染色質(zhì)重塑與人類疾病
核小體結(jié)構(gòu)的存在為染色質(zhì)包裝提供了便利，但DNA與組蛋白八聚體緊密結(jié)合卻為基因的表達(dá)設(shè)置了障礙，要打破這一障礙獲得有活性的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，可通過染色質(zhì)重塑來實現(xiàn)。染色質(zhì)重塑是指在能量驅(qū)動下核小體的置換或重新排列。它改變了核小體在基因啟動子區(qū)的排列，增加了基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄裝置和啟動子的可接近性。染色質(zhì)重塑的發(fā)生和組蛋白N端尾巴修飾密切相關(guān)，尤其是對組蛋白H3和H4的修飾。修飾直接影響核小體的結(jié)構(gòu)，并為其它蛋白提供了和DNA作用的結(jié)合位點。染色質(zhì)重塑和組蛋白修飾均由各自特異的復(fù)合物來完成，兩者發(fā)生的先后順序與啟動子序列的特異性有關(guān)；后與啟動子結(jié)合的復(fù)合物有助于維持兩個復(fù)合物與啟動子的穩(wěn)定結(jié)合，且兩復(fù)合物又可相互加強對方的功能。染色質(zhì)重塑復(fù)合物、組蛋白修飾酶的突變均和轉(zhuǎn)錄調(diào)控、DNA甲基化、DNA重組、細(xì)胞周期、DNA的復(fù)制和修復(fù)的異常相關(guān)，這些異?？梢砸鹕L發(fā)育畸形，智力發(fā)育遲緩，甚至導(dǎo)致癌癥。
1.1 ATP依賴的染色質(zhì)重塑與人類疾病
染色質(zhì)重塑復(fù)合物依靠水解ATP提供能量來完成染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，根據(jù)水解ATP的亞基不同，可將復(fù)合物分為SWI/SNF復(fù)合物、ISW復(fù)合物以及其它類型的復(fù)合物。這些復(fù)合物及相關(guān)的蛋白均與轉(zhuǎn)錄的激活和抑制、DNA的甲基化、DNA修復(fù)以及細(xì)胞周期相關(guān)。
ATRX、ERCC6、SMARCAL1均編碼與SWI/SNF復(fù)合物相關(guān)的ATP酶。ATRX突變引起DNA甲基化異常導(dǎo)致數(shù)種遺傳性的智力遲鈍疾病如：X連鎖α-地中海貧血綜合征、Juberg-Marsidi綜合征、Carpenter-Waziri綜合征、Sutherland-Haan綜合征和Smith-Fineman-Myers綜合征，這些疾病與核小體重新定位的異常引起的基因表達(dá)抑制有關(guān)。ERCC6的突變將導(dǎo)致Cerebro-Oculo-Facio-Skeletal綜合征和B型Cockayne綜合征。前者表現(xiàn)為出生后發(fā)育異常、神經(jīng)退行性變、進行性關(guān)節(jié)攣縮、夭折；后者表現(xiàn)出紫外線敏感、骨骼畸形、侏儒、神經(jīng)退行性變等癥狀。這兩種病對紫外誘導(dǎo)的DNA損傷缺乏修復(fù)能力，表明ERCC6蛋白在DNA修復(fù)中有重要的作用。SMARCAL1的突變導(dǎo)致Schimke免疫性骨質(zhì)發(fā)育異常，表現(xiàn)為多向性T細(xì)胞免疫缺陷，臨床癥狀表明SMARCAL1蛋白可能調(diào)控和細(xì)胞增殖相關(guān)的基因的表達(dá)。BRG1、SMARCB1和BRM編碼SWI/SNF復(fù)合物特異的ATP酶，這些酶通過改變?nèi)旧|(zhì)的結(jié)構(gòu)使成細(xì)胞纖維瘤蛋白(Retinoblastoma protein, RB蛋白)順利的行使調(diào)節(jié)細(xì)胞周期、抑制生長發(fā)育以及維持基因失活狀態(tài)的功能，這三個基因的突變可導(dǎo)致腫瘤形成。
