趙春華,毛曉晶,韓 欽

(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所，北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 基礎(chǔ)學(xué)院組織工程中心,北京 100005)

干細胞分化調(diào)控的分子機制一直是生命科學(xué)研究領(lǐng)域的焦點。在過去幾年里,該領(lǐng)域的研究主要集中在干細胞所處的微環(huán)境,環(huán)境信號分子如TGF-β、Wnts和Notch等在調(diào)控干細胞分化中所起的作用。干細胞從自我更新狀態(tài)向特定譜系分化的轉(zhuǎn)變過程總是伴隨細胞形態(tài)和功能的改變,這些改變很大程度上由基因的差異表達決定。具體地講,干細胞自我更新相關(guān)基因關(guān)閉,細胞類型特異性基因轉(zhuǎn)錄激活。因此,研究干細胞分化的內(nèi)源性調(diào)控因素日益受到重視。

近幾年，越來越多的研究集中于理解干細胞干性特征及其分化過程的遺傳學(xué)和表觀遺傳學(xué)調(diào)控。干細胞分化涉及到基因組范圍內(nèi)多個基因座大規(guī)模改變，DNA甲基化以及各種各樣組蛋白修飾都有變化。表觀遺傳機制被定義為除了基因組序列以外的可遺傳密碼，包括組蛋白翻譯后修飾，DNA的CpG二核苷酸甲基化，ATP依賴的染色質(zhì)重塑，組蛋白和組蛋白變異體的交換，以及非編碼RNA分子[1]，在基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控中發(fā)揮重要作用。哺乳動物基因組有復(fù)雜的DNA甲基化和組蛋白修飾譜系,這種體系構(gòu)成表觀基因組(epigenome)[2]。

本綜述旨在初步闡明表觀遺傳的概念和基本內(nèi)容，胚胎干細胞(ES)基因組的表觀遺傳特征和分化過程中表觀遺傳的動態(tài)變化，以及DAN甲基化和組蛋白修飾之間的關(guān)系。

1 表觀遺傳學(xué)概念和內(nèi)容

經(jīng)典的表觀遺傳學(xué)定義為DNA或染色質(zhì)上可有絲分裂遺傳的修飾，不改變原始的核苷酸序列[3]。細胞分化的實質(zhì)是基因選擇性表達?；蛟诩毎徒M織中特異性表達，傳統(tǒng)上認為受細胞/組織中活躍的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控，但是轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控一般有局限性，并且在應(yīng)答環(huán)境和細胞外刺激時迅速變化。各種各樣的基因表達同時受到表觀遺傳系統(tǒng)的DNA甲基化和組蛋白修飾控制。

1.1 DNA甲基化 DNA甲基化是表觀基因組關(guān)鍵成分，通過啟動子CG二核苷酸序列甲基化抑制基因表達，此外DNA甲基化還定位于基因組異染色質(zhì)上和重復(fù)元件中。DNA甲基化比組蛋白修飾更能維持長期抑制，并且動態(tài)性沒有組蛋白修飾明顯[4]。DNA甲基化通過細胞有絲分裂負責(zé)特異基因表達模式穩(wěn)定維持，被認為是基因表達狀態(tài)穩(wěn)定的主要因素。

哺乳動物中，DNA甲基化由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(Dnmts)在5’-CG-3’二核苷酸(CpG島)上起作用實現(xiàn)，5-甲基胞嘧啶(5-MeC)是基因組DNA中唯一的化學(xué)修飾。甲基化CpGs在細胞傳代時可遺傳。小鼠基因組超過60%CpG甲基化，大部分在重復(fù)元件(包括中度重復(fù)和衛(wèi)星DNA)上，起到抑制轉(zhuǎn)座，提高基因組穩(wěn)定性作用。5-MeC存在于獨特序列中的數(shù)量少于存在于重復(fù)序列中。最近研究發(fā)現(xiàn)DNA甲基化以組織或細胞特異性方式表達，調(diào)控更多基因表達，調(diào)控多樣的細胞過程，包括發(fā)育基因調(diào)控，X染色體失活，基因組防御和基因組印記[17]。

