分子遗传与表观遗传

**章 绪论 一、分子遗传与表现遗传的含义 命遗传信息的组成还包括其他层面。**个层面仅含有非编码RNA（non-coding RNA，ncRNA）基因，主要包括rRNA基因、tRNA基因、snoRNA基因及miRNA基因和siRNA基因等。这类RNA基因存在于基因组DNA的非编码蛋白质的序列中。越来越多的研究表明，非编码RNA基因在生命过程中的作用也是不可或缺的。第二个层面为表观遗传信息层（epigenetic layer of information），它贮藏于环绕在DNA分子周围并同DNA相互结合的蛋白质及其他化合物中。尽管目前我们对于表观遗传信息层的功能效应尚不十分清楚，但有大量的报告提示它对于生物体的作用，可能比RNA基因信息层还要重要。目前的观点认为，表观遗传信息层可能在生长、发育、衰老及癌变的过程中起到关键的作用。例如，同卵双生个体，虽然他们具有完全一样的基因组DNA序列，但往往也存在着一些外观表型的差异。当其中一个成员患上精神分裂症、躁郁症及儿童糖尿病等遗传性疾病时，另一个成员的健康状态却是正常的。这种差异的产生可能与环境因素有关系，然而研究者更加倾向于用表观遗传改变这一概念给予解释。因此，对于表观遗传的研究不仅可以增加表观遗传的基础知识，在理论上对全面理解细胞命运和类型的决定及表型的维持具有重要意义，还有可能为某些遗传性疾病的治疗和新药的制备指明新的途径。因此，有学者认为目前总体的趋势是，遗传学的研究正逐步地让位给表观遗传学，它是分子遗传发展的崭新阶段。 二、分子遗传和表观遗传的产生与发展 （一）分子遗传的产生与发展 在整个遗传学的发展史上，分子遗传的确起到了承上启下的传承作用。20世纪50年代初期至70年代初期是分子遗传迅猛发展、快速进步的时期。在这20余年间，诸多分子遗传的基本理论相继被提出，大量的重要发现不断涌现。其中比较重要的有：1956年，美国科学家A. Komberg在大肠杆菌中发现了DNA聚合酶Ⅰ（DNA polymerase Ⅰ），这是可以在试管中合成DNA链的**种酶，至此人类拉开了DNA合成研究的序幕；1957年，H. Fraenkel-Conrat和B. Singer证实，烟草花叶病毒（TMV）的遗传物质是RNA，进一步表明RNA同样具有重要的生物学意义；1958年，M. Meselson和F. W. Stahl发现了DNA半保留复制（semiconservative replication）机制，揭示了基因之所以能够代代相传、准确保留的分子本质；同年，F. Crick提出了描述遗传信息流向的中心法则（central dogma），阐明了在基因表达过程中，遗传信息从DNA到RNA再到蛋白质的传递途径；1961年，两位法国科学家M. F. Jacob和J. Monod建立了解释原核基因表达调节机制的操纵子模型（operon model），说明基因不但在结构上是可分的，在功能上也是有分工的；1961～1966年，经过M. W. Nirenberg和H. G. Khorana等科学家的努力，全部64种遗传密码（genetic code）已被成功破译，从而将RNA分子上的核苷酸顺序同蛋白质多肽链中的氨基酸顺序联系了起来，它是分子遗传发展过程中影响*为深远的科学发现之一；1970年，美国科学家H. N. Temin和D. Baltimore发现了RNA病毒及其反转录酶（reverse transcriptase），证明遗传信息也可以从RNA反向传递到DNA，这是对中心法则的重大修正；1970年，H. O. Smith和K. W. Wilcox从流感嗜血菌中首先分离到Ⅱ型限制性内切核酸酶，其与1967年被发现的DNA连接酶（DNA ligase）为DNA体外重组技术的建立提供了酶学基础。正是上述这些研究发现与进展构成了分子遗传的核心内容。 （二）表观遗传的产生与发展 表观遗传学（epigenetics）这个术语由研究胚胎发育的英国生物学家C. Waddington于1942年提出。C. Waddington提出表观遗传学是基于他在1939年首先提出发育是后成（epigenetic）遗传的观点。“后成论”者认为，生物发育时是由简单向复杂的形态发展，而不是已经预先在受精卵细胞中定型。 英国分子生物学家R. Holliday根据DNA甲基化可改变基因活性这个共识，于1987年在一篇学术论文中重新提出“epigenetic”并引起了研究人员的极大关注。1990年，R. Holliday给出表观遗传学的定义为：研究复杂生物发育过程中基因活动的时间和空间上机制的学科。1996年，美国遗传学家A. Riggs等将表观遗传学定义为：在不改变遗传序列的情况下，基因在功能上因有丝分裂或减数分裂而发生的遗传变化。 2007年，英国遗传学家S. A. Bird将表观遗传学定义为：染色体区域结构的调整，导致表达、发出信号或保持改变的活动状态。2008年，在冷泉港学术会议上，表观遗传学的特性被公认为：在DNA序列没有发生改变的情况下，染色体变化所导致稳定遗传的表型。此外，2013年，美国国立卫生研究院（NIH）根据表观遗传学研究方面的外延，认为表观遗传学既包括细胞或个体基因活动和表达的遗传变化，也包括在细胞转录潜在水平上长期稳定且没有遗传的变化。 三、分子遗传与表观遗传在生产中的重要应用 （一）在医学诊断中的应用 早期对癌症进行诊断，增加了有效治疗和适当监测疾病的机会。对于许多类型的实体恶性肿瘤，通常要等到原发肿瘤转移后才会出现症状。因此，在开发可靠、无创且具有成本效益的常见癌症早期检测方法方面，人们付出了很多努力。随着对肿瘤发生分子机制的认识不断提高，以及新分子技术的迅速发展，通过液体活检及体液中的肿瘤衍生分子，极大地扩展了早期非侵入性癌症检测的范围。从血液（血浆/血清）、尿液、支气管肺灌洗液、乳腺抽吸液、唾液或痰等各种生物体液中分离出来的循环游离DNA（circulating free DNA，cfDNA）受到了广泛关注。特别是循环肿瘤DNA（circulating tumor DNA，ctDNA），即来自肿瘤细胞的cfDNA的一部分，可用作癌症早期诊断指标。在肿瘤发生发展过程中，ctDNA被从凋亡或坏死的肿瘤细胞中释放出来，或通过活细胞主动分泌释放出来，可为检测提供有关原发性和继发性肿瘤基因组的信息。 分子遗传和表观遗传的改变都参与了癌症的发生与发展，通过液体活检检测基因组和表观遗传的改变正在从概念逐渐转为在临床上得以实现。目前检测ctDNA的方法通常是基于对cfDNA中的体细胞突变进行测序，这对于监测具有可操作突变的肿瘤细胞克隆是非常有价值的。然而，由于复发突变的数量有限，这些方法在早期癌症患者中的诊断敏感性可能较低。肿瘤组织的克隆性和异质性同样降低了检测cfDNA中特定体细胞单核苷酸突变的敏感性，从而稀释了在循环中可检测的信号。而这通常需要极高的检测敏感度，好比大海捞针。相比之下，DNA甲基化的分子约束并不那么严格，并且甲基化检测具有更好的早期癌症检测能力，具体优势如下：①表观遗传的改变，如异常的DNA甲基化，通常发生在肿瘤早期，并具有组织和癌症类型特异性；②DNA甲基化模式遍布整个肿瘤组织和相同的肿瘤类型，而体细胞突变通常仅限于肿瘤细胞的亚群/克隆；③DNA甲基化在较大的基因组区域内是一致的，因此可以使用多个CpG二核苷酸进行检测。 cfDNA可以容易地从血液或其他体液中被捕获，并用以研究感兴趣基因的DNA甲基化水平。目前，表观遗传特征可以通过各种技术进行鉴定，包括通过使用限制酶、基于亲和力的方法，或者通过重亚硫酸盐转化来富集甲基化或未甲基化的片段，从而区分甲基化和未甲基化的胞嘧啶。迄今为止，研究*广泛的表观遗传改变是CpG二核苷酸处的5-mC，其高度集中在基因启动子区域内的CpG岛中，癌细胞中的启动子高度甲基化与抑制肿瘤基因的沉默有关，并导致之后肿瘤的发生。