印记基因与胎儿生长发育关系的研究进展

许敏，吕述彦

(南京医科大学附属淮安第一医院，江苏淮安223300)



印记基因与胎儿生长发育关系的研究进展

许敏，吕述彦

(南京医科大学附属淮安第一医院，江苏淮安223300)

摘要：基因组印记是种表观遗传学现象，通过沉默亲本一方的等位基因，导致单等位基因表达。印记主要存在于哺乳动物胎盘中，平衡亲本向下一代的资源分配。因此，遗传和表观遗传损害导致的特定基因的剂量改变可以导致多种发育疾病，这些疾病通常与胎儿生长和神经系统异常有关。常见的印记基因有H19、胰岛素样生长因子2(IGF2)、生长因子受体结合蛋白10(GRB10)、δ样蛋白1同源物(DLK1)。印记基因不仅影响胎儿出生前的发育和胎盘起源，在胎儿出生后同样发挥重要作用。

关键词：印记基因；胎儿；胎盘

基因组印记是种表观遗传学现象，通过沉默亲本一方的等位基因，导致单等位基因的表达。胎儿生长受限(FGR)显著增加围生期围产儿的死亡率，且易导致成人时期心血管疾病和糖尿病的发生。FGR的发生与多种因素有关，如感染、染色体异常等。遗传和表观遗传损害导致的特定基因的剂量改变可以导致多种发育疾病，这些疾病通常与胎儿生长有关。近年来，许多研究发现印记基因不仅影响胎儿出生前的发育和胎盘起源，在胎儿出生后同样发挥重要作用。本文综述了与生长发育相关的印记基因，旨在揭示印记基因与生长发育的相关性，从而更为有效地预防及治疗生长发育相关疾病，更好地改善妊娠结局和围产儿的预后。

1基因组印记

基因组印记是基因组学的一种表观遗传修饰过程，是指根据其亲本来源沉默一个等位基因，使其单等位基因表达，而不发生DNA序列的改变。基因组印记主要发生在哺乳动物中，胎盘是印记调控的主要部位。印记基因的起源有两种理论：亲属理论和相互适应理论。亲属理论或亲本“冲突理论”认为印记可能是亲本双方基因组对母方的营养供给进行竞争造成的结果。父方的基因组从母方获得营养促进胎儿生长，母方基因组则限制对后代的供给，以保证自己存活和后代间的营养均衡[1]。双方都是为了使携带有自身基因的后代能够最大化的存活。冲突理论能够解释小鼠中敲除父系表达基因胰岛素样生长因子2(IGF2)、中胚层特异转录基因(Mest)后胎儿生长受限(FGR)和敲除母系表达基因胰岛素样生长因子2受体(IGF2R)、H19和生长因子受体结合蛋白10(GRB10)后小鼠过度增长[2]的发生。

相互适应理论认为,印记基因通过相互适应以达到胎儿生长发育和营养摄取的最大化。相互适应理论可以解释一部分在胎盘和下丘脑表达的父系基因。哺乳动物在发育过程中，胎儿、胎盘和母亲的下丘脑发生复杂的相互作用，并影响胎儿生长、脑部发育、围生期母体营养供给和产后护理。父系表达基因3(Peg3)即是该理论适用的一个例子[3]。

1.1印记基因簇对小鼠的研究得知印记基因中80%以上都是成簇存在的。至少有13簇集中在8条染色体上，这些簇包含2~15个基因，大小从几个碱基对到100 kb不等[4]。基因簇既包含母系和父系表达的基因，也包括编码和不编码蛋白的RNA。除了GRB10不同时期不同亲本表达外(胚胎发育期间母系表达，出生后脑内父系表达)，其他印记基因均只呈母系或父系一种亲本表达。小鼠中代表性的印记基因簇有鸟嘌呤核苷酸结合蛋白α刺激素基因簇、核内小分子核糖核蛋白N簇。