DNA甲基轉(zhuǎn)移酶有兩種，分別是維持甲基化酶和從頭甲基化酶。Dnmt1把甲基團加到只有一條鏈甲基化的半甲基化DNA上，和甲基化CpG結(jié)合蛋白2(MeCP2)直接相互作用，在復(fù)制期間給子鏈甲基化，維持親代DNA甲基化模式。Dnmt3a, Dnmt3b在試管內(nèi)可以從頭甲基化，體內(nèi)敲掉以后，隨著細胞傳代次數(shù)越多，甲基化進行性損失，所以又有維持甲基化的功能[2,16]。

DNA甲基化模式在哺乳動物發(fā)育期間由DNA轉(zhuǎn)移酶家族有序構(gòu)建，開始于受精卵發(fā)育數(shù)小時內(nèi)細胞分裂期雄原核發(fā)生一波去甲基化之后，接下來在胚胎植入后基因組范圍內(nèi)從頭甲基化開始。原腸胚期由于從頭甲基化基因組DNA甲基化程度很高，分化期間在特異性組織中DNA甲基化水平傾向于降低[3,5,15,23]。

DNA甲基化介導(dǎo)的基因調(diào)控通過兩個機制起作用。第一，在轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合元件內(nèi)的CpG甲基化直接干擾某些轉(zhuǎn)錄激活劑和靶序列的結(jié)合 。第二，更一般地，甲基化基因通過含有甲基化CpG結(jié)合域(MBD)的蛋白家族起作用，比如MeCP2和MBD1,他們結(jié)合甲基化CPG島，抑制基因表達。這些MBD蛋白本身是轉(zhuǎn)錄抑制劑，進一步耦聯(lián)其他輔阻遏蛋白和組蛋白修飾酶，導(dǎo)致抑制性染色質(zhì)重塑和基因沉默[18,21]。

1.2 組蛋白修飾 組蛋白修飾在調(diào)控細胞特異性基因表達過程同樣發(fā)揮重要作用。組蛋白修飾是另一種形式表觀遺傳調(diào)控，是指翻譯后修飾加到組蛋白N端尾巴上，暴露在核小體外面。到目前為止，核心組蛋白上(H2A，H2B，H3，H4)上有60多個不同殘基已經(jīng)報道可進行修飾，這些修飾包括乙?；谆?，磷酸化，泛素化，SUMO修飾，ADP核糖基化和脯氨酸異構(gòu)化等。有幾種組蛋白修飾和5-MeC相協(xié)調(diào)。這些表觀遺傳標記一般和染色質(zhì)凝集有關(guān)，染色質(zhì)凝集在沉默基因，穩(wěn)定染色體結(jié)構(gòu)，抑制逆轉(zhuǎn)座子移動方面起作用。[2]除此之外，通過組蛋白替換——插入組蛋白變異體的方式，組蛋白修飾能夠重置。

不同組蛋白修飾之間有著協(xié)同或拮抗作用，去應(yīng)答合適的發(fā)育信號調(diào)控基因表達。組蛋白賴氨酸甲基化能作為抑制或者激活標志。特別是，在組蛋白H3上的賴氨酸K4和賴氨酸K27甲基化已顯示分別和基因表達激活和抑制相關(guān)，兩種修飾分別通過Trithorax(TrxG)和Ploycomb(PcG)蛋白復(fù)合體起作用，在譜系特異性發(fā)育過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。K9和K27一樣，甲基化一般和沉默區(qū)域相關(guān)。

