哺乳动物基因组印记的研究进展

陈秀莉马利兵

（1.内蒙古科技大学数理与生物工程学院，包头 014010；2.包头师范学院生物科学与技术学院，包头 014030）

哺乳动物基因组印记的研究进展

陈秀莉1，2马利兵1

（1.内蒙古科技大学数理与生物工程学院，包头 014010；2.包头师范学院生物科学与技术学院，包头 014030）

基因组印记是由亲本来源不同而导致等位基因表达差异的一种遗传现象。基因组印记产生的原因及过程是现代遗传学的一个热点问题。哺乳动物的许多基因组印记特征都使其成为后基因组时代的一个热点生物学问题。进化的基因组印记在哺乳动物生殖、发育中起到了特定的作用。综述了基因组印记的特点、印记基因的印记机理、基因印记与克隆动物的发育、印记基因与疾病的研究进展。

基因组印记；哺乳动物；克隆动物；胚胎发育

DIO： 10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.01.007

基因组印记（Gene imprinting），又称遗传印记（Genetic imprinting），是一种表观遗传机制，它可以限制某个基因只能由来自双亲染色体中的一条表达。对于只表达父本（Parental）、母本关闭的基因称为母本印记基因，如胰岛素样生长因子2（Insulinlike growth factor2，IGF2）［1］；只表达母本（Maternal）、父本关闭的基因称为父本印记基因，如H19［2］。在整个基因组的25 000个基因中，只有几百个基因会产生这种现象。此外，大部分基因都在两条染色体中有相同的表达方式。雄性和雌性都受基因组印记的影响，因此与双亲来源相关，而与性别无关。基因组印记使二倍体生物进化出一套沉默系统以放弃二倍体状态的优势。某些基因在精子生成过程中被印记，另一些基因在卵子生成过程中被印记，所以，其表达受到抑制。哺乳动物基因组印记在医学、社会学层面都有极大的意义。

首先，在临床上对遗传特征和疾病的控制有重要意义；其次，在辅助生育技术方面，对于控制人类和动物繁育的能力有重要意义；再次，对生物技术和后基因组医疗研究的进步有极重要的意义。现在讨论任何遗传问题，无论是研究还是医疗，都必须考虑某个基因是否是父母双源（二倍体）表达或受到基因组印记的影响而呈现父母单源特异性（单倍体）的表达。印记基因对胎儿的生长、发育及行为，特别是胎盘的发育都有极其重要的影响，印记基因的异常表达会导致许多疾病的发生［3］。

1 印记基因的特点

80%的印记基因在基因组中以成簇的形式存在，如人的常染色体1号、5号、6号、7号、11号、12号、13号、14号、15号、18号、19号、20号和性染色体——X染色体上都有成簇存在的印记基因。在11号染色体的1.5 Mb DNA区域有6个印记基因，分别是母本表达的P57KIP2、KVLQT1、Mash2、Ins2、IGF2和H19基因。在15号染色体上，这一区域有3个父本表达的印记基因，分别是SNRPN、IPW和ZNF127，这一区域与Prader-Willi综合征（Prader-Willi Syndrome，PWS；OMIM176270）及Angelman综合征（Angelman syndrome，AS；OMIM105830）有关，病因为15q11-q13上一个约5-6 Mb区域的缺失，但其表型却完全不同。位于15q11-q13的基因组印记导致了其表型不同，因为PWS缺失了父本来源的该区域，而AS则缺失了母本来源的这一区域。最大的印记基因簇是X染色体自身，如果失活的X染色体是母源的，则导致胚胎死亡，因此，通常选择父本的X染色体失活。

在小鼠染色体中共有大约80个印记基因，个别印记基因散在分布于染色体上，如在2号、14号和18号染色体上有单个的印记基因存在［4］；而大多数印记基因以基因簇的形式存在，如有11个印记基因簇分别位于2号、6号、7号、9号、11号、12号、15号和17号染色体上。其中，Igf2r、Igf2、Kcnql、Gnas、Dlk1和PWS等6个基因簇含有3-10个印记基因，分别为100-300 kb的DNA片段。这6个基因簇的共同特征是它们都有一个甲基化印记的DNA区域，称为差异性DNA甲基化区域（Differentially DNA-methylated region，DMR）。在其中的4个基因簇（包括Ig2r、kcnql、Gnas及PWS）中，DMR有在卵子发生中得到的母源甲基化印记，而在Igf2和Dlk1两个簇中，有精子发生中获得的父源甲基化印记。在一个印记基因簇中，紧密混合着活跃和沉默的基因，这暗示着影响印记基因的沉默和激活机制不是分散的，而是可能限制于被影响基因的附近。

