表观遗传修饰的标记

研究得最清楚的也是最重要的表观遗传修饰形式是DNA甲基化（DNA methylation）。DNA甲基化主要是基因组DNA上的胞嘧 啶第5位碳原子和甲基间的共价结合，胞嘧啶由此被修饰为5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine，5-mC）。哺乳动物基因组DNA中5-mC占胞嘧啶总量的2%～7%，绝大多数5-mC存在于CpG二联核苷（CpG doublets）中。哺乳类动物基因组中的CpG二联核苷出现的频率远低于4种碱基随机排列所预期的频率，但对蛋白质编码基因而言，CpG二联核苷并不呈现基因组总DNA中的低频率。在结构基因的调控区段，CpG二联核苷常常以成簇串联的形式排列。结构基因5′端附近富含CpG二联核苷的区域称为CpG岛（CpG islands）。

约40%的哺乳动物细胞的蛋白质编码基因的启动子中含有CpG岛。基因调控元件（如启动子）所含CpG岛中的5-mC会阻碍转录因子复合体与DNA的结合，所以DNA甲基化一般与基因沉默（gene silence）相关联；而非甲基化（nonmethylated）一般与基因活化（gene activation）相关联；去甲基化（demethylation）则往往与一个沉默基因的重新激活（reactivation）相关联。

基因的甲基化型（methylation pattern）通过DNA甲基转移酶（DNA methyltransferase，DNMT）来维持。DNMT将S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethionine，SAM）上的甲基转移至胞嘧啶核苷酸的第5位碳原子（图5-1a）。在哺乳动物细胞中，已经发现了三种具有催化活性的DNMT，即Dnmtl，Dnmt3a和Dnmt3b，其中，Dnmtl主要在DNA复制中维持DNA甲基化型的存在，而Dnmt3a和Dnmt3b是不依赖半甲基化DNA分子中的甲基化模板链而从无到有合成5-mC的从头甲基化酶（de novo methylase）。除此之外，哺乳动物基因组DNA甲基化型的建立、维持和改变还涉及DNA去甲基化酶（DNA demethylase）。当一个甲基化的DNA序列复制时，新合成的DNA双链呈半甲基化（hemimethylation），即只有母链有完整的甲基化标记，这时其互补链会经Dnmtl的催化而在与母链上5-mC对称的位置上使相应的胞嘧啶甲基化（图5-1b）。DNA甲基化型在DNA复制中的维持机制是表观遗传学的重要基础。

组成染色体中核小体八聚体核心的组蛋白H2A、H2B、H3和H4的氨基端尾部均可以通过多种酶反应被多种化学加合物所修饰，如乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化等。组蛋白的这类结构修饰可使染色质的构型发生改变，称为染色质构型重塑。组蛋白中不同氨基酸残基的乙酰化一般与活化的染色质构型常染色质（euchromatin）和有表达活性的基因相关联；而组蛋白的甲基化则与浓缩的异染色质（heterochromatin）和表达受抑的基因相关联。染色质构型重塑受专一性酶系调节，并和DNA甲基化相互作用。组蛋白氨基端的不同修饰形成的组合，构成了可被转录复合物识别而能调控个体发育中基因表达的组蛋白密码（histonecode）。例如，组蛋白H3的第9位氨基酸赖氨酸（H3K9）在组蛋白乙酰化转移酶（histone acetytransferase，HAT）作用下的乙酰化修饰是和基因活性表达相关联的，一旦经组蛋白脱乙酰酶（histone deacetylase，HDAC）作用而脱去乙酰基，又经组蛋白甲基转移酶（histone methyltransferase）作用在同一位置加合上甲基，则会形成异染色质蛋白H1（heterochromatin protein 1，HPl）或其他抑制性染色质因子的结合位点。HP1的结合转而会导致DNA分子上特定CpG岛的甲基化和稳定的基因沉默。研究还表明，组蛋白甲基化可以与基因抑制相关，也可以与基因的激活相关，这往往取决于被修饰的赖氨酸处于什么位置。例如，上述的H3K9甲基化最终导致了基因的沉默；然而，位于组蛋白H3第4位的赖氨酸（H3K4）或第36位的赖氨酸（H3K36）的甲基化则与基因的转录激活相关联。组蛋白的修饰对基因表达的影响展示了生物系统的复杂性，所以，染色质蛋白并非只是一种包装蛋白，而是在DNA和细胞其他组分之间构筑了一个动态的功能界面，DNA甲基化和以组成核小体核心八聚体的组蛋白尾部氨基酸的化学修饰为特征的染色质结构重塑就是两种重要的表观遗传机制。

图5-1　胞嘧啶甲基化及甲基化型的维持机制

（a）胞嘧啶甲基化反应；（b）DNA复制后甲基化型的维持

组蛋白和DNA组成的核小体是染色质的基本结构单位，组蛋白尾部的化学修饰及其组合的差异和DNA甲基化一样都是表观遗传标记，因为组蛋白的不同修饰组合能通过对蛋白质的特异性结构域的识别来招募将会改变染色质结构活性、促进或抑制基因表达的功能性蛋白质或有非编码RNA参与的蛋白复合体，会深刻地影响染色质结构与基因表达水平。有人为此专门把组蛋白的不同修饰组合称为组蛋白密码。如果说DNA和RNA上编码蛋白质序列的是基因遗传密码，那么组蛋白密码则是决定基因表达的第二密码。可以设想，核小体中有四种组蛋白，每一种组蛋白的N端都有许多可被修饰的位点，每一个位点又可以发生多种不同的化学修饰。组蛋白不同修饰组合的可能性是极其庞大的，是有可能满足表观遗传调控需求的。图5-2显示的组蛋白H3部分特征性修饰标记，只是一个例子。图5-3显示了四种组蛋白常见的三种表观遗传修饰。本章将进一步讨论被招募的表观遗传调控蛋白质，特别是有长链非编码RNA参与的蛋白质复合物的功能及其作用机制。

图5-2　组蛋白H3部分特征性修饰标记

图5-3　核小体中不同组蛋白尾部化学修饰示意（引自bmolchem.wisc.edu和www.nyas.org网）

（a）核小体的4种组蛋白尾部；（b）组蛋白N端常见的表观遗传修饰位点Me：甲基化；Ac：乙酰化；P：磷酸化

归纳起来，基因组的表观遗传标记主要有两大类：一是DNA上特定碱基的甲基化；二是组蛋白化学修饰的组合。这两大类表观遗传标记可通过细胞分裂在细胞世代之间遗传。表观遗传调控的核心问题就是决定基因转录和翻译模式的表观遗传标记的建立、维持和动态变化。