組蛋白修飾和激活的或抑制的染色質(zhì)狀態(tài)相關(guān)，在轉(zhuǎn)錄起始和延長中起作用[6]。組蛋白乙?；腿ヒ阴；瘺Q定了染色質(zhì)的轉(zhuǎn)錄活性。組蛋白H3/H4乙酰化中和了正電荷，使臨近核小體之間的相互作用消失，協(xié)調(diào)促進包裝染色質(zhì)纖維的解折疊，并把DNA模板暴露給了轉(zhuǎn)錄因子，此外H3K4甲基化直接把轉(zhuǎn)錄激活劑拴在了染色質(zhì)上，一般和轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)。染色質(zhì)重塑蛋白Chd1結(jié)合甲基化H3K4，募集SAGA(乙?；D(zhuǎn)移酶)，這些修飾位于常染色質(zhì)內(nèi)；相反，H3K9甲基化，H3K27甲基化促進了緊密的異染色質(zhì)結(jié)構(gòu)形成，各自募集異染色質(zhì)相關(guān)蛋白1(HP1)和多梳抑制復(fù)合體1(PRC1)，這些修飾和基因沉默有關(guān)。H3K27甲基化介導(dǎo)的抑制和兼性異染色質(zhì)有關(guān)，然而在一些環(huán)境中H3K9甲基化介導(dǎo)的抑制和組成型異染色質(zhì)有關(guān)[1]。

組蛋白的翻譯后修飾模式形成綜合性的組蛋白密碼(histone code)，不僅僅代表基因活化或抑制的一種狀態(tài)，更通過染色質(zhì)構(gòu)象改變控制基因表達[7,14,17]。組蛋白密碼的存在將基因組分成激活區(qū)域、抑制區(qū)域和靜息狀態(tài)待激活區(qū)域[8]。在基因轉(zhuǎn)錄期間，一方面由于轉(zhuǎn)錄因子和RNA多聚酶Ⅱ募集染色質(zhì)修飾酶，所以組蛋白修飾動態(tài)變化，而另一方面組蛋白修飾酶的組合先于轉(zhuǎn)錄因子存在，因此指導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合[14]。特征最明顯的組蛋白修飾就是賴氨酸乙?；?。H3Ac, H4Ac發(fā)現(xiàn)于轉(zhuǎn)錄激活染色質(zhì)中。組蛋白甲基化表觀遺傳調(diào)控，被認為很穩(wěn)定，涉及到某些基因組區(qū)域長期維持。然而，最近發(fā)現(xiàn)了組蛋白去甲基化酶，揭示了組蛋白甲基化比以前所認為的要更加靈活。到目前為止，至少有5種可以甲基化的賴氨酸位置在H3 (K4, K9, K27, K36, and K79)上，一個在 H4 (K20)上。另一層復(fù)雜性在于有3種不同的甲基化狀態(tài)，即單甲基化、二甲基化、三甲基化 (monomethylated, dimethylated, or trimethylated)狀態(tài)，控制特異位點的轉(zhuǎn)錄能力。組蛋白修飾譜在基因組非重復(fù)區(qū)域，和DNA甲基化譜一樣也是組織細胞特異性的。H3K4，K36，K79甲基化導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄激活。然而，H3K9，H3K27以及H4K59甲基化和轉(zhuǎn)錄沉默相聯(lián)系[7]。

表觀遺傳信息能夠通過連續(xù)的細胞分裂而傳遞，表觀遺傳能夠遺傳(epigenetic inheritance)詳細機制在其他綜述中已有報道[6]，這也提示我們：染色質(zhì)在發(fā)育期間維持轉(zhuǎn)錄模式過程中發(fā)揮重要作用[6,9]。

