表观遗传学分子机制及其在杂种优势上的应用

陈彤彤，石 蕾

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

表观遗传学属于生物遗传学的分支学科，是指生物遗传序列在不发生变化的情况下，利用有丝及减数分裂等方式，使得遗传基因表达得以改变的相关内容。当前，表观遗传学的研究主要围绕DNA甲基化、组蛋白密码、染色质重塑、非编码RNA调控等方面。在现代遗传学领域当中，进行表观遗传学研究对探究生物生命本源、解决疑难疾病以及解密生物成长发育等具有十分重要的意义。近年来，有关表观遗传学的研究逐渐增多，笔者对表观遗传学的基本分子机制及其在杂种优势上的应用进行综述，以期为表观遗传学的深入研究及应用提供参考。

1 表观遗传学的内涵

从经典遗传学来看，基因序列发生变化可使生物体表现型发生变化，同时这种变化能够自前一代向后一代进行延续。在基因组DNA序列未出现改变时，基因表达出现的变化有可能由遗传引起，使得可遗传的表现型发生改变。其表现型的改变由于未能与基因序列信息发生关系，所以叫表观遗传变异，也称表观遗传修饰。1942年，WADDINGTON C H第一次提出表观遗传学(epigenetics)，同时指出，表观遗传和遗传之间不是绝对的。1987年，HOLLIDY R 对表观遗传学进行了较为系统的描述，认为表观遗传学与DNA序列变化没有关系，表观遗传学是通过利用有丝以及减数分裂进行遗传的基因表达变化，属于遗传学分支[1]。现阶段，对表观遗传学的研究重点围绕DNA甲基化、组蛋白密码、染色质重塑和非编码RNA调控等4个方面。

2 表观遗传修饰的分子体系

2.1 DNA甲基化

甲基化是以腺苷甲硫氨酸作为甲基供体，利用DNA甲基转移酶催化，从而使胞嘧啶转变为5′-甲基胞嘧啶(mC) 的反应。对于基因组DNA来说，甲基化是其表观遗传修饰方式的一种，是对基因组功能进行调节的主要渠道。在植物内部，DNA甲基化主要出现CG区、CNG区和CHH区；对于脊椎动物，DNA甲基化常发生于CpG二核苷酸，把基因组中含有大量CpG的一段DNA看成是CpG 岛，其长度一般为1～2 kb，对于CpG 岛的位置，普遍认为在转录调控区域内[2]。对于真核生物体，其甲基化状态具体有3种，一是连续的低甲基化状态，如持家基因；二是诱导的去甲基化状态，如发育时期的部分基因；三是与女性X染色体十分相近的高度甲基化状态。DNA甲基化是利用DNA甲基将酶家族转化使催化得以完成。DNA甲基转移酶主要有类似Dnmtl的维持甲基化酶和类似Dnmt3a的重新甲基化酶，能够将去甲基化的CpG 位点重新甲基化[3]。

一般来说，DNA甲基化可以使基因得到抑制，不再表达，基因的这种甲基化状态可遗传。对于哺乳动物来说，在生殖细胞成长过程中，其基因组能够重新编程甲基化过程，使发育潜能细胞得以形成[4]。

2.2 组蛋白密码和染色质重塑

对于染色体的多级折叠来说，其DNA需要和H3等组蛋白有机联系起来。组蛋白的结构并非一成不变，在翻译过程中其修饰会出现一定的变化，这样能对其进行识别，使其他蛋白和DNA之间形成协同效应或拮抗效应，这是动态转录中的一种调控成分，亦称组蛋白密码。组蛋白通过共价修饰，使甲基化、糖基化等发生，从而使得不同形态的组蛋白密码得以形成。上述组蛋白密码能够通过某些特殊的蛋白质进行识别，使其翻译成特殊的染色质状态，从而改变特定基因。所以，产生的组蛋白密码可以使DNA中储藏更多的遗传信息[5]。其中，主要有2个研究方面，一是乙酰化，二是甲基化，这2类修饰不但能使基因得以有效激活，还可以令基因更加沉默。甲基化修饰主要发生于赖氨酸和精氨酸2种残基。在进化时，从机能上看，组蛋白甲基化以及DNA甲基化能够结合起来[5]。

染色质发生凝聚染色质等变化能使核小体产生变化，使其在基因区域内的次序得以改变，将转录装置进行有效补充，从而开启可接近性。核小体和染色质变化密切相关，染色质重塑主要有2种，一种是以ATP物理修饰为依托，以ATP水解为基础将能量释放出来，从而使染色质的构象发生变化；另一种是组蛋白密码，以共价为依托，与反应相结合而形成的化学修饰[6]。

2.3 非编码RNA调控

2.3.1 长链非编码RNA X染色体失活是指DNA甲基化和组蛋白修饰共同参与，由长链非编码RNA所介导的一个过程。其中，RNA与X染色体失活基因编码一一对应，RNA在合成的X染色体外部包围，处于一定条件时，这2种物质能够一块参与，使得X染色体的失活得以有效保持[7]。一般来说，在基因组里，长链非编码RNA将单等位基因表达模式进行构建，在核糖蛋白复合物内发挥催化作用，影响染色质结构。

2.3.2 短链非编码RNA 基因组内的短链RNA对降解mRNA有着一定作用，能够使染色质结构发生变化，影响细胞分化，同时可有效体现核酸序列的降解功能，保护自身基因组。

