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篇1

關(guān)鍵詞 表觀遺傳 高中生物 科學(xué)的本質(zhì) 生命觀念

中圖分類號 G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

表觀遺傳學(xué)為人們理解遺傳現(xiàn)象提供了全新的視角，成為“后基因組”時代的重要研究內(nèi)容之一。同時，表觀遺傳學(xué)作為一個前沿領(lǐng)域，將是高中生物課程內(nèi)容的一部分。如何在高中課程中實(shí)現(xiàn)其教育價值，對教育工作者又提出了新的要求。

1 表觀遺傳學(xué)：從“意外”發(fā)展而來的科學(xué)領(lǐng)域

“眾所周知，DNA是生命的基本遺傳物質(zhì)，但令人怦然心動的是，你可以繼承的不僅僅只有DNA序列，還有表觀遺傳信息。”表觀遺傳學(xué)是從對經(jīng)典遺傳學(xué)理論無法解釋的“意外”現(xiàn)象的探索中發(fā)展起來的，這也使表觀遺傳學(xué)的研究格外令人著迷。

經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為，遺傳信息儲存于核酸序列中，并通過生殖將遺傳信息傳遞給下一代。它所揭示的“基因型決定表型”的遺傳模式被廣泛認(rèn)知。然而，不符合此模式的遺傳現(xiàn)象卻一直困擾著遺傳學(xué)研究者們。作為遺傳信息完全相同的同卵雙胞胎為什么會在成長發(fā)育過程中表現(xiàn)出不盡相同的外表特征？在生物體的發(fā)育過程中，雖然每個細(xì)胞擁有相同的遺傳物質(zhì)，為什么它們卻遵循高度的時空特異性，從而分化為不同的組織？在過去的30年中，隨著對DNA甲基化、組蛋白修飾、X染色體失活、基因組印記以及非編碼RNA等領(lǐng)域的不斷深入研究，許多困惑科學(xué)家已久的遺傳學(xué)問題得到了解釋，表觀遺傳學(xué)也逐漸成為一個新興的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。

表觀遺傳現(xiàn)象被定義為“非DNA突變引起的可繼承的表型變化”。其中包涵三個關(guān)鍵點(diǎn)：

（1） 不是由DNA突變引起的；

（2） 可以繼承的，或是說可遺傳的；

（3） 引起了表型的變化。

一直以來，DNA被認(rèn)為是遺傳信息的唯一承載者。表觀遺傳學(xué)的研究表明，子代可以繼承的不僅僅有DNA攜帶的遺傳信息，還有“表觀遺傳信息”。而這些表觀遺傳信息雖然沒有伴隨DNA序列的改變卻可以遺傳下去。例如，在發(fā)育過程中，分化后的細(xì)胞和組織之間存在明顯的表型差異，這些差異一旦形成便可以以一種克隆性的方式遺傳給子代細(xì)胞。需要說明的是表觀遺傳現(xiàn)象中的表型變化是“開關(guān)”型的，即這種表型非“有”即“無”，而不是程度上的變化。

表觀遺傳學(xué)與克隆、干細(xì)胞、衰老與癌癥等研究都有密切聯(lián)系。在“后基因組”時代，表觀遺傳學(xué)的發(fā)展對生物學(xué)研究以及人類疾病領(lǐng)域的研究都具有深遠(yuǎn)的意義。

2 發(fā)揮表觀遺傳學(xué)在高中生物學(xué)中的教育價值的教學(xué)策略

表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象廣泛存在于生命周期的各個過程中，表觀遺傳學(xué)的調(diào)控對生物體來說具有普遍且重要的意義。不過，目前國內(nèi)外高中生物教材幾乎都沒有完整介紹表觀遺傳學(xué)相P內(nèi)容的章節(jié)。其原因固然比較多，但主要原因有：表觀遺傳學(xué)是近些年來才發(fā)展迅速，屬于比較新的研究領(lǐng)域；表觀遺傳的機(jī)制非常復(fù)雜，要讓高中學(xué)生理解其內(nèi)在機(jī)制，有一定困難。然而，將表觀遺傳學(xué)的內(nèi)容納入我國的高中生物課程，已經(jīng)基本達(dá)成共識。那么，這一內(nèi)容在高中生物課程中的教育價值究竟表現(xiàn)在哪里？筆者認(rèn)為，它不僅僅是為了讓學(xué)生掌握更多的遺傳學(xué)知識，完善遺傳知識體系，更重要的是發(fā)揮它在提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)方面的價值。

2.1 引導(dǎo)學(xué)生深入理解科學(xué)的本質(zhì)

目前，人們對“科學(xué)的本質(zhì)”還沒有一個統(tǒng)一的定義，《2061計(jì)劃――面向所有美國人的科學(xué)》所闡述的科學(xué)的本質(zhì)得到很多學(xué)者的認(rèn)可：

（1） 科學(xué)世界觀：自然是可以理解的；科學(xué)知識是可改變的；科學(xué)知識并非很容易就可以；科學(xué)并非萬靈丹，能解決所有的問題。

（2） 科學(xué)探究活動：證據(jù)對科學(xué)而言是重要的；科學(xué)是邏輯與想象融合成一體；科學(xué)知識除了能說明自然界的現(xiàn)象也具有預(yù)測的功能；科學(xué)家會驗(yàn)證理論以減少誤差；既定的科學(xué)知識并不具有永久的權(quán)威地位。

（3） 科學(xué)事業(yè)：科學(xué)是人類的一項(xiàng)事業(yè)。

表觀遺傳學(xué)的發(fā)展歷程，典型地體現(xiàn)出了科學(xué)的本質(zhì)。因此，表觀遺傳學(xué)內(nèi)容的教學(xué)，應(yīng)著力于引導(dǎo)學(xué)生更好地理解科學(xué)的本質(zhì)。

2.1.1 引導(dǎo)學(xué)生理解科學(xué)具有開放性

表觀遺傳學(xué)的發(fā)展表明，人類對遺傳現(xiàn)象和本質(zhì)的認(rèn)識是不斷發(fā)展的，因此，科學(xué)知識是一個開放的系統(tǒng)。雖然遺傳學(xué)已經(jīng)建立100多年，但是科學(xué)家們并沒有停止對遺傳問題的探索，遺傳學(xué)仍然在發(fā)展。

在教學(xué)中，教師可以讓學(xué)生嘗試回答：“為什么遺傳背景相同的同卵雙胞胎在成長過程中會出現(xiàn)表型差異？”“為什么克隆后的小貓與‘單親媽媽’會有不同花色？”……學(xué)生在尋求答案的過程中，會發(fā)現(xiàn)用之前所學(xué)的經(jīng)典遺傳學(xué)知識并不能回答好這些問題，而是要進(jìn)一步尋找更合理的科學(xué)解釋。由此可以讓學(xué)生直觀地感受到科學(xué)的開放性。

2.1.2 引導(dǎo)學(xué)生感悟科學(xué)講求證據(jù)與邏輯

人們對遺傳現(xiàn)象的認(rèn)知程度會隨著科學(xué)的發(fā)展而改變，但所有觀點(diǎn)的產(chǎn)生都不是異想天開，而是基于科學(xué)實(shí)證。表觀遺傳學(xué)從對現(xiàn)象的認(rèn)知到理論的建立都是基于科學(xué)證據(jù)的積累。這期間出現(xiàn)了很多假說，也經(jīng)歷了理論的不斷提出與的過程。雖然目前仍然有很多還不能夠被解答的問題，但是通過科學(xué)家們在DNA與組蛋白修飾、染色質(zhì)重組以及非編碼RNA等領(lǐng)域的不斷探索，人們已經(jīng)可以解釋很多表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象。科學(xué)研究的發(fā)展往往從認(rèn)知規(guī)律開始，進(jìn)而通過科學(xué)探究來逐步揭示規(guī)律形成的機(jī)制。教學(xué)時，如果教師引導(dǎo)學(xué)生基于表觀遺傳的現(xiàn)象，科學(xué)家揭示現(xiàn)象獲得的研究事實(shí)來得出結(jié)論，既可以讓學(xué)生更好地理解表觀遺傳學(xué)內(nèi)容，知道知識是如何形成的，也能進(jìn)一步引導(dǎo)他們認(rèn)識到科學(xué)是重視證據(jù)和邏輯的。

2.1.3 引導(dǎo)學(xué)生理解科學(xué)的連續(xù)性

科學(xué)的本質(zhì)特征，一方面表現(xiàn)在科學(xué)知識是暫時的、可變的；另一方面表現(xiàn)為科學(xué)知識又具有持久性。雖然科學(xué)家反對絕對真理的概念，并認(rèn)為其中不確定性是事物本性的一部分，但絕大部分知識都具有持久性。因此，改變性與連續(xù)性是科學(xué)一貫的特征。高中階段學(xué)生對表觀遺傳學(xué)相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，既需要、也可以體現(xiàn)出科學(xué)的連續(xù)性。

經(jīng)典的分子遺傳學(xué)可以說是從“基因”的層面來進(jìn)行研究，表型的改變歸結(jié)于DNA序列的變化。而表觀遺傳學(xué)是從“染色質(zhì)”的層面來進(jìn)行研究，表型的改變歸結(jié)于染色質(zhì)狀態(tài)的調(diào)整。所以表觀遺傳學(xué)狹義的定義為：通過調(diào)整染色質(zhì)狀態(tài)，在不改變DNA序列的情況下實(shí)現(xiàn)對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)。學(xué)習(xí)有關(guān)內(nèi)容時，教師要引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識：表觀遺傳學(xué)的發(fā)展對經(jīng)典遺傳學(xué)來說并不是一種質(zhì)疑和挑戰(zhàn)，而是一種補(bǔ)充，是遺傳學(xué)研究的一種延續(xù)。隨著表觀遺傳現(xiàn)象分子機(jī)制的揭開，其與經(jīng)典遺傳學(xué)以及普遍的生物調(diào)控更容易地被結(jié)合起來。這種聯(lián)系是一直就存在的，只是科學(xué)家需要通過對科學(xué)的不斷探究去發(fā)現(xiàn)和理解它。科學(xué)是人類的一項(xiàng)永無止境的事業(yè)，遺傳學(xué)的探索還將繼續(xù)為人們揭開更多生命的奧秘。

2.2 注意引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步建立生命觀念

“生命觀念”是理解生命的本質(zhì)所需要的觀念，是對觀察到的生命現(xiàn)象及相互關(guān)系或特性進(jìn)行解釋后的抽象。構(gòu)建生命觀念是發(fā)展核心素養(yǎng)的重要組成部分。表觀遺傳學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)可以幫助學(xué)生完善結(jié)構(gòu)與功能觀、進(jìn)化與適應(yīng)觀以及穩(wěn)態(tài)與平衡觀。

2.2.1 注意凸顯表觀遺傳學(xué)如何體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一性

結(jié)構(gòu)與功能觀是基本的生命觀念之一。結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)，功能的有效執(zhí)行必定依賴于特定的結(jié)構(gòu)。在生物體的生命歷程中，結(jié)構(gòu)與功能是一個不可分割的整體。

表觀遺傳現(xiàn)象充分體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)與功能的辯證統(tǒng)一關(guān)系。研究結(jié)果表明，在表觀遺傳學(xué)“開啟”和“關(guān)閉”兩種不同的表型狀態(tài)下，總是可以在其中的關(guān)鍵調(diào)控點(diǎn)找到結(jié)構(gòu)差異，即結(jié)構(gòu)決定功能。染色質(zhì)在結(jié)構(gòu)上并不是均一存在的，既有相對松散的有利于基因表達(dá)的常染色質(zhì)，又有高度濃縮使基因沉默的異染色質(zhì)。常染色質(zhì)是以一種開放式的、對轉(zhuǎn)錄等過程所需的各種酶更為敏感的構(gòu)象存在，隨時可以開啟基因的表達(dá)。而異染色質(zhì)以一種超濃縮的致密結(jié)構(gòu)存在，轉(zhuǎn)錄等相關(guān)的酶無法結(jié)合上去，從而抑制表達(dá)。這體現(xiàn)出染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能是相適應(yīng)的。表觀遺傳學(xué)的各種機(jī)制之間其實(shí)是相互關(guān)聯(lián)的，表觀遺傳因素通過調(diào)節(jié)染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)、對染色質(zhì)進(jìn)行修飾等來影響基因的轉(zhuǎn)錄，從而達(dá)到調(diào)節(jié)功能的目的。

在教學(xué)中，教師可以結(jié)合表觀遺傳的實(shí)例滲透結(jié)構(gòu)與功能觀。例如，表觀遺傳學(xué)因素導(dǎo)致雌性哺乳動物的一條X染色體失活，失活后的染色體以致密的異染色質(zhì)狀態(tài)存在，稱為巴氏小體。以玳瑁貓為例，玳瑁貓（母貓）的體表有黃色和黑色隨機(jī)分布的花斑。控制黃色和黑色毛色的基因是位于X染色體上的兩個等位基因。在個體的發(fā)育過程中，細(xì)胞內(nèi)的一條X染色體隨機(jī)濃縮而失去活性，從而呈現(xiàn)出這種黃黑相間的花色。

2.2.2 注意發(fā)揮表觀遺傳學(xué)在建立進(jìn)化和適應(yīng)觀念上的價值

“生物進(jìn)化”是生物學(xué)核心概念的重要組成部分，提供了將大部分生物學(xué)知識建成一個整體的框架。“遺傳”“進(jìn)化”與“環(huán)境”三者之間存在很微妙的關(guān)系。生物進(jìn)化的前提是有可遺傳的變異；遺傳素材的多樣性為自然選擇提供了更多的原料從而更好地適應(yīng)環(huán)境；而環(huán)境又像是一個有力的推手影響著進(jìn)化的方向。表觀遺傳學(xué)的學(xué)習(xí)是一個將遺傳、進(jìn)化與環(huán)境很好整合的過程，能夠幫助學(xué)生進(jìn)一步理解三者的內(nèi)在聯(lián)系。