1.3 染色質(zhì)重塑 染色質(zhì)重塑是表觀遺傳的重要內(nèi)容之一，它是指染色質(zhì)位置和結(jié)構(gòu)的變化，是在能量驅(qū)動下真核細胞核小體在DNA上重新定位或排列的過程，它改變了核小體在基因啟動子區(qū)的排列，增加了基因轉(zhuǎn)錄裝置和啟動子的可接近性。染色體重塑主要有2種類型，一是依賴ATP的物理修飾，通過ATP水解所釋放的能量改變核小體和組蛋白構(gòu)型；二是通過對核心組蛋白N端尾部進行共價性化學(xué)修飾，包括組蛋白末端乙?；?、磷酸化、甲基化和泛素化等，直接影響核小體的結(jié)構(gòu)，并為其他蛋白提供DNA結(jié)合位點。

在表觀基因組形成時涉及到幾種“表觀遺傳因子”，比如DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(Dnmts)、組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶(HMTs)、組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶 (HAT)、組蛋白去乙酰化酶(HDAC)、DNA甲基化識別結(jié)合蛋白(MBD)、組蛋白甲基化識別結(jié)合蛋白、染色質(zhì)重塑因子等其他分子，這些分子之間相互關(guān)聯(lián)，彼此影響定位，影響功能發(fā)揮。這些分子可以形象的稱為表觀遺傳密碼中的閱讀者(readers)、書寫者(writers)和清除者(erasers)[3]。

不同染色質(zhì)狀態(tài)之間的過度是高度動態(tài)性的，依靠維持轉(zhuǎn)錄沉默狀態(tài)的因素如組蛋白去乙?；窰DAC、H3K9甲基轉(zhuǎn)移酶和促進沉默狀態(tài)起始轉(zhuǎn)錄的因素如組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶HAT、H3K4甲基轉(zhuǎn)移酶進行平衡。這些平衡因素破壞就會將染色質(zhì)平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變成激活的或抑制的染色質(zhì)構(gòu)象[5]。

1.4 非編碼RNA分子 Non-coding RNA以RNA依賴的方式直接指導(dǎo)DNA甲基化和組蛋白修飾。

2 表觀遺傳學(xué)和干細胞分化的關(guān)系

胚胎干細胞ESCs來源于哺乳動物胚泡內(nèi)細胞團，有無限自我更新潛能，并且能在體內(nèi)分化成各種類型體細胞。數(shù)十年來發(fā)育生物學(xué)家面臨的一個主要挑戰(zhàn)就是去闡明結(jié)構(gòu)和功能上不同的器官組織是怎么由遺傳相同細胞構(gòu)建的。一個特別令人困惑的問題就是一個胚泡里臨近位置的多潛能干細胞所暴露的外界環(huán)境相同或相似，最后卻分化成不同細胞譜系[1]。

2.1 ES表觀遺傳圖譜維持多潛能性 我們嘗試揭開干細胞維持干性特征(stem cell signature)，也就是未分化狀態(tài)的分子機制，進一步理解組織特異性基因如何在發(fā)育完晚期進行表達，在ES細胞中不表達卻保留表達潛能，顯然只有轉(zhuǎn)錄譜的信息量不夠，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)表觀遺傳學(xué)同樣發(fā)揮重要作用[6]。有研究表明干細胞主要通過一些主要轉(zhuǎn)錄因子的表達、表觀遺傳學(xué)的調(diào)控和非編碼RNA(如miRNAs)的作用來維持其多潛能性和自我更新能力，進而形成一個相互調(diào)控和依存的網(wǎng)絡(luò)[4,10]。

多潛能細胞有獨特的表觀遺傳特征反映其廣泛的發(fā)育潛能，其表觀遺傳圖譜(epigenetic landscapes)可能是細胞過去發(fā)育狀態(tài)、現(xiàn)在發(fā)育狀態(tài)、將來發(fā)育潛能的敏感指標[3]。在野生型ES細胞和體細胞中，CpG島甲基化水平呈現(xiàn)兩種模式分布，大部分基因組區(qū)域或者是大規(guī)模非甲基化或者是大規(guī)模甲基化的。CpG島甲基化狀態(tài)和局部CpG島密度高度相關(guān)。ES細胞幾乎所有含大量CpG島的啟動子都富含H3K4me3而沒有DNA甲基化，因此這些位點的基因轉(zhuǎn)錄活性高。ES細胞中含少量CpG島的啟動子，一般和組織特異性基因相關(guān)，其中大部分是DNA甲基化的，只有不到10%含有H3K4me2/me3，因此譜系決定基因在ES中沉默，這也從側(cè)面反映DNA甲基化和組蛋白修飾緊密相關(guān)。相似地，所有ES的多潛能基因是DNA甲基化水平低，H3K4甲基化水平高，因此多潛能基因高表達，維持干性狀態(tài)。ES中非CpG島處DNA甲基化水平非常低，體細胞非CpG島處中幾乎檢測不到。

