表观遗传学现象
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表观遗传学现象范文第1篇
基因表达正确与否，既受控于DNA序列，又受制于表观遗传学信息。表观遗传学主要通过DNA的甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和非编码RNA调控等方式控制基因表达。近年发现，副突变也包含有表观遗传性质的变化。
1.DNA甲基化
DNA甲基化是由酶介导的一种化学修饰，即将甲基选择性地添加到蛋白质、DNA或RNA上，虽未改变核苷酸顺序及组成，但基因表达却受影响。其修饰有多种方式，即被修饰位点的碱基可以是腺嘌呤N-6位、胞嘧啶的N-4位、鸟嘌呤的N-7位和胞嘧啶的C-5位，分别由不同的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学性修饰碱基，CG二核苷酸是最主要的甲基化位点。DNA甲基化时，胞嘧啶从DNA双螺旋突出，进入能与酶结合的裂隙中，在胞嘧啶甲基转移酶催化下，有活性的甲基从S-腺苷甲硫氨酸转移至胞嘧啶5-位上，形成5-甲基胞嘧啶（5mC）。DNA甲基化不仅可影响细胞基因的表达，而且这种影响还可随细胞分裂而遗传并持续下去。因此，它是一类高于基因水平的基因调控机制，是将基因型与表型联系起来的一条纽带。在哺乳动物细胞的基因组DNA中，约有3%～5%的胞嘧啶是以5-甲基胞嘧啶形式存在的，同时70%的5-甲基胞嘧啶参与了CpG序列的形成，而非甲基化的CpG序列则与管家基因以及组织特异性表达基因有关。因而CpG的甲基化与否在基因的表达中起重要作用。高度甲基化的基因，如女性两条X染色体中的一条处于失活状态，而为细胞存活所需一直处于活性转录状态的持家基因则始终处于低水平的甲基化。在生物发育的某一阶段或细胞分化的某种状态下，原先处于甲基化状态的基因，也可以被诱导去除甲基化，而出现转录活性。
2.组蛋白修饰
组蛋白是真核生物染色体的基本结构蛋白，是一类小分子碱性蛋白质。组蛋白有两个活性末端：羧基端和氨基端。羧基端与组蛋白分子间的相互作用和DNA缠绕有关，而氨基端则与其他调节蛋白和DNA作用有关，且富含赖氨酸，具有极度精细的变化区，这类变化由乙酰化、磷酸化、甲基化等共价修饰引起。这些修饰可作为一种标记或语言，是“组蛋白密码”的基本组成元素。这种组蛋白密码可被一系列特定的蛋白质所识别，并将其转译成一种特定的染色质状态以实现对特定基因的调节，这显著地扩大了遗传密码的信息储存量。
3.染色质重塑
真核生物染色质是一切遗传学过程的物质基础，染色质构型局部和整体的动态改变，是基因功能调控的关键因素。染色体重塑是指染色质位置和结构的变化，主要涉及在能量驱动下核小体的置换或重新排列，它改变了核小体在基因启动子区的排列，增加了基因转录装置和启动子的可接近性。染色质重塑的发生和组蛋白N端尾巴修饰密切相关，尤其是对组蛋白H3和H4的修饰。修饰直接影响核小体的结构，并为其他蛋白提供了和DNA作用的结合位点。染色质重塑主要包括两种类型：一类是含有组蛋白乙酰转移酶和脱乙酰酶的化学修饰;另一类是依赖ATP的物理修饰，利用ATP水解释放的能量解开组蛋白和DNA的结合，使转录得以进行。
4.非编码RNA
调控有多种功能性非编码RNA可对基因表达水平进行干扰。各种生物中双链RNA（dsRNA）可通过不同途径被分割成小的干涉RNA（siRNA）或RNAi。RNA干涉（RNAi）属于转录后基因沉默，它可使转录后的同源mRNA降解，使同系的DNA序列发生修饰性变化（甲基化），使rRNA甲基化，从而使目的基因表达沉默。
5.副突变
副突变是指一个等位基因可以使其同源基因的转录产生稳定可遗传变化，即一个等位基因被另外一个等位基因在转录水平上被沉默且这种能力可遗传。这种现象是1956年R.A.Brink在研究玉米的R基因座位时发现的。此后在其他植物、真菌甚至小鼠中发现。
二、遗传学和表观遗传学的关系
传统遗传学认为遗传信息储存于DNA的序列中，它主要研究基因序列改变所致的基因表达水平的变化，是基因质的变化;表观遗传学则认为遗传信息是DNA甲基化形式和组蛋白密码、RNA干涉等，它实际上是以基因表达水平为主的量变遗传学。表观遗传变异也能遗传，并具重要的表型效应，但其不同于基因突变。在整个生命过程中，表观遗传学机制能对激素、生长因子等调节分子传递的环境信息在不改变DNA序列的情况下做出反应。因此，只有二者彼此协同，生命过程才能按序正常进行，否则就会出现异常。由此可见，遗传学和表观遗传学系统既相区别、彼此影响，又相辅相成，共同确保细胞的正常功能。
三、表观遗传学研究的应用前景
表观遗传学补充了“中心法则”忽略的两个问题，即哪些因素决定了基因的正常转录和翻译以及核酸并不是存储遗传信息的唯一载体;在分子水平上，表观遗传学解释了DNA序列所不能解释的诸多奇怪的现象。例如，同一等位基因可因亲源性别不同而产生不同的基因印记疾病，疾病严重程度也可因亲源性别而异。表观遗传学信息还可直接与药物、饮食、生活习惯和环境因素等联系起来，营养状态能够通过改变表观遗传以导致癌症发生，尤其是维生素和必需氨基酸。
表观遗传学现象范文第2篇
1 DNA甲基化和组蛋白乙酰化
1.1 DNA甲基化 DNA甲基化是指在DNA复制以后,在DNA甲基化酶的作用下,将S-腺苷甲硫氨酸分子上的甲基转移到DNA分子中胞嘧啶残基的第5位碳原子上,随着甲基向DNA分子的引入,改变了DNA分子的构象,直接或通过序列特异性甲基化蛋白、甲基化结合蛋白间接影响转录因子与基因调控区的结合。目前发现的DNA甲基化酶有两种:一种是维持甲基转移酶;另一种是重新甲基转移酶。
1.2 组蛋白乙酰化 染色质的基本单位为核小体,核小体是由组蛋白八聚体和DNA缠绕而成。组蛋白乙酰化是表观遗传学修饰的另一主要方式,它属于一种可逆的动态过程。
1.3 DNA甲基化与组蛋白乙酰化的关系 由于组蛋白去乙酰化和DNA甲基化一样,可以导致基因沉默,学者们认为两者之间存在串扰现象。
2 表观遗传学修饰与恶性肿瘤耐药
2.1 基因下调导致耐药 在恶性肿瘤中有一些抑癌基因和凋亡信号通路的基因通过表观遗传学修饰的机制下调,并与化疗耐药有关。其中研究比较确切的一个基因是hMLH1,它编码DNA错配修复酶。此外,由于表观遗传学修饰造成下调的基因,均可导致恶性肿瘤耐药。