1.2 組蛋白乙?；?、去乙酰化與人類疾病
組蛋白乙酰化與基因活化以及DNA復(fù)制相關(guān)，組蛋白的去乙?；突虻氖Щ钕嚓P(guān)。乙酰化轉(zhuǎn)移酶(HATs)主要是在組蛋白H3、H4的N端尾上的賴氨酸加上乙?；?，去乙?；?HDACs)則相反，不同位置的修飾均需要特定的酶來完成。乙?；讣易蹇勺鳛檩o激活因子調(diào)控轉(zhuǎn)錄，調(diào)節(jié)細(xì)胞周期，參與DNA損傷修復(fù)，還可作為DNA結(jié)合蛋白。去乙?；讣易鍎t和染色體易位、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、基因沉默、細(xì)胞周期、細(xì)胞分化和增殖以及細(xì)胞凋亡相關(guān)。
CREB結(jié)合蛋白(CREB binding protein,CBP)、E1A結(jié)合蛋白p300(E1A binding protein p300,EP300)和鋅指蛋白220(zinc finger 220,ZNF220)均為乙?；D(zhuǎn)移酶。CBP是cAMP應(yīng)答元件結(jié)合蛋白的輔激活蛋白，通過乙酰化組蛋白使和cAMP應(yīng)答元件作用的啟動子開始轉(zhuǎn)錄，它的突變導(dǎo)致Rubinstein Taybi綜合征，患者智力低下、面部畸形、姆指和拇趾粗大、身材矮小。CBP和EP300均可抑制腫瘤的形成，在小鼠瘤細(xì)胞中確定了CBP的突變，在結(jié)腸和乳房瘤細(xì)胞系中確定了EP300的突變，另外ZNF220異常和人的急性進行性髓性白血病相關(guān)。
如果突變導(dǎo)致錯誤的激活去乙?；富蝈e誤的和去乙?；赶嗷プ饔?，將可能導(dǎo)致疾病的發(fā)生。甲基化CpG-結(jié)合蛋白-2(methyl cytosine binding protein-2,MeCP2)可募集去乙?；傅郊谆腄NA區(qū)域，使組蛋白去乙?；瘜?dǎo)致染色質(zhì)濃縮，MeCP2的突變導(dǎo)致Rett綜合征，患者出生即發(fā)病、智力發(fā)育遲緩、伴孤獨癥。若阻礙去乙酰化酶的功能，則可抑制癌細(xì)胞的增殖和分化，可用于急性早幼粒細(xì)胞性白血病, 急性淋巴細(xì)胞性白血病和非何杰金氏淋巴瘤的治療。
染色質(zhì)重塑異常引發(fā)的人類疾病是由于重塑復(fù)合物中的關(guān)鍵蛋白發(fā)生突變，導(dǎo)致染色質(zhì)重塑失敗，即核小體不能正確定位，并使修復(fù)DNA損傷的復(fù)合物，基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄裝置等不能接近DNA，從而影響基因的正常表達(dá)。如果突變導(dǎo)致抑癌基因或調(diào)節(jié)細(xì)胞周期的蛋白出現(xiàn)異常將導(dǎo)致癌癥的發(fā)生。乙?；傅耐蛔儗?dǎo)致正?；虿荒鼙磉_(dá)，去乙?；傅耐蛔兓蛞恍┖腿ヒ阴；赶嚓P(guān)的蛋白的突變使去乙酰化酶錯誤募集將引發(fā)腫瘤等疾病。
2 基因組印記與人類疾病
基因組印記是指來自父方和母方的等位基因在通過精子和卵子傳遞給子代時發(fā)生了修飾，使帶有親代印記的等位基因具有不同的表達(dá)特性，這種修飾常為DNA甲基化修飾，也包括組蛋白乙?；?、甲基化等修飾。在生殖細(xì)胞形成早期，來自父方和母方的印記將全部被消除，父方等位基因在精母細(xì)胞形成精子時產(chǎn)生新的甲基化模式，但在受精時這種甲基化模式還將發(fā)生改變；母方等位基因甲基化模式在卵子發(fā)生時形成，因此在受精前來自父方和母方的等位基因具有不同的甲基化模式。目前發(fā)現(xiàn)的印記基因大約80%成簇，這些成簇的基因被位于同一條鏈上的順式作用位點所調(diào)控，該位點被稱做印記中心(imprinting center, IC)。印記基因的存在反映了性別的競爭，從目前發(fā)現(xiàn)的印記基因來看，父方對胚胎的貢獻(xiàn)是加速其發(fā)育，而母方則是限制胚胎發(fā)育速度，親代通過印記基因來影響其下一代，使它們具有性別行為特異性以保證本方基因在遺傳中的優(yōu)勢。