和ES細胞DNA甲基化圖譜類似，ES細胞中染色質(zhì)狀態(tài)圖也很多?？傮w上來說，多潛能細胞染色質(zhì)結(jié)構(gòu)開放，激活的染色質(zhì)區(qū)域(常染色質(zhì))廣泛，有高轉(zhuǎn)錄活性，而譜系決定區(qū)存在高度凝集的轉(zhuǎn)錄失活異染色質(zhì)。在hESC中幾乎75%的啟動子(活化和失活)富含H3K4甲基化，組蛋白標記的綜合圖譜很復(fù)雜，抑制性H3K27me3和激活性H3K4me3共定位，H3K4me3 and H3K56ac也存在共定位，基因沉默區(qū)包括轉(zhuǎn)座子和重復(fù)序列通常有異染色質(zhì)標記H3K9me3和H4K20me3，中心粒異染色質(zhì)處還有H3K64me3[3]。

2.2 細胞分化期間表觀遺傳學(xué)動力學(xué)變化 細胞分化涉及到基因組范圍內(nèi)多個基因座大規(guī)模改變，DNA甲基化和去甲基化以及各種各樣組蛋白修飾都有變化[2]。首先，DNA甲基化是分化期間發(fā)育調(diào)控者之一。ES細胞含有低水平的DNA甲基化，分化期間又獲得DNA甲基化導(dǎo)致譜系特異性基因沉默，而多潛能基因也變成DNA甲基化的，在分化后細胞中保持多潛能基因沉默。在造血干細胞、B淋巴細胞、上皮前體細胞中發(fā)現(xiàn)刪除DNMT1，會引起分化相關(guān)基因異常表達，造成異常分化[3]。

ES細胞和分化體細胞一樣，對于激活基因轉(zhuǎn)錄采用相似表觀遺傳機制。然而，最近有證據(jù)表明在ESCs中，有獨特組蛋白修飾機制，沉默譜系特異性基因，從而在ESC中不轉(zhuǎn)錄，但在隨后的分化期間激活[1]。

根據(jù)基因組研究，大多數(shù)發(fā)育需要的轉(zhuǎn)錄因子和多潛能基因在在多潛能狀態(tài)下是非DNA甲基化的。ES細胞中和分化細胞比較也發(fā)現(xiàn)：ES細胞中染色質(zhì)通常不是致密壓縮狀態(tài)，更多的是處于轉(zhuǎn)錄允許狀態(tài)，由H3K4甲基化和H3K27甲基化維持平衡，不包含H3K9甲基化[6]。這里將提到雙向染色質(zhì)(bivalent chromatin)的概念，ES基因組范圍內(nèi)染色質(zhì)圖譜顯示：一大部分發(fā)育和組織特異性基因同時含有抑制性的修飾H3K27me3和激活修飾H3K4me3，這種激活和抑制染色質(zhì)標記緊密并存，就稱為雙價修飾，相應(yīng)的基因在多潛能的ES中低水平表達，事實上這些位點處于靜息狀態(tài)，在發(fā)育過程中準備激活，這說明一種多潛能細胞基因調(diào)控新模型，許多重要的組織特異性調(diào)控基因預(yù)備表達，但是起反作用的組蛋白修飾使其維持在待命狀態(tài)，去應(yīng)答合適的發(fā)育信號。分化期間，這種雙向染色質(zhì)譜一般裂解，導(dǎo)致組織特異性基因轉(zhuǎn)錄激活，另外的發(fā)育途徑相關(guān)位點沉默。這些雙向染色質(zhì)不局限于ES細胞，還發(fā)現(xiàn)于造血干細胞、神經(jīng)前體細胞、間充質(zhì)干細胞、肌肉干細胞/衛(wèi)星細胞、成纖維細胞、T細胞中，成體干細胞在體內(nèi)環(huán)境中要適當再生細胞池，共價修飾是保持譜系靈活性的共同特征已有研究驗證，雙價染色質(zhì)修飾可能是胚胎干細胞和成體干細胞的共同特征，有研究猜測一旦細胞變成終末分化狀態(tài)，雙向修飾才將完全關(guān)閉[6,11,14]。

