摘要：表观遗传修饰易受环境因素的影响而发生改变。在早期发育阶段, 经历两轮重编程过程, 几乎所有的表观遗传标记均被清除。但在未直接接触环境因子的子代中仍能发现表观遗传信息以及相关表型的存在, 由此提出表观遗传跨代继承的概念。深入探究表观遗传跨代继承, 有利于全面认识环境因素对人类健康产生的深远影响, 并为环境暴露早期阶段采取有效防御措施以及疾病治疗提供依据。因此, 本文针对表观遗传跨代继承的定义、其与环境因素的关系、分子机制以及研究方法等方面进行系统述评。
关键词：表观遗传; 跨代继承; 环境因素;
The advance of environmental stress and epigenetic transgenerational inheritance
CHEN Shen LI Dao-chuan CHEN Wen
Department of Preventive Medicine, School of Public Health, Sun Yat-sen University
Abstract：
Epigenetic signatures can be modified in response to environmental influence. All of epigenetic markers can be almost erased by a two-step epigenome reprogramming progress during early development. However, epigenetic information and related phenotype occur in the absence of direct environmental exposure. It is called epigenetic transgenerational inheritance. Further study of epigenetic transgenerational inheritance will help us realize the profound influence of environmental factors on human health, and develop effective measures to prevent us from hazards. In this comment, we focus on epigenetic transgenerational inheritance and environmental stress and discuss the future of this area.
Keyword：
Epigenetic inheritance; Transgenerational inheritance; Environmental stress;
表观遗传修饰 (epigenetic modification) 是指不涉及DNA序列改变, 但可遗传的基因表达的改变[1]。表观遗传修饰是可塑的, 易受环境和行为的影响而发生改变, 如营养、吸烟和空气污染[2]。环境因素不仅能够影响机体的表观遗传修饰水平, 而且能够促进疾病和表型变异相关的表观遗传学信息向子代传递[3]。内分泌干扰物以及营养干预, 能够引起生殖系细胞表观遗传信息的改变, 这些改变与相关的疾病、表型呈多代遗传倾向。即使后代没有直接接触环境因子, 仍然出现相关的表观遗传修饰改变以及疾病、表型。由此引出表观遗传跨代继承的概念。本文将针对表观遗传跨代继承的定义、环境因素对表观遗传跨代继承的影响以及表观遗传跨代继承的机制、研究方法等进行述评。
1 表观遗传跨代继承概述
