結構和細胞圖在普通光學顯微鏡下，在外觀上看每一個典型的LBCs兩個同源染色體依靠幾個交叉相連，它們分別由無數致密的染色質顆粒或染色粒串成線狀，這些顆粒之間有染色質絲相連，在每一顆粒或染色粒處產生1到數個成對的側環，這就構成了所謂LBCs上的“刷毛”[10]。這些環之所以成對出現是由于姐妹染色單體之間沒有任何聯系造成的。利用掃描電鏡或電鏡技術結合免疫技術對來自不同物種的LBCs進行觀察，發現側環是以纖細的染色質為軸，上面覆蓋了無數的核糖白（Ribonucleoprotein，RNP）顆粒。由于RNP顆粒相互聚集和沿側環軸向的卷曲會將正常狀態的側環一步一步裝配形成小顆粒、顆粒球和緊密塊狀物等更高級的側環結構[11]，因而形成了光學顯微鏡下可見的巨大染色體。染色粒和連接它們的染色質絲構成了LBCs的軸，軸上最顯著的特點就是染色粒–側環結構，某些有明顯特征的側環往往成為鑒定染色體特異性的界標（Landmark），比如在兩棲類中，幾乎大部分燈刷染色體都有巨大的側環，只是位置不同，所以可以區分不同的染色體；另一類是有特異結構的側環，分為高密度側環和塊狀側環，也存在于很多染色體不同位置中。軸上除了染色粒和側環外，還有著絲粒、端粒、球體等結構。這些結構常常出現在特定染色體的固定部位，成為鑒別各條染色體的界標[11]。染色粒(Chromomere)是LBCs軸的主要成分。在配對的同源染色體中，染色體軸上染色粒的數目和分布大體相同，但形狀不很規則。在最初形成的LBCs上，單體燈刷染色體染色粒的數目可以達到5000個以上，在光鏡下染色粒大小從不可見到可見的1µm。據估算，一個有尾目的兩棲動物LBCs的染色粒所包含的堿基數目約5~10Mb，而側環中僅有50~150kb的DNA[10]。染色粒的數目和大小與物種和減數分裂的推進有關，也隨側環轉錄活性而變化。隨著減數分裂的推進，染色粒逐漸變大，數目減少。在早期的LBCs中側環轉錄活性高，這時染色粒小，數目多；隨著雙線期的推進，側環因轉錄活性下降而回縮，染色粒彼此融合最終成一條正常的分裂期染色體[12]。側環(Lateralloop)是DNA活躍轉錄的區域，僅占整個LBCsDNA總量的0.2%~0.4%，其與染色粒的邊界序列有無特異性現在尚不清楚[10]。在兩棲類中，它們的長度與C值呈正相關，平均長度為10~15µm，長的可達200~300µm，這些長的側環具有染色體的特異性。多數側環上只有一個轉錄單位，轉錄方向可以相同或相反，利用轉錄抑制子的研究發現，這些轉錄多數由RNApolII啟動。側環的產生并不同步，某些側環能貫穿LBCs整個發育期；有些僅在個別時期產生，失去轉錄活性后回縮到染色粒中。激素處理也能影響側環的伸展和回縮，這點與果蠅的唾腺染色體的蓬突結構類似，其發生機制和意義有待進一步的研究。由于轉錄產物的種類、數量和堆積狀態不同，在某些染色體軸的特定部位可以形成不同類型的側環，這成為區分不同LBCs的重要界標[13]。LBCs的著絲粒（Centromere）有二種形態：一種是在某些兩棲類中稱為著絲粒顆粒，在鳥類中則為蛋白體（Proteinbody）,其大小形態與前后染色粒不易區分，另一種主要在兩棲類發現，著絲粒和其兩側相鄰的染色粒彼此融合而成染色粒棒（Chromomerebar）。先前的報道表明著絲粒顆粒和染色粒棒上均無側環，最近的報道稱某些鳥類的蛋白體有短的側環產生[14]。