2.2 基因上调导致耐药 在恶性肿瘤中,表观遗传学修饰的改变也可导致一些基因的上调,包括与细胞增殖和存活相关的基因。上调基因FANCF编码一种相对分子质量为42000的蛋白质,与肿瘤的易感性相关。2003年,Taniguchi等证实在卵巢恶性肿瘤获得耐药的过程中,FANCF基因发生DNA去甲基化和重新表达。另一个上调基因Synuclein-γ与肿瘤转移密切相关。同样,由表观遗传学修饰导致的MDR-1基因的上调也参与卵巢恶性肿瘤耐药的形成。
3 表观遗传学修饰机制在肿瘤治疗中的应用
3.1 DNA甲基化抑制剂 目前了解最深入的甲基化抑制剂是5-氮杂脱氧胞苷(5-aza-dc)。较5-氮杂胞苷(5-aza-C)相比,5-aza-dc首先插入DNA,细胞毒性比较低,并且能够逆转组蛋白八聚体中H3的第9位赖氨酸的甲基化。有关5-aza-dc治疗卵巢恶性肿瘤的体外实验研究结果表明,它能够恢复一些沉默基因的表达,并且可以恢复对顺柏的敏感性,其中最引人注目的是hMLH1基因。有关地西他滨(DAC)治疗的临床试验,研究结果显示,结果显示:DAC是一种有效的治疗耐药性复发性恶性肿瘤的药物。 3.2 HDAC抑制剂 由于组蛋白去乙酰化是基因沉默的另一机制,使用HDAC抑制剂(HDACI)是使表观遗传学修饰的基因重新表达的又一策略。根据化学结构,可将HDACI分为短链脂肪酸类、氯肟酸类、环形肽类、苯酸胺类等4类。丁酸苯酯(PB)和丙戊酸(VPA)属短链脂肪酸类。PB是临床前研究最深入的一种HDACI,在包括卵巢恶性肿瘤在内的实体肿瘤(21例)Ⅰ期临床试验中有3例患者分别有4~7个月的肿瘤无进展期,其不良反应是短期记忆缺失、意识障碍、眩晕、呕吐。因此,其临床有效性仍有待于进一步在Ⅰ、Ⅱ期临床试验中确定。在VPA的临床试验中,Kuendgen等在对不同类型血液系统肿瘤中使用VPA进行了Ⅱ期临床试验,结果显示,不同的患者有效率差异甚远。辛二酰苯胺异羟肟酸(SAHA)是氯肟酸类中研究较深入的一种HDACI。其研究表明,体内使用安全剂量SAHA时,可有效抑制生物靶点,发挥抗肿瘤活性。大量体外研究结果显示,联合使用DNA甲基化抑制剂和HDACI会起到更明显的协同作用。
3.3 逆转耐药的治疗 Balch等使用甲基化抑制剂—5-aza-dc或zebularine处理卵巢恶性肿瘤顺柏耐药细胞后给予顺柏治疗,发现此细胞对顺柏的敏感性分别增加5、16倍。在临床试验中,Oki等将DAC和伊马替尼(imatinib)联合使用治疗白血病耐药患者,结果说明,应用表观遗传学机制治疗恶性肿瘤确实可以对化疗药物起到增敏作用,并且在一定范围内其疗效与体内表观遗传学的改变呈正比。Kuendgen和Pilatrino等对HDACI和化疗药物的给药顺序进行研究,结果显示,在使用VPA达到一定血清浓度时加用全反式维甲酸可增加复发性髓性白血病和骨髓增生异常综合征患者的临床缓解率,这可能与VPA引起的表观遗传学改变增加患者对药物的敏感性有关。
表观遗传学现象范文第3篇
关键词 硒 表观遗传修饰 表观标志物抑制剂 抗癌药 开发
中图分类号：R979.1 文献标识码：A 文章编号：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
硒最重要的生物学功能是抗癌，并以多种机制发挥其抗癌作用。近年来的研究发现，硒又可对表观遗传学调控机制异化产生干预影响，特别是对在肿瘤发生机制中的特异性靶点进行干预，进而阻抑肿瘤的发生及转移。硒化物是某些肿瘤特异性表观标志物有效的抑制剂。硒的这个功能不仅对临床肿瘤诊断、治疗、预防具有现实意义，更为“含硒表观靶向抗癌药物”开发提供了科学依据。“含硒表观靶向抗癌药物”是期待开发的新型抗癌药。现就近些年在这些方面的相关研究作一简要介绍。
1 表观遗传学
什么是表观遗传学？从孟德尔遗传规律讲，亲代（一代）把遗传信息传递给子代（二代），主要由携带遗传信息的脱氧核糖核酸（DNA）分子中碱基的排列顺序（即碱基序列）来决定，并在细胞核内遗传。但人们在研究中发现，在DNA碱基序列以外还有一套调控机制，包括 DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑以及非编码RNA等，它们在不涉及改变DNA碱基序列的情况下，影响转录活性并调控基因的表达，改变机体的性状，并且是一种可以预和逆转的遗传机制。这种非孟德尔遗传现象，称作表观遗传学[1-2]。
2 硒对表观遗传修饰异常产生干预及逆D作用
肿瘤发生发展的主要生物学原因是原癌基因活化和抑癌基因失活[3]。研究显示，DNA甲基化水平同这些基因的表达密切相关。通常情况下，甲基化水平同基因表达呈负相关，甲基化程度越高，基因表达活性越低，甲基化程度越低，基因表达越活跃[4]。
DNA甲基化主要表现为基因组整体甲基化水平降低和局部CpG岛[在哺乳动物中富含胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤（CpG）二核苷酸的一段DNA称为CpG岛]甲基化程度的异常升高，人类基因组的甲基化主要发生在CpG岛[5]。
研究表明，实体瘤普遍存在基因组广泛低甲基化现象，低甲基化使原癌基因活化，癌细胞异常增殖；低甲基化还使肿瘤转移增加，例如胃癌的甲基化水平越低，癌细胞浸润、转移的倾向越明显[6]。
CpG岛的甲基化程度异常升高，会导致某些抑癌基因表达沉默，进而参与肿瘤的发生发展。在正常情况下，CpG岛为非甲基化。当肿瘤抑癌基因的启动子区域（CpG岛）过度甲基化，就会使抑癌基因的表达沉默。其间DNA甲基转移酶（DNMT）家族中的DNMT1发挥着重要的调控作用，它的高表达导致抑癌基因在CpG岛失活。所以，CpG岛高甲基化成了多种肿瘤特异性表观标志物，已成为临床多种肿瘤早期诊断的依据和指标[7]。
近年来，作为表观遗传学调控机制之一的组蛋白修饰在肿瘤研究领域受到越来越多的关注。组蛋白乙酰化由组蛋白乙酰转移酶（HAT）和组蛋白去乙酰化酶（HDACs）共同调控，而编码HAT或HDAC的基因如果发生染色体易位、扩增等突变会导致某些肿瘤的发生。
可见，DNA甲基化和组蛋白乙酰化等表观遗传修饰异常是肿瘤发生的另外一个机制。而近年研究发现，硒通过靶向干预可逆转甲基化和乙酰化异常的过程，从而抑制肿瘤的发生及转移。硒化物成了潜在的治癌新药物，是亟待开发、临床应用前景可观的“含硒表观靶向抗癌药物”。