生物體能夠產(chǎn)生后代并穩(wěn)定遺傳依賴于穩(wěn)定傳遞的遺傳信息與精密的調(diào)控機(jī)制。表觀遺傳信息的發(fā)現(xiàn)是對遺傳信息的重要補(bǔ)充，拓展了遺傳密碼（DNA）的信息承載量。表觀遺傳信息的加入相當(dāng)于擴(kuò)大了遺傳樣本量，為自然選擇提供了更多的素材。很多表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象都是在生物后天的發(fā)育中表現(xiàn)出來的，體現(xiàn)出環(huán)境的塑造性。借助表觀遺傳學(xué)研究手段，人們能更好地理解環(huán)境因素對生命的影響，進(jìn)一步理解“基因型+環(huán)境=表型”這一遺傳學(xué)命題。研究結(jié)果顯示，從單細(xì)胞到多細(xì)胞，表觀遺傳相關(guān)的DNA甲基化、組蛋白修飾的程度與類型以及RNA干擾機(jī)制在不同的物種中具有顯著的差異，暗示著表觀遺傳調(diào)控在生物進(jìn)化過程中的作用。表觀遺傳信息的發(fā)現(xiàn)以及表觀遺傳調(diào)控機(jī)制的研究對進(jìn)一步理解遺傳與進(jìn)化具有重要意義。

2.2.3 利用表觀遺傳學(xué)內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生建立穩(wěn)態(tài)與平衡觀念

在自然界生存，生物種群會找到一個合適的平衡點(diǎn)來有效地適應(yīng)環(huán)境從而維持穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)不是恒定不變的，而是一種動態(tài)的平衡。動態(tài)平衡無處不在，各物種與生存環(huán)境之間存在平衡，物種之間存在平衡，種群之間存在平衡，個體之間存在平衡。與此同時，每一個生物個體也是一個復(fù)雜而精密的系統(tǒng)，在生存過程中，個體的各種結(jié)構(gòu)之間、各種調(diào)控機(jī)制之間都存在平衡。在進(jìn)行表觀遺傳學(xué)的教學(xué)時，教師可以通過以下幾個層次引導(dǎo)學(xué)生建立相關(guān)的生命觀念。

雌性與雄性之間的平衡：眾所周知，X染色體的基因攜帶量較Y染色體來說是大很多的。如果雌性動物的兩條X染色體都具有活性，那么雌性性染色體所攜帶的基因數(shù)目幾乎是雄性的兩倍之多。在哺乳動物中，雌性個體的一條X染色體會隨機(jī)失活，從而維持與雄性之間基因的劑量平衡。

染色質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的平衡：基因的表達(dá)與沉默是一個復(fù)雜且精密的過程。在哺乳動物中，染色質(zhì)中的常染色質(zhì)比例只占不到4%，而剩余的96%都為異染色質(zhì)。需要注意的是，沉默染色質(zhì)是動態(tài)變化的，這增加了問題的復(fù)雜性。要維持和延續(xù)染色質(zhì)的這種動態(tài)平衡狀態(tài)必定需要一個十分可靠的調(diào)控過程。因此，表觀遺傳現(xiàn)象往往是多種機(jī)制共同作用的結(jié)果。

表觀遺傳調(diào)控與環(huán)境因素之間的平衡：在表觀遺傳學(xué)研究還不明確的年代，人們常常把經(jīng)典遺傳學(xué)無法解釋的現(xiàn)象都?xì)w結(jié)于“環(huán)境”的因素。研究數(shù)據(jù)表明，環(huán)境因素可以通過影響表觀遺傳標(biāo)記從而影響基因功能。表觀遺傳具有時間上的多樣性，同卵雙胞胎在出生早期具有相似的表型，但隨著不斷地成長，差異會不斷出現(xiàn)。數(shù)據(jù)顯示，同卵雙胞胎在遺傳學(xué)標(biāo)記的程度和分布上都有明顯的不同，說明表觀遺傳調(diào)控與環(huán)境的變化之間存在一種動態(tài)的聯(lián)系。

綜上所述，高中階段的表觀遺傳學(xué)內(nèi)容的教學(xué)關(guān)鍵不在于表觀遺傳知識的深挖和補(bǔ)充，而在于以此為腳手架，引導(dǎo)學(xué)生更好地理解科學(xué)的本質(zhì)、構(gòu)建生命觀念，從而使學(xué)生建立終生受益的素養(yǎng)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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[4] American Association for Advanced of Science. Project 2061： Science for All Americans. Washington D. C： American Association for Advanced of Science. 1989：1-16.

[5] 譚永平.中學(xué)生物學(xué)課程在發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)中的教育價值[J].生物學(xué)教育，2016（5）：20-22.

篇2

在Watson和Crick發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)后的50多年里，基因工程藥物在治療人類疾病中逐漸占據(jù)一席之地，人類基因組計(jì)劃的完成為基因治療開辟了更廣闊的空間。近年來隨著遺傳學(xué)的新興學(xué)科——表觀遺傳學(xué)在人類疾病治療方面獲得了越來越多的證據(jù)[1]。它從分子水平上揭示復(fù)雜的臨床現(xiàn)象，為解開生命奧秘及征服疾病帶來新希望。

表觀遺傳學(xué)是研究沒有DNA序列變化的情況下，生物的表型發(fā)生了可遺傳改變的一門學(xué)科[2]。表觀遺傳學(xué)即可遺傳的基因組表觀修飾，表觀修飾包括：DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑、X染色體失活、基因組印記、非編碼RNA調(diào)控等[3]，任何一方面的異常都可能導(dǎo)致疾病，包括癌癥、染色體不穩(wěn)定綜合征和智力遲鈍[4]等。表觀遺傳的改變是可逆的，這就為治療人類疾病提供了樂觀的前景。本文從表觀遺傳學(xué)與人類疾病、環(huán)境與表觀遺傳學(xué)的關(guān)系以及表觀遺傳治療3個方面進(jìn)行綜述。

1 表觀遺傳學(xué)修飾與人類疾病

1.1 DNA甲基化相關(guān)疾病

DNA甲基化是指在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMTs)的催化下，將甲基基團(tuán)轉(zhuǎn)移到胞嘧啶堿基上的一種修飾方式。它主要發(fā)生在富含雙核苷酸CpG島的區(qū)域，在人類基因組中有近5萬個CpG島[5]。正常情況下CpG島是以非甲基化形式(活躍形式)存在的，DNA甲基化可導(dǎo)致基因表達(dá)沉默。DNMTs的活性異常與疾病有密切的關(guān)系，例如位于染色體上的DNMT3B基因突變可導(dǎo)致ICF綜合征。有報道[6]表明，重度女襲性牙周炎的發(fā)生與2條X染色體上TMP1基因去甲基化比例增高有關(guān)。DNMT基因的過量表達(dá)與精神分裂癥和情緒障礙等精神疾病的發(fā)生也密切相關(guān)。風(fēng)濕性疾病等自身免疫性疾病特別是系統(tǒng)性紅斑狼瘡(SLE)與DNA甲基化之間關(guān)系已經(jīng)確定[7]，在SLE病人的T細(xì)胞發(fā)現(xiàn)DNMTs活性降低導(dǎo)致的異常低甲基化。啟動子區(qū)的CpG島過度甲基化使抑癌基因沉默，基因組總體甲基化水平降低導(dǎo)致一些在正常情況下受到抑制的基因如癌基因被激活[8]，都會導(dǎo)致細(xì)胞癌變。

1.2 組蛋白修飾相關(guān)疾病

組蛋白的修飾包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化、ADP核糖基化、羰基化等，組成各種組蛋白密碼。其中，研究最多的是乙酰化、甲基化。一般來說，組蛋白乙酰化標(biāo)志著其處于轉(zhuǎn)錄活性狀態(tài);反之，組蛋白低乙酰化或去乙酰化表明處于非轉(zhuǎn)錄活性的常染色質(zhì)區(qū)域或異染色質(zhì)區(qū)域。乙酰化修飾需要乙酰化轉(zhuǎn)移酶(HATs)和去乙酰化酶(HDACs)參與。組蛋白修飾酶異常可導(dǎo)致包括癌癥在內(nèi)的各種疾病，例如，H4K20的三甲基化是癌癥中的一個普遍現(xiàn)象。甲基化CpG2結(jié)合蛋白2(MeCP2)可使組蛋白去乙酰化導(dǎo)致染色質(zhì)濃縮而失活，其中Rett綜合征就是MeCP2的突變所致。

1.3 染色質(zhì)重塑相關(guān)疾病

染色質(zhì)重塑是DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑復(fù)合物的共同作用。它通過影響核小體結(jié)構(gòu)，為其他蛋白提供和DNA的結(jié)合位點(diǎn)[9]。其中染色質(zhì)重塑因子復(fù)合物主要包括SWI/SNF復(fù)合物和ISW復(fù)合物。染色質(zhì)重塑復(fù)合物如果發(fā)生突變，可導(dǎo)致染色質(zhì)不能重塑，影響基因的正常表達(dá)，導(dǎo)致人類疾病。如果突變引起抑癌基因出現(xiàn)異常將導(dǎo)致癌癥，例如：小兒科癌癥中檢測到SNF5的丟失。編碼SWI/SNF復(fù)合物相關(guān)的ATP酶的基因ATRX、ERCC6、SMARCAL1的突變可導(dǎo)致B型Cockayne綜合征、Schimke綜合征甚至腫瘤。ATRX突變可引起DNA甲基化異常，從而導(dǎo)致數(shù)種遺傳性的智力遲鈍疾病如:X連鎖α2地中海貧血綜合征和SmithFinemanMyers綜合征，這些疾病與核小體重新定位的異常引起的基因表達(dá)抑制有關(guān)[10]。

1.4 X染色體失活相關(guān)疾病

哺乳動物雌性個體不論有多少條X染色體，最終只能隨機(jī)保留一條的活性。X染色體失活由X失活中心(Xic)調(diào)控，Xic調(diào)控X染色體失活特異性轉(zhuǎn)錄基因(Xist)的表達(dá)。X染色體的不對稱失活可導(dǎo)致多種疾病，例如男性發(fā)病率較高的WiskottAldrich綜合征是由于WASP基因突變所致。X染色體的PLP基因突變失活常導(dǎo)致PelizaeusMerzbacher病;X染色體的MeCP2基因突變失活導(dǎo)致Rett綜合征[11]。在失活的X染色體中，有一部分基因因逃避失活而存在2個有活性的等位基因，使一些抑癌基因喪失功能，這是引發(fā)女性癌癥的一個重要原因[12]。

1.5 基因組印記相關(guān)疾病

基因組印記是指二倍體細(xì)胞的一對等位基因(父本和母本)只有一個可以表達(dá)，另一個因表觀遺傳修飾而沉默。已知在人體中有80多種印記基因。印記丟失導(dǎo)致等位基因同時表達(dá)或有活性的等位基因突變，均可引起人類疾病。一些環(huán)境因素，如食物中的葉酸也會破壞印記。印記丟失不僅影響胚胎發(fā)育，并可誘發(fā)出生后的發(fā)育異常。如果抑癌基因中有活性的等位基因失活可導(dǎo)致癌癥的發(fā)生，如IGF2基因印記丟失導(dǎo)致的Wilms瘤[13]。15號染色體的表觀遺傳異常可導(dǎo)致PraderWilli綜合征(PWS)和Angelman綜合征(AS)，PWS是由于突變導(dǎo)致父本表達(dá)的基因簇沉默，印記基因(如SNURF/SNRPN)在大腦中高表達(dá)所致;AS是由于母本表達(dá)的UBE3A或ATP10C基因的缺失或受到抑制所致。Beckwithweideman綜合征(BWS)是11號染色體表觀遺傳突變引起印跡控制區(qū)域甲基化的丟失，導(dǎo)致基因印記丟失引起[14]。

1.6 非編碼RNA介導(dǎo)相關(guān)疾病

功能性非編碼RNA分為長鏈非編碼RNA和短鏈非編碼RNA。長鏈RNA對染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變起著重要的作用。短鏈RNA對外源的核酸序列有降解作用以保護(hù)自身的基因組。小干涉RNA(siRNA)和微小RNA(miRNA)都屬于短鏈RNA，在人類細(xì)胞中小片段的siRNA也可以誘導(dǎo)基因沉默。miRNA能夠促使與其序列同源的靶基因mRNA的降解或者抑制翻譯，在發(fā)育的過程中起著關(guān)鍵性作用。轉(zhuǎn)錄的反義RNA可以導(dǎo)致基因的沉寂，引起多種疾病，如使地中海貧血病人的正常球蛋白基因發(fā)生甲基化。由于miRNA在腫瘤細(xì)胞中的表達(dá)顯著下調(diào)，P53基因可通過調(diào)控miRNA34ac的表達(dá)治療腫瘤。在細(xì)胞分裂時，短鏈RNA異常將導(dǎo)致細(xì)胞分裂異常，如果干細(xì)胞發(fā)生這種情況也可能導(dǎo)致癌癥。

2 環(huán)境表觀遺傳學(xué)

對多基因復(fù)雜癥狀性疾病來說，單一的蛋白質(zhì)編碼基因研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能解釋疾病的發(fā)生機(jī)理，需要環(huán)境與外界因素的作用才會發(fā)病。疾病是外界因素與遺傳因素共同作用的結(jié)果。流行病學(xué)研究已經(jīng)證實(shí)，人類疾病與環(huán)境有明確的關(guān)系，高血壓、中風(fēng)、2型糖尿病、骨質(zhì)疏松癥等疾病的發(fā)病率與環(huán)境有著密切的關(guān)系[15]。特別是在發(fā)育初期，不利的環(huán)境、 營養(yǎng)的缺乏都有可能導(dǎo)致出生低體重、早產(chǎn)、胎兒發(fā)育不成熟等[16]。環(huán)境與DNA甲基化的關(guān)系一旦建立，將為環(huán)境射線暴露與癌癥發(fā)生提供依據(jù)[17]。

