『珍藏版』Cell综述丨哺乳动物的基因组印记与生理过程

编者按：基因表达的模式有时必须得到继承，在发育中一个细胞释放的信号导致邻近细胞开启特异的基因，这些基因也许不得不在这些细胞的许多代内都保持开启，即使诱导它们开启的信号只瞬间存在。在同时缺乏突变和起始信号的情况下，基因表达模式的继承称为表观遗传调控。其中“印记”就是哺乳动物中的一种经典的表观遗传调控现象。2019年2月21日Cell杂志发表了一篇题为Genomic Imprinting and Physiological Processes in Mammals的综述，详细总结了目前对基因印记及其生物学功能的认识，着重强调了基因印记在脑功能和相关疾病中的重要作用。本文对基因印记的研究历史、印记建立的分子机制和基因组范围的印记鉴定方法进行概要。

编译丨陈哲 博士

基因组印记的研究历史

基因组印记（genomic imprinting）是染色体特定片段中来源于亲本的表观遗传标记，它的存在与否取决于这些染色体是来源于父系还是母系的。“印记”这个术语，第一次被使用，是在二十世纪六十年代，细胞遗传学家Helen Crouse用它去描述Sciara coprophila细胞中父系与母系来源的X染色体上的不同之处。然而，基因组印记这一现象再次受到关注是在二十年后的基于小鼠的基础研究中了。首先，通过原核移植（pronuclear transfer）实验，人们发现二倍体雌核（gynogenetic）或者二倍体雄核（androgenetic）所形成的胚胎均不能成活（下图）。

虽然这个实验证明了来源于父系的一套染色体和来源于母系的一套染色体是不等价的，但是这种现象是一种全基因组的效应还是特定基因所造成的在当时并不清楚。关于这个问题的答案，是通过基于染色体易位的实验分析解答的。通过染色体非互补分析，人们发现染色体的特定片段如果都是来源于母系或者父系的将会导致生长、行为或者存活能力的不正常（下图）。

这一系统的实验方法证明了印记现象是由特定的染色体片段所造成的，它不是一种全基因组的效应。小鼠中的研究发现，特定染色体片段均来自父系或母系的小鼠能够存活和生长，但是它们具有不正常的表型。这提示人类中的特定疾病也可能是由于基因组印记的不正常而导致的，虽然他们具有正常的DNA序列。

早在1974年，Johnson发现小鼠17号染色体上一个小片段（T-maternal effect (Tme) locus）缺失后所导致的后代存活能力不同的现象具有亲本遗传效应，通过对这个小鼠的进一步研究，Barlow在1991年鉴定出了第一个印记基因Igf2r（insulin-like growth factor 2 receptor），它在细胞中母系来源的染色体上表达，但是在父系来源的染色体上不表达。同年，其他研究者又鉴定出了小鼠7号染色体上表达模式相反的印记基因Igf2和H19。印记基因发现后不久，人们又进一步发现，印记基因位点处亲本的等位基因具有不同的特异的DNA甲基化模式，这表明DNA甲基化可能对控制基因组印记具有重要的作用。

除了在胚胎发育过程中的重要作用，人们开始越来越关注基因组印记在神经系统中的作用了，目前已经发现的印记基因中有近一半是在脑中印记表达。通过雌核或雄核细胞与野生型细胞混合所形成的嵌合体（chimeras）小鼠，人们发现嵌合体小鼠的脑部不正常，并且雌核细胞与雄核细胞在脑中的分布具有偏倚性，这表明印记基因在不同的脑区可能发挥着不同的特异的功能（下图）。

印记的表观遗传调控

DNA甲基化是一种可遗传的表观遗传标记，印记控制区（imprinting control regions (ICRs)）亲本来源特异的DNA甲基化是印记基因在胚胎中单等位基因表达（mono-allelic expression）所必需的。哺乳动物基因组中的绝大部分印记基因成簇存在，一个基因簇通常含有一个ICR，其上含有生殖细胞系来源的亲本等位基因特异的DNA甲基化，它控制着整个基因簇中的多个基因的印记表达。除此之外，一些印记基因在不同的细胞系和不同的转录本中具有组织特异和启动子-转录本isoform特异的基因表达模式。

那么DNA甲基化和其它表观遗传标记模式是如何在配子发生和胚胎发育过程中形成的呢？DNA甲基化是通过DNA甲基转移酶（DNMTs）催化完成的，DNMT3A和DNMT3B建立从无到有的DNA甲基化模式，而DNMT1在DNA复制后起到维持DNA甲基化模式的作用。

胚胎发育过程中有一个失去DNA甲基化的过程和一个重新建立DNA甲基化的过程。卵细胞受精后有一个DNA去甲基化的阶段，除了包含ICRs等的特定区域外，父系和母系基因组的DNA甲基化模式均会被去除。而从着床开始，胚胎细胞将会发生一次从头的DNA甲基化过程，在那以后，除了生殖系细胞外，其它细胞的DNA甲基化模式将会保持相对稳定。对于原始生殖细胞来说，它将会经历第二波基因组范围的DNA去甲基化过程，印记位点处的DNA甲基化模式也会被去除，以便它在配子发生过程中重新建立卵细胞或精细胞特异的DNA甲基化模式。生殖细胞系ICR的DNA甲基化模式主要是由DNMT3A在DNMT3L的帮助下完成的，这些ICRs被认为是初级甲基化差异区域（differentially methylated regions (DMRs)）。其中有三处是父系来源的，它们都位于基因间区，而另外超过二十个ICRs的DNA甲基化模式来源于母系生殖细胞，它们都位于基因的启动子区。受精后，由于印记表达的非编码转录本或被动的转录抑制，印记基因簇将会形成次级的DMRs。

