1、表觀遺傳學與疾病表觀遺傳學研究的是基因序列不發生改變的可遺傳改變，這種可遺傳改變調控基因表達變化，是基因表達轉錄調控的另一個層面。因此，dna序列作用僅在于承載遺傳信息，而表觀遺傳的機制對真核生物的發育卻能起到調控的作用（圖1）。圖1 遺傳和表觀遺傳遺傳：dna模板（綠色螺旋標注）的突變（紅星標注）。表觀遺傳：通過(1)組蛋白修飾(mod)、(2)染色質重塑(remodeler)、(3)組蛋白變異(yellow nucleosome)、(4)dna甲基化(me)和非編碼rna等方式在染色質結構上發生的變異。這些表觀遺傳的標志可通過細胞分裂而遺傳到下一代的，并且不斷積累最終決定細胞的表型。199

2、4年，holliday將表觀遺傳定義為不基于dna序列的改變的細胞核遺傳（holliday 1994）。2006年，表觀遺傳被定義為染色質模板發生改變的總和，這些改變使得相同序列的基因組卻呈現出不同的基因表達和沉默模式，并且這種改變能代代相傳（allis et.at. 2006）。核小體是染色質的基本結構單元（kornberg 1974）。而核小體是由一段dna鏈纏繞組蛋白八聚體而形成（圖2）。染色質/dna-核小體多聚物是染色體的構件（luger et at. 1997）。染色質的結構不是固定不變的，由于染色質包裝折疊的松緊程度不同使染色質呈現兩種形態（圖3），高度螺旋、折疊緊密的染色質稱為

3、異染色質；染色質伸展、折疊疏松的稱為常染色質，基因表達發生在常染色質內（allis et at. 2006）。圖2 核小體的結構左圖：2.8分辨率下的核小體模型右圖：八聚體纏繞一段dna（黑線）的模式圖。首先是h3/h4四聚體結合到dna上，然后與兩個h2a/h2b二聚體結合，便形成核小體。八個組蛋白形成圓形結構域，即核小體核心，每個組蛋白的n末端伸出核小體核心，即組蛋白的尾部。圖3 常染色體和異染色體結構的區別圖中概況了常染色體和異染色體的常見的區別，包括：產生的轉錄本不同、招募的dna結合蛋白不同（例如：轉錄因子）、染色質相關蛋白及復合物不同、組蛋白共價修飾不同以及組蛋白變異體不同等。表觀

4、遺傳在正常的發育和細胞生長過程中起作用，并且在基因、環境與疾病的關系之間也可能起到至關重要的作用。表觀遺傳異常已經被發現是癌癥、遺傳病、兒科疾病以及自身免疫性疾病和衰老等的成因。表觀遺傳的機制包括（但不限于）：dna甲基化（胞嘧啶5位碳的甲基化）、組蛋白的翻譯后修飾、組蛋白的變異、染色質重塑（結構發生改變）、基因印記以及rna干擾（非編碼rna或者基因沉默）等等（jenuwein 2006）。dna甲基化（cpg島）及其作用dna甲基化是一種表觀遺傳事件，其通過改變基因的表達來影響細胞的功能。甲基化是指在cpg雙核苷酸位點的胞嘧啶上加上一個甲基基團，這一反應是由dna甲基轉移酶（dnmt）的催

5、化完成的。5-甲基胞嘧啶是在dna甲基轉移酶（dnmt1,3a,3b）的催化作用下，甲基基團（ch3）從s-腺苷甲硫氨酸（sam）轉移到胞嘧啶的5位碳原子上。dna甲基化無一例外的發生在cpg位點，cpg島富含cpg位點，其甲基化狀態對于維持正常的胚胎發育以及基因組印記、x-染色體失活都是必需的，具有重要的生物學意義。在基因組大多數序列中，cpg雙核苷酸出現頻率并不多；但是在cpg島中卻富含cpg，每個cpg島長度約1kb，其中cpg雙核苷酸的出現頻率如預期一樣高。整個基因組中約有45,000個cpg島，大多數cpg島位于基因的啟動子及第一外顯子區域。在正常細胞中，cpg島處于非甲基化狀態。d

6、na甲基化的改變與疾病密切相關。cpg島多位于基因的5端，是調控下游基因表達的分子開關。位于5端的cpg島通常處于非甲基化狀態，便于這些基因表達。在一些癌癥中，腫瘤抑制基因5端的cpg島甲基化，引起基因表達關閉（例如，腫瘤抑制基因（p53或p16）附近的cpg島的甲基化通常與這些基因的沉默相關）。dna甲基化使基因沉默的機制是腫瘤抑制基因失活的主要機制之一。cpg島與75的人類基因的表達調控有關（loshikhes and zhang 2000）。cpg島通常是gc含量0.55（預期值為0.5）、長度為大于300bp（不過很少有小于500bp的）的一段基因組序列（aerts et al.200