環(huán)境污染等不利因素均有可能增加基因的不穩(wěn)定性，每個人對環(huán)境和飲食的敏感性可因先天遺傳不同而不同，環(huán)境因素與個體遺傳共同作用，決定潛在表觀遺傳疾病的危險性。有人推測上述因素肯定會在我們基因組上遺留下微量的基因表遺傳學(xué)痕跡[1]。隨著年齡增長，DNA甲基化等化學(xué)修飾改變也在長時間中錯誤積累，這也有助于解釋為什么很多疾病總是在人進(jìn)入老年后才發(fā)生。由此可見，如果改變不良生活習(xí)慣、減少環(huán)境污染，都有可能降低表觀遺傳疾病的發(fā)病率。因此研究環(huán)境與表觀遺傳改變的關(guān)系對于預(yù)防和治療人類疾病都有著重要的意義。

3 表觀遺傳學(xué)藥物

人類許多疾病都可能具有表觀遺傳學(xué)的改變，表觀遺傳學(xué)治療研究如火如荼。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多藥物可以通過改變DNA甲基化模式或進(jìn)行組蛋白的修飾等來治療疾病。目前，很多藥物處于研制階段，盡管其有效性尚未得到充分證實(shí)，但給癌癥、精神疾病以及其他復(fù)雜的疾病的治療帶來了希望。

3.1 組蛋白去乙酰化酶抑制劑

目前發(fā)現(xiàn)的組蛋白去乙酰化酶抑制劑(HDAC Inhibitor)有近百種。其中FK228主要作用機(jī)制是抑制腫瘤細(xì)胞內(nèi)組蛋白去乙酰化酶(HDAC)活性，引起乙酰化組蛋白的積聚，從而發(fā)揮抑制腫瘤細(xì)胞增殖、誘導(dǎo)細(xì)胞周期阻滯、促進(jìn)細(xì)胞凋亡或分化等作用[18]。FK228單獨(dú)用藥或與其他藥物或方法聯(lián)合應(yīng)用表現(xiàn)出良好的抗腫瘤作用，同時還可阻礙血管生成，具有抑制腫瘤轉(zhuǎn)移、逆轉(zhuǎn)耐藥性、調(diào)節(jié)免疫力等作用。FK228還具有治療炎癥、免疫性疾病、視網(wǎng)膜新生血管疾病及神經(jīng)系統(tǒng)等多種疾病的藥理學(xué)作用。

3.2 DNA甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑

核苷類DNA甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑作用機(jī)理是在體內(nèi)通過代謝形成三磷酸脫氧核苷，在DNA復(fù)制過程中代替胞嘧啶，與DNMTs具有很強(qiáng)的結(jié)合力。核苷類似物5氮雜胞苷(5azacytidine)是第一個發(fā)現(xiàn)的甲基化抑制劑，最初被認(rèn)為是細(xì)胞毒性物質(zhì)，隨后發(fā)現(xiàn)它可抑制DNA甲基化和使沉默基因獲得轉(zhuǎn)錄性，用于治療高甲基化的骨髓增生異常綜合征，低劑量治療白血病。其他核苷類DNA甲基轉(zhuǎn)移酶抑制劑有5氮2脫氧核苷(5aza2′deoxycytidine)，Zebularine(5azacytidine的衍生物)[19]，5Fluoro2′deoxycytidine，RG108，Procainamide，Psammaplins(4aminobenzoic acid衍生物)，MG98(寡聚核苷酸)等。DNA甲基化抑制劑Procainamide可用于抗心律失常。另外在茶葉和海藻中提取的EGCG也顯示具有體外活性。臨床中應(yīng)用反義寡核苷酸對DNA甲基轉(zhuǎn)移酶進(jìn)行抑制正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.3 聯(lián)合治療

DNA甲基化抑制劑與HDAC抑制劑聯(lián)合應(yīng)用治療疾病可能具有協(xié)同作用。進(jìn)行表觀修飾治療后的細(xì)胞可能對于化療、干擾素、免疫治療更具有敏感性。在癌癥的治療方面，應(yīng)當(dāng)包括遺傳治療和表觀遺傳治療兩個方面，同時運(yùn)用兩種或兩種以上表觀修飾的方法對病人進(jìn)行治療對人類疾病意義重大。

3.4 其他方法

人胚胎干細(xì)胞保留有正常基因印記，這些干細(xì)胞可能具有治療意義[20]。另外，在女性細(xì)胞中非活性的X染色體中存在正常的野生型基因，如果選擇正確的靶點(diǎn)，就有可能激活這個正常但是未被利用的野生型基因，從而對其進(jìn)行基因治療。有報道[21]運(yùn)用RNAi技術(shù)沉默胰島β細(xì)胞相關(guān)基因，抑制胰島淀粉樣形成可能用來治療糖尿病。短鏈脂肪酸(SCFAs)丙戊酸鈉用于抗癲癇，丁酸可用來治療結(jié)腸癌[22]等。siRNA可在外來核酸的誘導(dǎo)下產(chǎn)生，通過RNA干擾(RNAi)清除外來核酸，對預(yù)防傳染病有重要作用。目前，RNA干擾已大量應(yīng)用于包括腫瘤在內(nèi)的疾病研究，為一些重大疾病的治療帶來了新的希望。

4 結(jié) 語

從表觀遺傳學(xué)提出到現(xiàn)在，人們對表觀遺傳學(xué)與人類疾病的發(fā)生有了更深入的認(rèn)識。人類表觀基因組計(jì)劃(human epigenome proiect，HEP)已經(jīng)于2003年開始實(shí)施，其目的是要繪制出不同組織類型和疾病狀態(tài)下的人類基因組甲基化可變位點(diǎn)(methylation variable position ，MVP)圖譜。這項(xiàng)計(jì)劃可以進(jìn)一步加深研究者對于人類基因組的認(rèn)識，為表觀遺傳學(xué)方法治療人類復(fù)雜疾病提供藍(lán)圖[1]。但是，表觀遺傳學(xué)與人類生物學(xué)行為(臨床表型)有密切關(guān)系，人類對表觀遺傳學(xué)在疾病中的角色研究還處于初級階段。應(yīng)更進(jìn)一步研究表觀遺傳學(xué)機(jī)制、基因表達(dá)以及與環(huán)境變化的關(guān)系，有效減少表觀遺傳疾病的發(fā)生風(fēng)險，努力探索這片造福人類的前沿領(lǐng)域。

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篇3

1 DNA甲基化和組蛋白乙酰化

1.1 DNA甲基化 DNA甲基化是指在DNA復(fù)制以后，在DNA甲基化酶的作用下，將S-腺苷甲硫氨酸分子上的甲基轉(zhuǎn)移到DNA分子中胞嘧啶殘基的第5位碳原子上，隨著甲基向DNA分子的引入，改變了DNA分子的構(gòu)象，直接或通過序列特異性甲基化蛋白、甲基化結(jié)合蛋白間接影響轉(zhuǎn)錄因子與基因調(diào)控區(qū)的結(jié)合。目前發(fā)現(xiàn)的DNA甲基化酶有兩種：一種是維持甲基轉(zhuǎn)移酶；另一種是重新甲基轉(zhuǎn)移酶。

1.2 組蛋白乙酰化 染色質(zhì)的基本單位為核小體，核小體是由組蛋白八聚體和DNA纏繞而成。組蛋白乙酰化是表觀遺傳學(xué)修飾的另一主要方式，它屬于一種可逆的動態(tài)過程。

1.3 DNA甲基化與組蛋白乙酰化的關(guān)系 由于組蛋白去乙酰化和DNA甲基化一樣，可以導(dǎo)致基因沉默，學(xué)者們認(rèn)為兩者之間存在串?dāng)_現(xiàn)象。

2 表觀遺傳學(xué)修飾與惡性腫瘤耐藥

2.1 基因下調(diào)導(dǎo)致耐藥 在惡性腫瘤中有一些抑癌基因和凋亡信號通路的基因通過表觀遺傳學(xué)修飾的機(jī)制下調(diào)，并與化療耐藥有關(guān)。其中研究比較確切的一個基因是hMLH1，它編碼DNA錯配修復(fù)酶。此外，由于表觀遺傳學(xué)修飾造成下調(diào)的基因，均可導(dǎo)致惡性腫瘤耐藥。

2.2 基因上調(diào)導(dǎo)致耐藥 在惡性腫瘤中，表觀遺傳學(xué)修飾的改變也可導(dǎo)致一些基因的上調(diào)，包括與細(xì)胞增殖和存活相關(guān)的基因。上調(diào)基因FANCF編碼一種相對分子質(zhì)量為42000的蛋白質(zhì)，與腫瘤的易感性相關(guān)。2003年，Taniguchi等證實(shí)在卵巢惡性腫瘤獲得耐藥的過程中，F(xiàn)ANCF基因發(fā)生DNA去甲基化和重新表達(dá)。另一個上調(diào)基因Synuclein-γ與腫瘤轉(zhuǎn)移密切相關(guān)。同樣，由表觀遺傳學(xué)修飾導(dǎo)致的MDR-1基因的上調(diào)也參與卵巢惡性腫瘤耐藥的形成。

3 表觀遺傳學(xué)修飾機(jī)制在腫瘤治療中的應(yīng)用

3.1 DNA甲基化抑制劑 目前了解最深入的甲基化抑制劑是5-氮雜脫氧胞苷（5-aza-dc）。較5-氮雜胞苷（5-aza-C）相比，5-aza-dc首先插入DNA，細(xì)胞毒性比較低，并且能夠逆轉(zhuǎn)組蛋白八聚體中H3的第9位賴氨酸的甲基化。有關(guān)5-aza-dc治療卵巢惡性腫瘤的體外實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，它能夠恢復(fù)一些沉默基因的表達(dá)，并且可以恢復(fù)對順柏的敏感性，其中最引人注目的是hMLH1基因。有關(guān)地西他濱（DAC）治療的臨床試驗(yàn)，研究結(jié)果顯示，結(jié)果顯示：DAC是一種有效的治療耐藥性復(fù)發(fā)性惡性腫瘤的藥物。 轉(zhuǎn)貼于

3.2 HDAC抑制劑 由于組蛋白去乙酰化是基因沉默的另一機(jī)制，使用HDAC抑制劑（HDACI）是使表觀遺傳學(xué)修飾的基因重新表達(dá)的又一策略。根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)，可將HDACI分為短鏈脂肪酸類、氯肟酸類、環(huán)形肽類、苯酸胺類等4類。丁酸苯酯（PB）和丙戊酸（VPA）屬短鏈脂肪酸類。PB是臨床前研究最深入的一種HDACI，在包括卵巢惡性腫瘤在內(nèi)的實(shí)體腫瘤（21例）Ⅰ期臨床試驗(yàn)中有3例患者分別有4~7個月的腫瘤無進(jìn)展期，其不良反應(yīng)是短期記憶缺失、意識障礙、眩暈、嘔吐。因此，其臨床有效性仍有待于進(jìn)一步在Ⅰ、Ⅱ期臨床試驗(yàn)中確定。在VPA的臨床試驗(yàn)中，Kuendgen等在對不同類型血液系統(tǒng)腫瘤中使用VPA進(jìn)行了Ⅱ期臨床試驗(yàn)，結(jié)果顯示，不同的患者有效率差異甚遠(yuǎn)。辛二酰苯胺異羥肟酸（SAHA）是氯肟酸類中研究較深入的一種HDACI。其研究表明，體內(nèi)使用安全劑量SAHA時，可有效抑制生物靶點(diǎn)，發(fā)揮抗腫瘤活性。大量體外研究結(jié)果顯示，聯(lián)合使用DNA甲基化抑制劑和HDACI會起到更明顯的協(xié)同作用。

3.3 逆轉(zhuǎn)耐藥的治療 Balch等使用甲基化抑制劑—5-aza-dc或zebularine處理卵巢惡性腫瘤順柏耐藥細(xì)胞后給予順柏治療，發(fā)現(xiàn)此細(xì)胞對順柏的敏感性分別增加5、16倍。在臨床試驗(yàn)中，Oki等將DAC和伊馬替尼（imatinib）聯(lián)合使用治療白血病耐藥患者，結(jié)果說明，應(yīng)用表觀遺傳學(xué)機(jī)制治療惡性腫瘤確實(shí)可以對化療藥物起到增敏作用，并且在一定范圍內(nèi)其療效與體內(nèi)表觀遺傳學(xué)的改變呈正比。Kuendgen和Pilatrino等對HDACI和化療藥物的給藥順序進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，在使用VPA達(dá)到一定血清濃度時加用全反式維甲酸可增加復(fù)發(fā)性髓性白血病和骨髓增生異常綜合征患者的臨床緩解率，這可能與VPA引起的表觀遺傳學(xué)改變增加患者對藥物的敏感性有關(guān)。

4 展望

總的來說，應(yīng)用表觀遺傳學(xué)修飾機(jī)制治療腫瘤具有良好的應(yīng)用前景，與傳統(tǒng)化療藥物聯(lián)合來逆轉(zhuǎn)耐藥，將給攻克惡性腫瘤等疾病帶來新的希望。

參 考 文 獻(xiàn)

篇4

關(guān)鍵詞 硒 表觀遺傳修飾 表觀標(biāo)志物抑制劑 抗癌藥 開發(fā)

中圖分類號：R979.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-1533（2017）03-0075-04

Selenium compounds ― looking forward to be developed as epigenetic targeting selenium-containing anti-tumor drugs*

ZHU Huiqiu1**， HUA Yan1， WANG Mingli2***

（1. Anhui Huaxin Pharmaceutical Co. Ltd.， Hefei 230000， China； 2. Anhui Medical University， HeFei 230032， China）

ABSTRACT Selenium compounds can produce an intervention effect on the abnormality of epigenetic modification and then repress the occurrence and metastasis of tumor. They can be used as the inhibitors of some tumor specific epigenetic markers and expected to be developed as a new type of epigenetic targeting selenium-containing anti-tumor drugs.