2 印记基因的印记机理

研究表明，DNA甲基化是基因组印记发生和维持的主要机制。它是通过全新甲基转移酶的作用得到的，之后随着细胞分裂，由维持甲基化转移酶来维持。DNA 甲基化可能存在两种不同的基因组印记功能。第一，它可以只存在于一个配子的染色体上帮助一个亲本等位基因沉默。第二，有必要确定哪些印记基因及基因调控装置中哪些部分是被DNA甲基化标记的。如果是在配子发生时期，而且在体细胞相应位置维持下来（配子DMR），它可能就是印记。如果它是在胚胎形成二倍体后加到基因上（体细胞DMR），这时两条亲本染色体在同一个细胞当中了，则不可能是身份标记，却可能对维持亲本特异性沉默有作用。在哺乳动物的个体发育过程中，只有特定类型的基因表达，并且活跃基因的表达以及表达程度会受到严格的调控。在DNA序列水平上，表观遗传修饰一旦形成，在DNA复制及细胞分裂过程中能够稳定地遗传下去。基因组印记作用通过精子、卵子融合传递给体细胞和组织，具有亲本特异性［5］。在配子发生和胚胎早期发育过程中，DNA甲基化是一个动态的变化过程［6］：（1）精子、卵子的甲基化程度差异显著，精子的甲基化程度较高，但低于体细胞，精子和卵子的甲基化程度的差异被认为是配子“印记”的可能机制。（2）在8-细胞期至囊胚期的发育期间存在DNA甲基化程度的显著下降，这种大规模的去甲基化可能是生物体在体细胞分化过程中去除配子部分“表观遗传修饰”的机制。（3）在胚胎植入时出现DNA的全新甲基化，首先在囊胚内细胞团细胞中出现DNA甲基化，伴随原肠胚的形成，继续全新甲基化过程。（4）为了保证发育的全能性，生殖细胞不发生上述全新甲基化过程，但生殖细胞在8-细胞时发生去甲基化。

3 基因印记与克隆动物的发育

基因印记与动物生长发育、生物进化以及人类的许多遗传疾病和肿瘤的发生都有密切的关系。对于家畜育种和胚胎移植等也产生一定的影响。动物克隆是指经过体细胞进行无性繁殖，即将高度分化的体细胞核移入去核的卵母细胞中构成一个重组胚，进而形成基因型完全相同的后代个体。克隆是生命科学界的一场大革命，有广阔的应用前景。但是，目前动物克隆受到很多条件限制，如成功率低，胚胎死亡率高，而且还伴有不同程度的表型缺陷，这正与许多印记基因异常表达有关［7］。克隆胚胎需完成供体核转录的失活、分化细胞记忆的失去、重构胚胎合子型基因的激活和随后正确表达等过程，这里每一步都包括复杂的表观遗传改变。供体细胞核重编码首先表现在DNA甲基化和组蛋白的修饰［8］。

体细胞克隆过程中供体核DNA甲基化异常可能是导致体细胞克隆效率低的原因之一［9］。研究表明，在克隆猪的胎盘中IGF2、H19、PEG3及GRB10印记基因表达异常，这种异常是由DMR异常甲基化引起的［10］。在绵羊的研究中，体外培养的胚胎在植入前Igf2r基因是异常表达的，Igf2r表达较正常胎儿降低30%-60%，Igf2r的表达与第二内含子中DMR2甲基化缺失有关，其表观修饰发生了变化，导致胎儿体积变大［11］。在克隆小鼠的胎盘中IGF2和H19基因表达异常，多数克隆小鼠胎盘表现H19不表达，而IGF2过量表达［12］。在猪、牛、绵羊、马和小鼠等动物中普遍存在印记遗传现象，这些印记不但与生长发育和生产性状有关，而且还与品种间的杂交效果、抗病性能等有密切关系。印记调控一些质量性状的基因表达，同时也影响许多数量性状表型方差的大小和表型值的高低。另外，许多母体效应的大小也与基因印记有关。研究发现，猪的7号染色体上QTL基因，影响肌内深度的数量性状，呈母本等位基因表达。在猪的6号染色体短臂和长臂各发现一个影响肌内脂肪含量的QTL，长臂上的呈父本等位基因表达，短臂上的呈母本等位基因表达。Sato等［13］在8号染色体发现了一个影响乳头数的印记QTL。

