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1、典型环境污染物的表观遗传效应浙江大学金永堂随着人类社会城镇化和工业化程度的逐步提高，人类环境污染及其健康效应日益引起 人们关注。大气、水体、土壤及食物等污染严重威胁着人类健康，导致免疫、神经、呼吸等 多个系统的疾病危险性增加，尤其与心脑血管疾病、糖尿病及癌症等复杂疾病的发生密切相 关。人们不仅从分子生物学和遗传学的角度研究了环境污染引发疾病的机制，而且近十年来 环境因素导致的表观遗传变化，已经成为环境污染与疾病关联研究的重要生物标记。一、表观遗传及主要机制表观遗传学研究不发生DNA序列变化的状况下基因表达发生遗传改变的一门新兴学 科。表观遗传的主要机制包括DNA甲基化、组蛋白修饰、遗传印记丢失
2、和非编码RNA。在 环境因素影响下，表观遗传能够改变基因组功能。表观遗传变化的重要特征是既可在亲子细 胞间遗传（有丝分裂遗传）、也可在代间遗传（减数分裂遗传）表观遗传可以解释具有相同 DNA的细胞或有机体可能具有显著不同的表型。环境暴露可能改变表观遗传调节的水平和 范围。另外，基因表达的表观遗传调节与许多疾病的病因机制有关，特别是恶性肿瘤。故 DNA的表观遗传修饰可为早期癌症检测、预测和治疗提供新的生物标记。而且，表观遗传 变化的可逆性也为制订疾病有效的防治策略和用药方案提供了可能性。在环境表观遗传学研究领域，DNA甲基化及组蛋白修饰已经成为基因表达调控机制的 研究热点。DNA甲基化指DNA序
3、列中甲基团共价结合或脱离胞嘧啶核苷酸的过程。甲基 化过程受到家族特异酶即DNA甲基化转移酶（DNMTs）的控制。对于脊椎动物而言，甲基 团仅结合在鸟嘌吟前的胞嘧啶上（即CpG双核苷酸上）。基因组中富含CpG序列的部位被 称为CpG岛。实际上，CpG岛存在于基因组半数基因的启动子部位。就染色质修饰而言， 染色质由组蛋白和DNA组成。组蛋白是染色质的蛋白组分，其上缠绕着DNA。组蛋白八 聚体（组蛋白与DNA的复合体即核小体）上有许多伸出来尾巴。影响组蛋白尾巴的翻译后 修饰有几种类型，包括甲基化、乙酰化、磷酸化和泛素化。这些修饰影响DNA和组蛋白间 的交互作用，导致基因转录、DNA修复、DNA复制甚
4、至染色体结构发生变化。DNA甲基化 与组蛋白修饰间也可能发生联合作用。相当长的一段时间内，人们都认为蛋白质是由细胞核内DNA序列编码的。虽然，从本 质上讲，生物体内的每个体细胞包含着相同的未经加工过的遗传信息，但是，时间或环境的 影响改变了单个细胞或组织的功能，同时伴随或者不伴随辅助因子及其他修饰的作用。现在 清楚的是，哺乳动物基因组不仅包含DNA的基本序列信息，同时也受表观遗传学机制控制。表观遗传学机制主要包括组蛋白尾部翻译后修饰以及DNA的化学修饰。因为不同的修饰会 对染色质结构产生有利或有害的影响，因此，细胞染色质结构是可以反映许多不同信号通路 的净效应，而这些信号通路是由不同刺激激发的
5、。下面详细介绍具体的表观遗传修饰，如: DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA。表观遗传变化的分子机制见图。（一）DNA甲基化CpG岛DNA甲基化是研究最多的表观遗传学修饰。胞嘧啶第5位碳原子位置共价添加 一个甲基基团有可能扰乱转录因子的结合，以及通过影响DNA大沟来阻挠基因表达有关的 机制。因此，DNA甲基化可能抑制转录因子与它控制的同源反应元件的相互作用，或者促 进甲基结合蛋白与随后的空间阻滞因素结合，这些都有可能反过来抑制DNA与转录因子的 相互作用。这些相互作用，连同其他招募到胞嘧啶甲基化区域的蛋白质复合体，使得DNA 甲基化通常与有着相对复杂基因组的生物体中的转录沉默有关。如前所述，