2.1 硒对DNA甲基化产生干预作用
研究表明，膳食硒通过干预表观遗传过程显示出其抗癌潜力，膳食缺硒时组织呈现整体低甲基化[8]。Davis等[9]早些时候研究发现，给大鼠喂食缺硒膳食，其肝脏和结肠都出现显著DNA低甲基化，而经硒处理的人结肠癌细胞株Caco-2 DNA甲基化水平显著高于未经硒处理的对照组，据此研究者认为，膳食缺硒会增加肝脏和结肠肿瘤的发生。Remely等[8]研究表明，膳食硒营养缺乏会引起动物组织和人体结肠癌DNA低甲基化。我国学者徐世文等[4]通过实验也发现，饲料硒缺乏可导致鸡肌肉组织 DNA甲基化水平降低。硒对DNMT有抑制作用，缺硒会导致DNMT活性增加，使原癌基因活化，引起结肠癌等多种肿瘤发生。保持硒等营养素均衡摄入，有利于维持DNA甲基化正常水平及抑制DNMT活性[6]。
CpG岛DNMT1的高表达是使抑癌基因失活的重要机制。抑制DNMT1靶酶活性，使失活的抑癌基因复活，是肿瘤治疗中探索的新途径。硒在多种肿瘤中有去甲基化的生物学功能，能诱导失活的抑癌基因重新活化和表达[3]。研究发现，硒可以直接干预DNA甲基化，抑制腺癌细胞株DNMT的高表达[8]。膳食硒干预DNA甲基化的方式之一是通过去甲基化过程来调节DNMT1活性的；研究还证实，亚硒酸钠和苯甲基氰酸硒（BSC）、1，4-苯双（亚甲基）氰酸硒（p-XSC）两种合成硒化物对人大肠癌细胞核提取物中DNMT的活性都有抑制作用[10]。
各方面的研究验证，硒对DNA甲基化产生干预影响，是靶酶DNMT有效的抑制剂。
2.2 硒干预影响组蛋白的乙酰化
近年来，国内外学者研究发现，组蛋白去乙酰化酶与肿瘤的发生密切相关。HDACs家族中的HDAC1高表达可明显增加肿瘤细胞的增殖能力。在食管鳞癌、前列腺癌等多种肿瘤中均发现HDAC的高表达，靶酶HDAC已成为首选的攻击靶点。
目前，人们通过体内、体外的研究鉴定出了硒、丁酸盐、曲古抑菌素A（TSA）等一些HDAC的抑制剂，这些抑制剂可在体外诱导多种肿瘤细胞的生长停滞、分化或凋亡[2]。Somech等[11]通过临床试验表明，HDAC抑制剂对人体白血病及实体瘤进行治疗，表现出明显的抗肿瘤增殖效果，研究者认为，各类HDAC抑制剂是另一类新型抗癌药物、“癌症治疗的新工具”。
Xiang等[12]的研究证明，硒可以通过下调DNMT和抑制HDAC活性，活化人前列腺癌LNCaP细胞系中因高甲基化沉默的基因GSTP1， APC和CSR1。这些基因是具有保护免受氧化损伤的抗癌活性物质、化学致癌物解毒剂或肿瘤抑制剂。
甲基硒酸（MSA）是近年来新研制成的一种人工低分子量有机硒化合物，是很具潜力的抗癌制剂。Kassam等[13]通过对弥漫性大B细胞淋巴瘤细胞系（DLBCL）w外研究首次发现，MSA可以抑制该细胞系HDAC的活性。研究者认为，有关MSA抑制HDAC活性的作用以前从未报道过，从而为人们提供了硒元素一种新的机制，MSA是日后临床试验中可以使用的硒化物。
我国科研人员胡琛霏[2]通过蛋白质免疫印迹的方法，检测到MSA可抑制食管鳞癌细胞系HDAC的活性，降低HDACl和HDAC2的蛋白表达，引起细胞内组蛋白乙酰化水平显著升高；同时，还检测到硒甲硫氨酸（SLM）对食管鳞癌细胞系KYSEl50细胞和MCF7细胞的作用，在SLM处理细胞24 h后，细胞中组蛋白去乙酰化酶的活性也显著降低。
这些年，越来越多的含硒组蛋白去乙酰化酶抑制剂被发现和验证。亚硒酸钠、酮C甲基硒丁酸盐（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，提高组蛋白乙酰化水平，作为潜在的HDAC抑制剂，发挥其抗肿瘤的作用[14]。Fernandes 等[15]介绍，KMSB 和 MSP在体外作为HDAC的竞争性抑制剂发挥抗癌作用；还报道，合成的SAHA含硒类似物（5-苯甲酰戊氰硒）二硒醚和5-苯甲酰戊氰硒对不同肺癌细胞株HDAC抑制效果比SAHA更好。SAHA是氧肟酸类HDAC抑制剂，是目前在临床上以皮肤T淋巴细胞瘤（CTCL）为适应症而广泛应用的表观靶向抗癌药物。这也提示，含硒类抑制剂对靶酶HDAC抑制效果优于无硒类抑制剂。
为何上述各种硒化物都可靶向抑制DNMT和HDAC活性，研究发现不管其结构如何改变，硒都是这些化合物生物活性的中心元素，发挥着关键作用，硒的这一生物学功能对含硒抗癌药物的开发具有重要的指导意义[16]。
2.3 硒对非编码RNA调控机制产生干预效应
表观遗传学的一个重要调控机制是非编码RNA。非编码RNA是指不能翻译为蛋白质的RNA分子。近年来，非编码RNA一族中的微小RNA-200（miR-200）受到人们的高度关注。研究发现，miR-200家族中的成员微小RNA-200a（miR-200a）与肿瘤的发生发展关系密切，miR-200a在肿瘤组织中呈现明显低表达。因此，miR-200a的表达下调是肿瘤发生的重要因素之一，miR-200a也成了肿瘤特异性表观标志物[17]。
胡琛霏[2]通过TaqMan芯片，检测了MSA处理食管鳞癌细胞后细胞中微小RNA（miRNA）的变化情况，发现MSA可以上调细胞中miR-200a 的表达水平，miR-200a 表达升高后，负性调控Kelch样环氧氯丙烷相关蛋白-1（Keap1）的表达，使Keap1蛋白水平下降，上调转录因子NF-E2相关因子2（Nrf2）蛋白水平并提高其转录活性（Nrf2活性受其细胞质接头蛋白Keap1的调控），从而活化Keap1-Nrf2信号通路。而Keap1-Nrf2信号通路在抗氧化、预防肿瘤发生等诸多方面有重要作用[18]。
体外研究显示[19] ，人脑膜瘤组织中miR-200a表达明显低于正常组织，β-循环蛋白（β-catenin）和其下游靶基因细胞周期蛋白D1表达显著增高，二者和miR-200a呈现负相关，上调miR-200a可降低β-catenin的表达，进而阻断Wnt/β-catenin信号传导通路来抑制脑膜瘤的生长。胡琛霏课题组前期研究也发现MSA可以抑制食管鳞癌细胞系中β-catenin的表达[2] 。研究已证实，Wnt/β-catenin信号通路的激活和高表达可促进肿瘤细胞的增殖、侵袭、转移及抑制肿瘤细胞的凋亡[20]。