表观遗传标记易受环境和生活方式的影响而发生改变, 而表观基因组的改变能导致细胞基因表达谱的变化, 或使机体产生适应性, 或在细胞中产生累积的有害影响。表观遗传标记可能具有从父母向后代遗传的倾向, 并影响后代的发育和疾病易感性。表观遗传标记在生命周期中经历两轮重新编程, 分别在配子形成和受精过程中完成, 这很可能导致全基因组的表观遗传信息缺失。然而, 各个阶段存在不完全清除的表观遗传标记, 从而避免配子和胚胎早期发育过程中的表观重编程。如果环境因素导致亲代生殖系细胞表观基因组发生永久性的改变, 那么通过生殖系细胞多代传递, 将产生表观遗传跨代继承表型。
第一轮重编程发生在原始生殖细胞中 (primordial germ cells, PGCs) 中, 即配子形成过程中, 大部分DNA甲基化位点被快速去除, 组蛋白修饰的去除等其他重编程事件亦同时进行。雄性配子中主要发生主动去甲基化, 而雌性配子中主要发生被动去甲基化。但重编程并非全面进行, 某些表观遗传标记会被保留。第二轮重编程伴随着受精进行。在受精后, 父本基因组迅速发生去DNA甲基化, 去除多数表观遗传标记。随着卵裂的进行, 母源基因组发生被动的脱甲基化。
表观遗传跨代继承是指在没有直接环境暴露的情况下, 表观遗传标记和表型仍能向后代遗传[4]。如当孕期的母亲 (F0代) 暴露于环境毒物, 正在发育的胚胎 (F1代) 和胚胎中已经发生的的生殖细胞 (F2代) , 也直接暴露于环境毒物中, 此处F0、F1、F2代属于多代暴露, 并不属于跨代继承现象。而F3代没有直接接触环境因子, 则属于跨代继承表型。若父亲或者孕前母亲 (F0代) 已暴露于该环境因子中, 则其F2代没有与环境因子直接接触, 可用以确定潜在的跨代继承表型。
2 环境因素对表观遗传跨代继承表型的影响
2.1 环境污染物
已经被证明具有促进表观遗传跨代继承表型的环境污染物中, 内分泌干扰物占了大量的比例。这一系列污染物通过干扰内分泌系统的功能, 直接改变生殖系细胞表观遗传修饰, 从而产生跨代遗传继承表型。如在胚胎性腺分化阶段, 孕鼠暴露于乙烯菌核利会导致F1~F4代雄鼠精子数量和活性降低, 雄鼠不育率升高, 且伴随DNA甲基化模式的跨代继承[5]。此外, 双酚A (bisphenol A, BPA) 引起的生精障碍、肥胖, 杀虫剂滴滴涕 (dichlorodiphenyltrichloroethane, DDT) 引起的肥胖、精子损伤, 二噁英引起的前列腺疾病、生殖系统障碍[6]等表型均能跨代遗传, 并伴随表观遗传标志的跨代继承。
2.2 饮食因素
荷兰大饥荒引起当地大量婴儿体重减少、出生缺陷、心血管疾病、糖尿病等, 该现象持续几代均发生[7]。动物实验表明, 高脂饮食、尼古丁等分别可引起肥胖、哮喘等表型的跨代遗传[8,9]。
2.3其他因素
其他因素, 如精神行为因素、气候因素等, 均可能引起表观遗传跨代继承。研究[10]发现, 母鼠对幼崽的舔舐和理毛行为可以改变海马区糖皮质激素受体基因 (glucocorticoid receptor, GR) 启动子的甲基化状态, 并能在子代中发现GR基因启动子DNA甲基化的水平升高。热应激、干旱等气候因素可引起特异组蛋白修饰、DNA甲基化修饰等表观遗传标记的跨代传递。
3 表观遗传跨代继承的机制
3.1 DNA甲基化
基因组DNA甲基化模式在受精后和早期胚胎发育过程中经历一个去甲基化和再甲基化的过程。而差异甲基化区域的印记基因和反转录转座子不经历这两个过程。
基因组印记是被广为认可的表观遗传现象, 是指体细胞来源于不同亲代的一对等位基因发生的差异性表达, 即机体仅表达来自亲本一方的等位基因, 而另一方不表达[11]。基因印记是由DNA甲基化造成的。等位基因激活和沉默的亲代特异性可以直接传递给下一代。在早期生殖细胞发育过程中, 印记基因经历快速的DNA去甲基化改变, 但甲基化的印记基因能避免第二轮的去甲基化编程, 保持到受精后乃至整个早期胚胎中。因此, 目前认为基因组印记的DNA甲基化是获得性表观遗传特征跨代传递的主要载体。