6、启动子高甲基化 与转录沉默有关几乎是一个教条；但是，最近的研究表明，调节蛋白复合物，最终调节基因表达，而与DNA甲基化无关。图 表观遗传变化的分子机制：（a）表观遗传沉默之前的DNA，组蛋白复合体（H）被乙酰化（连 接其上的小球），其上伸出的CpG岛未被甲基化；（b）赖氨酸特异脱甲基酶1 （LSD1）和异染色质蛋白质1 （HP1）结合到组蛋白复合体上；（c） LSD1和HP1募集DNA甲基化酶（DNMT3a/DNMT3b）且CpG岛被甲基化, 减少转录因子的结合和基因表达；（d）甲基化CpG岛组合蛋白（MBP）结合到甲基化的CpG岛上并募集组蛋 白去乙酰化酶（HDAC）； （e）乙酰化组氨酸浓
7、缩导致DNA因表观遗传变化而失活。事实上，哺乳动物中基因组CpG岛一般不具有代表性而且是非随机发生的。与非甲基 化胞嘧啶相比，甲基化的胞嘧啶自发脱氨基形成胸腺嘧啶的频率更大。因为胸腺嘧啶是DNA 中碱基自发形成的，修复胸腺嘧啶对细胞而言是一个两难的境地，如果不解决将导致自发性 C:G-T:A型突变。增加脱氨率和有问题的修复方案这两方面原因相结合，使得哺乳动物的 基因组偏向逐步废弃一些CpG二核苷酸。想必那些剩下的CpG二核苷酸已被生物选择及传 递重要的生物学意义。照此说来，CpG序列与印迹基因、转座子及基因转录起始位点有关。如前所述，基因组DNA甲基化模式的建立发生在生物体发长过程中，是动态的
8、但是也 是严格监管的过程。事实上，DNA甲基化对正常生长而言是至关重要的，也是分化的细胞 存活所必需的。此外，人们还提出，特定启动子或整个基因组的甲基化状态是甲基化和去甲 基化反应之间的平衡，也是环境和生理信号之间的平衡。受精卵是这种动态平衡的一个突出 例子。在受精卵中，母亲和父亲的原核融合前，若用5-甲基胞嘧啶免疫组化的方法来测量， 两种基因组DNA甲基化水平大致相当。在受孕后的头几个小时，父系基因组正积极地去甲 基化，在前几个有丝分裂中也保持着去甲基化状态，而在接下来的分裂中母系基因组却被动 地去甲基化。植入后，融合核中的胞嘧啶核苷酸以细胞及组织特异性的方式重新甲基化，该 过程由从头甲基化
9、酶催化，有学者提出，该过程的改变可导致成年才发病的疾病以及老化过 程。一些化学性、营养性或者生物性诱导效应已被证明可以影响DNA甲基化。例如，己烯 雌酚（DES）影响特定基因（c-fos蛋白和乳铁蛋白）甲基化模式，这可以导致新生期处理 后的小鼠基因异常表达，增加其子宫癌的发病率。有趣的是，这些效应也可以遗传。此外， 对于降压药肼屈嗪和抗心律失常药物普鲁卡因，人们对其靶器官和机制也有了较好的了解, 体外实验随即发现，这两种药可以阻止T细胞DNA甲基化。我们将在下面详细介绍关于黄 色条纹刺豚鼠模型和大鼠中烯菌酮的跨代效应研究的例子。（二）组蛋白修饰如前所述，组蛋白的N-端是翻译后共价修饰的位点。核
10、心组蛋白的乙酰化和甲基化40 年前被首次描述，当时这种现象被认为与基因表达及染色质重塑的有利或有害的改变有关。 在单个组蛋白内已对位于特定氨基酸修饰的定位进行了广泛的研究，研究还包括其他修饰的 表征，其中有组蛋白磷酸化，泛素化,SUMO化，ADP-核糖基化，生物素及脯氨酸异构化。 据推测，其他形式的修饰也可能存在,而且这些修饰的组合也能影响基因表达与染色质重塑。 组蛋白特定的赖氨酸残基乙酰化一直以来被认为与基因表达增加有关。组蛋白乙酰转移酶（HAT）介导的组蛋白乙酰化，可导致染色质开放，RNA聚合酶及转录因子的聚集。这个 过程可由组蛋白尾部去乙酰化而逆转，该过程由组蛋白去乙酰化酶（HDACs）
11、介导，从而导致基因沉默。这些修饰能影响染色质结构，进而影响基因表达，是通过顺效应的方式。顺效应定义为 组蛋白尾巴物理性质的修饰可以改变核小体结构或与染色体的相互作用。例如，静电荷或尾 部结构的改变可以影响DNA和组蛋白之间的关联。染色质改变的典型例子是组蛋白乙酰化， 已作为这样一种机制，消除带正电，因组蛋白尾巴导致与带负电DNA的松散联系。这种宽 松的构象允许特定的转录因子与同源反应元件的相互作用。人们认为，大块加合物，如：泛 素和ADP-核糖，以大致相同的方式，当附着在组蛋白尾巴时，能显著抑制核小体复合物的 压实。此外，组蛋白修饰，也能够以反效应的方式改变染色质构象，这可以改变其他蛋白质与