由此可见，MSA可能介导、调控着miR-200a表达及参与复杂的分子调控网络，从而抑制肿瘤发生及转移。
3 展望
加强硒与表观遗传学之间关联的研究，有着重要的生物医学意义。它有可能解释硒化学抗肿瘤的新机制，从理论上证明硒元素可能具有表观遗传学的效应[21] 。综上所述，硒在肿瘤形成中对表观遗传修饰异常产生干预影响，靶向抑制肿瘤特异性表观标志物，逆转表观遗传修饰发生异化过程，使我们认识了硒化学抗癌的新机制、新作用，硒化物是潜在开发的新型靶向抗癌药物。Fernandes 等[15]指出，硒化物都是癌症治疗药。目前，非表观类含硒靶向抗癌药如硒唑呋喃、依布硒啉、乙烷硒啉等早已进入临床研究[16]，展示出很有希望的临床应用前景。而含硒表观靶向抗癌药物是亟待开发的抗癌药“富矿”，加快开发含硒表观靶向抗癌药物，可为临床肿瘤治疗增加一种“新的工具”，为癌症患者战胜病魔增添一份新的希望。人们热切期盼“含硒表观分子靶向抗癌药物”早日问世。
致谢：本课题研究得到华中科技大学徐辉碧、黄开勋两位教授和安徽医科大学张文昌硕士的支持，在此表示衷心感谢。
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表观遗传学现象范文第4篇
[关键词]表观遗传修饰；DNA甲基化；牙周病；炎症；细胞因子
[中图分类号]R 781.4[文献标志码]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
表观遗传学的概念与遗传学相对，1942年，沃丁顿最早提出了“epigenetics”一词，主要指研究基因型和表型之间的关系。1987年，霍利迪针对“epigenetics”给出更进一步的定义[1]，即现在比较统一的认识，他认为其是一门主要研究没有DNA序列改变并且可以遗传的基因功能变化的学科。表观遗传机制主要是通过调控基因转录来调节基因的表达，表观遗传修饰包括DNA甲基化、组蛋白乙酰化、DNA乙酰化、基因印记、基因沉默等[2]。本文就DNA甲基化和组蛋白乙酰化与牙周病的相关性作一综述。
1表观遗传学及相关概念
1.1DNA甲基化
DNA甲基化是指在DNA甲基转移酶（DNA methyltransferases，DNMT）的作用下，催化S-腺苷甲硫氨酸作为甲基供体，将一个甲基基团添加到DNA分子中的碱基上。这种甲基基团的添加主要发生在DNA的转录启动因子CpG岛（基因组中富含CpG二核苷酸的一些区域）内的胞嘧啶C5上的碳原子，形成5-甲基胞嘧啶[3]。DNA甲基化后，能直接干扰特异转录因子，如核因子-κB与启动子的识别位置结合，甲基CpG结合蛋白与转录因子竞争性结合甲基化DNA位点，均可使转录因子与DNA分子的结合减少，因此DNA甲基化会抑制特定基因的转录过程。如果DNA未发生甲基化或者去甲基化后，特定转录因子与DNA分子的结合会恢复正常或者增多，因此DNA去甲基化能够促进特定基因的转录过程[4]。
1.2染色体组蛋白修饰
组蛋白是染色质基本结构单位核小体的核心部分，外周被DNA缠绕。当组蛋白发生结构改变，即发生组蛋白修饰时，常常会影响基因的转录和表达。目前，有关组蛋白修饰的研究多集中在组蛋白乙酰化方面。组蛋白乙酰化是组蛋白乙酰基转移酶（histone acetyltransferase，HAT）将乙酰辅酶A的乙酰基部分转移至组蛋白氨基末端上特定赖氨酸残基的ε-氨基基团上。带负电的乙酰基消除了氨基基团的正电荷，此时DNA分子本身的负电荷使得DNA构象展开、核小体结构松弛。松弛的核小体结构可促进转录因子与DNA分子的接触，因此组蛋白乙酰化激活了特定基因的转录过程；当组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）移去组蛋白赖氨酸残基上的乙酰基时，组蛋白恢复正电性，增加了与DNA之间的吸引力，使启动子不易接近转录调控元件，从而反向抑制特定基因的转录[5]。
近年来，许多学者进行了表观遗传修饰的相关研究，大多涉及的均是肿瘤、癌症、自身免疫性疾病等，对炎症性疾病的研究较少。
2炎症发生的分子机制
炎症反应以免疫细胞的渗出为其重要特征，渗出的免疫细胞分泌的细胞因子与炎症的发生发展紧密相关。免疫细胞主要包括T细胞、B细胞、单核吞噬细胞和树突细胞等。T细胞是参与炎症反应的重要免疫细胞，慢性炎症炎灶部位出现大量激活的CD4+T辅助细胞（T helper，Th），识别并帮助CD8+Th细胞杀死外源病原菌。CD4+Th细胞还能分化为多种效应T细胞：Th1、Th2、Th17。
3表观遗传修饰对炎症反应的调控
3.1Th1/Th2细胞的分化及其细胞因子
天然CD4+T细胞在抗原呈递细胞信号作用下，分化为Th1或者Th2细胞，发挥不同的免疫功能。Th1细胞能够调节细胞免疫，分泌干扰素（interferon，IFN）-γ、肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α、白细胞介素（interleukin，IL）-2等细胞因子抵抗细胞内的细菌或病毒。Th2细胞介导体液免疫，分泌IL-4、IL-5、IL-13等细胞因子，抵抗胞外病原体[6]。
天然CD4+T分化为Th1和Th2细胞依赖于表观遗传修饰。包括各自特异性细胞因子基因的组蛋白乙酰化和DNA甲基化等。Th1细胞的分化受ifn-γ基因DNA低甲基化及组蛋白3高乙酰化和Th2的特征细胞因子———il-4、il-5、il-13基因的表观遗传沉默的调控，而Th2细胞分化则受il-4、il-13基因的组蛋白3快速乙酰化和Th1特征细胞因子———ifn-γ基因的表观遗传沉默的调控[7]。
3.2Th17细胞分化及细胞因子
CD4+T除分化为Th1和Th2外，近年来发现了一种新的Th细胞亚群，即Th17细胞。Th17细胞分泌IL-17和IL-17F，具有较强的促炎性，在炎症疾病中具有重要作用。与Th1、Th2的分化一样，Th17的分化也受表观遗传修饰的调控，其特点为il-17基因启动子区存在组蛋白乙酰化和甲基化现象[8]。
3.3CD8记忆性T细胞的分化及其细胞因子
CD4+T细胞与CD8+T细胞的激活密切相关。天然CD8+T细胞激活分化为CD8记忆性T细胞（CD8 memory T cells，CD8Tm）。CD8Tm能分泌促炎细胞因子，如IL-2、IFN-γ，参与炎症反应。CD8+T分化为CD8Tm的过程中受表观遗传修饰的调控，其特点是细胞因子il-2和ifn-γ基因启动子区DNA低甲基化和ifn-γ基因启动和增强区的组蛋白乙酰化[9]。