KEy WORDS selenium； epigenetic modification； inhibitors of epigenetic markers； anti-cancer drugs； development

硒最重要的生物學(xué)功能是抗癌，并以多種機(jī)制發(fā)揮其抗癌作用。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，硒又可對表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制異化產(chǎn)生干預(yù)影響，特別是對在腫瘤發(fā)生機(jī)制中的特異性靶點(diǎn)進(jìn)行干預(yù)，進(jìn)而阻抑腫瘤的發(fā)生及轉(zhuǎn)移。硒化物是某些腫瘤特異性表觀標(biāo)志物有效的抑制劑。硒的這個功能不僅對臨床腫瘤診斷、治療、預(yù)防具有現(xiàn)實(shí)意義，更為“含硒表觀靶向抗癌藥物”開發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)。“含硒表觀靶向抗癌藥物”是期待開發(fā)的新型抗癌藥。現(xiàn)就近些年在這些方面的相關(guān)研究作一簡要介紹。

1 表觀遺傳學(xué)

什么是表觀遺傳學(xué)？從孟德爾遺傳規(guī)律講，親代（一代）把遺傳信息傳遞給子代（二代），主要由攜帶遺傳信息的脫氧核糖核酸（DNA）分子中堿基的排列順序（即堿基序列）來決定，并在細(xì)胞核內(nèi)遺傳。但人們在研究中發(fā)現(xiàn)，在DNA堿基序列以外還有一套調(diào)控機(jī)制，包括 DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑以及非編碼RNA等，它們在不涉及改變DNA堿基序列的情況下，影響轉(zhuǎn)錄活性并調(diào)控基因的表達(dá)，改變機(jī)體的性狀，并且是一種可以預(yù)和逆轉(zhuǎn)的遺傳機(jī)制。這種非孟德爾遺傳現(xiàn)象，稱作表觀遺傳學(xué)[1-2]。

2 硒對表觀遺傳修飾異常產(chǎn)生干預(yù)及逆D作用

腫瘤發(fā)生發(fā)展的主要生物學(xué)原因是原癌基因活化和抑癌基因失活[3]。研究顯示，DNA甲基化水平同這些基因的表達(dá)密切相關(guān)。通常情況下，甲基化水平同基因表達(dá)呈負(fù)相關(guān)，甲基化程度越高，基因表達(dá)活性越低，甲基化程度越低，基因表達(dá)越活躍[4]。

DNA甲基化主要表現(xiàn)為基因組整體甲基化水平降低和局部CpG島[在哺乳動物中富含胞嘧啶-磷酸-鳥嘌呤（CpG）二核苷酸的一段DNA稱為CpG島]甲基化程度的異常升高，人類基因組的甲基化主要發(fā)生在CpG島[5]。

研究表明，實(shí)體瘤普遍存在基因組廣泛低甲基化現(xiàn)象，低甲基化使原癌基因活化，癌細(xì)胞異常增殖；低甲基化還使腫瘤轉(zhuǎn)移增加，例如胃癌的甲基化水平越低，癌細(xì)胞浸潤、轉(zhuǎn)移的傾向越明顯[6]。

CpG島的甲基化程度異常升高，會導(dǎo)致某些抑癌基因表達(dá)沉默，進(jìn)而參與腫瘤的發(fā)生發(fā)展。在正常情況下，CpG島為非甲基化。當(dāng)腫瘤抑癌基因的啟動子區(qū)域（CpG島）過度甲基化，就會使抑癌基因的表達(dá)沉默。其間DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMT）家族中的DNMT1發(fā)揮著重要的調(diào)控作用，它的高表達(dá)導(dǎo)致抑癌基因在CpG島失活。所以，CpG島高甲基化成了多種腫瘤特異性表觀標(biāo)志物，已成為臨床多種腫瘤早期診斷的依據(jù)和指標(biāo)[7]。

近年來，作為表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制之一的組蛋白修飾在腫瘤研究領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。組蛋白乙酰化由組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（HAT）和組蛋白去乙酰化酶（HDACs）共同調(diào)控，而編碼HAT或HDAC的基因如果發(fā)生染色體易位、擴(kuò)增等突變會導(dǎo)致某些腫瘤的發(fā)生。

可見，DNA甲基化和組蛋白乙酰化等表觀遺傳修飾異常是腫瘤發(fā)生的另外一個機(jī)制。而近年研究發(fā)現(xiàn)，硒通過靶向干預(yù)可逆轉(zhuǎn)甲基化和乙酰化異常的過程，從而抑制腫瘤的發(fā)生及轉(zhuǎn)移。硒化物成了潛在的治癌新藥物，是亟待開發(fā)、臨床應(yīng)用前景可觀的“含硒表觀靶向抗癌藥物”。

2.1 硒對DNA甲基化產(chǎn)生干預(yù)作用

研究表明，膳食硒通過干預(yù)表觀遺傳過程顯示出其抗癌潛力，膳食缺硒時組織呈現(xiàn)整體低甲基化[8]。Davis等[9]早些時候研究發(fā)現(xiàn)，給大鼠喂食缺硒膳食，其肝臟和結(jié)腸都出現(xiàn)顯著DNA低甲基化，而經(jīng)硒處理的人結(jié)腸癌細(xì)胞株Caco-2 DNA甲基化水平顯著高于未經(jīng)硒處理的對照組，據(jù)此研究者認(rèn)為，膳食缺硒會增加肝臟和結(jié)腸腫瘤的發(fā)生。Remely等[8]研究表明，膳食硒營養(yǎng)缺乏會引起動物組織和人體結(jié)腸癌DNA低甲基化。我國學(xué)者徐世文等[4]通過實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，飼料硒缺乏可導(dǎo)致雞肌肉組織 DNA甲基化水平降低。硒對DNMT有抑制作用，缺硒會導(dǎo)致DNMT活性增加，使原癌基因活化，引起結(jié)腸癌等多種腫瘤發(fā)生。保持硒等營養(yǎng)素均衡攝入，有利于維持DNA甲基化正常水平及抑制DNMT活性[6]。

CpG島DNMT1的高表達(dá)是使抑癌基因失活的重要機(jī)制。抑制DNMT1靶酶活性，使失活的抑癌基因復(fù)活，是腫瘤治療中探索的新途徑。硒在多種腫瘤中有去甲基化的生物學(xué)功能，能誘導(dǎo)失活的抑癌基因重新活化和表達(dá)[3]。研究發(fā)現(xiàn)，硒可以直接干預(yù)DNA甲基化，抑制腺癌細(xì)胞株DNMT的高表達(dá)[8]。膳食硒干預(yù)DNA甲基化的方式之一是通過去甲基化過程來調(diào)節(jié)DNMT1活性的；研究還證實(shí)，亞硒酸鈉和苯甲基氰酸硒（BSC）、1，4-苯雙（亞甲基）氰酸硒（p-XSC）兩種合成硒化物對人大腸癌細(xì)胞核提取物中DNMT的活性都有抑制作用[10]。

各方面的研究驗(yàn)證，硒對DNA甲基化產(chǎn)生干預(yù)影響，是靶酶DNMT有效的抑制劑。

2.2 硒干預(yù)影響組蛋白的乙酰化

近年來，國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，組蛋白去乙酰化酶與腫瘤的發(fā)生密切相關(guān)。HDACs家族中的HDAC1高表達(dá)可明顯增加腫瘤細(xì)胞的增殖能力。在食管鱗癌、前列腺癌等多種腫瘤中均發(fā)現(xiàn)HDAC的高表達(dá)，靶酶HDAC已成為首選的攻擊靶點(diǎn)。

目前，人們通過體內(nèi)、體外的研究鑒定出了硒、丁酸鹽、曲古抑菌素A（TSA）等一些HDAC的抑制劑，這些抑制劑可在體外誘導(dǎo)多種腫瘤細(xì)胞的生長停滯、分化或凋亡[2]。Somech等[11]通過臨床試驗(yàn)表明，HDAC抑制劑對人體白血病及實(shí)體瘤進(jìn)行治療，表現(xiàn)出明顯的抗腫瘤增殖效果，研究者認(rèn)為，各類HDAC抑制劑是另一類新型抗癌藥物、“癌癥治療的新工具”。

Xiang等[12]的研究證明，硒可以通過下調(diào)DNMT和抑制HDAC活性，活化人前列腺癌LNCaP細(xì)胞系中因高甲基化沉默的基因GSTP1， APC和CSR1。這些基因是具有保護(hù)免受氧化損傷的抗癌活性物質(zhì)、化學(xué)致癌物解毒劑或腫瘤抑制劑。

甲基硒酸（MSA）是近年來新研制成的一種人工低分子量有機(jī)硒化合物，是很具潛力的抗癌制劑。Kassam等[13]通過對彌漫性大B細(xì)胞淋巴瘤細(xì)胞系（DLBCL）w外研究首次發(fā)現(xiàn)，MSA可以抑制該細(xì)胞系HDAC的活性。研究者認(rèn)為，有關(guān)MSA抑制HDAC活性的作用以前從未報道過，從而為人們提供了硒元素一種新的機(jī)制，MSA是日后臨床試驗(yàn)中可以使用的硒化物。

我國科研人員胡琛霏[2]通過蛋白質(zhì)免疫印跡的方法，檢測到MSA可抑制食管鱗癌細(xì)胞系HDAC的活性，降低HDACl和HDAC2的蛋白表達(dá)，引起細(xì)胞內(nèi)組蛋白乙酰化水平顯著升高；同時，還檢測到硒甲硫氨酸（SLM）對食管鱗癌細(xì)胞系KYSEl50細(xì)胞和MCF7細(xì)胞的作用，在SLM處理細(xì)胞24 h后，細(xì)胞中組蛋白去乙酰化酶的活性也顯著降低。

這些年，越來越多的含硒組蛋白去乙酰化酶抑制劑被發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證。亞硒酸鈉、酮C甲基硒丁酸鹽（KMSB）、甲基硒代半胱氨酸（MSC）、甲基硒丙酮酸（MSP）等硒化物都可以抑制HDAC活性，提高組蛋白乙酰化水平，作為潛在的HDAC抑制劑，發(fā)揮其抗腫瘤的作用[14]。Fernandes 等[15]介紹，KMSB 和 MSP在體外作為HDAC的競爭性抑制劑發(fā)揮抗癌作用；還報道，合成的SAHA含硒類似物（5-苯甲酰戊氰硒）二硒醚和5-苯甲酰戊氰硒對不同肺癌細(xì)胞株HDAC抑制效果比SAHA更好。SAHA是氧肟酸類HDAC抑制劑，是目前在臨床上以皮膚T淋巴細(xì)胞瘤（CTCL）為適應(yīng)癥而廣泛應(yīng)用的表觀靶向抗癌藥物。這也提示，含硒類抑制劑對靶酶HDAC抑制效果優(yōu)于無硒類抑制劑。

為何上述各種硒化物都可靶向抑制DNMT和HDAC活性，研究發(fā)現(xiàn)不管其結(jié)構(gòu)如何改變，硒都是這些化合物生物活性的中心元素，發(fā)揮著關(guān)鍵作用，硒的這一生物學(xué)功能對含硒抗癌藥物的開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義[16]。

2.3 硒對非編碼RNA調(diào)控機(jī)制產(chǎn)生干預(yù)效應(yīng)

表觀遺傳學(xué)的一個重要調(diào)控機(jī)制是非編碼RNA。非編碼RNA是指不能翻譯為蛋白質(zhì)的RNA分子。近年來，非編碼RNA一族中的微小RNA-200（miR-200）受到人們的高度關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，miR-200家族中的成員微小RNA-200a（miR-200a）與腫瘤的發(fā)生發(fā)展關(guān)系密切，miR-200a在腫瘤組織中呈現(xiàn)明顯低表達(dá)。因此，miR-200a的表達(dá)下調(diào)是腫瘤發(fā)生的重要因素之一，miR-200a也成了腫瘤特異性表觀標(biāo)志物[17]。

胡琛霏[2]通過TaqMan芯片，檢測了MSA處理食管鱗癌細(xì)胞后細(xì)胞中微小RNA（miRNA）的變化情況，發(fā)現(xiàn)MSA可以上調(diào)細(xì)胞中miR-200a 的表達(dá)水平，miR-200a 表達(dá)升高后，負(fù)性調(diào)控Kelch樣環(huán)氧氯丙烷相關(guān)蛋白-1（Keap1）的表達(dá)，使Keap1蛋白水平下降，上調(diào)轉(zhuǎn)錄因子NF-E2相關(guān)因子2（Nrf2）蛋白水平并提高其轉(zhuǎn)錄活性（Nrf2活性受其細(xì)胞質(zhì)接頭蛋白Keap1的調(diào)控），從而活化Keap1-Nrf2信號通路。而Keap1-Nrf2信號通路在抗氧化、預(yù)防腫瘤發(fā)生等諸多方面有重要作用[18]。

體外研究顯示[19] ，人腦膜瘤組織中miR-200a表達(dá)明顯低于正常組織，β-循環(huán)蛋白（β-catenin）和其下游靶基因細(xì)胞周期蛋白D1表達(dá)顯著增高，二者和miR-200a呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，上調(diào)miR-200a可降低β-catenin的表達(dá)，進(jìn)而阻斷Wnt/β-catenin信號傳導(dǎo)通路來抑制腦膜瘤的生長。胡琛霏課題組前期研究也發(fā)現(xiàn)MSA可以抑制食管鱗癌細(xì)胞系中β-catenin的表達(dá)[2] 。研究已證實(shí)，Wnt/β-catenin信號通路的激活和高表達(dá)可促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的增殖、侵襲、轉(zhuǎn)移及抑制腫瘤細(xì)胞的凋亡[20]。

由此可見，MSA可能介導(dǎo)、調(diào)控著miR-200a表達(dá)及參與復(fù)雜的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，從而抑制腫瘤發(fā)生及轉(zhuǎn)移。