關于端粒（Telomere）的觀察主要來自鳥類，在姐妹染色單體的末端分別形成端粒環（由染色單體的末端插入鄰近的染色粒所致），通常情況下，端粒環是開放的，也存在一個插入一個開放的形式，其大小和長度具種的特性。兩側無側環，雞的端粒環含有2個轉錄單元[15]，關于LBCs著絲粒和端粒可以轉錄在歐洲水蛙中也得到證實，一些串聯重復序列可以在該類結構中大量轉錄[7]。球體（Sphereorganelles）是LBCs上另一個重要標志，有染色體的特異性，相當于一般染色體的次級縊痕。其直徑一般2~10µm，一般包含2~4個[10]。以上這些結構由于在序列組成、位置、結合蛋白以及形成的高級結構上具有染色體或種的差異，結合LBCs的長度差異，現在已經繪出了多種兩棲類和鳥類的LBCs細胞圖[7]；利用細菌人工染色體–熒光原位雜交（BAC–FISH）技術繪制了雞LBCs著絲粒區的精細物理圖譜[16]，以上這些工作為利用LBCs進行基因組/雜種鑒定、精細遺傳/物理圖譜繪制、基因定位、轉錄和轉錄機制等研究工作奠定了基礎。

1.2燈刷染色體的轉錄與轉錄進程研究表明轉錄主要發生在LBCs的側環上，大量的新生轉錄產物和相關蛋白結合，形成了光鏡下可見的RNP基質。每個側環由1~數個轉錄單位組成，所以LBCs上單個轉錄單位是可視的，這使得他們成為在結構和分子水平上研究轉錄及其調控機制的優異材料[17]。側環的類型因RNP基質的大小和類型可以大致分為正常的大環型、顆粒型、球型和塊狀（Lumpy），它們都是以30nmRNP顆粒為基礎逐漸裝配而成，為了探明不同結構的側環與轉錄活性的關聯，對典型的側環如球型側環利用放射自顯影、轉錄抑制子結合大分子擴散分析技術進行RNA合成的分析[17]，結果表明在這類側環中，存在RNA的合成；側環的延伸與轉錄活性相關，活性高的時候，側環增大，活性降低時，側環回縮到染色粒中；有的側環中存在數個不同外形的轉錄單元，這幾個轉錄單位的轉錄存在速度的差異。用RNA前體標記物作為探針進行原位雜交試驗，與大環和顆粒狀的側環相比，球型側環標記的速度和強度均較弱，推測不同側環可能具有相異的轉錄模式，這個問題有待進一步闡明[18]。已有的報道表明不同側環的演化存在關聯性，這同樣也可以看作是轉錄后的調控。電鏡實驗證明了這些類型的側環都是由30nmRNP顆粒組成的；熱休克（Thermicshock）實驗結果顯示在低溫處理下，趨于向高級側環結構發展，而在高溫處理下，則趨于向去凝縮方向發展；免疫實驗也證明側環形態的多樣性與特異蛋白存在關聯。例如在蠑螈的卵細胞中發現一個82kD白，利用單抗進行原位雜交試驗表明可以和所有類型的側環結合，但是并不同步。比如，當球狀側環被強烈標記時，大環和顆粒環不被標記，當標記出現在核質中時，所有類型的環不被標記，該結果初步證明了特異的蛋白與側環的結構演變存在關聯[18]。

