医学前沿
2015年03月号
卷首语
医学进展
医生日记

子宫内环境可影响表观遗传

作者:马驰、高石

肥胖及其导致的代谢性疾病对人类健康构成很大威胁,这也是全世界面临的社会问题之一。有数据显示,中国肥胖人口已超过3亿,儿童肥胖的发生率正在逐年升高。肥胖的发生和多种因素有关,环境因素可能通过改变父系或母系基因的表观遗传而引起后代的代谢相关疾病,这一现象在国际上引起了研究人员的广泛关注。

大量人类和动物研究证明,胎 儿出生前所处的环境会影响成年后的身体健康和疾病情况。流行病学研究表明,妊娠期母体的饥饿或者祖父营养过剩都会增加后代心血管疾病和糖尿病的发病风险。 在这两种疾病中,不良代谢性健康问题能够被多代传递。同样,如果怀孕的大鼠被给予低蛋白饮食,大鼠所产生的两个连续后代在成年后会罹患糖尿病。然而,尽管 大量研究工作详细地说明了子宫内损伤会对第一代和第二代产生表型影响,但具体的调节机制仍不明确。

Radford等研究人员采用基因组学的方法对营养不良小鼠模型进行了深入、全面的研究。营养不良小鼠产生的两代后代主要表现为出生时低体重、葡萄糖不耐受和胰岛功能降低。Radford等人的研究不但提供了令人信服的见解,即表型可以传递给后代,还为后续研究指明了方向,也为疾病的预防提供了新思路。

因为宫内暴露与出生后很长时间才出现的不良表型之间可能存在一定联系,这一假设将表观遗传学机制也包括在内了。也就是说,在DNA上,不同于DNA序列变化的其他可遗传变化能够解释子宫内存在的损伤。表观遗传机制包括DNA甲基化以及染色质结构、非编码RNA、细胞核组织上的改变。表观遗传机制通常涉及一种显型的可遗传的传递,就是DNA甲基化。胎儿暴露模型与人类IGF2基因或大鼠PPARa基因的DNA甲基化的改变有关。像这样,在没有环境进一步的损伤的情况下,胎儿受到干扰后影响后代健康的潜在机制就是通过种系表观遗传来实现的。因此,来自子宫内重编程个体的精子或卵母细胞的表观遗传特征就传给了下一代。

为了在营养不良小鼠模型上验证改变的DNA甲基化可以调控表型这一假说,Radford等研究人员进行了甲基化的DNA免疫沉淀(MeDIP)序列和亚硫酸氢盐焦磷酸测序,结果表明,亲代小鼠子宫内限制热量会影响第一代成年小鼠精子基因座特异部位的DNA甲基化模式。这种营养不良的情况主要发生在孕晚期,此时,原生殖细胞已经完成了表观遗传学重编程过程,形成了雄性生殖细胞特有的DNA甲基化修饰。研究人员选择了四窝具有代表性的小鼠幼崽进行了对照试验,分为对照组和营养不良组。在营养状况不良的第一代雄性小鼠的基因组中共发现了111个低甲基化修饰区域。研究人员从中随机选择了24个低甲基化区域进行验证,结果有17个区域都得到了确认,这说明有70%的低甲基化区域受到了宫内营养不良的影响。尽管也发现了一些超甲基化区域,但是用重亚硫酸盐焦磷酸测序试验却没有得到验证,这也提示研究人员,对独立样本而言,用不同的试验方法对候选序列进行确认是非常重要的。

新的低甲基化区域证明在胎儿期营养不良的小鼠的原生殖细胞并没有完成DNA甲基化修饰的工作。这些低甲基化区域后来在正常生殖细胞里才继续完成了甲基化修饰。因此,不良的胚胎环境干扰了表观基因组,而且这种干扰并不是随机产生的。此外,研究还发现,在这些低甲基化区域中,有21%的区域与之前富含核小体的区域重叠。这一点也让研究人员非常吃惊,因为在成熟的精子中,为了更易于包装,99%的组蛋白正常情况下都会被鱼精蛋白所代替。这项观察表明宫内营养状况不佳还会改变精子的染色质结构。

为了验证已经发生改变的第一子代小鼠精子表观遗传状态是否能够继续遗传下去,Radford等研究人员又将处于糖尿病前期的第一代雄性小鼠与对照组雌性小鼠交配,然后对胎龄为16.5天的第二代小鼠的肝脏和大脑进行DNA甲基化水平分析。研究人员选择策略来排除在怀孕期间母亲所带来的影响。他们对胚胎晚期的第二代小鼠组织进行了分析,结果证明,在不同的甲基化区域,DNA甲基化得到了恢复,这使得在胎龄16.5天时,对照组和营养不良组的第二代已经非常相似。不过在胎龄16.5天时,有一些紧邻不同甲基化区域的基因的表达还是有差别的。所有这些试验结果表明,在第二代中,DNA甲基化机制可能不是优先于遗传基因表达谱和表型的主要表观遗传机制。不过该试验结果与另外一个同样使用了营养不良小鼠动物试验得到的结果不同,在另一项试验中, Lxra基因的甲基化修饰水平在第二代小鼠中还是有差异的。不过另一项试验所采用的试验方法不同,研究人员首先确认的是对照组和营养不良组之间转录水平的不同,然后再分析候选序列。也许这两项试验在饲料成分和饲养条件上的差异也有可能导致了试验结果上的不一致。

宫内营养不良导致的表型是如何在多代中遗传的机制目前还不清楚。在第一代精子细胞基因组中发现的低甲基化区域表明,起初,DNA甲基化修饰作用介导了环境干扰因素对发育的影响,但是一定还有次级表观遗传机制参与其中发挥作用。通过MeDIP测序方法没能发现的其他区域的DNA甲基化的改变也有可能与受影响的发育位点有关。也许,其他表观遗传学修饰机制在这些位点发挥了作用,介导了表型遗传。在精子中富含核小体的发育位点上发现了组蛋白H3 Lys4和组蛋白H3Lys27的三甲基化修饰,分别生成H3K27me3H3K4me3。这说明组蛋白修饰也可能是一种潜在的遗传机制,从父亲遗传到下一代。另外一种可能的作用机制就是小RNA的作用,正如在秀丽隐杆线虫的热量限制模型中观察到的那样。

其实早在201010月,Ng等研究人员就在《自然》杂志上发表了首个父系饮食因素影响后代遗传的实验结果。研究人员以高脂饮食喂养大鼠后发现,其雌性后代较正常饮食对照大鼠的后代更易发生肥胖。201012月,Carone等研究人员又在《细胞》杂志上报道了相似的研究结果。有关代谢性疾病发展路径的知识日新月异,此次Radford等研究人员提供了一个很好的范例,在今后相似的研究中可以先用全基因组研究方法进行研究,再进行独立验证。尽管DNA甲 基化修饰作用在营养缺乏诱导的发育改变过程中起到了关键作用,但是也应该对介导多基因遗传的其他表观遗传学作用机制进行研究。根据以上的种种研究结果,人 们在出生时或婴儿期的表观遗传学情况可用于评估其发育风险,预测代谢风险,提前制定预防性或治疗相关策略。对高风险人群来讲,发病之后再进行治疗会增加身 体上的痛苦,而且治疗成本更高。在生命早期给予预防性治疗可能更为有效,预防成本也会更低。

(作者:马驰、高石)

参考文献:Science 2014;345:733-734

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