综上可知，炎症反应中的免疫细胞在发挥定向分化功能的过程中，存在表观遗传修饰，与炎症性疾病的发展密切相关[10]。
4表观遗传修饰与牙周病的调控
4.1对基因的调控
现在人们普遍认为，研究表观遗传现象的一个经典模式就是双胞胎。同卵双生的2个人具有完全相同的基因组，在同样的环境中长大后，他们在性格、健康方面仍会有较大的差异[11]。
在对双胞胎牙周疾病的研究中，学者们发现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、吸烟、病原菌等的影响，对同卵双胞胎的牙周病表型进行研究后发现，同卵双胞胎之间的附着丧失、牙槽骨吸收程度均不一致，且双胞胎年龄越大，牙周病表型的差异性也越大。由此提示，表观遗传修饰可能参与了牙周病相关基因表达的调控。
X染色体上的基质金属蛋白酶组织抑制因子（tissue inhibitor of metallo proteinase，timp）-1基因表达产物TIMP-1是基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）的抑制因子，其可通过酪氨酸蛋白激酶和丝裂素活化蛋白激酶途径促进破骨细胞的骨吸收作用；在高浓度时抑制MMP活化，在低浓度时反而促进MMP的活化。正常状态下，女性2条X染色体中的一条处于甲基化修饰状态时，此X染色体上的基因不表达[13]。国内外学者均在女袭性牙周炎患者中发现，2条X染色体上的timp-1基因都处于去甲基化状态时，才有活性表达，由此会引起TIMP-1生成增多，促进牙槽骨吸收。男性只有一条X染色体，由此提示，女袭性牙周炎的发病率高于男性可能与timp-1基因的表达有关[14]。
4.2牙周致病菌
牙龈卟啉单胞菌、伴放线放线杆菌是常见的牙周致病菌，检出率高，致病作用确定。
牙龈卟啉单胞菌是检出率最高的牙周致病菌，与牙周病密切相关。伴放线放线杆菌的致病性与其毒力因子密切相关，如菌毛和囊泡可介导其对宿主上皮细胞的黏附、侵入，毒素分泌等[15]。DNA腺嘌呤甲基转移酶是DNA甲基化的关键酶，与革兰阴性菌的生物功能相关，可调节毒力相关基因的表达。Wu等[16]在研究伴放线放线杆菌时发现，敲除dam基因的菌株和标准菌株与人口腔上皮癌细胞黏附后，缺乏株分泌的白细胞毒素是标准株的24倍。这可能是因为敲除dam基因后，伴放线放线杆菌白细胞毒素基因的DNA甲基化减少，呈低甲基化状态，dam基因的表达增强导致的。但具体作用机制不明确，需进一步研究证明。
4.3调控牙周炎症反应
4.3.1发病机制牙周病的始动因子是牙菌斑。菌斑微生物及其毒性产物引发并驱动炎症反应，同时激活宿主的免疫细胞，产生并释放多种细胞因子。IL、IFN、转化生长因子-β、TNF、前列腺素E2等，能调节破骨细胞的分化，导致牙槽骨吸收。MMP可以直接破坏和降解胶原，还可以通过分泌细胞因子，降解结缔组织，并使其降解持续和延长，是牙周组织破坏的最主要侵袭者。牙周炎发病过程中，涉及的细胞因子主要有IL-6、IL-8、IFN-γ、TNF-α、MMP等。
4.3.2调控牙周病相关细胞因子表观遗传修饰调控细胞因子基因的表达，DNA高甲基化和组蛋白去乙酰化可抑制细胞因子的表达，而DNA低甲基化和组蛋白乙酰化则能促进基因的表达。在牙周炎患者中，常常有多种细胞因子的表达增高。有研究[17-19]发现，细胞因子的分泌增多与其基因的表观遗传修饰存在相关性。慢性牙周炎患者的口腔上皮细胞中，ifn-γ、il-6、tnf-α基因启动子区DNA常常处于低甲基化状态，促进了相应的mRNA表达增多，分泌了IFN-γ、IL-6、TNF-α蛋白[20]。牙周炎活动期ptgs2基因启动子DNA甲基化仅为静止期的1/5，因此活动期PTGS2的表达较静止期明显增多。在侵袭性牙周炎和慢性牙周炎患者的口腔上皮细胞中，il-8基因启动子区的低甲基化均明显高于健康对照组。由此可见，表观遗传修饰的DNA甲基化能够调控ifn-γ、il-6、tnf-α、ptgs2、il-8基因的转录，在牙周炎症的发生发展中起一定的作用。
5小结和展望
表观遗传修饰的DNA高甲基化能抑制细胞因子基因的表达，反之则可促进其表达，此过程的调控依赖于DNA甲基转移酶和组蛋白去乙酰化酶，以及它们的促进剂或抑制剂[21]。表观遗传修饰与牙周病的相关性尚处于探索阶段，学者们在牙周炎症组织中发现存在表观遗传修饰的改变，但其具体机制尚不明确，需进一步研究。
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表观遗传学现象范文第5篇
摘要:
灯刷染色体是存在于除哺乳动物以外几乎所有动物雌配子减数分裂第一次分裂双线期的一种暂时性巨大转录体，因状如灯刷而得名，但在细胞遗传学三大经典染色体研究中关注度最低。它是研究减数分裂时期染色体的结构、组织形式、转录和转录过程的好材料。本文一方面对以上研究及形成机制作一简要综述，另一方面探讨灯刷染色体可能的作用，也即从已有文献表明卵细胞核的灯刷染色体或多倍化为相关生物胚胎发育提供足够的转录产物。最后探讨将其作为一个案例用于遗传学教学的可能性，以激发学生学习遗传学的兴趣。
关键词:
遗传学；细胞遗传学；灯刷染色体；研究进展；遗传学教学
遗传学是生命科学领域中一门兼具理论性和实验性的基础性学科之一，从遗传学发展史上可以清楚地看到一系列经典的研究案例对遗传学的发展起到巨大的推动作用[1]，赋予遗传学新的内容，使遗传学理论不断地完善和提高，从而在更高水平指导遗传学的发展。例如果蝇和豌豆因其丰富的表型在性状遗传研究上成为经典研究案例，奠定了遗传学的初创和发展；唾腺染色体和灯刷染色体因其形体的巨大性和特异的细胞结构，促进了细胞遗传学的发展；以噬菌体为材料促进了生化和分子遗传学的发展；以大肠杆菌为材料的研究揭示了原核表达调控的机制；以拟南芥和水稻为材料解析了植物基因组的特点并促进了植物功能基因组学的研究[2,3]。这些案例还有很多，限于篇幅不一一枚举。不过，关于遗传学发展史上经典案例的研究和关注并不平衡。例如在细胞遗传学三大经典染色体的研究中，关于唾腺染色体和巴氏小体的研究很多，而灯刷染色体(Lampbrushchromosomes,LBCs)的关注度较低。尽管LBCs因拥有数以万计的正在转录的单位而具有了结构的巨大性，但在过去的130多年中公开发表的文献仅有350多篇（projects.exeter.ac.uk/lampbrush）。究其原因可能有四点：一是分离LBCs技术难度较大；二是所使用的仪器是显微镜，而不是时髦的微量移液器，导致学生的兴趣不足；三是可用分离该染色体的典型材料不易取得，多数动物材料都是各国重点保护的动物；四是可能由于偏重理论研究，无法取得足够的经费支持[4]。尽管如此，LBCs的研究仍然取得了令人兴奋的成绩，本文拟沿着LBCs研究的踪迹，比较系统地综述相关生物卵细胞减数分裂第一次分裂双线期染色体的结构、组织形式以及转录等相关知识。最后探讨将这一被忽视的“明星染色体”案例介绍给学生，以期引导学生对LBCs研究的重视，激发他们学习和研究遗传学的热情。