7、4）。cpg島區域總是保持非甲基化狀態（rollins et al.2006）。dna甲基化是dna復制后在胞嘧啶上發生甲基化的過程。在高等生物中，從植物到人類，甲基化能夠保護dna不被內切酶降解，并且在基因表達的調控過程中具有至關重要的作用，這些功能使得甲基化在正常的發育和生物學功能中起著重要的作用。cpg位點的胞嘧啶要么甲基化要么非甲基化。當dna一條鏈的cpgs被甲基化時，識別半甲基化cpg位點的dna甲基轉移酶則使互補鏈的cpgs甲基化，最終dna雙鏈都被甲基化。在dna復制過程中，甲基化或非甲基化的狀態會遺傳到新產生的兩條dna分子上。dna甲基化是基因組dna的一種標志，并且這種標

8、志可代代相傳。有人認為胞嘧啶的甲基化能夠使基因組易變區的基因表達維持在一定的水平上，dna重復序列及轉座子的積累會導致基因組增大，而甲基化能夠緩沖基因組增大產生的影響（rollins et.al. 2006）。這一觀點與已有的研究具有一致性，已有的研究表明在具有大的基因組（5108bp）的生物中，存在甲基化的dna（kidwell 2002）并且表達dna甲基轉移酶1、3的基因家族（goll and bestor 2005），而小基因組的真核生物中缺乏dna甲基轉移酶的基因。dna甲基化是一種重要的調控轉錄的表觀遺傳機制。在維持正常細胞的生理活動中dna甲基化起著重要的作用，甲基化模式發生改變

9、有可能導致癌癥的發生發展。癌癥的發生發展過程是由基因功能異常積累引發的。在1993年，首次報導了dna甲基化異常能夠引起腫瘤抑制基因的沉默。最近幾年，dna甲基化在癌癥發生過程中的作用已經成為值得關注的研究熱點。各種癌癥以及發育過程中dna甲基化狀態通常會發生改變。在所有的表觀遺傳修飾中，研究最為廣泛的是腫瘤抑制基因（例如brca1、hmlh1、p16ink4a和vhl）啟動子區域高甲基化，這種高甲基化抑制轉錄從而使基因沉默。不過，基因組整體低水平的甲基化也被認為是癌癥發生的原因。甲基化機制及其調控機制的新信息使許多調控蛋白及酶類得以發現（das and singal 2004）。腫瘤細胞中d

10、na甲基化異常（基因組整體甲基化水平低而區域特異性甲基化水平高）出現的頻率很高。基因組整體甲基化水平降低會導致染色體的不穩定性，而區域特異性甲基化水升高與腫瘤抑制基因的失活密切相關。臨床前及臨床研究表明：食物中生物活性的成分的防癌功效，部分原因可能與其改變了dna甲基化模式有關（davis and uthus 2004）。目前已知，衰老和慢性炎癥都會引起dna甲基化。有許多致癌物不會引起基因變異，但卻能引起dna甲基化發生異常。dna甲基化是dna分子的一種標記，在傳代過程中不會丟失。然而，幾年前才開始對dna的甲基化標記在傳代過程中的保真性進行深入分析。研究人員已對cpg位點的甲基化或非甲基

11、化狀態在遺傳過程中的保真性進行了計算，而更為重要的是要分析這種保真性在腫瘤細胞中發生改變的可能性（ushijima et al. 2003）。組蛋白修飾及其對基因表達的作用組蛋白修飾是位點特異的、可逆的修飾，例如乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化及蘇素化（peterson and laniel 2004, allis et al. 2006）。在表觀遺傳機制中，組蛋白尾部的修飾是多樣化的，到目前為止，已經描繪出50多種標志性的組蛋白尾部修飾（jenuwein 2006）（圖4）。圖4 組蛋白尾部修飾位點組蛋白n末端尾部包括大部分已知的共價修飾位點。也有一部分修飾發生在球形結構域（方框標注）。一般來

12、說，激活標志包括乙酰化（藍色的ac小旗）、精氨酸甲基化（還色me六邊形）和一些賴氨酸甲基化，例如h3k4和h3k36（綠色me六邊形）。在球形結構域上的h3k79起到抵抗基因沉默的作用。抑制標志有h3k9、h3k27和h4k20（紅色me六邊形）。圖中，綠色激活標志，紅色抑制標志。在染色質形成過程中，組蛋白修飾是可逆的，組蛋白修飾影響基因表達。當染色質處于松散狀態，基因表達開關打開；當染色質處于致密狀態，基因表達開關關閉（rodenhiser and mann 2006）。為了調控一些與dna相關的生物進程，染色質會發生重塑，并有以下三種方式：一種是通過atp依賴的核小體重塑機制動員或移開核小

