表观遗传学与精子发生、胚胎发育相关性

从亲代基因组中所获得的使其生长、发育和进化的遗传信息并不全是核酸序列。在遗传的过程当中，基因表达所引起的改变也可具有遗传性，并导致表现型发生可遗传的改变，其中并未涉及基因组序列的改变［1］。理论上来说，其实它与孟德尔的核内遗传规律并不相符合。因此，可以认为基因组包含两种类型的遗传信息，传统意义上的遗传信息是一个类，也就是说，提供遗传信息的基因序列;另一种是表观遗传学信息，它可提供何时、何地、以什么样的方式使用遗传信息的指令［2］。

从目前的研究来看，DNA甲基化(DNA methylation)、组蛋白乙酰化、染色质重塑(chromatin remodeling)和非编码RNA(non-coding RNA)等更高层次的基因组信息都是表观遗传学研究的主要内容。本文主要是对表观遗传学及其在生殖疾病方面进行分析和概括总结。

一、DNA甲基化

DNA甲基化在基因组中的修饰最为常见，同时也是一种及其重要的表观遗传学标记，在调节基因组功能、维持染色质结构的稳定性、基因印记以及胚胎发育等生物学过程中发挥着重要手段。哺乳动物基因组中的CpG二联核苷酸大部分成簇存在于CpG岛区域，少部分分散存在，而甲基化大部分发生在其胞嘧啶上。DNA甲基化的产物主要由5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5-mC)及少量的7-甲基鸟嘌呤及N6-甲基腺嘌呤组成［3］。其过程是在DNA甲基化转移酶(DNA methyltransferases，DNMTs)和 CpG甲基化结合蛋白(Methyl-CpG Binding Proteins，MBDs)的作用下，选择性的将S-腺苷基甲硫氨酸所提供的甲基基团添加在DNA的CG两个核苷酸的胞嘧啶的第五位碳上，并最终形成5-胞嘧啶。

目前，DNA甲基化与某些生殖疾病的关系已逐步引起人们越来越多的重视。一般情况下，处于正常基因组中CpG岛外的CpG位点常常被甲基化，进而抑制基因的表达，而CpG岛内的CpG位点处于非甲基化状态，则基因的表达就会得到促进。不过，在组织分化阶段或者胚胎发育早期，有少部分的CpG(6%)都被甲基化［4］。通过对小鼠早期胚胎的发育情况的研究发现，全基因组的表观遗传修饰并不是一成不变的。一般在胚胎发育到桑葚期之前会出现两次去甲基化，随后出现新的甲基化避免了异位基因的激活［5］。如果启动子区域出现异常的高甲基化，就可抑制基因的正常表达，其功能也会随之消失，并最终影响细胞的正常生长和分化，特别是某些重要的正常基因就会发生不表达。目前的研究发现，非印记基因的高甲基化和精子浓度、活力、形态的异常息息相关，尤其是这四个序列NTF3/MTIA/PAX8/PLAGL1的高甲基化与其关系最为紧密［6］。DNA甲基化也参与调控与X染色体有关的生殖同源盒(PHOX)基因，Richardson等［7］通过对45例正常精液中的RHOX基因甲基化程度和98例不育患者进行对比，发现异常的精液甲基化程度比正常的高，由此PHOX基因甲基化的异常有可能成为男性不育的病因之一。DNA中甲基化的片段与转录阻遏蛋白等各种转录原件的结合导致基因的转录受到抑制，并不是DNA甲基化本身抑制基因的转录［8］。

发生甲基化的过程中DNMTs起着举足轻重的作用。哺乳动物中具有生物活性的主要有 Dnmt1、Dnmt3a、Dnmt3b［9］。胚胎的发育受多种因素的影响，目前有研究发现如果敲除Dnmt基因，胚胎早期发育及多个器官的形成和分化会受到严重的影响，并导致胚胎早期死亡［10］。抑制Dnmt1基因的表达，小鼠胚胎早期的发育速度明显降低，这说明了在哺乳动物的正常生长发育中DNA甲基化的重要性［11］。若是想更深一步的了解Dnmt蛋白家族在胚胎发育中的作用，还需要对其作用机制有更多的定向研究。

二、染色质重塑

染色质构型的改变主要发生在染色质重塑的过程中，通过改变核小体与DNA序列的相对位置，增加启动子区域的可结合性，并与反式作用因子相结合起始基因的转录。

ATP依赖的染色质重塑是染色质重塑最重要的方式之一，而染色质重塑复合物 SWI(Switch)/SNF(sucrose nonfermenting)是染色质重塑过程中所必需的，最早是在酵母细胞中被发现，因其参与调控核酸内切酶HO(homothallic switching endonuclease)和转化酶SUC2(sucrose invertase)基因的表达，其中HO是一种转换开关，而SUC2是蔗糖发酵所必不可少的，所以此复合物被定义为 SNF/SWI［12］。

染色质结构的改变所需要的能量主要来源于ATP的水解，根据ATP水解的不同亚基，可将复合物分为SWI/SNF复合物、ISW复合物以及其它类型的复合物。目前，已知的人源SWI/SNF家族中的BAF亚家族，在人类发育的过程中必不可少［13］。SWI/SNF的研究大部分存在于小鼠胚胎干细胞(MES)的模型当中，而关于人胚胎干细胞(HES)中的研究目前不是很多。BRG1(SMARCA4)ATP酶是多聚体酶复合物SWI/SNF的核心亚单位，将胚球体(EB)中的BRG1敲除发现其发育迟缓，在7.5 d将其打散之后进而诱导形成胚胎生殖细胞的数量出现明显的减少［14］。影响精子生成的因素有多种，其中精子生成障碍已威胁到男性的生殖健康，通过对染色质重塑通路中的CHD2基因rs1406714位点的研究发现，此位点能够使精子生成障碍的几率大大降低［15］。