1灯刷染色体的研究进展
1882年，Flemming首先在蝾螈（Notophthalmusviridescens）的卵母细胞中发现了这种结构[5]，十年之后，Rückert(1892)在狗鲨（Chiloscylliumpunctatum）卵母细胞中再次发现了Flemming所描述的结构，因为其形如19世纪的灯刷或20世纪的试管刷而命名为灯刷染色体[6]。典型的LBCs实质上是存在于除哺乳动物以外几乎所有动物（在两栖类、鸟类和昆虫类都有很好的研究）雌配子减数分裂第一次分裂双线期的一种暂时性巨大转录体,大小可以达到5~6mm。细胞核中每个LBCs是二价体（一对同源染色体），核中有几个二价体就有几个LBCs，每个二价体包含四条染色单体，同源染色体通过交叉（Chiasmata）相连。它们具有独特的染色粒—侧环（Chromomere–lateralloop）结构：染色粒串联形成单体的主轴，是遗传惰性区；显著的侧环结构则为转录活性区，包括了成千上万的活性转录单元[7]。随着转录的进展，RNA链不断延长，外形呈“圣诞树”样结构。除了在以上动物的卵细胞中发现LBCs外，在果蝇细胞Y染色体和植物中也有发现，比如在单细胞藻类（Acetabularia）中发现有典型的LBCs结构[8]，其它所报道的植物LBCs不具有典型结构，只是一条较长的染色体，周围有绒毛状的结构。由于LBCs在普通光学显微镜下可以看到，因而它是研究基因组结构和功能的极为理想的实验材料[9]。
1.1灯刷染色体的基本结构和细胞图在普通光学显微镜下，在外观上看每一个典型的LBCs两个同源染色体依靠几个交叉相连，它们分别由无数致密的染色质颗粒或染色粒串成线状，这些颗粒之间有染色质丝相连，在每一颗粒或染色粒处产生1到数个成对的侧环，这就构成了所谓LBCs上的“刷毛”[10]。这些环之所以成对出现是由于姐妹染色单体之间没有任何联系造成的。利用扫描电镜或电镜技术结合免疫技术对来自不同物种的LBCs进行观察，发现侧环是以纤细的染色质为轴，上面覆盖了无数的核糖白（Ribonucleoprotein，RNP）颗粒。由于RNP颗粒相互聚集和沿侧环轴向的卷曲会将正常状态的侧环一步一步装配形成小颗粒、颗粒球和紧密块状物等更高级的侧环结构[11]，因而形成了光学显微镜下可见的巨大染色体。染色粒和连接它们的染色质丝构成了LBCs的轴，轴上最显著的特点就是染色粒–侧环结构，某些有明显特征的侧环往往成为鉴定染色体特异性的界标（Landmark），比如在两栖类中，几乎大部分灯刷染色体都有巨大的侧环，只是位置不同，所以可以区分不同的染色体；另一类是有特异结构的侧环，分为高密度侧环和块状侧环，也存在于很多染色体不同位置中。轴上除了染色粒和侧环外，还有着丝粒、端粒、球体等结构。这些结构常常出现在特定染色体的固定部位，成为鉴别各条染色体的界标[11]。染色粒(Chromomere)是LBCs轴的主要成分。在配对的同源染色体中，染色体轴上染色粒的数目和分布大体相同，但形状不很规则。在最初形成的LBCs上，单体灯刷染色体染色粒的数目可以达到5000个以上，在光镜下染色粒大小从不可见到可见的1µm。据估算，一个有尾目的两栖动物LBCs的染色粒所包含的碱基数目约5~10Mb，而侧环中仅有50~150kb的DNA[10]。染色粒的数目和大小与物种和减数分裂的推进有关，也随侧环转录活性而变化。随着减数分裂的推进，染色粒逐渐变大，数目减少。在早期的LBCs中侧环转录活性高，这时染色粒小，数目多；随着双线期的推进，侧环因转录活性下降而回缩，染色粒彼此融合最终成一条正常的分裂期染色体[12]。侧环(Lateralloop)是DNA活跃转录的区域，仅占整个LBCsDNA总量的0.2%~0.4%，其与染色粒的边界序列有无特异性现在尚不清楚[10]。在两栖类中，它们的长度与C值呈正相关，平均长度为10~15µm，长的可达200~300µm，这些长的侧环具有染色体的特异性。多数侧环上只有一个转录单位，转录方向可以相同或相反，利用转录抑制子的研究发现，这些转录多数由RNApolII启动。侧环的产生并不同步，某些侧环能贯穿LBCs整个发育期；有些仅在个别时期产生，失去转录活性后回缩到染色粒中。激素处理也能影响侧环的伸展和回缩，这点与果蝇的唾腺染色体的蓬突结构类似，其发生机制和意义有待进一步的研究。由于转录产物的种类、数量和堆积状态不同，在某些染色体轴的特定部位可以形成不同类型的侧环，这成为区分不同LBCs的重要界标[13]。LBCs的着丝粒（Centromere）有二种形态：一种是在某些两栖类中称为着丝粒颗粒，在鸟类中则为蛋白体（Proteinbody）,其大小形态与前后染色粒不易区分，另一种主要在两栖类发现，着丝粒和其两侧相邻的染色粒彼此融合而成染色粒棒（Chromomerebar）。先前的报道表明着丝粒颗粒和染色粒棒上均无侧环，最近的报道称某些鸟类的蛋白体有短的侧环产生[14]。关于端粒（Telomere）的观察主要来自鸟类，在姐妹染色单体的末端分别形成端粒环（由染色单体的末端插入邻近的染色粒所致），通常情况下，端粒环是开放的，也存在一个插入一个开放的形式，其大小和长度具种的特性。两侧无侧环，鸡的端粒环含有2个转录单元[15]，关于LBCs着丝粒和端粒可以转录在欧洲水蛙中也得到证实，一些串联重复序列可以在该类结构中大量转录[7]。球体（Sphereorganelles）是LBCs上另一个重要标志，有染色体的特异性，相当于一般染色体的次级缢痕。其直径一般2~10µm，一般包含2~4个[10]。以上这些结构由于在序列组成、位置、结合蛋白以及形成的高级结构上具有染色体或种的差异，结合LBCs的长度差异，现在已经绘出了多种两栖类和鸟类的LBCs细胞图[7]；利用细菌人工染色体–荧光原位杂交（BAC–FISH）技术绘制了鸡LBCs着丝粒区的精细物理图谱[16]，以上这些工作为利用LBCs进行基因组/杂种鉴定、精细遗传/物理图谱绘制、基因定位、转录和转录机制等研究工作奠定了基础。