常见短链RNA主要有2种：一是小干涉RNA(siRNA)，是RNA干扰的执行者；siRNA通常由细胞内部的双链RNA通过酶加工产生，同时会与有酶切功能的蛋白共同作用产生RNA干扰复合体，识别mRNA，对mRNA的降解起引导作用，在转录后还能对基因表达量进行调节。siRNA一方面能使降解mRNA的作用发挥；另一方面能将蛋白质聚集起来，使异染色质得以激活。同时，还能参与染色质的失活，促使产生丝粒异染色质结构。二是微小RNA(miRNA)，在RNA干扰过程中起作用，同时自身有独立的作用机制[8]。miRNA的作用方式：一是与靶基因3′端进行并不完全的互补结合，对翻译进行阻止，对mRNA的稳定性不产生变化；二是与靶基因进行完全的结合，其作用方式与siRNA相似[9]。

2.4 蛋白质侵染因子

蛋白质侵染因子又名朊病毒，表观遗传修饰的领域包含其侵染以及繁殖过程。朊蛋白PrPsc错误折叠后有致病性，能够利用正常朊蛋白PrPc 通过不正确的拆叠等方式从而完成自我繁殖。到目前，蛋白质侵染因子在植物内未能查找到，但近年来有实验证明，蛋白质折叠中Hsp90的抑制作用非常关键，可使植物表型效应得以形成[10]。

3 表观遗传学在杂种优势上的应用

在自然界中，杂种优势是一种常见现象，是指基因组成不同亲本的杂交后代在多方面表现出超越亲本的特性，包括生活力、产量、生物量、适应性和对胁迫的抵抗力等[11]。杂种优势是一种十分复杂的生物学现象，国内外许多学者对其遗传机理进行了研究，并提出了许多假说，其中，较为经典的假说有显性假说、超显性假说和上位性假说；但这几种假说并不能完全解释某些自然现象。如同果壳内大小相似的2枚花生具有完全相同的基因，在相同环境中生长，但结实率等表现不同。这显然不符合经典的孟德尔遗传理论。表观遗传学研究的正是基因序列不发生改变但基因表达了可遗传的变化，利用表观遗传学解释杂种优势表明，DNA甲基化、小分子RNA和组蛋白修饰都与杂种优势有关。

3.1 DNA甲基化与杂种优势

GAO M等[12]使用甲基化DNA免疫沉淀和高通量测序技术，对美洲黑杨亲本及其种内F1杂交种系的全基因组DNA甲基化谱进行综合分析后发现，杨树F1杂种具有非加性甲基化水平(高于亲本中值)，表明亲本的甲基化模式部分和动态地传递到杂种上并被重构。优良亲本F1杂种的高甲基化基因在类别代谢过程、应激反应、结合和催化活性、发育以及参与激素生物合成、信号传导途径中富集，这可能与杂种优势高度相关，但不同物种、不同试验的结论不一致。LIU T J等[13]研究玉米杂种优势的分子机理发现，杂交种组织的甲基化水平要比亲本低，去甲基化水平要高；进一步利用局部比对搜索工具分析发现，甲基化水平低区域的片段与其他物种已知功能蛋白在代谢、发育、应激反应和信号传导等方面有相似性，说明去甲基化可能使更多基因得到表达，从而促进玉米的生长发育。虽然结论不一，但均体现了DNA甲基化在杂种优势中的作用，这不仅对杂种优势的研究提供了新思路，更为表观遗传学的研究扩宽了视野。

3.2 组蛋白修饰与杂种优势

组蛋白修饰与植物发育和胁迫反应密切相关，通过灵活改变染色质结构调节基因表达，使F1代表现出杂种优势；但组蛋白的种类、数量、修饰类型繁多，具体调控机制需要进一步研究。ZHU A等[14]调查拟南芥杂交种在发芽种子中4种组蛋白修饰的全基因组模式发现，尽管杂合体在基因组的大多数区域具有与父母相似的组蛋白修饰模式，但在特定基因座处具有改变的模式，这些基因的组蛋白修饰模式的改变可能与拟南芥的一些杂种优势性状相关(如开花时间)，并可能在杂种优势中起作用。

3.3 小分子RNA与杂种优势

小分子RNA(small RNA,sRNA)是生命活动重要的调控因子，几乎存在于所有的生物体中，通过mRNA降解、翻译抑制、异染色质形成、DNA去除来调控生物体的生长发育、基因表达、代谢及疾病的发生，从而影响杂种优势。 ZHANG L等[15]对F1超级杂交水稻LYP9及其亲本进行sRNA谱分析发现，sRNA可能通过调控其靶基因，特别是控制生长素信号通路，在超级杂交稻的杂种优势中发挥重要作用，表明小RNA是超级杂交稻杂种优势的重要调控者。 WANG Y等[16]对小麦幼苗sRNA文库进行生物信息学分析发现，来自tRNA-Val-CAC、tRNA-Thr-UGU、tRNA-Tyr-GUA和tRNA-Ser-UGA的stRNA的表达不仅在高温胁迫下上调，而且由渗透胁迫诱导，表明stRNA的切割增加可能是小麦幼苗发育的机制，以帮助应对不利的环境条件，从而影响杂种优势。 SEIFERT F等[17]通过对21个玉米亲本自交系小组的小RNA文库进行测序发现，亲本sRNA表达变异与谷粒产量(GY)杂种优势呈负相关，杂种中sRNA可能会对杂种优势有负面影响，抑制了杂种优势。

4 小结

表观遗传学是对中心法则忽略问题的补充。表观遗传信息能够利用控制基因的时间、位置等对发育和生理反应进行调控。因此，许多不能通过DNA序列来解释的现象，如杂种优势中的某些现象可以利用表观遗传学分析得到结论。此外，表观遗传学是处于发展中的一个研究领域，很多细节需要不断研究完善。通过深入分析表观遗传学，有利于揭示生命现象的本质，同时为其他学科的研究提供新的思路与方向。