在小鼠中，敲除Mest父系等位基因可导致胚胎和胎盘生长迟缓和出生后生长抑制，而Mest基因的印记丢失则可导致出生后体重增加和多种器官肥大［14］。Ineson等［14］采用胚胎干细胞中Mest定标性突变的方法检测其功能发现，父系表达的Mest基因可促进胚胎的生长。Mest基因是第一个被发现的对哺乳动物的行为具有调节作用的印记基因。印记基因对于哺乳动物的调节不仅表现在宫内，对出生后个体也有影响。大部分印记基因在胎儿和胎盘的生长发育及胎儿出生后的表现等方面发挥重要的调节作用［15］。现代技术使小鼠基因功能可通过将基因序列突变功能缺失来确定。表1列出了这些基因［4］。

表1 印记基因的功能（由基因缺失实验得出）

Xue等［16］发现出生后死亡的克隆牛的X染色体失活出现异常；羊和牛的胚胎经体外操作：包括体外受精、卵裂球核移植、体细胞核移植后，可观察到各种类型的表型异常，如肺炎等，以及出生前后早期死亡和后代过大综合征［17］。许多克隆胚胎中还有新生动物表现出印记基因的表达异常，但并不都有表型的异常出现。这表明克隆动物的明显缺陷是许多印记基因表达失调的累积效应，而不是单个印记基因出现异常的结果。此外，也表明克隆动物的发育能够耐受一定的印记基因表达异常［18］。

4 印记基因对子代的影响

较早发现的印记基因Igf2，Igf2r和H19参与胎盘的形成和胚胎的发育［19］。例如，父源表达的Peg1/Mest，位于小鼠6号染色体上。尽管父源表达的突变，结果导致子代出生后增长率低于野生型。这表明，印记基因不仅调控基因表达，也对后代生理或行为有很大影响。小鼠7号染色体上Peg3的缺失，不仅对其出生前有影响，也影响其出生后行为，如影响生长、吮吸及自身温度的调节［20］。Peg3突变的动物，其胎盘较小，出生后低体重。

位于小鼠2号染色体远端的基因座GNAS，有几个不同的父源印记，包括父源表达的Gnasxl和Nespas，母源表达的Nesp和Gnas，这些印记基因的表达是较复杂的。XLαs蛋白的缺失，Gnasxl基因会引起出生后行为的缺陷，出生后生长迟缓，代谢缺陷，无法正常吮吸，甚至导致死亡。这与Peg3突变产生的作用类似［20］。Gnasxl直接参与哺乳行为和内分泌控制。Peg1、Peg3和Gnasxl的突变表明这些基因都参与了小鼠出生后的生长发育。

最近研究表明，印记基因Magel2能够影响女性生育能力、生殖生理及母性关怀。对于小鼠Magel2印记基因的研究表明，其会改变小鼠的昼夜节律［21］。对于小鼠Peg1印记基因的研究表明，其会影响其生育能力，并且，其后代成年后精子数量明显降低［22］。

5 印记基因与疾病

基因组印记紊乱将导致多种疾病，常常是由于印记丢失导致两个等位基因同时表达，或突变导致有活性的等位基因失活所致。基因组印记与肿瘤的发生也有密切联系，如葡萄胎的发生，其主要原因就是遗传的失衡［23］。还有研究表明Igf2基因印记缺失可增加散发性结肠、直肠肿瘤的发病风险［24］。