1.2灯刷染色体的转录与转录进程研究表明转录主要发生在LBCs的侧环上，大量的新生转录产物和相关蛋白结合，形成了光镜下可见的RNP基质。每个侧环由1~数个转录单位组成，所以LBCs上单个转录单位是可视的，这使得他们成为在结构和分子水平上研究转录及其调控机制的优异材料[17]。侧环的类型因RNP基质的大小和类型可以大致分为正常的大环型、颗粒型、球型和块状（Lumpy），它们都是以30nmRNP颗粒为基础逐渐装配而成，为了探明不同结构的侧环与转录活性的关联，对典型的侧环如球型侧环利用放射自显影、转录抑制子结合大分子扩散分析技术进行RNA合成的分析[17]，结果表明在这类侧环中，存在RNA的合成；侧环的延伸与转录活性相关，活性高的时候，侧环增大，活性降低时，侧环回缩到染色粒中；有的侧环中存在数个不同外形的转录单元，这几个转录单位的转录存在速度的差异。用RNA前体标记物作为探针进行原位杂交试验，与大环和颗粒状的侧环相比，球型侧环标记的速度和强度均较弱，推测不同侧环可能具有相异的转录模式，这个问题有待进一步阐明[18]。已有的报道表明不同侧环的演化存在关联性，这同样也可以看作是转录后的调控。电镜实验证明了这些类型的侧环都是由30nmRNP颗粒组成的；热休克（Thermicshock）实验结果显示在低温处理下，趋于向高级侧环结构发展，而在高温处理下，则趋于向去凝缩方向发展；免疫实验也证明侧环形态的多样性与特异蛋白存在关联。例如在蝾螈的卵细胞中发现一个82kD白，利用单抗进行原位杂交试验表明可以和所有类型的侧环结合，但是并不同步。比如，当球状侧环被强烈标记时，大环和颗粒环不被标记，当标记出现在核质中时，所有类型的环不被标记，该结果初步证明了特异的蛋白与侧环的结构演变存在关联[18]。
来自鸟类的实验表明，侧环中一个转录单位约长1~40µm，这些被转录的基因包括了编码基因和非编码基因。一个令人吃惊的事实是一些持家基因在LBCs的转录是被抑制的，比如在鸟类中编码18S、5.8S和28S的基因簇是没有活性的，但散布的该类基因仍然可以被RNApolII转录而不是polI[19]。迄今为止，在两栖类和鸟类LBCs的研究中，发现仅有少数单拷贝基因在此时转录。比如在两栖类LBCs中，已经证实细胞角蛋白（Cytokeratin）、核仁蛋白NO38/B23、c–myc和Eg1是转录的，并发现了它们的转录产物向核质转移[20]。基于DNA/RNA杂交技术的染色体涂抹技术（Chromosomepaintingtechnique）使大规模研究LBCs的转录成为可能，利用改良的该技术BAC–FISH发现许多鸟类LBCs单拷贝的基因可能是转录的。但问题是BAC克隆是大片段插入，包含了单拷贝和多拷贝的信息，所以，要验证更多的单拷贝的表达需要进一步的实验。早期的生化实验证明LBCs转录的主要是非编码的串联重复序列[21]，进一步的调查是利用原位杂交实验证明两栖类LBCs转录的主要是一些微卫星序列。值得注意的是来自鸟类的研究结果，如果出现在侧环中的一个微卫星序列是转录的，那么侧环临近的染色粒里面的同类微卫星串联簇是不表达的，这个结果表明存在一种未知的调控机制启动LBCs侧环中微卫星DNA的转录[19]。来自热带爪蟾的研究发现卵母细胞中还储存大量来自LBCs转录子的稳定内含子（StableintronicsequenceRNA），这些内含子一直到囊胚期都可以检测到，说明在胚胎发育的早期可能发挥重要作用[22]。关于侧环上转录调控机制的研究，早期提出了“通读假说”（Read–throughhy-pothesis）[23]，该假说认为侧环上转录起始于结构基因的启动子序列，到了该基因的终止序列后并不停留，而是继续转录下面的非编码序列，现代遗传学的研究结果否认了该假说。结合基因组和细胞学的证据表明位于鸡LBCs侧环微卫星序列中的反转录转座子长末端重复序列（LTR）启动了微卫星序列的转录，这得到了很多来自两栖类实验的证明。如果这个机制是正确的，侧环的平均长度应该与活跃的LTR启动子的数量呈负相关，这是今后需要阐明的问题之一。初生的转录产物被与RNA成熟相关的蛋白包被，成为附着于侧环上的RNP基质，这种独特的结构为在活体条件下研究侧环转录产物的处理和机制提供了平台。来自生化的证据表明，鸟类LBCs侧环中多数RNP基质含有与RNA成熟相关的组件，如snRNPs、SC35、hnRNP和3’末端处理相关因子。有些RNP基质中没有发现snRNPs组件，这可能是由于在相应的微卫星转录产物中缺少典型的剪切位点所致[19]。
1.3灯刷染色体的作用自从发现LBCs后科学家一直试图理解发生在侧环上大量且有点随意转录的意义，很多人认为这种转录或多或少是没有意义的[20]。Davidson于1986年提出了另一个假说[24]，他认为发生在LBCs上的转录为将来卵母细胞的成熟和胚胎发育提供必要的转录产物，这一假说越来越为科学家重视。可能存在这种情况，LBCs上的转录产物在核膜破裂前是隔离的，当核膜解体后进入了转录后的切割程序，形成两类成熟的编码和非编码RNA分子，这种现象在Masi和Johnson研究LBCs组蛋白的转录过程上所证实[25]。据此推测，成熟编码蛋白质RNA分子可以用于在胚胎基因组启动表达之前，早期胚胎发育所必需蛋白质的合成。至于大量的非编码微卫星序列的命运可以用现代分子生物学的信息来解释。在后生动物中，编码微卫星序列的DNA可以转录形成dsRNA前体，成熟后产生siRNA，这些siRNA是形成组成型异染色质所必需的。那么，可以推测，在拥有LBCs的动物中，非编码微卫星序列的转录产物同样可以dsRNA前体形式储存在卵细胞中，为早期胚胎发育提供siRNA以便维持异染色质的稳定，这种假设的前提是要探明微卫星RNA产物能否出现在受精之后胚胎发育的过程中[19]。