來自鳥類的實驗表明，側環中一個轉錄單位約長1~40µm，這些被轉錄的基因包括了編碼基因和非編碼基因。一個令人吃驚的事實是一些持家基因在LBCs的轉錄是被抑制的，比如在鳥類中編碼18S、5.8S和28S的基因簇是沒有活性的，但散布的該類基因仍然可以被RNApolII轉錄而不是polI[19]。迄今為止，在兩棲類和鳥類LBCs的研究中，發現僅有少數單拷貝基因在此時轉錄。比如在兩棲類LBCs中，已經證實細胞角蛋白（Cytokeratin）、核仁蛋白NO38/B23、c–myc和Eg1是轉錄的，并發現了它們的轉錄產物向核質轉移[20]。基于DNA/RNA雜交技術的染色體涂抹技術（Chromosomepaintingtechnique）使大規模研究LBCs的轉錄成為可能，利用改良的該技術BAC–FISH發現許多鳥類LBCs單拷貝的基因可能是轉錄的。但問題是BAC克隆是大片段插入，包含了單拷貝和多拷貝的信息，所以，要驗證更多的單拷貝的表達需要進一步的實驗。早期的生化實驗證明LBCs轉錄的主要是非編碼的串聯重復序列[21]，進一步的調查是利用原位雜交實驗證明兩棲類LBCs轉錄的主要是一些微衛星序列。值得注意的是來自鳥類的研究結果，如果出現在側環中的一個微衛星序列是轉錄的，那么側環臨近的染色粒里面的同類微衛星串聯簇是不表達的，這個結果表明存在一種未知的調控機制啟動LBCs側環中微衛星DNA的轉錄[19]。來自熱帶爪蟾的研究發現卵母細胞中還儲存大量來自LBCs轉錄子的穩定內含子（StableintronicsequenceRNA），這些內含子一直到囊胚期都可以檢測到，說明在胚胎發育的早期可能發揮重要作用[22]。關于側環上轉錄調控機制的研究，早期提出了“通讀假說”（Read–throughhy-pothesis）[23]，該假說認為側環上轉錄起始于結構基因的啟動子序列，到了該基因的終止序列后并不停留，而是繼續轉錄下面的非編碼序列，現代遺傳學的研究結果否認了該假說。結合基因組和細胞學的證據表明位于雞LBCs側環微衛星序列中的反轉錄轉座子長末端重復序列（LTR）啟動了微衛星序列的轉錄，這得到了很多來自兩棲類實驗的證明。如果這個機制是正確的，側環的平均長度應該與活躍的LTR啟動子的數量呈負相關，這是今后需要闡明的問題之一。初生的轉錄產物被與RNA成熟相關的蛋白包被，成為附著于側環上的RNP基質，這種獨特的結構為在活體條件下研究側環轉錄產物的處理和機制提供了平臺。來自生化的證據表明，鳥類LBCs側環中多數RNP基質含有與RNA成熟相關的組件，如snRNPs、SC35、hnRNP和3’末端處理相關因子。有些RNP基質中沒有發現snRNPs組件，這可能是由于在相應的微衛星轉錄產物中缺少典型的剪切位點所致[19]。

1.3燈刷染色體的作用自從發現LBCs后科學家一直試圖理解發生在側環上大量且有點隨意轉錄的意義，很多人認為這種轉錄或多或少是沒有意義的[20]。Davidson于1986年提出了另一個假說[24]，他認為發生在LBCs上的轉錄為將來卵母細胞的成熟和胚胎發育提供必要的轉錄產物，這一假說越來越為科學家重視。可能存在這種情況，LBCs上的轉錄產物在核膜破裂前是隔離的，當核膜解體后進入了轉錄后的切割程序，形成兩類成熟的編碼和非編碼RNA分子，這種現象在Masi和Johnson研究LBCs組蛋白的轉錄過程上所證實[25]。據此推測，成熟編碼蛋白質RNA分子可以用于在胚胎基因組啟動表達之前，早期胚胎發育所必需蛋白質的合成。至于大量的非編碼微衛星序列的命運可以用現代分子生物學的信息來解釋。在后生動物中，編碼微衛星序列的DNA可以轉錄形成dsRNA前體，成熟后產生siRNA，這些siRNA是形成組成型異染色質所必需的。