印記基因的異常表達(dá)引發(fā)伴有復(fù)雜突變和表型缺陷的多種人類疾病。研究發(fā)現(xiàn)許多印記基因?qū)ε咛ズ吞撼錾蟮纳L發(fā)育有重要的調(diào)節(jié)作用，對行為和大腦的功能也有很大的影響，印記基因的異常同樣可誘發(fā)癌癥。
2.1 基因組印記與臍疝-巨舌-巨人癥綜合征(BWS )
BWS患者表現(xiàn)為胚胎和胎盤過度增生，巨舌，巨大發(fā)育，兒童期易發(fā)生腫瘤。該病主要是由11號染色體上的IGF2和CDKN1C兩個印記基因的錯誤表達(dá)引發(fā)，IGF2為父本表達(dá)的等位基因，CDKN1C為母本表達(dá)的等位基因。父本單親二體型(uniparental disomies, UPDs)是引發(fā)BWS的主要原因，即IGF2基因雙倍表達(dá)，CDKN1C基因不表達(dá)；次要原因是母本的CDKN1C等位基因發(fā)生突變[22]；極少數(shù)病例是由于母本的染色體發(fā)生移位造成CDKN1C基因失活和(或)造成母本的IGF2基因表達(dá)。其它一些印記基因在胚胎發(fā)育過程中的過量或缺失表達(dá)也可導(dǎo)致類似于BWS的綜合征，如原來母本表達(dá)的IPL基因的不表達(dá)或母本的ASCL2基因逃避印記都將導(dǎo)致胚胎的過度發(fā)育。這表明父本表達(dá)的等位基因?qū)ε咛サ纳L有促進作用，而母本表達(dá)的等位基因?qū)ε咛サ陌l(fā)育起到限制作用。
2.2 基因組印記與Prader-Willi/Angelman綜合征(PWS/AS)
PWS表現(xiàn)為肥胖、身材矮小和輕度智力發(fā)育遲緩；AS表現(xiàn)為共濟失調(diào)、過度活躍、嚴(yán)重智障、少語、表情愉悅，這兩種疾病都和神經(jīng)功能失調(diào)相關(guān)。PWS是由于突變導(dǎo)致父本印記基因在大腦中高表達(dá)所致，如SNPNP基因高表達(dá)；AS是由于母本的UBE3A基因的缺失或受到抑制所致，該基因編碼泛素蛋白連接酶并在腦中表達(dá)。父本表達(dá)的SNRNP基因的微缺失可導(dǎo)致PWS，而在其上游進一步缺失則可導(dǎo)致AS，這說明這兩個區(qū)域就是印記中心所在的位置。如果缺失父本染色體上的PWS印記中心將導(dǎo)致SNRNP基因以及附近的父本表達(dá)的等位基因被抑制，而缺失父本染色體上的AS印記中心則沒什么變化，但若缺失母本染色體上的AS印記中心將導(dǎo)致UBE3A被抑制而導(dǎo)致AS。
2.3 基因組印記與癌癥
印記丟失不僅影響胚胎發(fā)育并可誘發(fā)出生后的發(fā)育異常，從而導(dǎo)致癌癥發(fā)生。如果抑癌基因有活性的等位基因失活便提高了發(fā)生癌癥的幾率，例如IGF2基因印記丟失將導(dǎo)致多種腫瘤,如Wilm’s 瘤。和印記丟失相關(guān)的疾病還有成神經(jīng)細(xì)胞瘤，急性早幼粒細(xì)胞性白血病，橫紋肌肉瘤和散發(fā)的骨肉瘤等。
與基因組印記相關(guān)的疾病常常是由于印記丟失導(dǎo)致兩個等位基因同時表達(dá)，或突變導(dǎo)致有活性的等位基因失活所致。調(diào)控基因簇的印記中心發(fā)生突變將導(dǎo)致一系列基因不表達(dá)，引發(fā)復(fù)雜綜合征?；蚪M印記的本質(zhì)仍為DNA修飾和蛋白修飾，所以和印記相關(guān)的蛋白發(fā)生突變也將導(dǎo)致表觀遺傳疾病。
3 X染色體失活與人類疾病
3.1 X染色體失活
