表观遗传 缺氧作用机制的新研究

唐玉琴，淮文英，王艳秋，杨福权，张天娥

（成都中医药大学，四川 成都 610075）

表观遗传 缺氧作用机制的新研究

唐玉琴，淮文英，王艳秋，杨福权，张天娥

（成都中医药大学，四川 成都 610075）

表观遗传是指DNA序列不发生改变但基因表达却发生了可遗传的改变，已成为生命科学研究中的前沿领域。而缺氧在胚胎时期便可引起胎儿表观遗传的改变，诱发疾病的发生。为适应缺氧环境，机体在心、肺、体、血四个层面均会产生明显的抗缺氧效应。众所周知HIF调节缺氧，HIF激活其靶基因的转录确切机制仍然是不清楚的。同时，缺氧引起转录部分依赖后显著降低的变化机制知之甚少。从上游基因表达过程入手，了解相关基因的表观遗传信息，即可通过调控这些环节，从而阻断疾病的发生发展，就能赋予表观遗传一双慧眼，自行抵抗疾病的入侵。

表观遗传；缺氧；综述

1 缺氧对人体的影响

缺氧是机体生命活动的必需物质,缺氧是指因组织的氧气供应不足或用氧障碍导致组织器官的代谢、功能以至形态结构发生异常变化的病理过程，严重的可以直接引起机体死亡。为适应缺氧环境，机体在心、肺、体、血四个层面均会产生明显的抗缺氧效应,如从上游基因表达过程入手，了解相关基因的表观遗传信息，即可通过调控这些环节，达到防治的目的。

缺氧对机体的影响最早可始于胚胎早期。胚胎滋养层对基因信号和环境条件等诸如：氧分压、营养、激素等可改变绒毛滋养层的灌注方式，从而引起胎儿表观遗传的改变和妊娠病理变化[1-3]。宫内缺氧可对胎儿大脑神经细胞产生重大的影响[4]。胚胎时期和幼年时期神经干细胞增殖、定向分化为神经元细胞,自身基因和环境又能介导神经干细胞的增殖、分化[5]。其中，低氧诱导因子(HIF-1)可诱导多种基因表达[6]。但是，神经系统对缺氧最敏感,即便有HIF-1的调控,轻度缺氧也可能会引起神经系统的生理功能变化和病理改变[7]。最常引起癌症、中风、心肌梗死和慢性肾脏病。细胞对缺氧的反应在很大程度上依赖于基因表达的变化，HIF靶基因加强机体对缺氧的耐受力，细胞中的转录则相反。

2 缺氧对表观遗传的影响

1915年Wadding首次提出表观遗传学的概念，认为基因型产生表型的过程是表观遗传学的研究范围，并首次用整体观解释整个生命过程中遗传物质的表达。1987年，Holiday对“表观遗传”做出更详尽的解释“DNA序列无差异的、可遗传的基因表达方式变化”。表观遗传学参与个体发育、成体的生物学进程中基因表达的调控，这一过程受干扰可致人类疾病的发生、发展。

组蛋白乙酰化，一个与转录激活密切相关的过程，发生在赖氨酸残基定位在组蛋白N-末端的尾巴[8]。组蛋白乙酰化诱导转录放松的高阶结构的染色质。此外，乙酰化组蛋白产生的信号与蛋白质结合，经常出现内在活动或是帽子染色质重塑复合物的成员，从而促进转录诱导[9]。

组蛋白乙酰化是由HATs和HDACs的抑制活动控制[10]。众所周知，HDAC底物包括非组蛋白，包括一些转录因子和辅助因子[11]。针对组蛋白和非组蛋白，组蛋白去乙酰化酶一般会抑制转录[11]，但有趣的是，他们可以调节HIF依赖的转录均阴性。结果表明，在缺氧条件下，染色质重塑因子HIF-1αReptin与HDAC1结合，HIF的靶基因涉及到HDAC1的补充启动，HDAC4，HDAC5补充表达HIF靶启动子从HIF依赖的转录变得积极[12]。与此相一致，组蛋白去乙酰化酶抑制剂，在大多数情况下，促进基因在几个HIF靶启动子的转录的表达[13]引起抑制和血管生成HIF依赖性[14]。HDAC依赖的基因激活机制还是没有得到很好的定义。然而，它变得越来越明显，HIF c-tad-p300/CBP相互作用是必需的[11]。现有证据表明p300/CBP和HIF的脱乙酰化[13]目标。在这个概念中，HIF，P300与HDAC4，HDAC5或HDAC7已被报道形成多蛋白复合物[15]。这也表明，HDAC4和HDAC5促进HIF-1与p300的关系，从而增强HIF靶基因的表达[15]。