13、體組蛋白（smith and peterson 2005）；第二種是通過組蛋白的轉錄后調控改變染色質的結構（strahl and allis 2000）；第三種是通過特定的組蛋白的置換（henikoff and ahmad 2005, cavalli 2006）。組蛋白（與啟動子區域結合的h3和h4）的乙酰化能松弛組蛋白-dna結合，有利于基因轉錄，這一過程與乙酰化組蛋白招募含有乙酰化賴氨酸結合模塊（溴區結構域, bromodomain）的轉錄激活因子密切相關。在許多真核生物的轉錄因子中都能找到這種溴區結構域（winston and allis 1999）。表觀遺傳修飾的研究涉及組蛋白氨基端尾

14、部的賴氨酸的乙酰化或去乙酰化，而乙酰化或去乙酰化受組蛋白乙酰轉移酶（hats）和組蛋白去乙酰化酶（hdacs）調控。組蛋白乙酰化和去乙酰化維持平衡狀態對于正常細胞生長至關重要（waterborg 2002）。在許多腫瘤中，hats和hdacs在結構或者表達水平上都會發生改變（timmermann et al. 2001, jones and baylin 2002,）。組蛋白甲基化要么導致轉錄抑制，要么導致轉錄激活（peterson and laniel 2004, brinkman et al. 2006, allis et al. 2006,）。h3k27me3（位于基因間區和沉默基因的編

15、碼區）與轉錄抑制相關，而另外一些組蛋白甲基化，例如h3k4me3（位于啟動子區）則與轉錄激活相關。研究已表明h3 k9的甲基化（h3k9me3）是基因沉默的標志，但存在于基因編碼區的h3k9me3似乎與基因激活有關（brinkman et al. 2006）。基因間區、編碼區和啟動子區位于染色質的不同區段。然而，一些新近的研究結果卻對異染色質和常染色質涇渭分明的觀點提出了質疑，并提示了：常染色質與異染色質之間通過相互依賴的模式，或者通過各自獨立的修飾模式，最終共同發出基因表達與否的信號（brinkman et al. 2006）。h3k27me3明顯存在于基因間區和沉默基因的編碼區，但h3k2

16、7me3也與一些激活基因的編碼區有關聯；與此相似的是，組蛋白h3/h4的乙酰化和h3k4me3富集于啟動子區，但它們卻并非基因轉錄的標志（brinkman et al. 2006）。另外，h3k9me3不僅僅存在于失活的x染色體中，也位于激活基因的編碼區（brinkman et at. 2006）。對含有染色質結構域的蛋白的招募可以解釋一些標志性的甲基化事件（flanagan et al. 2005, becker 2006）。組蛋白甲基化和組蛋白乙酰化共同作用參與轉錄的沉默（圖5），這便提供了一個分子網絡用以解釋在細胞分裂和分化期間，異染色質是如何形成和維持（czermin and imho

17、f 2003）。目前已經有六個組蛋白甲基化位點得到了確認：五個在組蛋白h3上（k4、k9、k27、k36、和k79）；一個在組蛋白h4上（k20）（表1）。一般認為，h3k4、h3k36和h3k79與轉錄激活相關，而其他的則與轉錄抑制相關。下表列出了已報導的組蛋白的修飾以及這些修飾是激活還是抑制基因的轉錄。值得注意的是，泛素化可以激活（h2b）也可以抑制（h2a）基因的轉錄；而蘇素化則是抑制基因的轉錄（allis et al. 2006）。圖5 染色質修飾間的協調作用轉錄激活的常染色體（左邊）同轉錄抑制的異染色體（右邊）之間的相互轉換，期間涉及到一系列協調作用的染色質修飾。例如，轉錄激活的過程

18、中伴隨著核小體的重塑和組蛋白的變異體（黃色，即h3.3）替換核心組蛋白等。表1 組蛋白上的轉錄標志激活標志沉默標志乙酰化h3（k9、k14、k18、k56）h4（k5、k8、k12、k56）h2ah2b（k6、k7、k16、k17）甲基化h3（k9、k27）h4（k20）甲基化h3（k4、k36、k79）組蛋白變異體h3.3磷酸化h3（s10）組蛋白修飾、dna甲基化和癌癥的關系組蛋白修飾和dna甲基化是細胞核功能的一部分。基因組的穩定性和基因表達的正確性有賴于dna甲基化和組蛋白修飾模式的建立。而dna甲基化和組蛋白修飾的正常模式被打破是癌癥的一個特征。已經被廣泛接受的觀點是：mdb蛋白通過招募組蛋白去乙酰化酶及改變染色質結構的染色質重塑活動使得dna甲基化，引起基因沉默。盡管組蛋白的修飾（在h3的第四位賴氨酸的乙酰化和甲基化）通常會激活基因表達，但事實上基因表達的調控有多個水平，包括h3的第17位精氨酸的甲基化、組蛋白h3