那么，可以推測，在擁有LBCs的動物中，非編碼微衛星序列的轉錄產物同樣可以dsRNA前體形式儲存在卵細胞中，為早期胚胎發育提供siRNA以便維持異染色質的穩定，這種假設的前提是要探明微衛星RNA產物能否出現在受精之后胚胎發育的過程中[19]。值得注意的是擁有典型LBCs的生物胚胎發育過程大部分時間是離體發育，這與胎生的哺乳動物在發育環境上存在巨大差異，因此，在這類生物中LBCs轉錄與離體后胚胎發育過程是否存在更密切的關聯性是值得深入探討的。1.4燈刷染色體的表觀遺傳修飾與染色質重塑通過對兩棲類和鳥類燈刷染色體的深入研究，我們基本了解了其整體表觀遺傳的狀態。來自兩棲類的研究發現這類染色體中包括染色粒和側環不但缺少組蛋白H1，而且組蛋白H4都呈高度乙酰化狀態，這是典型基因組DNA轉錄活化的特點，實驗證明，乙酰化和甲基化修飾組蛋白的尾部都會導致側環相應狀態的改變[19]。關于對LBCs表觀遺傳修飾的理解一個典型的例子是來自于對6種鳥類卵母細胞LBCsZW的研究[26]。鳥類卵母細胞中性染色體ZW是一個僅通過著絲粒處相連的不對稱二價體，Z染色體具有正常的LBCs形態，而富含重復序列的W則僅形成幾個較大的染色粒，含有少量的側環。進一步的研究發現W染色體具備了惰性染色體的特點，比如缺少乙酰化組蛋白H4，富含組蛋白H3K9和H3K27的二甲基化，幾個大的染色粒都含有大量的異染色質蛋白1。這些因素共同導致了W染色體在鳥類卵母細胞的發育中高度凝縮的狀態[19]。

盡管現在從整體上對LBCs的表觀修飾有了一定的理解，但對該類染色體的“建立–維持–再凝縮”的機制了解很少。一個重要的事實是在兩棲類和鳥類的LBCs上，不但缺少組蛋白H1，而且也未見參與減數分裂染色質凝縮的拓樸異構酶II。另外一個在維持LBCs形態方面發揮重要作用的蛋白是染色體結構維持（Structuralmaintenanceofchromosomes，SMC）蛋白家族，它們參與了黏連（Cohesin）復合體和凝縮（Condensin）復合體的形成。電鏡結合免疫試驗證明黏連復合體主要出現在姐妹染色單體兩條染色質絲形成的軸上，后者主要在染色粒上發現。這說明，這兩種復合體可能對維持LBCs的染色粒–側環結構發揮重要作用[27]。最新的關于LBCs重建的實驗來自將人類的注射進兩棲類動物非洲爪蟾的卵母細胞中，結果發現染色體形成了典型的LBCs結構，這一方面說明了兩棲類動物卵母細胞中含有重塑哺乳動物非活性染色體的所有因素，另一方面也說明哺乳動物卵母細胞染色體的失活并不是永久的遺傳或表觀遺傳機制造成的。這個實驗為進一步鑒定染色質重塑相關的順式和反式作用因子以及解析其機制提供了研究材料[9]。

2燈刷染色體應用于遺傳學教學的現狀與思考

對于遺傳學內容的傳授離不開優秀的案例，生命科學的飛速發展也使得這些案例的內涵得到了豐富和擴展。以優秀案例開展遺傳學教學工作可以將復雜的遺傳學知識形象化和簡單化，便于教師的講授和學生的理解與記憶[3]，同樣也可以使枯燥的遺傳學學習變得妙趣橫生。LBCs就是遺傳學的一個優秀經典的案例，但在遺傳學教學中出鏡偏低。在作者教學所使用戴灼華等編寫的《遺傳學》課本中，以LBCs為案例介紹的內容很少[28]，僅在第二版第二章《遺傳的細胞學基礎》中，作為一種特殊染色體形態進行了簡單介紹，一句“LBCs是在光學顯微鏡下直接觀察并識別特殊位置上的單個基因轉錄活性極為理想的材料”讓學生對該案例充滿了遐想和期待，但本書后面的遺傳學內容均沒有發現該案例的身影，因此發掘和使用LBCs案例應用于遺傳教學有十分重要的意義。