3 展望

加強(qiáng)硒與表觀遺傳學(xué)之間關(guān)聯(lián)的研究，有著重要的生物醫(yī)學(xué)意義。它有可能解釋硒化學(xué)抗腫瘤的新機(jī)制，從理論上證明硒元素可能具有表觀遺傳學(xué)的效應(yīng)[21] 。綜上所述，硒在腫瘤形成中對表觀遺傳修飾異常產(chǎn)生干預(yù)影響，靶向抑制腫瘤特異性表觀標(biāo)志物，逆轉(zhuǎn)表觀遺傳修飾發(fā)生異化過程，使我們認(rèn)識了硒化學(xué)抗癌的新機(jī)制、新作用，硒化物是潛在開發(fā)的新型靶向抗癌藥物。Fernandes 等[15]指出，硒化物都是癌癥治療藥。目前，非表觀類含硒靶向抗癌藥如硒唑呋喃、依布硒啉、乙烷硒啉等早已進(jìn)入臨床研究[16]，展示出很有希望的臨床應(yīng)用前景。而含硒表觀靶向抗癌藥物是亟待開發(fā)的抗癌藥“富礦”，加快開發(fā)含硒表觀靶向抗癌藥物，可為臨床腫瘤治療增加一種“新的工具”，為癌癥患者戰(zhàn)勝病魔增添一份新的希望。人們熱切期盼“含硒表觀分子靶向抗癌藥物”早日問世。

致謝：本課題研究得到華中科技大學(xué)徐輝碧、黃開勛兩位教授和安徽醫(yī)科大學(xué)張文昌碩士的支持，在此表示衷心感謝。

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篇5

一般意義上的遺傳學(xué)指基于DNA序列改變導(dǎo)致基因表達(dá)水平的變化,如基因突變、基因雜合丟失和微星不穩(wěn)定等,表觀遺傳學(xué)指非DNA序列改變,是細(xì)胞內(nèi)除了遺傳信息以外的其它可遺傳物質(zhì)發(fā)生的改變。表觀遺傳學(xué)研究主要包括染色體重塑、組蛋白修飾,DNA甲基化,非編碼RNA調(diào)控等。

真核細(xì)胞的特征是有細(xì)胞核,細(xì)胞核包含了真核生物幾乎所有的遺傳物質(zhì)。真核生物基因組DNA儲存在細(xì)胞核內(nèi)的染色質(zhì)中,核小體( nucleosome) 是構(gòu)成真核生物染色體的基本結(jié)構(gòu)單位。各核小體串聯(lián)而成染色質(zhì)纖維,核小體DNA長度約為165個堿基對,其中纏結(jié)在組蛋白八聚體周圍的核心DNA( core DNA) 約1. 65圈,約合147個堿基對,而相鄰的核小體之間的自由區(qū)域( linber DNA) 為20 - 50個堿基的長度,也就是基因組的75% ~ 90% 被核小體所占據(jù)。組蛋白八聚體由H2A、H2B、H3和H4各2個拷貝組成,每個核心組蛋白都有兩個結(jié)構(gòu)域: 組蛋白的球形折疊區(qū)和氨基末端結(jié)構(gòu)像一條尾巴( tail) 位于核小體的球形結(jié)構(gòu)以外,可同其它調(diào)節(jié)蛋白和DNA發(fā)生相互作用,染色體的高級結(jié)構(gòu)和基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控都與組蛋白密切相關(guān)。核小體組蛋白的尾巴可以發(fā)揮信號位點(diǎn)的作用。

上面已談到表觀遺傳學(xué)是指非DNA序列改變,而是改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致基因表達(dá)水平的變化。那么,染色質(zhì)結(jié)構(gòu)改變?nèi)绾螌?dǎo)致基因轉(zhuǎn)錄和表達(dá)水平改變的呢?

其一,在細(xì)胞里,DNA-染色質(zhì)的形式存在,核小體是染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位,75% ~ 90% 的基因組存在其中,核心組蛋白的尾巴的各種位點(diǎn)通過多種轉(zhuǎn)移酶的作用,發(fā)生共價修飾,組蛋白通過電荷相互作用( 組蛋白尾巴帶正電荷,DNA帶負(fù)電荷) 如組蛋白乙酰化修飾可以通過電荷中和方式削弱組蛋白-DNA或核小體 - 核小體的相互作用,或引起構(gòu)象的變化,破壞核小體結(jié)構(gòu),使DNA接近轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)構(gòu),激活轉(zhuǎn)錄。

其二,為保證染色質(zhì)的DNA與蛋白質(zhì)的動態(tài)結(jié)合,細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生了一系列特定的染色體重塑復(fù)合物,也稱重塑子,它們利用水解ATP的能量通過滑動、重建、移除核小體等方式改變組蛋白與DNA結(jié)合狀態(tài),使蛋白質(zhì)易于接近目標(biāo)DNA。依據(jù)重塑子包含的ATP酶中催化亞基結(jié)構(gòu)域的不同,把重塑子分為SWI/SNF、ISWI、CHD、IN080四大家族。組蛋白修飾后如乙酰化的組蛋白可以募集轉(zhuǎn)錄復(fù)合物進(jìn)入到一個基因位點(diǎn),影響轉(zhuǎn)錄。

2 認(rèn)知過程中的表觀遺傳學(xué)機(jī)制

通過新信息或經(jīng)驗(yàn)獲得的記憶可保持?jǐn)?shù)月、數(shù)年,甚至終生,而長時間保持存活的蛋白質(zhì)或mRNA的半衰期只有24 h,顯然,二者之間存在很大的矛盾,那么記憶的物質(zhì)基礎(chǔ)到底是什么? 1984年,Crick提出了一個假設(shè),即記憶編碼在染色體的DNA上,雖然當(dāng)時他并不是十分確信,但現(xiàn)已澄清,染色體是信息的攜帶者,而且可以代代傳下去,染色體結(jié)構(gòu)或化學(xué)上的改變與認(rèn)知功能的關(guān)系可作如下的理解: 表觀遺傳學(xué)的改變是對來到大腦的信息、應(yīng)激和神經(jīng)元活性改變做出結(jié)構(gòu)上的適應(yīng),最終將信息帶至并激活特異性基因表達(dá)程序。目前研究證明,在腦的一些區(qū)域發(fā)生的表觀遺傳學(xué)改變?nèi)缃M蛋白的乙酰化、甲基化、磷酸化可以穩(wěn)定地改變動物的行為,包括學(xué)習(xí)、記憶、抑郁、藥物依賴、突觸可塑性等等,為長記憶的形成、鞏固和突觸可塑性的形成、維持提供解釋[5,6,7,8]。

閱讀近十幾年發(fā)表的有關(guān)表觀遺傳學(xué)文章后,解決了長期以來認(rèn)知過程中令人費(fèi)解的一些問題,本文著重介紹在腦的不同區(qū)域( 主要是海馬和腦皮層) 組蛋白修飾和DNA甲基化在認(rèn)知過程中的作用及其可能的機(jī)制。

2. 1組蛋白乙酰化[9,10,11]一系列表觀遺傳學(xué)改變都能影響記憶過程,其中組蛋白乙酰化,具有明確、顯著地促進(jìn)記憶的形成和鞏固。組 蛋白乙酰 化是通過 組蛋白乙 酰化酶( HATs) 催化完成的。HATs將帶正電荷的乙酰基轉(zhuǎn)移到組蛋白N末端尾區(qū)內(nèi)賴氨酸側(cè)鏈的-氨基。組蛋白乙酰化酶被分成3個主要家族: GNAT超家族,MYST家族和P300 /CBP家族。將乙酰基從組蛋白移走,由組蛋白去乙酰化酶( HDACs) 催化完成,HDACs被分成4類: Ⅰ類,鋅依賴型HDACs,Ⅱ類和Ⅳ類HDACs,Ⅲ類NAD依賴性HDACs。在哺乳動物中,海馬在記憶形成中起重要作用。許多學(xué)者以海馬區(qū)域作為研究對象,研究了組蛋白乙酰化對條件性恐懼中的背景記憶( contextual memory) 和空間記憶的影響。研究證明組蛋白乙酰化或抑制HDACs活性都能增強(qiáng)條件性恐懼中的背景記憶和Morris水迷宮中的空間記憶以及增加突觸可塑性( synaptic plasticity) 。應(yīng)當(dāng)指出的是,腦中組蛋白乙酰化不是獨(dú)立于其它組蛋白修飾而存在,而是在組蛋白乙酰化的同時,也往往存在組蛋白磷酸化、甲基化。組蛋白乙酰化削弱了組蛋白與DNA之間的靜電親和力,從而促進(jìn)染色體結(jié)構(gòu)接近轉(zhuǎn)錄基因機(jī)構(gòu),引起基因持續(xù)性改變,增加神經(jīng)元活動,乙酰化修 飾后的組 蛋白也可 以募集其 它相關(guān)因子[10,11,12,13],如轉(zhuǎn)錄復(fù)合物,進(jìn)入到基因位點(diǎn),影響轉(zhuǎn)錄。

2. 2 組蛋白乙酰化的調(diào)節(jié)機(jī)制[14,15,16]

2. 2. 1神經(jīng)元活性與組蛋白乙酰化組蛋白乙酰化可由許多類型的神經(jīng)元活性所調(diào)節(jié),例如,KCl介導(dǎo)的神經(jīng)元去極化引起海馬培養(yǎng)中的核心組蛋白H2B乙酰化的增加,再如,特異性受體激動劑可興奮多巴胺能、乙酰膽堿能、谷氨酸能途徑,增加小鼠海馬H3K14和H3S10的乙酰化,在所有這些情況下,組蛋白乙酰化都伴有細(xì)胞外調(diào)節(jié)激酶ERK( MAPK家族中的一員) 的激活,直接激活MAPK-ERK信號途徑可增加組蛋白乙酰化,而MAPK-ERK抑制劑則可阻斷組蛋白乙酰化[16,17,18],這些研究表明,神經(jīng)元活性引起組蛋白乙酰化是通過MAPK依賴性途徑的激活,而且也可能是通過H3S10磷酸化之間的對話。后者常與在蛋白乙酰化同時存在,從染色體脫離的HPAC2引起的神經(jīng)活性,也能改變組蛋白的乙酰化,用BDNF刺激皮層神經(jīng)元,能引起HDAC2在胞嘧啶262和274位的硝基化及隨后組蛋白的高乙酰化及隨后組蛋白的乙酰化,并伴有神經(jīng)營養(yǎng)因子依賴性基因表達(dá)的增強(qiáng)。已知MECP2可增加BDNF的表達(dá),但被HDAC2負(fù)面調(diào)節(jié)。因此,神經(jīng)活性參與了以HDAC2和BDNF為中心的正性反饋,該系統(tǒng)導(dǎo)致組蛋白乙酰化和基因自身的持續(xù)表達(dá)。

2. 2. 2突觸可塑性與組蛋白乙酰化長時程突觸可塑性涉及突觸維持和交流有關(guān)基因表達(dá)的改變,已有充分材料證明,組蛋白乙酰化促進(jìn)這一改變,例如在海兔( Aplysia) 組蛋白乙酰化能誘導(dǎo)長期易化 ( LTF) 并伴有CREB結(jié)合蛋白CBP的增加[19],類似的改變也在突觸素( synapsin) 的啟動子區(qū)域觀察到,突觸素與LTF和LTD均有關(guān)。不過,伴有CREB乙酰化的減少,正常情況下,誘導(dǎo)LTF需施加強(qiáng)電刺激,但如果提前給予RNA干擾( RNAi) ,弱的電刺激也能誘導(dǎo)LTF。這一發(fā)現(xiàn)提示,組蛋白乙酰化程度與突觸可塑性程度密切相關(guān),HDAC1能增加天然存在的突觸傳遞過程,在哺乳動物的LTP也與組蛋白乙酰化水平有關(guān)。LTP誘導(dǎo)可平行出現(xiàn)H3和H4組蛋白乙酰化的增加,從研究中還明顯看出LTP促進(jìn)乙酰化,改變特異地存在于與突觸傳遞有關(guān)基因如Reelin和BDNF啟動子區(qū)域,這一結(jié)果與前述看法一致,即在組蛋白乙酰化過程中存在一個基因自身持續(xù)性改變的正性反饋系統(tǒng)。此外,有關(guān)HATCBP的研究表明,增加組蛋白乙酰化能促進(jìn)LTP,部分或完全缺失CBP功能的小鼠出現(xiàn)組蛋白乙酰化水平的下降和LTP形成受阻。不過,不依賴轉(zhuǎn)錄的早期LTP不受影響。

2. 2. 3記憶形成與組蛋白乙酰化[20,21]在低等生物和哺乳動物進(jìn)行的研究證明,不管哪種記憶類型或哪種記憶時相( 記憶獲得,鞏固和再現(xiàn)) 都能對組蛋白乙酰化進(jìn)行調(diào)節(jié),例如背景性和線索性恐懼記憶( fear memory contextual and fearmemory cued) 都能增加H3乙酰化,小鼠眨眼條件反射( eyeblink conditioning) 和大鼠潛伏抑制 ( latent inhibition) 能分別增加組蛋白H3和H4乙酰化,大小鼠物體識別記憶( Objectrecognition memory) 伴有H3和H4乙酰化的增加,此外優(yōu)先食物轉(zhuǎn)換( social transmission of food preference) 和食物厭惡記憶( food aversion memory) 等均能增加H3乙酰化,空間記憶( spatial memory) 伴有H2B,H3和H4乙酰化。

從上述組蛋白乙酰化研究的論述可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

( 1) 組蛋白乙酰化,不是脫離開其它組蛋白修飾而獨(dú)立存在,即在發(fā)生組蛋白乙酰化的同時,也有組蛋白磷酸化、甲基化等的發(fā)生,其它表觀遺傳學(xué)改變對組蛋白乙酰化起了協(xié)同作用。

( 2) 神經(jīng)元活性可調(diào)節(jié)組蛋白乙酰化,神經(jīng)元活性的啟動需要MAPK-ERK信號途徑的激活。

長記憶和突觸長時程增強(qiáng)均涉及許多基因的轉(zhuǎn)導(dǎo)和表達(dá),最常見和最重要的基因包括即早基因Zif/268,Creb,Bdnf和Reelin等。