缺氧反应的表观遗传调控。不同的表观遗传机制参与缺氧反应的基因表达不同：HIF补充共激活因子可增强HIF表达。HIF-p300/CBP的相互作用是通过抑制缺氧诱导HIF-1表达。HDAC4和HDAC5促进HIF-1α和p300之间的相互作用。SWI/SNF复合物在一些HIF靶启动子和增强子改变染色质结构，从而有利于它们的表达。缺氧促进缺氧诱导基因启动子的组蛋白甲基化状态改变：缺氧组蛋白去甲基化酶的激活和抑制JMJD1A组蛋白去甲基化酶，分别引起H3K9me2减少和H3K4me2水平的增加，从而增强基因的表达。此外，缺氧增加一些HIF靶启动子H3K27me3和 H3K4me3的表达；在缺氧条件下，HIF1-α和Reptin的相互作用是增强的，导致一些HDAC1对HIF靶基因的补充，负调控转录；组蛋白甲基化和乙酰化状态的变化促进被缺氧抑制的基因。缺氧引起H3K9me2水平增高，提高H3K4me3水平并降低H3K27me3和H3K9ac水平。

组蛋白甲基化是一个严格的调控过程，依赖于组蛋白甲基转移酶和组蛋白去甲基化酶的活性。组蛋白去甲基化酶(jhdm)诱导缺氧条件下趋于恢复组蛋白甲基化的动态平衡，缺氧时，增加这些酶的表达，酶的活性降低由氧气缺乏实现完全或部分地补偿调控。一些组蛋白赖氨酸甲基化在缺氧条件下可以专门预防。缺氧诱导的组蛋白甲基化可能通过部分抑制球面的jhdms[16]，而减少了一定的缺氧应答启动子[16]组蛋白甲基化。有趣的是，JMJD1A是HIF靶基因本身。Krieg和他的同事[17]建议调节HIF可能代表的JMJD1A偏爱HIF依赖的基因表达的前馈机制。他们提出，JMJD1A保持目标启动子活性的表观遗传模式，从而最大限度地减少所需的能量支持的表达。具体调控仅仅是一部分，而不是所有的缺氧诱导基因启动子的特异性机制。JMJD1A表明更多的考虑差异基因的诱导,其他jhdms也参与具体的低氧反应基因的激活。需要进一步的研究来确定这是否是事实。

虽然取得了对jhdm诱导缺氧条件下的详细研究，这一类酶在缺氧需要进行单个或者多个JHDMS的RNA干扰沉默实验靶向作用研究或多个jhdms响应的生物学作用。在缺氧表观调节中，组蛋白的修饰及有关酶引起的染色质重塑也起到了关键作用[18-19]。缺氧引起组蛋白乙酰化，已成为阿尔兹海默病和多动症的一个高度疑似病因。

总之，缺氧诱导广泛的组蛋白修饰，通常与转录或转录激活有关。虽然需要更多的研究，充分了解其生物学作用，以及识别酶和信号转导通路，但现在已经开始更精确地定义了这些改变。它将整体评估缺氧对表观遗传造成的改变。在缺氧条件下SWI/SNF是HIF-1α补充的基因启动子，这是HIF-1αmRNA的表达要求。SWI/SNF水平的调控可以说明HIF依赖性反应对缺氧的深刻影响[20]。

约翰逊等分析缺氧诱导基因启动子区的表观遗传变化在低氧下激活或抑制[16]。对HIF靶基因VEGF低氧诱导EGR1、H3K9ac和H3K4me3水平显着增加和H3K27me3启动子水平降低，三者与转录活性位点通常相同或类似的表观遗传变化也被观察到缺氧诱导基因启动子的EPO，HMOX1和DAF[21-22]。缺氧感应的H3K4me3似乎依赖组蛋白去甲基化酶脱甲基酶的抑制作用。

现有证据表明，H3K9me2增加部分是由缺氧诱导的G9A甲基转移酶依赖的支持。在i缺氧水平，H3K9me2[17]诱导某些基因的启动子也增加。需要进一步的研究来评估缺氧诱导的表观遗传改变生物的结果。