每种DNA甲基化分析技术都有其自身的优势和局限性，但是在这一快速发展的领域中，技术的进步使得对位点特异性DNA甲基化的敏感性和特异性评估越来越精准。目前基于多种癌症类型多种肿瘤基因的研究，已经揭示了可用于早筛和预后诊断的DNA甲基化模式。基于一些cfDNA甲基化的表观遗传生物标记，如结肠直肠癌中的VIM和SEPT9、肺癌中的PTGER4/SHOX2、前列腺癌中的GSTP1和DNMT1，均已在临床上得以应用，并且已生产出商业检测试剂盒。 （二）在农业生产中的应用 分子遗传和表观遗传与农业生产有着密切的联系，在畜牧和作物育种、新品种培育、种质资源创新等方面都有重要应用。近些年，杂交二倍体马铃薯的获得、玉米叶夹角控制基因的发现、玉米单倍体诱导基因的克隆、水稻细胞质雄性不育基因的发现、小麦抗赤霉病主效基因的发现等一系列重要成果的取得都离不开分子遗传与表观遗传的发展。 马铃薯是世界上*重要的块茎类粮食作物，全球约有13亿人口将马铃薯作为主食。我国马铃薯主产区位于黑龙江、甘肃、内蒙古、宁夏、云南、贵州等省份。农业生产中使用的栽培马铃薯为四倍体，依靠块茎进行无性繁殖。四倍体遗传的复杂性和薯块繁殖的高成本严重制约了马铃薯遗传改良育种的进程和产业发展。为了解决这些问题，中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文研究员联合云南师范大学等国内外优势团队发起了“优薯计划”，目的是用杂交种子繁殖的二倍体育种替代无性繁殖的四倍体育种，这是马铃薯育种和繁殖的“绿色革命”，是对马铃薯产业重要的农业创新。通过基因组设计育种，黄三文团队改变了自交不亲和基因与有害基因，克服了马铃薯自交不亲和与自交衰退，培育出高纯合度的二倍体马铃薯杂交品种‘优薯1号’。在云南省德宏傣族景颇族自治州的小区试验显示‘优薯1号’F1代有明显的杂种优势，产量约为2.7t/亩a，接近当地主要四倍体品种的产量（3t/亩），类胡萝卜素和干物质含量较高，蒸煮口感俱佳。 分子遗传的另一重要应用是发现了玉米单倍体诱导基因。玉米杂交育种的核心环节是自交系选育，而获得稳定的自交系至少需要8代的连续自交。近年来玉米单倍体育种 a 1亩≈666.7m2 技术发展迅速，它采取“诱导＋单倍体加倍”的方法，只需两代即可获得由单倍体加倍的双单倍体（doubled haploid，DH）纯系，大大缩短了育种时长，已被国内外各大育种公司广泛应用。中国农业大学发现了单倍体诱导系候选基因，并将其命名为ZmPLA1。ZmPLA1含有4个外显子，编码一个长428个氨基酸残基的磷脂酶。该基因突变导致玉米单倍体的产生，为加速玉米育种进程奠定了良好的基础。 小麦赤霉病（Fusarium head blight，FHB）是全球范围内的一种小麦病害，是由禾谷镰刀菌（Fusarium graminearum）、黄色镰刀菌（Fusarium culmorum）、燕麦镰刀菌（Fusarium avenaceum）等多种镰刀菌属真菌引起的一种穗部病害。感染后的小麦植株在小穗和颖片上出现小的水渍状、淡褐色病斑，后期导致整个小穗枯黄或萎蔫，造成小麦减产甚至绝收。因此，小麦赤霉病有“小麦癌症”之称。山东农业大学孔令让教授团队经过近20年的研究，从小麦近缘植物长穗偃麦草（Thinopyrum elongatum）中通过远缘杂交的方式获得了小麦抗赤霉病基因Fhb7。长穗偃麦草是一种多年生的小麦近缘种，包括二倍体、四倍体、十倍体，携带多种优异抗性基因，抗寒、抗旱、抗病能力都很强，并且可以与小麦杂交，是实现优质小麦育种的重要亲本之一。Fhb7基因编码一个谷胱甘肽S-转移酶（glutathione S-transferase，GST），通过对GST超家族系统进化分析得知，Fhb7属于谷胱甘肽转移酶醚酶相关（glutathione transferase etherase-relate