當ESCs要分化成特定譜系時，抑制性組蛋白修飾會從所需要的譜系控制基因座清除，激活性修飾會維持，因此允許轉(zhuǎn)錄起始。正相反，當ESCs經(jīng)誘導(dǎo)已分化成其他細胞譜系時，激活性組蛋白修飾會清除而抑制性修飾會維持，因此表達后基因會穩(wěn)定沉默。只有一部分關(guān)鍵發(fā)育基因和譜系控制基因在ESCs中有共價染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，然而，其他譜系控制基因有不同組蛋白修飾模式，可能以非特征性的表觀遺傳機制，允許基因在發(fā)育晚期階段激活。當然，雙價組蛋白修飾和DNA甲基化相比，在快速誘導(dǎo)分化條件下顯示出更大靈活性[1]。

通過不同組蛋白修飾以及他們和轉(zhuǎn)錄活性的緊密相關(guān)性，有研究報道ES細胞基因組中所有基因能分成3個不同部分：10278個基因只含H3K4me3，1798個基因含有H3K4和K27me3,5393個基因這兩種修飾都不含。GO分析顯示只有H3K4甲基化修飾的這類基因牽涉到與增殖相關(guān)的生物學(xué)過程，比如核酸代謝、細胞周期進展、蛋白質(zhì)和DNA代謝也非常豐富，這些基因普遍和ES細胞的自我更新特性有關(guān)聯(lián)。在所有共價修飾的基因目錄中，即時分化所必須的生物學(xué)過程更加豐富，比如外胚層發(fā)育、神經(jīng)發(fā)生、轉(zhuǎn)錄調(diào)控和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等。最后，沒有H3K4me3或者H3K27me3修飾的這類基因大多呈現(xiàn)于譜系特化過程以及機體和環(huán)境刺激相互作用過程，比如味覺、知覺、免疫、防御過程。

總之，這些數(shù)據(jù)揭示ES細胞基因組不同的功能分區(qū)，與不同的組蛋白H3三甲基化譜和基因表達活性相關(guān)，CHIP-PET測序分析描繪的人ES細胞基因組內(nèi)組蛋白H3K4和K27甲基化模式，確定了ES細胞自我更新特性、多潛能維持和譜系特化潛能[9]。

2.3 干細胞表觀基因組和成體細胞區(qū)別 干細胞與成體細胞相比，表觀基因組有高度延展性和應(yīng)答性，多個證據(jù)支持這個模型。首先，ESCs和分化細胞相比，有更多雙價或靜息(bivalent/poised)啟動子，這些標志重要的發(fā)育調(diào)控者基因。其次，胚胎干細胞、成體干細胞與分化細胞相比，啟動子處DNA甲基化和H3K27me3水平更低[14]。 而分化后細胞多潛能基因比如Oct4處，DNA甲基化、H3K9me3和H3K27me3水平升高，沉默多潛能基因[4]。