为了激活基因的转录，HIF一系列特定基因的共同因素或甲基化组蛋白乙酰化，或改变染色质的结构。另一方面，缺氧刺激诱导转录的抑制，可能通过支持整体的染色质变化。因此，似乎在基因的表观遗传机制规律的研究，缺氧扮演双重角色，控制HIF靶基因的诱导和通用转录下调。

除了HIF-1依赖调节，其他几个因素和途径已被证明调节p300/CBP和HIF-α亚基之间在缺氧时的相互作用受到阻碍。这些因素包括正性调节因子，如酪蛋白激酶II和丝裂原活化蛋白激酶（MAPK），以及负性调节因子：CITED2和CITED4。虽然p300/CBP已被证明是调节HIF依赖性指示器和几个HIF靶基因表达[23]，以及显示的组蛋白活性及HIF靶启动子[21]。这些因素的通则在HIF依赖性转录尚未得到证实，这个领域有基因特异性，只对部分基因是必不可少的。

除了启动子的特异性染色体改变，缺氧表明整体表观遗传学改变[16,22]细胞。一些研究小组已经表明，乙酰化和甲基化整体分布的H3和H4[16,24]和甲基化的DNA[25]对氧敏感。值得注意的是，在缺氧诱导的整体表观遗传学改变，组蛋白翻译后修饰通常是转录抑制或激活。

它已经表明，缺氧引起基因转录[16]普遍减少。然而，它仍然被确定在何种程度上整体表观遗传学的改变在缺氧时占整体基因表达的情况。约翰逊和他的同事们[16]已经确定，HEPA 1–6细胞在低氧减少约50%。这在mRNA合成的组蛋白修饰相关数急剧减少，这不仅引起转录抑制，但也导致转录诱导。同样，作为一个特定的组蛋白标记可以促进不同的，甚至相反的生物学效应，它不能被排除，这些“积极”的组蛋白标记在缺氧诱导的特殊的生理和表观遗传整体背景下，可能会产生负面影响。

3 结语

当机体缺氧时，常导致HIF活化,进而诱导VEGF和EPO等100多种基因的转录，但也同时伴有一般转录因子大幅度下降。对此有学者认为[26]，缺氧引起的基因表达改变，不都与HIF联系，表观修饰可参与其中，表观机制在缺氧时起到了双向调节作用，即可上调HIF控制的靶基因，又可下调一般转录因子。具体机理还有待进一步发掘。

表观遗传学不仅对生命科学研究有重要意义，还提供了理解遗传和进化的新观点。缺氧对人体生长发育有严重影响，对胎儿早期神经系统的发育影响尤为明显，通过表观遗传作用使其基因表达状态发生可遗传性的改变。缺氧对表观遗传影响的研究还很有限，且有相互矛盾的结果。我们可以从上游基因表达过程入手，了解相关基因的表观遗传信息，确立缺氧标志Marker及临床干预药物，将有利于胎儿缺氧的早期预报，从而阻断疾病的发生发展。开展与发育相关的表观遗传学研究，将有助于认识大量尚未探明的人类疾病的发病机制，对寻找治疗这些疾病的药物和治疗方式具有深远的意义。

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Epigenetics a new study on the mechanism of hypoxia

Tang Yu-qin,Huai Wen-ying,Wang Yan-qiu,Yang Fu-quan,Zhang Tian-e
(Chengdu university of traditional Chinese medicine,Chengdu,Sichuan,610075,China)

Epigenetics which has become the frontier of life science research refers to the gene expression has undergone genetic changes without DNA sequence changing.During the embryonic period,Hypoxia can cause fetal Epigenetic changes,even cause disease.In order to adapt to the hypoxia environment,the body would produce obvious anti-hypoxia effect in four levels:the heart,the lung,the body and the blood.The most ideal state is to start from the upstream gene expression process:knowing about Epigenetics information of genes can regulate these links to interrupt the occurrence and development of the disease,which will be able to give a pair of eye to Hypoxia and help resisting the invasion of the disease.

Epigenetic;Hypoxia;Review

10.3969/j.issn.1009-4393.2017.15.089

四川省科技支撑计划（2013FZ00101)

张天娥，E-mail：1153615912@qq.com