女性有兩條X染色體，而男性只有一條X染色體，為了保持平衡，女性的一條X染色體被永久失活，這便是“劑量補償”效應(yīng)。哺乳動物雌性個體的X染色體失活遵循n-1法則，不論有多少條X染色體，最終只能隨機保留一條的活性。對有多條X染色體的個體研究發(fā)現(xiàn)有活性的染色體比無活性的染色體提前復(fù)制，復(fù)制的異步性和LINE-1元件的非隨機分布有可能揭示染色體失活的本質(zhì)[27]。哺乳動物受精以后，X染色體發(fā)生系統(tǒng)變化。首先父本X染色體(paternal X chromosome, Xp)在所有的早期胚胎細(xì)胞中失活，表現(xiàn)為整個染色體的組蛋白被修飾和對細(xì)胞分裂有抑制作用的Pc-G蛋白(Polycomb group proteins, Pc-G)表達(dá)，然后Xp在內(nèi)細(xì)胞群又選擇性恢復(fù)活性，最后父本或母本X染色體再隨機失活。
X染色體隨機失活是X失活中心(X inactivation center, Xic)調(diào)控的。Xic是一個順式作用位點，包含辨別X染色體數(shù)目的信息和Xist基因，前者可保證僅有一條染色體有活性，但機制不明，后者缺失將導(dǎo)致X染色體失活失敗。X染色體失活過程為：Xist基因編碼Xist RNA，Xist RNA包裹在合成它的X染色體上，引發(fā)X染色體失活；隨著Xist RNA在X染色體上的擴展，DNA甲基化和組蛋白的修飾馬上發(fā)生，這對X染色體失活的建立和維持有重要的作用；失活的染色體依舊持續(xù)合成Xist RNA，維持本身的失活狀態(tài)，但有活性的X染色體如何阻止Xist RNA的結(jié)合機制還不明確。
3.2 與X染色體失活相關(guān)的疾病
和X染色體失活相關(guān)的疾病多是由X染色體的不對稱失活使攜帶有突變等位基因的X染色體在多數(shù)細(xì)胞中具有活性所致。Wiskott-Aldrich綜合征表現(xiàn)為免疫缺陷、濕疹、伴血小板缺乏癥，該病是由于WASP基因突變所致。因為染色體隨機失活導(dǎo)致女性為嵌合體，攜帶有50%的正?；?，通常無癥狀表現(xiàn)，該病患者多為男性。存在女性患病的原因在于不對稱X染色體失活，即攜帶有正常WASP基因的染色體過多失活。但女性體內(nèi)還存在另一種機制，通過不對稱失活使攜帶有突變基因的X染色體大部分失活。對Pelizaeus-Merzbacher病的研究表明這種機制的存在，它使帶有突變PLP基因的X染色體傾向于失活。RTT綜合征也和不對稱X染色體失活有關(guān)，攜帶有MeCP2突變基因的女性，X染色體失活時傾向于使攜帶有發(fā)生突變的等位基因的染色體失活。
即便是失活的X染色體，也有一部分基因可以逃避失活而存在兩個有活性的等位基因，但逃避失活的等位基因的表達(dá)水平有很大的差異。由于逃避失活而易使一些抑癌基因喪失功能，這是引發(fā)女性癌癥的一個重要原因。也有一些逃避失活的基因過量表達(dá)而增加某些疾病的易感性，如TIMP1基因隨著年齡的增加表達(dá)量逐漸增加，導(dǎo)致遲發(fā)型疾病。女性易感的自身免疫性疾病也和X染色體失活相關(guān)，因為女性為嵌合體，如果自身免疫性T細(xì)胞不能耐受兩個X染色體所編碼的抗原，則會導(dǎo)致自身免疫缺陷性疾病，如紅斑狼瘡等。
4 非編碼RNA與人類疾病
4.1 非編碼RNA在表觀遺傳學(xué)中的作用
