胚胎发育过程中表观遗传学研究进展

白红梅 何金英 马玉珍（通讯作者）

（1 内蒙古医科大学 内蒙古 呼和浩特 010059）

（2 内蒙古自治区人民医院生殖中心 内蒙古 呼和浩特 010000）

表观遗传学为英国著名的科学家沃丁顿于1942 年首次提出，是指在DNA 核苷酸序列不改变的情况下，基因表达改变的机制。表观遗传学主要与基因表达调控有关，包括：（1）DNA甲基化：即位于基因启动子及印记基因印记控制两个区域中Cp G二核苷酸上胞嘧啶残端DNA 甲基化。（2）组蛋白修饰：指的是氨基酸尾部特殊性氨基酸残端的组蛋白修饰。（3）非编码RNA 表达沉默基因有关调控[1]。目前的研究表明表观遗传学对基因表达的调控作用是通过有丝分裂或减数分裂遗传给后代的。其中组蛋白修饰和DNA 甲基化对胚胎发育和着床作用重大，不仅会对生长发育产生影响，同时还能影响到后代，部分甚至能隔代遗传[2]。

1.胚胎发育和组蛋白修饰的关系

在真核生物当中，组蛋白、染色体DNA 结合进一步在染色质中可观察到重复性的核小体单位，这是146 对碱基、8 个组蛋白缠绕之后卷曲和压缩产生的[3]。主要的核蛋白有H2A、H2B、H3 以及H4，H1 及H5 为连接组蛋白，主要核蛋白是组蛋白核心部位，而连接组蛋白作用是连接DNA。组蛋白是上高度保守蛋白进行进化之后将翻译后修饰作为自身特征，其转录后修饰种类较多[4]。组蛋白氨基酸的尾部暴露在核小体的表面，为进一步适应基因转录改变其自身结构，以此促进DNA 与转录因子结合进而对下一步的基因表达起到调控作用。转录调控是胚胎发育的关键事件，表观遗传机制如组蛋白修饰对介导稳定转录调控十分重要。

1.1 组蛋白甲基化和胚胎发育的关系

甲基化修饰体现在组蛋白H3、H4 赖氨酸与精氨酸这两种残基方面，其中组蛋白H3 甲基化和多种密切关系到发育、分化的基因表达调控相关[5]，Cosgrove 等研究认为组蛋白残基的甲基化在调节基因转录促进基因的激活或沉默[6]方面H3K4me3、H3K36me3、3K9ac 为转录活性重要激活信标志之一[7]，而H3k9me3 和H3K27me3 与基因抑制有关[8]。此外，其他组蛋白修饰，如H3k4me2 和H3k9me2 也可以受到外界环境影响[9]，进而影响胚胎发育。

小鼠H3K4me3 和H3K27me3 在胚胎的基因转录活性中起着重要的作用[10]。编码组蛋白H3K9 甲基化转移酶G9a 丧失活性将会使早期胚胎停止生长停育[11]。由此可见，胚胎期间的组蛋白甲基化不可或缺。赖氨酸去甲基化酶KDM5B 是调节基因组稳定性的关键因子，可催化组蛋白H3K4 的二甲基化和三甲基化去甲基化至单甲基化状态[12]。2014 年SUI，X 等研究发现KDM5B 的异位表达减少H3K9me3 可以大大促进胚胎发育，其潜在的分子调控机制仍没有进行深入的研究。另外在胚胎发育过程中，敲除组蛋白去甲基化酶 KDM5A 后可使H3K4me3 和H3K27me3 丧失平衡性，使得Tet 家族成员的表达增加，Tet 家族对5-羟基尿嘧啶氧化状态开展调解，能对小鼠胚胎的干细胞内部组蛋白修饰、DNA 甲基化起到调控作用[13]。敲除KDM5A 基因的小鼠在胚胎围生期由于神经系统发育的缺陷而死亡[14]。2015 年Kawakami E 等经研究认为编码组蛋白去甲基化酶的Fbxl11 基因敲除小鼠胚胎于第8.5d 产生生长阻滞，第9.5d 配套体积和对照组比较明显较小，第10.5d 生长阻滞胚胎出现胚胎退化、神经管关闭缺陷等表现，第12.5d 产生形态学死亡，因此，我们推断组蛋白甲基化对维持胚胎正常发育十分重要[15]。同时组蛋白甲基化能对胚胎发育产生影响，或造成胚胎停止发育甚至死亡。