( 3) 許多種類的神經(jīng)活性存在一個以BDNF和HDAC2為中心的正性反饋系統(tǒng),該系統(tǒng)可導(dǎo)致組蛋白乙酰化和基因自身持續(xù)表達(dá)程序。

( 4) 在多種生物體和細(xì)胞研究中觀察到各種不同類型的記憶模式和不同記憶時相都能引起組蛋白乙酰化,進(jìn)而促進(jìn)記憶和有關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)。

( 5) 組蛋白乙酰化能引起長記憶的形成和鞏固,但對無須轉(zhuǎn)錄的短記憶和早期LTP沒有影響。

2. 3神經(jīng)元活性是如何引起組蛋白乙酰化,它的作用機(jī)制是什么?[11]途徑之一,神經(jīng)元活性包括LTP和學(xué)習(xí)激活G蛋白偶聯(lián)受體( GPCRs) ,然后依次激活腺苷環(huán)化酶( AC) 產(chǎn)生c AMP,后者激活PKA,PKA磷酸化MEK( MAPK家族中的一員) ,MAPK的家族成員能直接磷酸化組蛋白,隨后啟動組蛋白乙酰化。

途徑之二,神經(jīng)元活性可通過鈣內(nèi)流引起膜去極化,然后激活CAMKⅡ,后者磷酸 化甲基-CPG結(jié)合蛋白2( MECP2) ,使MECP2從染色體脫離出來,Calmodulin刺激BDNF啟動子區(qū)域的基因轉(zhuǎn)導(dǎo)。BDNF激活一氧化氮合酶導(dǎo)致組蛋白乙酰化酶2( HDAC2) 的硝基化,在硝基化作用下,HDAC2從染色體中脫離出來并強(qiáng)化硝基化,結(jié)果引起B(yǎng)DNF表達(dá)并參與正性反饋系統(tǒng),進(jìn)而促進(jìn)記憶 - 持續(xù)性基因表達(dá)的改變( 見Fig 1) 。

其他一些學(xué)者的研究工作指出: 激動NMDA受體,抑制磷酸二酯酶( PDE) ,增加細(xì)胞內(nèi)鈣等多種途徑均可激活PKA,PKA則可直接激活CBP,如前所述。含有乙酰轉(zhuǎn)移酶活性的CBP與CREB結(jié)合,是提高突觸可塑性形成長記憶的必備條件; NO啟動組蛋白影響記憶的機(jī)制有二,一是激活N0-cG MP-Ca MKII-CREB磷酸化的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑; 二是NO依賴性的HDAC的5-硝基化,可增加組蛋白乙酰化,而NO供體與5-硝基谷胱甘肽,可抑制HDAC活性,因而,也能增加組蛋白乙酰化。此外,神經(jīng)元活動或突觸活動引起胞外鈣內(nèi)流入神經(jīng)細(xì)胞內(nèi),使Me CP2的S421磷酸化,S80去磷酸化,后者從染色質(zhì)分離出來,發(fā)揮對神經(jīng)可塑性和記憶的調(diào)控作用。

2. 4 RNA干擾 ( RNA interference,RNAi)指內(nèi)源性或外源性雙鏈RNA( dsRAN) 介導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)mRNA發(fā)生特異性降解,導(dǎo)致靶基因表達(dá)沉默,產(chǎn)生相應(yīng)功能表型缺失,RNA干擾下的基因沉默是表觀遺傳學(xué)的重要內(nèi)容,人工合成的小RNA( SiRNA) 包括miRNA和SiRNA。小RNA序列較短,能指導(dǎo)Argonaute蛋白識別的靶分子并導(dǎo)致基因沉默。

已證明,組蛋白去乙酰化酶HDAC阻遏學(xué)習(xí)記憶,并在細(xì)胞內(nèi)有廣泛分布,人工合成HDACi顯然有重要的治療價值,HDAC2的結(jié)構(gòu)很接近HPAC1,盡管如此,科學(xué)家們還是合成許多類型的HDACi,上述各種類型學(xué)習(xí)記憶和突觸可塑性模型證明使用HDAC2i可促進(jìn)記憶,增強(qiáng)LTP,阻遏記憶下降。

3 組蛋白和 DNA 甲基化[20,21]

甲基化可發(fā)生在組蛋白,也可發(fā)生DNA上。盡管這二種甲基化產(chǎn)生的方式、調(diào)節(jié)機(jī)制和涉及的酶與蛋白等有所區(qū)別,但二者甲基化的結(jié)果是一致的,即他們都能激活基因的轉(zhuǎn)錄與表達(dá),從而促進(jìn)長記憶的形成和提高突觸可塑性。這點(diǎn)學(xué)術(shù)界的看法一致,沒有任何異議。下面將重點(diǎn)介紹組蛋白和DNA甲基化是如何形成,又如何影響基因轉(zhuǎn)錄及長記憶和突觸可塑性的?

真核細(xì)胞中,甲基化只發(fā)生在胞嘧啶第五位碳原子上,是由甲基轉(zhuǎn)移酶所催化,以S-腺苷甲硫氨酸( S-adnosylmethionine,SAM) 作為甲基供體,將甲基轉(zhuǎn)移到胞嘧啶上,DNA甲基化主要發(fā)生在Cp G雙核苷酸序列的胞嘧啶上,哺乳動物異染色質(zhì)的DNA約有80% 的CPG被甲基化,根據(jù)作用方式和反應(yīng)酶不同,DNA甲基化分為兩種: 維持甲基化( maintenance methylation) 和從頭甲基化 ( de novo methylation) ,前者與DNA復(fù)制相關(guān)聯(lián)。當(dāng)甲基化的雙鏈DNA被復(fù)制生成兩條的新的雙鏈DNA后,只有親代鏈?zhǔn)羌谆?甲基轉(zhuǎn)移酶是DNMT1,后者則是DNA上甲基化狀態(tài)的重新構(gòu)建,它不依據(jù)DNA復(fù)制在完全非甲基化的DNA堿基位點(diǎn)上引入甲基,是甲基化的建立機(jī)制。甲基轉(zhuǎn)移酶依賴于DNMT3a和DNMT3b的活性。

對基因轉(zhuǎn)錄的影響: 目前研究發(fā)現(xiàn),組蛋白精氨酸甲基化常伴隨轉(zhuǎn)錄的激活,賴氨酸殘基上的甲基化則因賴氨酸所在的位置不同而有差別,賴氨酸甲基化發(fā)生在組蛋白H3的第4,第9,第27,第36,第79( K4,K9,K27,K36,K79) 位及H4K20位上,其中,在酵母和哺乳動物細(xì)胞中H3K4和H336位點(diǎn)被甲基化可以激活轉(zhuǎn)錄,而H3K9 K27 K79和H420的賴氨酸甲基化則可抑制轉(zhuǎn)錄。

DNA甲基化對基因表達(dá)的調(diào)節(jié)主要表現(xiàn)為抑制轉(zhuǎn)錄活性,一種可能的機(jī)制是由于DNA甲基化直接抑制了轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合,不能形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合體,從而也就抑制了基因轉(zhuǎn)錄活性[16,18,20]。

對記憶的調(diào)節(jié)作用: Swati Gupta及其同事[21]研究了組蛋白甲基化對成年動物海馬部位記憶形成的影響,他們的研究得出如下主要結(jié)果: 恐懼記憶能觸發(fā)海馬CA1區(qū)H3K4三甲基化( 轉(zhuǎn)錄激活標(biāo)志) 和H3K9二甲基化( 轉(zhuǎn)錄抑制標(biāo)志)的變化; H3K4特異的甲基化轉(zhuǎn)移酶MⅡ缺失的小鼠出現(xiàn)長記憶形成障礙; 改變組蛋白甲基化與去乙酰化酶( HDAC) 抑制相偶聯(lián); H3K4三甲基化明顯增加兩種基因 ( Zif/268和Bdnf) 的啟動子,這一事件出現(xiàn)在記憶鞏固期間,已知這兩種基因在記憶形成和神經(jīng)可塑性中起重要作用。這些發(fā)現(xiàn)支持組蛋白甲基化在長記憶鞏固中扮演重要作用,其他許多學(xué)者也都證明DNA甲基化與記憶形成和儲存有關(guān),如甲基化CpG結(jié)合蛋白1( methyl-Cp G-binding protein1) 基因缺失出現(xiàn)空間記憶能力喪失,甲基化CpG結(jié)合蛋白2 ( methyl-Cp Gbinding protein 2) 基因缺失的突變小鼠出現(xiàn)恐懼記憶、空間記憶和物體識別記憶的障礙。

海馬DNA甲基化,對記憶形成起重要作用,但海馬的改變是短暫的,訓(xùn)練后1 d之內(nèi)便恢復(fù)到基礎(chǔ)水平,長記憶以及記憶的鞏固和儲存依賴于腦的不同區(qū)域,據(jù)信長記憶的形成和鞏固主要依賴于背側(cè)前額葉前扣帶皮層( dm DFC) ,為此探討皮層組蛋白甲基化是否能促進(jìn)長記憶的形成和鞏固十分必要。Miller等采用背景性恐懼記憶試驗(yàn)探查皮層DNA甲基化對長記憶的影響,報道認(rèn)為大鼠恐懼條件化環(huán)境中的背景記憶可維持?jǐn)?shù)月,在這期間,近期( recent) 記憶會轉(zhuǎn)變成遠(yuǎn)期( remote) 記憶,也即記憶從海馬( HPC) 轉(zhuǎn)變成依賴于dmP FC的記憶。首先,采用Me DIP即甲基化DNA免疫沉淀法測定皮層三種基因Zif/268,reln和Ca N的甲基化水平。動物試驗(yàn)則觀察訓(xùn)練后7 d的背景記憶,將動物分為背景組( C) 、休克組( S) 和背景加休克組( CS) 。結(jié)果表明,在所有組和所有測定時間點(diǎn),即早基因Zif/268均為去甲基化,說明環(huán)境刺激能廣泛地改變dm PFC Zif/268的甲基化狀態(tài),相反的,一個記憶正性調(diào)節(jié)基因Reln僅在受訓(xùn)練的動物即CS組動物訓(xùn)練后1 h內(nèi)出現(xiàn)高甲基化,隨后即回歸對照水平,訓(xùn)練后短時間內(nèi)Ca N( 一種記憶抑制基因) 的甲基化無改變,但在訓(xùn)練后1 d,這一基因出現(xiàn)持久的甲基化,隨后用BSP描繪訓(xùn)練后7 d Ca B甲基化的改變,發(fā)現(xiàn)僅CS組動物有顯著的Ca N甲基化。為了解皮層DNA甲基化是否能反映聯(lián)合學(xué)習(xí),動物在訓(xùn)練前注射NMDA受體拮抗劑MK-801,證明MK-801干擾了訓(xùn)練后7 d動物恐懼記憶的獲得( acquisition) ,也阻斷了訓(xùn)練后2 d dmP FC Ca N和Reln的高甲基化,但不影響Zif/268的甲基化,進(jìn)一步支持Ca N和Reln高甲基化是一種對聯(lián)合性環(huán)境信號的特異性反應(yīng)。Frankland等前期研究觀察了訓(xùn)練后不同時間對ACC( anterior cingulate) 恐懼記憶再現(xiàn)( retrieval) 的干擾。結(jié)果證明ACC在18 ~ 36 d( 近期記憶) 經(jīng)干擾失去記憶再現(xiàn),但不是訓(xùn)練后1 d或3 d( 近期記憶) ,從這一結(jié)果估計(jì)記憶的鞏固出現(xiàn)在訓(xùn)練后3 ~18 d,研究還證明皮層DNA甲基化可能在訓(xùn)練后1周內(nèi)出現(xiàn),該時段也是皮層留下記憶痕跡的時間,隨后的實(shí)驗(yàn)證明訓(xùn)練后立即向背側(cè)HPC( CA1) 注射NMDA受體選擇性抑制劑AVP,證明APV不但能干擾學(xué)習(xí),也能阻止訓(xùn)練后7 ddmP FC Ca N和Reln甲基化,表明一次性海馬 - 依賴性學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)就足以驅(qū)動皮層長時間、基因特異性甲基化改變,為了進(jìn)一步探討皮層DNA甲基化是否伴隨長記憶的形成,觀察了訓(xùn)練后30 d的皮層甲基化及記憶鞏固的情況,結(jié)果證明在CS動物皮層的Ca N甲基化仍十分明顯,而且與長記憶的出現(xiàn)和維持的時間段相吻合,此外還觀察到在HPC有快速甲基化,而在dm PFC有持久的甲基化,以上研究闡明了以下幾個問題: 第一,海馬HPC可啟動學(xué)習(xí)記憶,產(chǎn)出過渡性短記憶,第二,長記憶的形成和鞏固依賴于dm PFC,第三,海馬和皮層記憶的形成均緣于海馬和皮層DNA的甲基化,或甲基化與其它組蛋白修飾的協(xié)同作用,第四,重要的記憶相關(guān)基因和受體包括Zif/268,Reln,Bdnf和NMDA受體。組蛋白甲基化是如何調(diào)整認(rèn)知過程,它的生物學(xué)機(jī)制是什么?Day和Sweatt提出了闡明組蛋白甲基化是表觀遺傳學(xué)標(biāo)志的假說[20],如在細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)變成功能性后果,出現(xiàn)三種可能性: 第一、DNA甲基化驅(qū)使神經(jīng)細(xì)胞的反應(yīng)狀態(tài)發(fā)生了改變,即它允許、容納其它機(jī)制參與進(jìn)來產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)和維持更加長遠(yuǎn)的改變; 第二、甲基化事件積極參與和改變基因的讀出,促進(jìn)記憶的進(jìn)行,例如增加突觸強(qiáng)度和突觸可塑性; 第三、表觀遺傳學(xué)機(jī)制幫助神經(jīng)細(xì)胞無增殖( aplastic) ,在神經(jīng)元無增殖的情況下可以以穩(wěn)定突觸數(shù)量( synaptic weight) 的分布,后者是穩(wěn)定記憶的必需條件,這一假設(shè)強(qiáng)調(diào)了突觸可塑性在記憶過程中的重要性,事實(shí)上,國際上近年的研究表明老年癡呆認(rèn)知功能的衰減與老年斑、A腦內(nèi)沉積及神經(jīng)纖維纏結(jié)無明顯相關(guān),由于突觸在信息傳遞、信息加工中的重要作用,許多學(xué)者都支持突觸功能降低( 包括突觸效能下降和突觸丟失) 是造成認(rèn)知功能障礙乃至老年癡呆的主要原因,當(dāng)前治療老年癡呆和各種認(rèn)知障礙的治療方向都在尋找加強(qiáng)突觸效能,防止突觸丟失、增加突觸新生的新藥。