5.1 PRADER-WILLI和ANGELMAN

Prader-Willi（PWS）综合征和Angelman（AS）综合征是两种先天性神经异常发育综合征，是最先被研究的基因组印记紊乱的例子。PWS病因为缺失父源的15q11-q13上的一个约5-6 Mb区域。PWS发病率约为万分之一，其特征为婴儿期张力减退，发育迟缓，重度肥胖，矮小，第二性征及生殖器发育不全和轻度的认知障碍。AS患者具有重度发育迟缓，语言能力极差，运动失调，双手不正常摆动，头小畸形，癫痫及一些异常的外形，如突出的上腭和宽大的嘴。AS是由母源的15q11-q13区域缺失造成的。说明父源和母源的15q11-q13区功能不同，在15q11-q13区域至少包含6个父系和2个母系表达的印记基因，其中，SNRPN和UBE-3A分别在PWS和AS中起着关键性作用。这两个基因主要在脑组织中表达，父本表达的SNRPN基因微缺失可导致PWS，其上游进一步缺失则可导致AS，由此表明这两个区域就是印记中所在的位置［25］。

5.2 BECKWITH-WIDEMANN综合征

BECKWITH-WIDEMANN（BWS）主要特征是体细胞过度增长，先天异常，易患小儿胚胎型恶性肿瘤等。目前研究发现可引起BWS综合征的分子缺陷包括：（1）涵盖IGF2区域的父源性倍增；（2）11p15.5的父源性单亲源二倍体；（3）CDKNIC母源等位基因的功能缺失；（4）母源染色体上的易位，这些易位破坏KCNQ1，影响IGF2基因的印记。（5）最常见的是ICR2/KCNQ1OT1基因印记的丢失。

5.3 Silver-Russell综合征

Silver-Russell综合征（SRS）是一种发育紊乱疾病，主要表现为发育迟缓，身材矮小且不对称，部分具面部、头盖骨及手指和脚趾畸形。引起SRS的遗传病因很多，但约10%患者是由第7号染色体的母源性单亲源二倍体所造成的。可能是某父源性表达的促进生长的基因的功能缺失导致了SRS。Gicquel等［26］研究发现，在几例SRS患者中，染色体11p15上ICR1的去甲基化，导致了H19双等位基因表达和IGF2表达水平下降。

5.4 假性甲状旁腺功能减退

在正常副甲状腺激素（PTH）水平下，仍出现甲状旁腺功能减退的各种表型被称为假性甲状旁腺功能减退（PHP）。这些患者对PTH具抗性，同时还可能具有一系列发育及体征缺陷。该病因是因GNAS1基因突变。在该基因外显子周围有DMR，导致NESP55只表达于母源等位基因，而XL1A和NESP-55的一个反义转录物则只表达于父源等位基因。

6 展望

在哺乳动物基因组中，约有1%的基因属于印记基因范畴［27］。其一个重要表现就是呈现出父本或母本来源的单位点表达。目前，在人和小鼠的研究中已鉴定出超过100个印记基因［27］。这些印记基因对于哺乳动物的正常发育至关重要。印记基因与遗传、克隆动物的发育、遗传疾病、肿瘤的发生及数量性状等有密切的关系。对基因组印记特征与作用更为深入的理解，将大大提高克隆动物的成活率，并且也将会大大推动许多相关疾病的病因及治疗的研究进展。哺乳动物的许多基因组印记特征都将使其成为后基因组学时代的一个热点的生物学问题。

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（责任编辑 狄艳红）

Research Progress in Genomic Imprinting in Mammals

Chen Xiuli1，2Ma Libing1
（1. School of Mathematics Physics and Biological Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010；2. Faculty of Biological Science and Technical，Baotou Teachers College，Baotou 014030）

Genomic imprinting is a genetic phenomenon because of the different parents resulted from the allelic gene expression differences. The causes and the process of genomic imprinting is a hot issue of modern genetics. Mammals many genomic imprinting characteristic makes it become a focus biology problems in the post genome era. The evolution of genomic imprinting has played a special role in mammalian reproduction and development. This paper reviewed the characteristics of genomic imprinting、imprinting mechanism of gene imprinting， gene imprinting and the development of cloned animals， the research progress of the imprinting genes and the disease.

gene imprinting；mammals；cloned animals；embryonic development

2014-07-01

国家自然科学基金项目（31160245），内蒙古自治区高等学校青年科技英才支持计划

陈秀莉，女，硕士，副教授，研究方向：表观遗传学；E-mail：chenxiuli6666@sina.com

马利兵，男，博士，教授，研究方向：表观遗传学及发育生物学；E-mail：mlb-xn2004@163.com