為了更好地理解多潛能和分化細胞中的表觀基因組圖譜(epigenomic landscapes)，探索全基因組范圍內(nèi)組蛋白修飾和DNA甲基化的關(guān)系，Hawkins, R.D.,實驗室在H1人胚胎干細胞(hESCs)和胎兒肺成纖維細胞(IMR90)中綜合分析了11個組蛋白修飾，而且最近獲得了基因組范圍核苷酸DNA甲基化的分辨圖。分化細胞和hESC相比，有更大規(guī)模或者說擴大化的H3K9me3和H3K27me3區(qū)域，有選擇性地影響多潛能、發(fā)育、譜系特異功能。hESCs和IMR90、CD4+T細胞以及其他譜系特異性細胞，正常細胞和癌細胞相比，抑制性染色質(zhì)結(jié)構(gòu)增加，H3K27me3覆蓋區(qū)域擴增，雙向的ESC染色質(zhì)狀態(tài)通常過度到H3K27me3的形式，并擴展到覆蓋整個基因座和臨近基因座。不同譜系分化細胞，覆蓋的基因不相同?；虮倔w分析發(fā)現(xiàn)被H3K27me3擴增標記的基因，和發(fā)育過程相關(guān)。這些結(jié)果都說明：細胞命運決定也是表觀遺傳基因抑制過程，不同細胞譜系有其獨特性。H3K9me3和H3K27me3類似，在IMR90中比hESC擴大化了，但是不是所有H3K27me3標記位點都存在H3K9me3，這種在特異調(diào)控位點雙重抑制可能是強調(diào)該基因在分化細胞中維持沉默的重要性。H3K9me3單獨出現(xiàn)足夠抑制基因表達，并且H3K9me3覆蓋區(qū)域擴增對基因抑制影不大。相反，窄區(qū)域的H3K27me3標記出現(xiàn)不足以沉默基因，因為他們通常是雙價狀態(tài)，但是H3K27me3覆蓋區(qū)域的擴大似乎能夠維持分化細胞穩(wěn)定的基因表達沉默狀態(tài)，分化細胞失去大部分干細胞可塑性[4]。

3 DNA甲基化和組蛋白修飾之間的相互作用

有直接的證據(jù)表明表觀遺傳機制存在相互交聯(lián)，H3K9甲基轉(zhuǎn)移酶HKMT和DNA甲基轉(zhuǎn)移酶DNMTs直接結(jié)合，證實了H3K9/27甲基化和 DNA甲基化相聯(lián)系。另外，涉及DNA甲基化和H3K9/K27甲基化的蛋白質(zhì)分子之間相互作用，DNA甲基化是募集H3K9/2K27甲基化分子的基礎(chǔ)，反之亦然[2,17]。

DNA甲基化和其他組蛋白修飾比如乙酰化也有互相依賴的關(guān)系，DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(Dnmt1,Dnmt3a)和組蛋白去乙?；?HDAC)相互作用，起到抑制轉(zhuǎn)錄作用[18]。

DNA甲基化在高度有序染色質(zhì)構(gòu)成中起作用，促進染色質(zhì)動力學(xué)變化。各種不同的組蛋白修飾和染色質(zhì)重塑一般反映了整個基因組的DNA甲基化狀態(tài)，所以分析DNA甲基化譜，能幫助我們了解整個基因組的表觀遺傳狀態(tài)。然而，HKMT G9a的SET區(qū)域突變不能減輕DNA甲基化，說明除HKMT還有其他因素確保DNA甲基化發(fā)生[2]。