2.1燈刷染色體在遺傳學教學中的拓展以LBCs為案例進行相關遺傳學內容教學，我們應首先根據高校遺傳學的培養目的和教學目標，在學生掌握了一定的細胞、生化和遺傳知識的基礎上，結合遺傳學的進度逐步有序地加以介紹。在我所教授的遺傳學課本中LBCs是作為一類特殊的染色體介紹給學生的，除了介紹了一點關于LBCs的發現和特點外，缺少更加詳細的資料。正是由于其可視性的特點，學生除了可以容易的掌握其特殊染色體的特點外，也可以掌握一般染色體具有的特點。其實，隨著研究的深入，其涵蓋的遺傳學知識也越來越多，形成和維持該特殊染色體的原因也越來越清楚。我們在教學過程中是這樣介紹的：關于LBCs結構的認識是隨著相關技術的發展而不斷深入的。19世紀末發現LBCs并不偶然，那時的科學家用光學顯微鏡尋找適合的染色體材料去研究減數分裂和有絲分裂；隨著時代的發展，科學家發現LBCs豐富而富有特色的結構適合細胞圖的繪制；電鏡和掃描電鏡的發明更推動了LBCs結構和染色體組織的認識，知道了更細微結構的形態，比如對側環結構的認識，發現了側環結構的復雜性；免疫學和電鏡技術的結合，使科學家認識到側環是由最基本的單位RNP顆粒組成的，經過一步步的裝配和折疊形成了不同外形特點的側環；分子技術、免疫技術和電鏡技術的綜合運用，使人們認識到側環白體中RNA主要是微衛星序列的轉錄產物，但也有少量單拷貝的編碼序列RNA。由此引導同學們思考：既然LBCs的RNP基質中主要是編碼非編碼序列微衛星的RNA，它的作用究竟是什么呢？如果同學們已經知道了微衛星序列最終編碼的siRNA參與了異染色質的形成和維持的話，自然會想到在LBCs“再凝縮”階段可能會發揮作用。關于適合進行細胞圖的繪制也可以根據技術的發展逐漸深入：在僅有光學顯微鏡的早期，只能根據大的界標如側環、染色粒、著絲粒、端粒等進行簡單的作圖，用于區分不同的染色體、基因組甚至雜種；隨著電鏡技術的發展，對LBCs結構認識更加細致，可以繪制更加精細的細胞圖；隨著染色體涂抹技術的發展，可以將DN段定位到LBCs不同結構中，繪制更加實用的物理圖，這將為進行全基因組測序更加全面的認識基因組特點奠定基礎。關于LBCs形成和維持原因的介紹可以使學生理解和掌握染色質重塑方面的知識。早期在只有光學顯微鏡的條件下對它的認識一籌莫展，只能提出假說；但隨著免疫技術和分子生物學技術的運用，才認識到存在一些事實：LBCs中組蛋白H1缺失，H4高度乙酰化，染色粒處富含組蛋白H3K9和H3K27的二甲基化，鳥類W染色體幾個大的染色粒都含有大量的異染色質蛋白1等等。其實這離完全了解其產生機制還有很遠的距離。為了讓學生直觀地掌握轉錄相關知識，也可以引入LBCs的相關內容。由于單個轉錄單位可視性的特點，所以可以直觀容易地了解單個轉錄單位的結構、組成、長度、速率和分子互作等方面的知識。為了學生更容易地理解LBCs相關的遺傳學知識，開設LBCs分離和鑒定實驗是值得考慮的教學內容。現在國內常用的遺傳學實驗教材沒有這個實驗，國外也少有開展。我校生命學院關于該實驗正在籌劃中，所以待有了一定的進展后再向同仁匯報。更加詳細的實驗程序可以參照相關網站的內容。