1.2 组蛋白的乙酰化和胚胎发育

组蛋白的乙酰化在胚胎发育中起到重要作用，如染色体浓缩，DNA 双链断裂修复和转录等。H3 不同残基的乙酰化会在胚胎发育期间出现多种改变，包含胚胎卵裂时H3K64ac，H3K56ac表达十分丰富，然而H3K122ac 表达微弱，提示胚胎发育期间不同种类的组蛋白修饰作用存在一定差异。乙酰化后的组蛋白、DNA 相结合，对DNA、转录因子之间的结合能起到一定帮助，但组蛋白的去乙酰化使得组蛋白、DNA 紧密连接，可对基因转录产生不良影响，两类情况属于组蛋白的乙酰化转移酶（HAT）、组蛋白去乙酰化酶（HDAC）相互产生作用进而维持生物学上的平衡。组蛋白的乙酰化对DNA 复制和转录可以产生诱导作用，其中HDAC1 能对小鼠胚胎发育产生影响，若早期胚胎发育时就已缺乏HDAC1，会导致胚胎发育落后甚至停止。

组蛋白修饰在环境方面的影响因素包含营养素、重金属、神经活性物质与病毒等。已有较多学者对非正常性组蛋白修饰给胚胎发育带来的影响进行了研究。Painter 等经研究发现，处在孕期的大鼠予以低蛋白饮食能使IUGR 胎鼠肝胆固醇7α-羟化酶的表达下降，随启动子区的组蛋白乙酰化的修饰降低与H3K9甲基化修饰的提升，胎鼠的发育会出现异常。Aagaard-Tillery等[16]予以孕期日本猕猴高脂饮食，结果显示，子代肝组织中的组蛋白H3 乙酰化的修饰出现变化，会对胚胎基因表达产生影响，和多种成年疾病出现关系重大。GCN5 属于首个得到鉴定组蛋白乙酰化酶，除去GCN5 小鼠胚胎能存活至胚胎期7.5d，但胚胎期 7.5d ～8.5d 的胚胎发育明显受到阻碍，最终多数胚胎于胚胎期 10.5d 丧失生命。HDAC1 等位基因丢失也能使得胎鼠于胚胎期 10.5d 之前死亡，同时死因为细胞增殖严重缺陷与神经发育重度阻滞[17]。WDR82 属于HMT 复合体亚基之一，如果小鼠在胚胎早期WDR82 基因表达沉默，将会使得转录因子POU5F1 的转录起始点H3K4me3 的修饰缺乏，同时随胚胎细胞数量下降，胚胎细胞死亡，胚胎生长缓慢或者死亡等[18]。

2.DNA 甲基化与胚胎发育

DNA 甲基化是指在DNA 甲基转移酶影响下，单一甲基转移至胞嘧啶5′碳中，造成5′胞嘧啶变为5′甲基胞嘧啶，该过程多见于CpG 胞嘧啶。属于基因组DNA 表观遗传修饰的主要形式之一，对基因组功能调控作用重大。哺乳动物中DNA 甲基化的模式大多被删除，然后在子代间重新建立，每次胚胎发育早期都会发生去甲基化和再甲基化过程。应该注意的是，个体基因组区域的DNA 甲基化是受营养，环境和其它因素影响的动态模式。这些表观遗传过程发生在胚胎发育的特定阶段，并在生命周期中发生动态变化。

DNA 甲基化不仅能对转录水平起到调控作用，同时还和维持染色体结构的稳定性、X 染色体活性丧失、基因印记等关系密切。脊椎动物的胚胎在发育期间，需将DNA 甲基化状态及水平维持在正常状态，进而满足胚胎发育和组织的特异性分化需求。研究发现：斑马鱼胚胎在发育期间，部分器官尾部分化是在DNA 甲基转移酶、组蛋白甲基转移酶二者共同作用下进行。对于Dnmt3缺失一类斑马鱼，其脑部与视网膜发育均存在缺陷，且神经发生时调节因子lef1 启动子区的甲基化程度下降，而基因表达上升，提示lef1 会受到Dnmt3 调控。深入研究显示Dnmt3 与 H3K9甲基转移酶G9a 会对lef1 表达一同起到调控作用，进而对胚胎发育过程中神经系统的发生产生影响。

3.展望

在表观遗传学中，DNA 甲基化与组蛋白修饰属于一个热点话题，胚胎发育期间能起到重要作用，当前表观遗传学给生殖带来的影响除开展广泛研究之外，还应对其DNA 甲基化、组蛋白修饰怎样进行转录调控及动态调节、采取哪种类型的信号通路对下游事件出现产生作用等多种过程开展深入探索，能将表观遗传学有关科研成果和临床实际运用有效结合，对胚胎发育过程中表观遗传学修饰这一生物学过程具有更加重要的意义。