表觀遺傳標記系統(tǒng)已被證明，互相增強轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，以至于特異的組蛋白修飾和DNA甲基化很可能共定位。染色質(zhì)印記區(qū)失活的DNA甲基化基因，組蛋白H3K9同樣甲基化，H3、H4低乙?；?，而激活的基因DNA非甲基化、組蛋白H3K4是高乙?；呒谆腫7]。雙價啟動子是典型低甲基化的，H3K4me3和甲基化的CG二核苷酸(mCG)反相關(guān)，H3K27me3和啟動子處DNA低甲基化相關(guān)。DNA甲基化和組蛋白修飾復(fù)雜之處還在于不同細胞中，有細胞類型特異的DNA甲基化和組蛋白修飾的關(guān)系[4,12,15,20]。 到目前為止，仍然要確定是否有其他染色質(zhì)結(jié)構(gòu)或調(diào)控元件和DNA甲基化相關(guān)。

4 結(jié)論

細胞類型特化由組織特異性轉(zhuǎn)錄因子和許多表觀遺傳調(diào)控者共同控制。表觀基因組對哺乳動物發(fā)育和細胞分化機制研究提供新視野。DNA甲基轉(zhuǎn)移酶,組蛋白修飾酶，組蛋白亞類，染色質(zhì)重塑因子，和非編碼RNAs直接或間接相互作用，揭示了細胞類型特異的表觀基因組的建立。DNA甲基化和組蛋白修飾彼此關(guān)聯(lián)。多潛能干細胞提供了一個有力模型去研究細胞分化期間表觀遺傳修飾相互作用和動力學(xué)[3]。

我們現(xiàn)在處與表觀基因組的時代，基因組的全部表觀遺傳標記信息，即表觀基因組。表觀基因組和基因組及轉(zhuǎn)錄組相連系，引進了另一層次遺傳控制的方式。許多基因的遺傳活性有穩(wěn)定記憶，遺傳到下一代，對于維持干細胞池特別重要[14,22]。隨著技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，我們已經(jīng)有了單核苷酸分辨率的人類基因組DNA甲基化圖譜和許多基因組范圍內(nèi)染色質(zhì)圖譜，能幫助我們理解各個細胞類型之間轉(zhuǎn)錄調(diào)控和表觀遺傳調(diào)控[2-3,24]。

通過比較多潛能干細胞和分化細胞的表觀基因組，發(fā)現(xiàn)譜系特異細胞以擴大化的異染色質(zhì)區(qū)域為特征，他們選擇性的去影響多潛能和發(fā)育相關(guān)基因，提示我們表觀遺傳機制在細胞分化和維持分化細胞狀態(tài)過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，所以同樣的基因組序列產(chǎn)生各種各樣的細胞類型，有不同基因表達譜和細胞功能[4]。

5 展望

干細胞，特別是胚胎干細胞，是研究自我更新、譜系確定和細胞分化極有力的工具。理解ES細胞和其他干細胞群體表觀遺傳學(xué)的進展，對于干細胞安全應(yīng)用于臨床非常重要。比如說要確保ES細胞來源的細胞在移植前完全分化，是譜系限制性的，已有效關(guān)閉其他基因。將來對多潛能細胞到終末分化細胞表觀遺傳狀態(tài)的進一步特征化，對我們理解譜系決定的分子機制和ES細胞安全應(yīng)用于臨床非常有意義[6]。

干細胞分化過程表觀遺傳學(xué)調(diào)控機制的研究，無疑是當今醫(yī)學(xué)和生命科學(xué)的重點研究方向，有利于尋找人類疾病有潛力的預(yù)測、診斷指標和治療靶標。對干細胞分化過程表觀遺傳學(xué)調(diào)控機制的深入研究，將提高對人及動物發(fā)育過程中發(fā)育機制的認識，并提高對干細胞實行定向誘導(dǎo)分化的能力，為干細胞在發(fā)育生物學(xué)、遺傳學(xué)和再生醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供完善堅實的理論基礎(chǔ)。不同細胞表型和表觀遺傳模式之間的建立途徑，不同表觀遺傳修飾之間互相調(diào)控性作用以及表觀遺傳標記靶向基因組特定區(qū)域的機制很大程度上還不清楚，將來需要該領(lǐng)域的研究者進一步攻克難關(guān)[19]。

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