一些重复序列也可避免去甲基化编程。IAPs是具有逆转录酶的重复DNA元件, 它拥有一个作为启动子的长端末端重复区域 (long terminal repeat regions, LTR) 。位于IAPs附近的Cp G岛在所有发育阶段都显示出高度的甲基化水平, 而大部分IAPs的LTR序列的甲基化修饰能避免去甲基化编程, 而传递到胚胎中[12]。即使是在PGCs中, IAPs中有相当一部分基本上没有被重新编程。IAPs为表观遗传跨代继承提供了潜在途径。
3.2 非编码RNA
表观遗传跨代继承也可能是由非编码RNA介导的, 如微小RNA (microRNA) 或长非编码RNA (lnRNA) 。非编码RNA在早期发育中具有重要的功能, 可调控胚胎的基因表达, 促进发育转变, 并维持发育状态。
动物实验表明, 在受影响的动物精子中发现了特定microRNA转录的增加, 并且这种表现型甚至可以至少遗传3代[13]。然而, 尚未有明确的人群研究证据表明由microRNA引起的表观遗传跨代继承。
3.3 组蛋白修饰
组蛋白是真核生物染色体的基本结构蛋白。组蛋白尾伸出核小体, 易受到共价修饰, 如乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化。组蛋白修饰会影响染色质构象和基因转录过程, 是维持细胞正常功能的重要因素。
对线虫、果蝇的研究表明[14,15], 组蛋白修饰, 特别是H3K4me3和H3K27me3的组蛋白修饰因子与寿命延长、发育等表型的跨代继承有关。然而, 迄今为止, 很少关于哺乳动物的研究支持组蛋白修饰在跨代遗传继承过程中的作用。对小鼠和人类的研究都只局限于对早期胚胎的研究, 因此目前尚不清楚这些修饰对后代的发育后期有何影响。
4 疾病的表观遗传跨代继承现象及其研究方法
流行病学研究表明, 在发育早期的环境暴露会影响疾病的易感性。而环境因素产生的影响可能会在随后的几代人中传递。研究[16]表明, 父亲饮食的改变 (高脂肪或低蛋白饮食) , 或宫内暴露于母体限制饮食, 会导致后代患代谢疾病的风险增加。因此, 如果胎儿在发育过程中营养不良, 为了维持正常发育, 胎儿会改变自身新陈代谢, 通过消耗自身物质降低生长速度, 即胎儿变得“节俭”, 这种改变会持续很长时间, 甚至是永久性的。
然而, 人群的遗传变异大, 环境、行为因素复杂, 且存在复杂的肠道菌群、代谢系统, 流行病学研究难以排除以上因素, 因此尚无人群研究数据直接支持疾病的表观遗传跨代继承现象。由于哺乳动物基因背景的可控性及样本的可及性强等优势, 越来越多环境因素的表观遗传跨代继承效应在动物实验中被证实, 并深入进行表观遗传学机制的探究。
5 展望
目前若要阐明表观遗传跨代继承问题仍有许多困难需要克服。首先, 证明跨代表观遗传最有力的证据来自于小鼠的研究, 但是由于人类和小鼠的表观基因组之间的差异, 无法根据动物实验证据向人群作出推断[17]。且这一系列研究都是在近交系小鼠中进行的, 目前尚不清楚这些结果是否可以在其他品系小鼠身上重现。其次, 当观察到父母和子女出现相同的表型或者疾病, 以及携带相似的表观遗传学标志时, 这些观察结果并无法直接归因于表观遗传跨代继承, 其中原因可能是由于创伤性暴露、基因突变、DNA修复障碍等。此外, 处于一个相似的环境是可以解释子代与父母、祖父母之间表观遗传特征的相似性。最后, 由于以下原因, 在人群中进行跨代遗传的研究比动物更为复杂: (1) 表观遗传跨代继承要求对3~4代的生物标本进行纵向的多代研究, 因此需要几代人来共同参与研究。但到目前为止, 还没有进行过这样的研究。 (2) 与动物研究不同的是, 人群研究存在较大的个体变异、随机差异和伦理限制。 (3) 人类的杂合性使得区分遗传学和表观遗传学变得困难。只有当个体具有真正相同的基因, 并表现出可遗传的一系列表型时, 这些现象才可能被归因于表观遗传的变异。
因此, 合理结合人群数据与动物实验, 明确早期生命发育过程中表观遗传标志的建立过程, 以及表观遗传标志在疾病发生、发展中的作用, 将会为明确环境因素与表观遗传跨代继承的关系提供更多的依据。
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