功能性非編碼RNA在基因表達(dá)中發(fā)揮重要的作用，按照它們的大小可分為長鏈非編碼RNA和短鏈非編碼RNA。長鏈非編碼RNA在基因簇以至于整個染色體水平發(fā)揮順式調(diào)節(jié)作用。在果蠅中調(diào)節(jié)“劑量補償”的是roX RNA，該RNA還具有反式調(diào)節(jié)的作用，它和其它的蛋白共同構(gòu)成MSL復(fù)合物，在雄性果蠅中調(diào)節(jié)X染色體活性。在哺乳動物中Xist RNA調(diào)節(jié)X染色體的失活，其具有特殊的模體可和一些蛋白共同作用實現(xiàn)X染色體的失活。Tsix RNA是Xist RNA的反義RNA，對Tsix起負(fù)調(diào)節(jié)作用，在X染色體隨機失活中決定究竟哪條鏈?zhǔn)Щ?。air RNA調(diào)節(jié)一個基因簇的表達(dá)，該基因簇含有3個調(diào)節(jié)生長的基因[38]。長鏈RNA常在基因組中建立單等位基因表達(dá)模式，在核糖核蛋白復(fù)合物中充當(dāng)催化中心，對染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變發(fā)揮著重要的作用。
短鏈RNA在基因組水平對基因表達(dá)進行調(diào)控，其可介導(dǎo)mRNA的降解，誘導(dǎo)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，決定著細(xì)胞的分化命運，還對外源的核酸序列有降解作用以保護本身的基因組。常見的短鏈RNA為小干涉RNA(short interfering RNA, siRNA)和微小RNA(microRNA, miRNA)，前者是RNA干擾的主要執(zhí)行者，后者也參與RNA干擾但有自己獨立的作用機制。
4.2 非編碼RNA與疾病
非編碼RNA對防止疾病發(fā)生有重要的作用。染色體著絲粒附近有大量的轉(zhuǎn)座子，轉(zhuǎn)座子可在染色體內(nèi)部轉(zhuǎn)座導(dǎo)致基因失活而引發(fā)多種疾病甚至癌癥，然而在著絲粒區(qū)存在大量有活性的短鏈RNA，它們通過抑制轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)座而保護基因組的穩(wěn)定性。在細(xì)胞分裂時，短鏈RNA異常將導(dǎo)致染色體無法在著絲粒處開始形成異染色質(zhì)，細(xì)胞分裂異常，如果干細(xì)胞發(fā)生這種情況可能導(dǎo)致癌癥的發(fā)生。siRNA 可在外來核酸的誘導(dǎo)下產(chǎn)生，通過RNA干擾清除外來的核酸，對預(yù)防傳染病有重要的作用。RNA干擾已大量應(yīng)用于疾病的研究為一些重大疾病的治療帶來了新的希望。
非編碼RNA不僅能對整個染色體進行活性調(diào)節(jié)，也可對單個基因活性進行調(diào)節(jié)，它們對基因組的穩(wěn)定性、細(xì)胞分裂、個體發(fā)育都有重要的作用。RNA干擾是研究人類疾病的重要手段，通過其它物質(zhì)調(diào)節(jié)RNA干擾的效果以及實現(xiàn)RNA干擾在特異的組織中發(fā)揮作用是未來RNA干擾的研究重點。
5 結(jié)束語
表觀遺傳學(xué)補充了“中心法則”忽略的兩個問題，即哪些因素決定了基因的正常轉(zhuǎn)錄和翻譯以及核酸并不是存儲遺傳信息的唯一載體。決定表觀遺傳學(xué)過程的主要因素為DNA修飾、組蛋白修飾以及非編碼RNA調(diào)控，這三個因素的相互關(guān)系以及它們?nèi)绾喂餐瑏碚{(diào)節(jié)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)還有待進一步的研究。在生命的歷史中短鏈RNA可能充當(dāng)著保護基因組穩(wěn)定性的角色，且RNA對DNA甲基化和組蛋白修飾有指導(dǎo)作用，表明RNA可能和表觀遺傳改變的根本誘因相關(guān)，但真正的誘因目前還不清楚。對表觀遺傳中各種因子的突變導(dǎo)致的疾病的研究將有助我們了解表觀遺傳機制，進而指導(dǎo)疾病的治療和新藥的研制
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