3. 1組蛋白磷酸化[25,26,27]組蛋白磷酸化修飾跟乙酰化和甲基化修飾一樣具有調(diào)節(jié)認(rèn)知功能的作用,這一修飾發(fā)生在組蛋白的H3、S1和S10絲氨酸殘基上,由一組蛋白激酶包括絲裂原和應(yīng)激激酶( MSKI) 和Aurora激酶家族催化完成。組蛋白磷酸化可被蛋白磷酸酶PP1和PP2a所逆轉(zhuǎn),這兩種脫磷酸化酶又可被其它分子級聯(lián)包括多巴胺和c AMP調(diào)節(jié)的磷酸蛋白32( DARPP32) 所抑制。最具特色的磷酸化標(biāo)志存在于H3第10位( H3K10) 絲氨酸上,這一修飾招募了含有HAT活性的GCN5,因而能增加鄰近組蛋白賴氨酸殘基K9和K14的乙酰化,這解釋了為什么組蛋白乙酰化和磷酸化常常同時存在。另外,H3S10磷酸化通過改變DNA和組蛋白尾部間的交互作用增加轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合。

許多研究工作已揭示組蛋白的磷酸化具有調(diào)節(jié)記憶形成的作用,編碼RSK2的基因突變能產(chǎn)生低咖啡攝入綜合癥( coffin-lowry) ,有精神遲緩、精神異常等表現(xiàn)。在動物模型上的研究,背景性恐懼條件反射形成后,H3S10磷酸化和H3S10 / K14磷酸乙酰化迅速增加,但ERK抑制后可阻斷其增加。同樣的,缺失MSKI的小鼠出現(xiàn)恐懼記憶和空間記憶障礙,這一缺陷卻不因給予HDAC抑制劑所逆轉(zhuǎn),提示組蛋白磷酸化途徑與組蛋白乙酰化并行而不是位于乙酰化的下游,與此相協(xié)調(diào)的是,組蛋白磷酸化酶PPI受抑制,能改善長時程物體識別記憶和空間記憶而不影響短記憶,從這些發(fā)現(xiàn)推測: 通過抑制PPI來增加組蛋白磷酸化對治療學(xué)習(xí)記憶障礙可能是一個有明顯特色甚至是互補(bǔ)的治療策略。

除學(xué)習(xí)記憶外,H3S10磷酸化也與藥物成癮行為學(xué)反應(yīng)有關(guān)聯(lián)。可卡因可引起紋狀體H3S10磷酸化的增加,敲除MSKI的小鼠出現(xiàn)對服用可卡因行為反應(yīng)的障礙。核內(nèi)積累的DARPP-32能影響對可卡因和蔗糖獎勵的行為反應(yīng)。組蛋白磷酸化也已被證實(shí)是抗精神病和抗巴金森氏癥下游的一個重要靶標(biāo),針對表觀遺傳學(xué)這一組蛋白磷酸化修飾設(shè)計(jì)和開發(fā)有治療潛能的化合物是很有意義的。一項(xiàng)有意義的研究指出,MSKI主要存在于神經(jīng)元和紋狀體、杏仁核、海馬等腦區(qū),MSKI這一選擇性分布是治療干擾藥物成癮的一個很好的候選者。

哺乳動物細(xì)胞Aurora激酶家族成員的結(jié)構(gòu)和功能在進(jìn)化上保守,根據(jù)該家族成員在細(xì)胞內(nèi)的定位可分為3種: Aurora-A,Aurora-B和Aurora-C。Aurora-B是有絲分裂中組蛋白H3的第四位絲氨酸磷酸化所必需的激酶。組蛋白H3磷酸化主要由Aurora-B激酶控制,除MSK和Aurora外,IB激酶( nuclear,IKK) 復(fù)合物中的異構(gòu)體( IKK) 也可以調(diào)控海馬區(qū)域組蛋白的磷酸化修飾,IKK是核因子B的一種去抑制調(diào)控子,抑制IKK可以阻止背景性環(huán)境下長期記憶的再鞏固( reconsolidation)[24]。

組蛋白磷酸化促進(jìn)長記憶形成和鞏固的機(jī)制主要是磷酸基因攜帶的負(fù)電荷中和了組蛋白上的正電荷,造成組蛋白與DNA親和力的下降,使DNA容易接近轉(zhuǎn)錄機(jī)構(gòu),激活基因轉(zhuǎn)錄,這是長記憶形成所必需的,也解釋了為什么組蛋白磷酸化不影響短記憶。

在正常生理和表觀遺傳學(xué)的生化反應(yīng)中,磷酸化使蛋白質(zhì)和基因活化,隨后的生化和生物學(xué)反應(yīng)才能繼續(xù)進(jìn)行,所以在細(xì)胞繁殖、分化、細(xì)胞存活、DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)導(dǎo)和重組、細(xì)胞凋亡以及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮重要作用。

3. 2 其它組蛋白修飾與認(rèn)知功能[27,28,29]

組蛋白泛素修飾涉及三類催化酶: 泛素激活酶( ubiquitin activating enzyme,E1 ) ,泛素接合酶 ( ubiquitin conjugatingenzyme,E2) 和泛素連接酶 ( ubiquitin protein ligase,E3 ) 。依賴這三種酶分三步進(jìn)行泛素化修飾,第一步E1利用ATP形式存在的能量與泛素結(jié)合成高能硫酯鍵,構(gòu)成泛素 - E1偶聯(lián)物將泛素激活; 第二步,通過轉(zhuǎn)酯作用將活化的泛素轉(zhuǎn)移到泛素結(jié)合酶E2的活性半胱氨酸殘基上; 隨后,E2將活化的泛素轉(zhuǎn)移至泛素連接酶E3上,形成高能量E3 - 泛素偶聯(lián)物,最后E3可直接或間接地促使泛素轉(zhuǎn)移到特異靶蛋白上,使泛素的羧基末端與靶蛋白的賴氨酸的-氨基形成肽鏈或轉(zhuǎn)移到已與靶蛋白相連的泛素形成多聚泛素鏈,有一個去泛素酶大家族,從賴氨酸殘基上移去泛素。

組蛋白泛素化有廣泛的細(xì)胞功能,最著名的是控制轉(zhuǎn)錄的啟動和延長,泛素酶/去泛素酶與其它組蛋白修飾,特別是與組蛋白甲基化有牽連,組蛋白泛素化與神經(jīng)退性病變之間的關(guān)聯(lián)來自亨廷氏病,Huntington與泛素連接酶h PRC12存在交互作用。在多個亨廷氏病動物模型上觀察到泛素化的H2A的增加和泛素化的H2B減少,導(dǎo)致組蛋白甲基化模式的改變和基因轉(zhuǎn)錄下調(diào),故以泛素連接酶為靶標(biāo)設(shè)計(jì)藥物對亨廷氏病可能有潛在的治療價值。

多聚( ADP-核糖) 聚合酶[poly( ADP ribose) polymerases,PARPS]在與記憶行為有關(guān)的組蛋白修飾中起一定作用,PARPs可催化ADP核糖單位從NAD+轉(zhuǎn)移到組蛋白靶位點(diǎn)上,不僅可影響染色質(zhì)的局部結(jié)構(gòu),還可影響轉(zhuǎn)錄因子及染色質(zhì)重塑復(fù)合體的結(jié)合,在操作性條件反射和位置回避實(shí)驗(yàn)中均證明PARP1可增加長記憶的形成。

3. 3衰老和神經(jīng)退行性疾病的表觀遺傳學(xué)[27,28,29,30]衰老和年齡相關(guān)性神經(jīng)退行性疾病是一個非常復(fù)雜的過程,過去有大量報道衰老與神經(jīng)退行性疾病沒有太多差異,如老年癡呆出現(xiàn)各種病理改變也在衰老過程中出現(xiàn),但從未從表觀遺傳學(xué)方面去尋找原因,現(xiàn)有的研究揭示,表觀遺傳學(xué)的異常修飾是衰老和神經(jīng)退行性疾病的主要機(jī)制,其主要病理特征表現(xiàn)在兩個方面:

其一,組蛋白和基因組DNA甲基化的減少,在衰老和神經(jīng)退化性疾病中表現(xiàn)突出,如神經(jīng)細(xì)胞和基因組DNA亞甲基化( hypomethylation) 和甲基轉(zhuǎn)移酶( HAT) 活性缺失,在AD患者的病理性神經(jīng)元和基因組DNA的亞甲基化水平更低。Mastroeni等用免疫組化方法檢測了死后AD和非AD( ND) 病人眶內(nèi)皮層Ⅱ神經(jīng)元的DNA甲基化和8種甲基化維持因子的免疫反應(yīng)性,發(fā)現(xiàn)ND和AD神經(jīng)細(xì)胞核具有甲基化胞嘧啶免疫反應(yīng)陽性的神經(jīng)細(xì)胞數(shù)分別為91. 7% 1. 3% 和39. 9% 3. 4% ,甲基化胞苷呈陽性的細(xì)胞數(shù)分別為91. 1% 1. 3% 和51. 8% 6. 1% ,即AD病人的兩種甲基化模式比ND病人明顯降低,DNMT,MOD2和P662均系甲基化維持因子,在ND病人神經(jīng)元呈免疫反應(yīng)陽性,而AD病人神經(jīng)元免疫呈陰性,此外,RPL26和5. 8 SrRNA也有量的減少。

其二,HDAC2表達(dá)增加,研究證明神經(jīng)退行性改變、衰老和長期應(yīng)激都能引起HDAC2表達(dá)增加,如在神經(jīng)退行性疾病和衰老時,神經(jīng)毒性因子如A,氧化應(yīng)激( H2O2) 和細(xì)胞內(nèi)D25和CDK5激活,糖皮質(zhì)激素受體( GR) 與臨近組蛋白HDAC2啟動子區(qū)的GR反應(yīng)元件( CRE) 結(jié)合,增加腦內(nèi)HDAC2水平,HDAC2優(yōu)先與學(xué)習(xí)、記憶、神經(jīng)可塑性有關(guān)的基因如BDNF結(jié)合,同時降低組蛋白乙酰化和基因的表達(dá),破壞BDNF介導(dǎo)的正性反饋系統(tǒng),從而降低神經(jīng)可塑性和記憶的形成與鞏固。

篇6

在高校遺傳學(xué)教學(xué)中存在許多經(jīng)典案例，如：果蠅的翅型、體色、眼色等性狀的遺傳；豌豆的性狀遺傳以及玉米籽粒的形狀和顏色性狀的遺傳等。其中，還有一個非常重要的經(jīng)典案例，即血型遺傳。自20世紀(jì)初至今,ABO血型遺傳一直是復(fù)等位基因的一個不可缺少的經(jīng)典案例。隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，血型的經(jīng)典內(nèi)涵得到不斷提升，新的研究結(jié)果使血型遺傳所涵蓋的遺傳學(xué)知識點(diǎn)越來越多，內(nèi)容越來越豐富。因此，以我們身邊最常見的表型--血型為案例開展遺傳學(xué)教學(xué)不僅可以將復(fù)雜的知識點(diǎn)簡單化、形象化，便于理解，還可以將繁多的基礎(chǔ)知識串聯(lián)起來，便于記憶。另外，以血型遺傳作為經(jīng)典案例在遺傳學(xué)的教學(xué)中還可以不斷加人新的研究和新的應(yīng)用，使經(jīng)典的內(nèi)涵不斷得到新的提升，讓學(xué)生的視野接觸到前沿的科學(xué)知識，為日后的科研接力打好基礎(chǔ)。

1血型與遺傳學(xué)之間的重要關(guān)系

開展案例教學(xué)，案例的選擇是關(guān)鍵。血型是人類血液由遺傳控制的個體性狀之一，與人類的生活關(guān)系密切，用途廣泛。自1900年到2005年，已檢測出約29個血型系統(tǒng)[21。臨床上最常用的有“ABO血型系統(tǒng)”、“Rh血型系統(tǒng)”、“MN血型系統(tǒng)”和“HLA血型系統(tǒng)”。這些血型系統(tǒng)涵蓋了復(fù)等位基因、基因互作之上位效應(yīng)等遺傳學(xué)的孟德爾定律拓展原理，基因的表達(dá)調(diào)控及群體遺傳等遺傳學(xué)的精髓內(nèi)容。透過這個知識窗口，可以看到遺傳學(xué)在血型中的奧秘。

孟德爾遺傳定律從建立、發(fā)展到不斷拓展完善，一直都是貫穿高校遺傳學(xué)教學(xué)的核心知識點(diǎn)。由于現(xiàn)在大學(xué)生從高中開始就接觸孟德爾定律，如果大學(xué)教學(xué)還是重復(fù)高中階段所涉及的內(nèi)容，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣難以提高。在高中知識的基礎(chǔ)上，開展案例教學(xué)，引入現(xiàn)代遺傳學(xué)在人類血型上的最新認(rèn)識，則不但可以給學(xué)生一種似曾相識的感覺，還能自然地激起他們深入探索的興趣。血型的遺傳特征及生化基礎(chǔ)可以清晰明了地向?qū)W生闡述清楚孟德爾定律的一些重要的延伸知識內(nèi)容。從紅細(xì)胞血型到白細(xì)胞血型，從常見的ABO血型到罕見的孟買、Rh血型，對于假基因、等位基因、復(fù)等位基因和擬等位基因等不容易理解的基因概念以及基因之間的相互作用都可以通過血型案例，把學(xué)生帶入情境之中，在教師的指引下由學(xué)生自己依靠其擁有的基礎(chǔ)知識結(jié)構(gòu)和背景，在血型案例情境中發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題，比較輕松地掌握這些容易混淆不清的概念和一些難以理解的遺傳學(xué)現(xiàn)象，如非等位基因之間的相互作用之上位效應(yīng)等。