三、组蛋白乙酰化

组蛋白乙酰化程度是由HDACs(组蛋白去乙酰基转移酶，histone deacetylase)和 HATs(histone acetyltmnsferse，组蛋白乙酰基转移酶)共同决定。乙酰化一般激活基因的转录，而去乙酰化则抑制基因的转录［16］。组蛋白乙酰化之所以能够促进基因的转录主要是由于其在一定程度上降低组蛋白和核小体上的DNA的亲和性，导致染色质结构的松弛［17］。

组蛋白的乙酰化修饰对染色质的构型特别是正在分化的细胞发挥着十分重要的作用。细胞处于减数分裂时期，组蛋白H3、H4在HDAC的作用下发生去乙酰化，H3K9(组蛋白H3中的第9位赖氨酸)和H3K27在组蛋白甲基转移酶(Histone Methyltransferase，HMT)催化下发生甲基化，随后甲基化状态的H3K9阻止染色质与RNA聚合酶Ⅱ的结合，甲基化状态的H3K27阻止RNA聚合酶的前进，如果二者同时出现，则基因的转录就会受到抑制，若单一出现转录也可能会受到一定的抑制［18］。在精细胞的形成过程中组蛋白H4重新被乙酰化，核小体就会处于一个松散的状态，易于精蛋白代替组蛋白进行包装，并在受精后精蛋白就会立即被组蛋白所取代［19］。不同的细胞类型、细胞周期及处理方法都有可能对胚胎的乙酰化水平产生影响。有研究显示TSA(组蛋白去乙酰酶抑制剂，Trichostatin A)具有增强与胚胎发育有关的基因表达的功能，并降低与DNA甲基化及染色质结构相关基因的表达，这有可能导致TSA使体细胞核移殖发育能力的提高［20］。同时，如果用乙酰化酶抑制剂处理的小鼠，组蛋白乙酰化水平出现增加，结果Fenic等［21］发现其可明显降低成熟精子的数量，并伴有不同程度生殖能力的丧失。

四、非编码RNA

非编码RNA是指不编码蛋白质的RNA。依照大小可分为长链非编码RNA(lncRNA)和短链非编码(Small ncRNA)。目前，研究比较多的是lncRNA。lncRNA在胞质和细胞核内被发现，而细胞核内的lncRNA大部分与染色质重塑相关的蛋白复合体中的关键性结构域结合在一块，发挥着相应的调节作用，lncRNA的分布与其在细胞中的作用机制密切相关［22］。

lncRNA调节着复杂的细胞网络功能，其参与染色体的组建、mRNA的剪接等过程，如果lncRNA的功能发生异常或者突变，都会发生一系列的复杂疾病。近几年，研究发现lncRNA在生殖细胞和胚胎的发生和发育方面有着密切联系［23］，lncRNA的研究还大范围的停留在宏观分析阶段，主要集中在精子研究方面。精子细胞中含有许多特殊的RNAs，比如 siRNAs(小干扰 RNAs，Small interfering RNAs)和miRNAs(小RNAs)［24］。拟染色体小体是单倍体精细胞所独有的结构，lncRNA、RNA连接蛋白、Piwi蛋白相互作用的RNA(piRNA)、mRNA和其他参与RNA调节的蛋白就是一块组装在此结构当中［25］。Liang等［26］发现成熟精细胞的形成在表达上需要一些特定的lncRNA和mRNA的协同作用，否则精细胞可能会发生异常，这说明并不是lncRNA单独发挥作用，而是需要其他因子如mRNA的共同作用。通过对孤雌生殖小鼠早期胚胎发育的研究，Riverad等［27］发现其出生死亡率高达80%，而成功率则低至0.3%。可以理解为胚胎发育受阻的原因可能与缺失一些基因的补偿有关，如果在表观遗传修饰的过程中精细胞中的RNA发挥着巨大作用，而其作用又必不可少，那么可以说明是由于缺乏父系RNA才导致孤雌生殖中比较高的出生死亡率。然而，在人类胚胎中，对lncRNA的研究尚且不多，其作用机制不是很明确，如果想更清楚的了解lncRNA的异常在生殖疾病中的作用，还需要不断的进行探索。

五、结束与展望

目前，与表观遗传修饰相关的某些生殖疾病已然成为生殖医学研究的热点。特别是最近几年，由于社会压力等各方面的影响，使得与其相关的生殖疾病成为一个严肃的问题。通过系统的对表观遗传修饰相关的生殖疾病所潜在的风险进行研究，是非常有必要的。探索表观遗传修饰当中各种因子的突变致病机制，能够使表观遗传学的分子机理得到更好的理解，对于以前许多在DNA序列中无法解释的现象，现在表观遗传学可以得出很好很合理的解释，进而更好的运用在生殖医学当中。如果想更多的了解表观遗传修饰在各类生殖疾病中所起的作用，还需要将来对其确切的分子机制进行不断的探索。

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