1.2印记控制区域单个簇内的印记基因受印记控制区域(ICR)的原位调控[4]，该区域表现出亲本等位基因特异性的甲基化和染色质修饰。ICR的甲基化在父方或母方生殖细胞内通过转录获得。ICR非甲基化时激活，甲基化时失活。非甲基化的ICR调控印记基因表达的机制涉及长链非编码RNA(lncRNA)和绝缘体两种模式。lncRNA沉默印记基因是个研究热点，有研究表明lncRNA的产物[5]和lncRNA的转录[6]均参与沉默印记基因的表达。绝缘体模式适用于IGF2-H19簇，激活的ICR通过绑定锌指蛋白CCCTC结合因子(CTCF)形成绝缘体，阻断下游增强子到IGF2启动子之间的通路，继而沉默IGF2。

2印记基因与胎儿生长

FGR影响全球3%~8%的妊娠。尽管多数FGR的婴儿会追赶性生长，但宫内生长不良伴随儿童期加速生长会增加对许多成人期疾病的易感性，如2型糖尿病、高血压、冠心病等。印记基因对胎儿生长发育至关重要，如前文所述，多数母系基因抑制胎儿生长、父系基因促进胎儿生长。来自父系的多形性腺癌基因样1(PLAGL1)，有锌指蛋白的作用，敲除PLAGL1的小鼠表现为FGR、骨形成不良。人类则表现为新生儿暂时性糖尿病[7]。来自母系的普列克底物同源域家族A成员2基因(PHLDA2)在FGR和低出生体质量儿中显著高表达，其启动区变异与体质量明显相关；敲除PHLDA2的小鼠则表现为胎盘过度生长。

2.1H19/IGF2胰岛素(INS)/IGF生长因子轴包括INS，胰岛素样生长因子1(IGF1)，IGF2及相应的受体IR，IGF1R、IGF2R和6个绑定蛋白IGFBP1、IGFBP2、IGFBP3、IGFBP4、IGFBP5、IGFBP6, 对胎儿生长有内分泌调控因子的作用。IGF2R位于染色体6q25.3，只在10%的人类胎盘和绒毛膜中表现为母系表达。IGF2R的主要功能是溶酶体靶向降解IGF2，抑制生长。IGF2和H19位于人类染色体11p15上，是研究最多的印记基因簇，其印记由ICR1的甲基化状态决定。大约50%银罗素综合征(SRS)生长受限的表型与ICR1的甲基化丢失有关。如上所述，绝缘体模式参与IGF2-H19簇的印记。

H19/IGF2与SRS、韦-伯综合征有关。H19的外显子编码两种微小RNA(miRNA)：miR-675-3p和miR-675-5p。Keniry等[8]发现，H19敲除后胎盘miR-675增多，过表达miR-675后细胞增殖降低。MiR-675也受压力反应性RNA结合蛋白HuR的动态调控。Moore等[2]发现，早期绒毛中IGF2、IGF2R和IGF2/IGF2R与顶臀长及体质量明显相关，足月胎盘中不相关。因此，H19可能通过miR-675调控妊娠早期的胎儿生长和胎盘发育，并能对细胞应激和肿瘤信号作出反应。CTCF是个高度保守的锌指蛋白，是基因组空间结构的主要组织者，参与多种基因调控过程。许多研究表明，CTCF通过组织IGF2和H19基因座上的染色质调控IGF2和H19。Liu等[9]通过酵母双杂交和共沉淀实验发现，RNA结合蛋白vigili能够与CTCF相互作用从而调控IGF2和H19的表达。敲除vigili并不影响CTCF的结合，而敲除CTCF能够明显减少vigili与H19 ICR的绑定。在多种细胞系中过表达vigili 均能够显著下调IGF2、上调H19表达，敲除vigili 能够明显上调IGF2、降低H19表达。该研究表明CTCF-vigili复合体参与IGF2/H19的调控。

2.2GRB10GRB10位于人类染色体7q12的印记区域。FGR是SRS的特征性表型之一，SRS发生FGR的原因可以是母系基因的过表达，也可以是父系基因的丢失。GRB10编码一种生长因子受体结合蛋白，该蛋白可与多种胞内信号分子，特别是能够与受体酪氨酸激酶和mTOR[10]相互作用，共同调控胎儿生长。GRB10的印记具有种型和组织特异性，它在人类大多数组织中表现出双等位基因表达，在脑内表现出种型特异性的父系表达，在胎盘绒毛滋养层则限于母系表达；在小鼠，GRB10在脑内呈父系表达，在其他组织中则呈母系表达。这与IGF2相反，IGF2在小鼠脑内呈母系表达，在其他组织中呈父系表达[11]。因此，一个基因可通过不同亲本的组织特异性表达来实现多种功能，这也反映了印记的适应能力。