12、DNA修饰酶的相互作用。具体来说，识别一个特定的共价标记可能会促进蛋白复合物的聚 集，这可能最终会改变染色质构象。bromodomains, 个保守的具有110个氨基酸的区域， 代表着一系列与染色质相互作用的蛋白质，专门识别乙酰化的组蛋白以及促进其与染色质重 塑复合物结合。甲基化的组蛋白赖氨酸残基可以被染色体域的DNA结合蛋白识别，可永久 保持区域的组蛋白甲基化。在任何情况下，一个最初的表观遗传修饰是很重要的，可以导致 染色质构象的区域改变以及随之而来的基因表达的改变。组蛋白的具体修饰及机制的讨论，包括它们的识别以及表征，已超过了这篇综述的范围。 然而，理解组合性的、协调的调控机制，可能会提供
13、更多的表观遗传调控的生物学的理解。 大量的研究已经表明，已经研究的这些组蛋白尾部的修饰是一个动态过程，通过一系列酶促 反应来添加以及移除。目前，“组蛋白编码假说”已被提议作为一种手段来表征基因组区域的 功能，作为组蛋白状态的结果。虽然在某些情况下，这种方法能准确预测基因和组蛋白的状 态，但是没有一种代码是可以跨门类通用的。事实上，表观基因组动态性本质可能会由于过 于复杂而简化成少数起作用的“规律”进一步的工作将需要更好地界定表观基因组中的模 式和类似之处，并与生物功能等同起来。外源性药物已被证明能影响组蛋白修饰酶。事实上，一个重要的新兴主题可能是环境物 质或者是药品，可以改变表观遗传修饰，但以
14、前不知道它们能影响基因表达。例如，丙戊酸 是一种抗癫痫处方药物，被认为是Y-氨基丁酸（GABA）受体激动剂，最近被证明能够影响 表观基因组，它可以直接导致染色质构象的改变。此外，丙戊酸被重新分类，作为一种抗癌 药物并进入临床试验，由于它有组蛋白去乙酰化酶（HDAC）抑制剂的活性，能够重新激活 抑癌基因。未来的化学品的测试，可能会涉及在一系列药理和毒理实验中评估组蛋白修饰酶 的活性。（三）RNA 干扰与 microRNA非编码RNA作为遗传调控机制的出现，大大改变了基因组中“垃圾” DNA的概念，它 代表大于97%的总核DNA。事实上，这导致了一场辩论，针对目前的基因定义是否过时， 以及补充的生
15、物学的中心法则（DNA-RNA-蛋白）是否正确。如今，通过非编码RNA的行 动，中心法则已被建议改写为DNA-非编码RNA,它能够影响染色质结构，反过来又可以 影响基因的功能。RNA干扰（RNAi）的活性是一个过程，是宿主生物借以将双链RNA降 解成小片段，导致转录后基因表达的沉默。另外，转录沉默的机制也被归结到RNA干扰， 从而导致浓缩型染色质的形成。在几乎所有的有机体从酵母，四膜虫，植物，果蝇到哺乳动 物，这些基因的调节作用已被记录在案。非编码RNA作为染色质模板是建立和维持特定的 染色质状态的关键，也通过沉默侵入DNA的区域，如转座子和逆转录病毒，来维持基因组 的完整性。此外，在染色体的
16、着丝粒异染色质区域稳定的过程，在蛋白质复合体中也是依赖 非编码RNA的。总之，非编码RNA的进一步理解发现，它在细胞、遗传和染色体分离与稳定的表观遗 传学调控中有着重要作用。但可以肯定的是，未来的研究将继续阐明非编码RNA的生物学 作用，一些研究人员已经确定了它们在癌症、营养压力以及改变对药物反应中的作用。同样， microRNA可能会改变与外源性暴露有关的基因表达，抑或外源性暴露也可能会影响 microRNA的表达，两者可能有助于个体对化学物或药物暴露个体差异的解释。显然，对非 编码RNA的日益理解将有助于理解其对正常生物控制以及外源化学物暴露的影响。二、典型环境污染物与表观遗传环境中许多理化因素的表观遗传效应已经得到初步阐明，显示了表观遗传学机制在环境 相关疾病发生过程中的重要作用。随着多个环境因素表观遗传效应研究的不断深入，环境相 关疾病高危人群的确定、早期筛查与诊断、预防与治疗必将成为可能。（一）有机污染物与表观遗传1多环芳烃的表观遗传效应多环芳烃（PAHs