配子形成过程中，父系或母系ICRs的DNA甲基化模式并不是由靶位点特异的DNA甲基化过程产生的。精子发生过程中，DNA甲基化优先建立在基因间区和转座子序列上，而卵细胞DNA甲基化的获得与转录延伸相偶联，主要发生在基因内部，包括基因内的CpG岛。DNA甲基化能否在受精后的表观重编程过程中得到保持，是区分ICRs和配子形成过程中伴随产生的其它DNA甲基化区域的关键。但是关于ICRs上的DNA甲基化模式如何保持这一问题，目前还不清楚。其中一个可能的机制是通过能够募集表观修饰酶的DNA序列特异的结合因子来维持的，例如ZFP57和ZFP445。近些年的研究发现，UHRF1和DNMT1也参与到了卵细胞和卵裂胚胎DNA甲基化的调控中。

除了经典的DNA甲基化印记，哈佛大学张毅教授实验室最近在早期胚胎中还发现了能够介导单等位基因印记表达的H3K27me3标记（张毅组Nature揭示基因印迹的新机制【附朱冰点评】）。这些H3K27me3产生于卵细胞发育早期，能够维持到受精后一段时间，至少能维持到囊胚阶段，这种印记一般是暂时的，它在胚胎着床后消失。但是在胚外组织中，一些基因的H3K27me3印记能够维持，例如Xist基因。关于胚外组织中这些基因H3K27me3印记得到选择性维持的机制目前还不清楚。

基因组范围的等位基因表达

经过近三十年经典遗传学、分子生物学和胚胎学的研究，鉴定出了近200个证实了的印记基因，这一数目少于全部基因的1%，它们中的一些在生长发育和各种生理过程中具有重要的作用。基于小鼠的遗传学功能筛查虽然要耗费大量经费和时间，但这是目前在哺乳动物中鉴定印记基因最可靠的方法。近些年，通过高通量测序技术结合小鼠种系特异的多态性，提供了一种定量全基因组范围亲本来源特异的等位基因转录情况的新方法。这种方法的基本思想是通过RNA-seq测序得到含有杂合单碱基多态性（SNP）的序列，再进一步根据亲本DNA多态性推断样本中等位基因的相对表达情况。这种方法能够把基因印记表达的研究简化到特定组织和细胞水平，并且已经被应用到了脑组织和胎盘组织的印记研究中了。

虽然通过杂合F1代转录组测序技术进行的几轮早期研究仅仅新发现了几十个新的印记基因，但是这些研究发现，许多基因的表达都存在由亲本来源决定的偏倚，也就是说，子代从父系和母系继承来的同源基因在同一个细胞内的表达量不同。虽然目前这种实验策略的应用还不够成熟，但是随着种系特异的参考基因组质量的提高、生物信息统计方法的完善和细胞分离纯化技术的进展，将使我们能够更精准的定量等位基因特异的转录本表达量，这将有助于我们从功能和机制上进一步了解由亲本来源决定的等位基因表达偏倚与经典的基因印记表达之间的关系。

通过各组织中印记类似效应的研究，引起了一个重要的争论，就是如何去定义基因组印记？因为基于RNA-seq的新方法发现了许多基因具有不那么极端的亲本来源特异的等位基因表达偏倚，而不是像经典的那种单等位基因印记表达。小鼠中的研究已经证明，印记簇中的一些基因具有亲本来源特异的等位基因表达偏倚，并且在不同的发育阶段和不同的组织中存在不同程度的偏倚。但是目前并不清楚这种偏倚到底是什么原因造成的。可能是样品中所有细胞均具有偏倚的基因表达模式，但也可能是样品中部分细胞单等位基因印记表达而其它细胞中两组亲本基因表达量相同造成的。一些印记基因区域边缘的基因被发现具有表达偏倚，而这种偏倚则可能是由于ICR的不完全影响产生的弱印记效应所造成的。

目前，有许多新的印记基因被报道，包括RNA isoform特异的亲本偏倚以及在不同部位、不同时间和不同强度的亲本来源特异的偏倚，下图汇总了小鼠和人类中的印记基因数量（截止到2018年12月）。

有趣的是，许多印记基因在多个脑区印记表达，但是在其它组织中正常表达，并且在功能不同的脑区的印记表达具有巨大的差异，这种现象的生物学意义目前正刚开始被探索。对神经细胞中具有亲本来源偏倚的基因进行的遗传学分析发现，亲本来源对基因表达剂量的调控可能是脑组织正常发育和行使功能所必须的。

基因印记对发育、行为、睡眠和生物钟等生理过程都有着重要的影响和调控作用，基于基因印记是一种表观遗传现象，而它所参与的生理过程会受到环境的影响，通过对基因印记生物学意义的进一步研究，可能会给我们对基因组、表观修饰以及环境的相互作用带来新的认识。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867419301060

Tucci, V., Isles, A. R., Kelsey, G., Ferguson-Smith, A. C., Bartolomei, M. S., Benvenisty, N., ... & Glaser, J. (2019). Genomic Imprinting and Physiological Processes in Mammals. Cell, 176(5), 952-965.

制版人：半夏

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