Moore等[2]发现，GRB10的表达与头围明显负相关，与胎儿、胎盘体质量不相关。 Cowley等[12]发现，GRB10是小鼠中影响发育的关键基因，可作为中介调节小鼠出生后的营养供给与需求。母亲体内的GRB10控制供给，后代体内的GRB10控制需求，共同调节后代生长。GRB10还能够决定发育中瘦肉与脂肪的比例，影响成年的能量稳态。

2.3PHLDA2PHLDA2基因位于染色体11p15.5上，含有两个外显子和一个内含子，受印记控制区域2(IC2或KvDMR1)调控。母系表达的印记基因PHLDA2，能够编码普列克底物同源域家族A成员2蛋白，该蛋白内含一个高度保守的底物同源(PH)区域。PHLDA2的PH区域能够与PIPs结合，参与胞内运输、细胞信号传导和胞膜与细胞骨架之间的相互作用。PHLDA2在人类胎盘中高表达，且主要集中在细胞滋养层。多个研究均证实，PHLDA2表达升高与FGR有关[13,14]。有研究表明，PHLDA2在绒毛中与体质量不相关，而在足月胎盘中呈负相关[15]，有后期生长效应的作用。PHLDA2敲除后小鼠胎盘变大，且PHLDA2对胎盘的作用不受IGF2通路或同一簇内其他印记基因的影响。外源性转入PHLDA2基因后，小鼠胎盘萎缩，同时胎儿体质量降低[16]。利用小鼠模型，Jensen等[17]认为，PHLDA2在胎盘中的高表达不是FGR的结果而是导致FGR的原因之一。PHLDA2可能是通过对胎儿的直接效应或是影响胎盘发育实现胎儿生长的负调控的。而胎儿生长不仅受限于胎盘的生长发育，也可能取决于胎盘中印记基因对营养运输的调控，还可能受胎盘糖原储备减少的影响。

2.4DLK1DLK1(亦名为PREF1或FA1)是位于人类染色体14q32印记簇的父系表达的印记基因，距离母系表达的非编码RNA基因母系表达3(MEG3，也称为GTL2)相隔仅90 kb。DLK1编码带有6个表皮生长因子样受体的跨膜糖蛋白，参与脂肪形成。敲除GRB10的小鼠表现出高围生期致死率及产前、产后生长受限。DLK1和GRB10作用的拮抗性使得Madon-Simon等[18]提出DLK1和GRB10可能是哺乳动物调控生长并独立于IGF通路的另一个轴。这是继IGF2和IGF2R之后，第二对有拮抗功能的印记基因。GRB10在胰岛细胞中高表达，并参与胰岛β细胞分化。DLK1-MEG3印记区域被认为是T1D的易感区域，父系遗传的G等位基因的rs941576 SNP位点与T1D风险降低有关[2]。DLK1-脱碘酶类型3(Dio3)印记区域内含3个父系表达的印记基因DLK1，逆转录转座子1(Rtl1)、Dio3和几个非编码转录本，包括Gtl2、很多核内小RNA和miRNA。这些miRNA基因被分为两类，来自Rtl1转录本反义链的miR-127/miR-136簇和miR-379/miR-410簇(在人类也称为C14MC)。miR-127/miR-136簇通过siRNA样机制沉默父系表达的Rtl1；C14MC在哺乳动物出生时的代谢转变中发挥重要作用[19]。

3展望

基因组印记通过沉默一方亲本的等位基因，使得单等位基因表达，调控生长发育。胎儿宫内生长不良或生长过度将增加围生期发病率和致死率，也提高了成年期的患病风险。从基因水平发现调控胎儿生长的基因将为胎儿宫内生长调控提供更为精确的监测手段，进一步优化妊娠结局。

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(收稿日期：2015-06-25)

中图分类号：R596

文献标志码：A

文章编号：1002-266X(2016)01-0102-03

doi：10.3969/j.issn.1002-266X.2016.01.040