值得注意的是拥有典型LBCs的生物胚胎发育过程大部分时间是离体发育，这与胎生的哺乳动物在发育环境上存在巨大差异，因此，在这类生物中LBCs转录与离体后胚胎发育过程是否存在更密切的关联性是值得深入探讨的。1.4灯刷染色体的表观遗传修饰与染色质重塑通过对两栖类和鸟类灯刷染色体的深入研究，我们基本了解了其整体表观遗传的状态。来自两栖类的研究发现这类染色体中包括染色粒和侧环不但缺少组蛋白H1，而且组蛋白H4都呈高度乙酰化状态，这是典型基因组DNA转录活化的特点，实验证明，乙酰化和甲基化修饰组蛋白的尾部都会导致侧环相应状态的改变[19]。关于对LBCs表观遗传修饰的理解一个典型的例子是来自于对6种鸟类卵母细胞LBCsZW的研究[26]。鸟类卵母细胞中性染色体ZW是一个仅通过着丝粒处相连的不对称二价体，Z染色体具有正常的LBCs形态，而富含重复序列的W则仅形成几个较大的染色粒，含有少量的侧环。进一步的研究发现W染色体具备了惰性染色体的特点，比如缺少乙酰化组蛋白H4，富含组蛋白H3K9和H3K27的二甲基化，几个大的染色粒都含有大量的异染色质蛋白1。这些因素共同导致了W染色体在鸟类卵母细胞的发育中高度凝缩的状态[19]。
尽管现在从整体上对LBCs的表观修饰有了一定的理解，但对该类染色体的“建立–维持–再凝缩”的机制了解很少。一个重要的事实是在两栖类和鸟类的LBCs上，不但缺少组蛋白H1，而且也未见参与减数分裂染色质凝缩的拓朴异构酶II。另外一个在维持LBCs形态方面发挥重要作用的蛋白是染色体结构维持（Structuralmaintenanceofchromosomes，SMC）蛋白家族，它们参与了黏连（Cohesin）复合体和凝缩（Condensin）复合体的形成。电镜结合免疫试验证明黏连复合体主要出现在姐妹染色单体两条染色质丝形成的轴上，后者主要在染色粒上发现。这说明，这两种复合体可能对维持LBCs的染色粒–侧环结构发挥重要作用[27]。最新的关于LBCs重建的实验来自将人类的注射进两栖类动物非洲爪蟾的卵母细胞中，结果发现染色体形成了典型的LBCs结构，这一方面说明了两栖类动物卵母细胞中含有重塑哺乳动物非活性染色体的所有因素，另一方面也说明哺乳动物卵母细胞染色体的失活并不是永久的遗传或表观遗传机制造成的。这个实验为进一步鉴定染色质重塑相关的顺式和反式作用因子以及解析其机制提供了研究材料[9]。
2灯刷染色体应用于遗传学教学的现状与思考
对于遗传学内容的传授离不开优秀的案例，生命科学的飞速发展也使得这些案例的内涵得到了丰富和扩展。以优秀案例开展遗传学教学工作可以将复杂的遗传学知识形象化和简单化，便于教师的讲授和学生的理解与记忆[3]，同样也可以使枯燥的遗传学学习变得妙趣横生。LBCs就是遗传学的一个优秀经典的案例，但在遗传学教学中出镜偏低。在作者教学所使用戴灼华等编写的《遗传学》课本中，以LBCs为案例介绍的内容很少[28]，仅在第二版第二章《遗传的细胞学基础》中，作为一种特殊染色体形态进行了简单介绍，一句“LBCs是在光学显微镜下直接观察并识别特殊位置上的单个基因转录活性极为理想的材料”让学生对该案例充满了遐想和期待，但本书后面的遗传学内容均没有发现该案例的身影，因此发掘和使用LBCs案例应用于遗传教学有十分重要的意义。
2.1灯刷染色体在遗传学教学中的拓展以LBCs为案例进行相关遗传学内容教学，我们应首先根据高校遗传学的培养目的和教学目标，在学生掌握了一定的细胞、生化和遗传知识的基础上，结合遗传学的进度逐步有序地加以介绍。在我所教授的遗传学课本中LBCs是作为一类特殊的染色体介绍给学生的，除了介绍了一点关于LBCs的发现和特点外，缺少更加详细的资料。正是由于其可视性的特点，学生除了可以容易的掌握其特殊染色体的特点外，也可以掌握一般染色体具有的特点。其实，随着研究的深入，其涵盖的遗传学知识也越来越多，形成和维持该特殊染色体的原因也越来越清楚。我们在教学过程中是这样介绍的：关于LBCs结构的认识是随着相关技术的发展而不断深入的。19世纪末发现LBCs并不偶然，那时的科学家用光学显微镜寻找适合的染色体材料去研究减数分裂和有丝分裂；随着时代的发展，科学家发现LBCs丰富而富有特色的结构适合细胞图的绘制；电镜和扫描电镜的发明更推动了LBCs结构和染色体组织的认识，知道了更细微结构的形态，比如对侧环结构的认识，发现了侧环结构的复杂性；免疫学和电镜技术的结合，使科学家认识到侧环是由最基本的单位RNP颗粒组成的，经过一步步的装配和折叠形成了不同外形特点的侧环；分子技术、免疫技术和电镜技术的综合运用，使人们认识到侧环白体中RNA主要是微卫星序列的转录产物，但也有少量单拷贝的编码序列RNA。由此引导同学们思考：既然LBCs的RNP基质中主要是编码非编码序列微卫星的RNA，它的作用究竟是什么呢？如果同学们已经知道了微卫星序列最终编码的siRNA参与了异染色质的形成和维持的话，自然会想到在LBCs“再凝缩”阶段可能会发挥作用。关于适合进行细胞图的绘制也可以根据技术的发展逐渐深入：在仅有光学显微镜的早期，只能根据大的界标如侧环、染色粒、着丝粒、端粒等进行简单的作图，用于区分不同的染色体、基因组甚至杂种；随着电镜技术的发展，对LBCs结构认识更加细致，可以绘制更加精细的细胞图；随着染色体涂抹技术的发展，可以将DN段定位到LBCs不同结构中，绘制更加实用的物理图，这将为进行全基因组测序更加全面的认识基因组特点奠定基础。关于LBCs形成和维持原因的介绍可以使学生理解和掌握染色质重塑方面的知识。早期在只有光学显微镜的条件下对它的认识一筹莫展，只能提出假说；但随着免疫技术和分子生物学技术的运用，才认识到存在一些事实：LBCs中组蛋白H1缺失，H4高度乙酰化，染色粒处富含组蛋白H3K9和H3K27的二甲基化，鸟类W染色体几个大的染色粒都含有大量的异染色质蛋白1等等。其实这离完全了解其产生机制还有很远的距离。为了让学生直观地掌握转录相关知识，也可以引入LBCs的相关内容。由于单个转录单位可视性的特点，所以可以直观容易地了解单个转录单位的结构、组成、长度、速率和分子互作等方面的知识。为了学生更容易地理解LBCs相关的遗传学知识，开设LBCs分离和鉴定实验是值得考虑的教学内容。现在国内常用的遗传学实验教材没有这个实验，国外也少有开展。我校生命学院关于该实验正在筹划中，所以待有了一定的进展后再向同仁汇报。更加详细的实验程序可以参照相关网站的内容。