此外，人的血紅蛋白基因在不同發(fā)育時期的表達(dá)調(diào)控還涉及遺傳學(xué)中的表型和基因型之間的關(guān)系，真核生物中的基因表達(dá)調(diào)控模式等知識點(diǎn)。對血型相關(guān)的一些遺傳疾病進(jìn)行分析，還可以引申出基因突變和染色體缺失突變及一些重要的遺傳標(biāo)記。血型的遺傳學(xué)檢測方法及臨床上的輸血原則和溶血、血型互配等現(xiàn)象也與受基因表達(dá)調(diào)控的紅細(xì)胞的細(xì)胞膜糖基的特征和生化機(jī)制密切 相關(guān)，引導(dǎo)遺傳學(xué)從理論到實(shí)驗(yàn)，再到實(shí)踐中的應(yīng)用。血型與疾病的關(guān)聯(lián)分析，把科研思維引入高校遺傳學(xué)教學(xué)中，讓學(xué)生緊跟時展的步伐，理論聯(lián)系實(shí)際，為日后的科研工作打好基礎(chǔ)。

遺傳學(xué)中兩大重要的主題是遺傳和變異，主要包括孟德爾遺傳和連鎖遺傳、基因突變和染色體畸變。通過以復(fù)旦大學(xué)遺傳學(xué)教學(xué)大綱為參考，與劉祖洞主編的《遺傳學(xué)》和喬守怡主編的《現(xiàn)代遺傳學(xué)》教材內(nèi)容相比較發(fā)現(xiàn)，血型遺傳案例除了與上述遺傳學(xué)四大內(nèi)容關(guān)聯(lián)外，還涉及到基因的表達(dá)調(diào)控、群體遺傳、表觀遺傳等知識點(diǎn)，其中大部分知識點(diǎn)都是要求學(xué)生重點(diǎn)掌握的內(nèi)容。目前，血型案例所涵蓋的主要遺傳學(xué)知識內(nèi)容及在遺傳學(xué)學(xué)科中的重要意義的歸納見表1。因此，把血型作為經(jīng)典案例，開展遺傳學(xué)的案例教學(xué)既貼近生活，引發(fā)學(xué)生深刻的思考，又能代表性地進(jìn)一步闡述探討遺傳學(xué)的生物知識。

2血型案例在遺傳學(xué)教學(xué)中的開展

在以血型為案例的教學(xué)過程中，我們首先根據(jù)高校遺傳學(xué)的教學(xué)目標(biāo)和培養(yǎng)目標(biāo)的要求，在學(xué)生掌握了一些遺傳學(xué)的基礎(chǔ)知識和理論知識的基礎(chǔ)上，結(jié)合遺傳學(xué)的教學(xué)進(jìn)度逐步有序地進(jìn)行介紹：1.血型基本知識介紹；2.紅細(xì)胞血型的細(xì)胞膜糖基特征和生化機(jī)制；3.紅細(xì)胞血型與輸血；4.血型的遺傳學(xué)規(guī)律特征，包括(I)ABO血型復(fù)等位基因遺傳及其應(yīng)用，（II)ABO血型基因的克隆，（III)ABO血型的遺傳學(xué)鑒定；5.ABO血型的拓展，包括(I)孟買血型與擬孟買血型，（II)紅細(xì)胞血型與白細(xì)胞血型。下面主表1血型與高校遺傳學(xué)教學(xué)的重要關(guān)系

要選取兩個方面闡述在遺傳學(xué)教學(xué)中的開展過程。

    2.1血型基本知識在教學(xué)中的開展

ABO血型系統(tǒng)是第一個被描述的紅細(xì)胞血型系統(tǒng)，也是最具有臨床意義的一個系統(tǒng)。因此，在進(jìn)行血型基本知識介紹時往往以ABO血型為例。隨著以分子生物學(xué)為基礎(chǔ)的血型研究的發(fā)展，ABO血型的基因遺傳背景目前已比較清楚。在介紹血型基因的基本知識同時也涵蓋著遺傳學(xué)知識的傳播，而且隨著血型基因知識的不斷豐富完善，涵蓋的遺傳學(xué)知識也越來越廣泛。

ABO血型由3個復(fù)等位基因控制，即iA、產(chǎn)和i°o在開展遺傳學(xué)相關(guān)教學(xué)活動時，一般都用此作為分析生物界中復(fù)等位現(xiàn)象的經(jīng)典例證。這些基礎(chǔ)知識對于高校學(xué)生來說可能在高中的時候就已經(jīng)獲得。因此，在大學(xué)開展相關(guān)教學(xué)時，除了簡單介紹這3個主要的復(fù)等位基因外，還可以深入講述新的研究結(jié)果，到目前為止通過分子生物學(xué)方法已經(jīng)確定了160多個^50等位基因，只是目前國際上以4川7基因作為等位基因的參比序列，其他基因均與其緊密相關(guān)，非常保守。在此基礎(chǔ)上ABO血型又可分為許多亞群，其中A血型表現(xiàn)出最多的亞型。在紅細(xì)胞血型系統(tǒng)中還有一種Rh血型，分為Rh陽性和Rh陰性。Rh血型主要由3個緊密連鎖的基因D/d、C/c、E/e決定，這3個基因以單倍型方式傳遞，屬于擬等位基因。這樣在講解原有知識基礎(chǔ)上，又不局限于原有知識范圍，由ABO血型到Rh血型，由復(fù)等位基因引出擬等位基因，在教學(xué)方法上可以通過相互比較，舉例分析，擴(kuò)大學(xué)生的知識面，提

高他們的學(xué)習(xí)興趣。

人類的血型是不是一生恒定不變的？面對這個問題，很多學(xué)生都會認(rèn)為血型是由遺傳決定，不會改變。其實(shí)人類的血型也會發(fā)生變異，如急性白血病以及再生障礙性貧血可以使血型抗原減弱，骨髓增生異常綜合征可以導(dǎo)致血型抗原丟失等。而且，健康人也存在血型變異的現(xiàn)象，但是這個是與細(xì)胞表面血型物質(zhì)受到掩蓋以及人體存在一些稀有ABO等位基因有關(guān)。這些新的知識可以向?qū)W生很好地展示“遺傳和變異”，利用身邊的血型案例調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，使他們積極主動地掌握遺傳學(xué)的精髓。

此外，最近幾年疾病引發(fā)基因甲基化和突變的研究'又可以結(jié)合表觀遺傳學(xué)的內(nèi)容開展教學(xué)。

2.2紅細(xì)胞血型的細(xì)胞膜糖基特征和生化機(jī)制在教學(xué)中的開展

人類ABO基因位于9號染色體長臂(9q34)，其基因產(chǎn)物是一些專一性的糖基轉(zhuǎn)移酶，可以催化血型抗原前體特定部位的糖基轉(zhuǎn)移，從而控制ABO血型抗原的生物合成。其中4基因編碼產(chǎn)物為N-乙酰-D-半乳糖胺轉(zhuǎn)移酶(簡稱A酶)，可以產(chǎn)生常見的A抗原；S基因編碼產(chǎn)物ci-l，3-D-半乳糖轉(zhuǎn)移酶(簡稱B酶)，可以產(chǎn)生常見的B表面抗原；和S基因同時存在產(chǎn)生的等位基因，其編碼產(chǎn)物具有A酶和B酶的特異性，在紅細(xì)胞表面上產(chǎn)生不同強(qiáng)度的A和B抗原；而O基因則是第258位和第349位堿基缺失導(dǎo)致的密碼子移位，使終止密碼提前出現(xiàn)，合成了無酶活性的短肽，因而體內(nèi)沒有A酶和B酶，也不能催化糖基轉(zhuǎn)移，只有前體物質(zhì)H的產(chǎn)生為H抗原(圖1)。因此ABO血型有時也稱為八811型[71。這樣，不同的、B、0基因編碼不同的多肽，產(chǎn)生具有不同功能的糖基轉(zhuǎn)移酶，非常簡單地引出了遺傳學(xué)中經(jīng)典的基因與酶的關(guān)系的“一個基因一條多肽(一個基因一個酶)假說”,使學(xué)生很容易獲得一個基因決定一條相應(yīng)的多肽鏈(酶)的結(jié)構(gòu)，并相應(yīng)地

影響這個多肽(以及由單條或多條多肽鏈組成的酶）的功能這種遺傳學(xué)思想，達(dá)到良好的教學(xué)效果。

此外，最新研究發(fā)現(xiàn)ABH抗原除表達(dá)在血細(xì)胞表面以外，還可以出現(xiàn)在除腦脊液外的分泌液中；有大約80%的個體具有產(chǎn)生這些可溶性抗原的遺傳基因；這種分泌抗原的表達(dá)由雙結(jié)構(gòu)基因控制，即第19號染色體2個緊密連鎖的Ft/n(用和基因座。ABO血型抗原都由前體H物質(zhì)合成，SeAe基因和丑冷基因都可以控制合成H物質(zhì)；簡單來說，基因的表達(dá)決定體液中是否出現(xiàn)ABH抗原，H/h基因的表達(dá)決定紅細(xì)胞上是否出現(xiàn)ABH抗原。但是，并不是所有帶m基因的個體唾液中都分泌ABH物質(zhì)，還要受到Wh基因的制約，其中hh型(即孟買型)均為非分泌型[7]。這樣又引出了遺傳學(xué)中一個很重要的概念--上位基因，很重要的遺傳學(xué)現(xiàn)象--上位效應(yīng)。這些屬于遺傳學(xué)中基因互作的重點(diǎn)內(nèi)容，而且發(fā)生基因相互作用的非等位基因仍然遵循孟德爾分離和自由組合定律，后代的基因型及其比例是可預(yù)計(jì)的，所以在遺傳學(xué)教學(xué)中還可用于親子鑒定、重大遺傳疾病的關(guān)聯(lián)分析、人種演化、群體遺傳分析等相關(guān)內(nèi)容。

2.2相關(guān)技術(shù)的拓展應(yīng)用

ABO血型的分子檢測是分子遺傳學(xué)教學(xué)中PCR技術(shù)拓展應(yīng)用的案例。血型基因的表達(dá)影響血型的表現(xiàn)型，表型相同的個體其基因型不一定相同。如何區(qū)分iAiA、Pi0在表現(xiàn)型都是A型和iBiB、iBi0在表現(xiàn)型都是B型的個體，可以根據(jù)A、B、0血型基因堿基的差異，應(yīng)用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)-限制性片段多態(tài)性(PCR-RFLP)技術(shù)分型人類ABO血型的方法。這種方法可以對個體血型(血型基因型)進(jìn)行判定：是屬于AA型、AO型，還是BB型或BO型。在這個基礎(chǔ)上，我們進(jìn)行了改進(jìn)，并結(jié)合教學(xué)進(jìn)程，作為自選實(shí)驗(yàn)在學(xué)生中開設(shè)，獲得了學(xué)生的好評。在135個學(xué)生中開展自選實(shí)驗(yàn)，其中有80%的學(xué)生選擇ABO血型鑒定這個實(shí)驗(yàn)，并表示對這個實(shí)驗(yàn)很感興趣。

此外，還可通過分析核苷酸來確定分泌型ABH血型的Se基因型。主要基因分型技術(shù)有：（l)PCR-序列特異性引物(PCR-SSP)，這是一種新的基因多態(tài)性分析技術(shù)，根據(jù)基因座某一堿基的差異設(shè)計(jì)一系列引物，特異性引物僅擴(kuò)增與其對應(yīng)的等位基因， 而不擴(kuò)增其他的等位基因；（2)PCR-DNA測序法，先通過PCR擴(kuò)增基因的主要片段，然后測定序列;(3)PCR-限制性內(nèi)切酶法，用對位點(diǎn)特異的限制性內(nèi)切酶消化基因，再通過Southernblot分析來確定。目前，PCR-SSP常用于胎兒血型鑒定及白血病引起的血型抗原異常等血型鑒定。隨著450基因結(jié)構(gòu)和研究方法的迅速發(fā)展，AB0血型定型也將進(jìn)入基因定型的時代，揭示更多的關(guān)于AB0基因和AB0血型表觀遺傳學(xué)等方面的奧秘。

在教學(xué)過程中還可以設(shè)計(jì)一系列與血型相關(guān)的論題，引導(dǎo)學(xué)生査閱相關(guān)方面的最新進(jìn)展，總結(jié)出血型與人類疾病和性格之間的關(guān)系以及蘊(yùn)涵的遺傳學(xué)原理。學(xué)生可以分組制作PPT討論，還可針對某一論題，學(xué)生組隊(duì)分為正反兩方，開展辯論式討論。一學(xué)期可以安排一次課時(45分鐘)開展辯論式討論,前30分鐘讓學(xué)生正反方陳述觀點(diǎn)，列舉證據(jù)開展辯論，后15分鐘用于總結(jié)和點(diǎn)評。在這個模式下，幾乎所有的學(xué)生都積極主動地參與進(jìn)來，將引導(dǎo)、鼓勵與考評相結(jié)合，充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性[11]。開展“血型是否可以決定性格”類似專題的辯論式討論，既增加了遺傳學(xué)教學(xué)的興趣性及可接受性，還可以使學(xué)生的思維在辨析中得到操練。正反兩方隊(duì)員通過收集資料和案例，與同學(xué)辯論解釋的過程中，不僅掌握了深奧的科學(xué)知識，而且還與現(xiàn)實(shí)生活相聯(lián)系，并且將遺傳學(xué)應(yīng)用于實(shí)際，填補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)在知識靈活認(rèn)知與實(shí)踐中的不足。

3以血型為案例開展遺傳學(xué)教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)

作為日常生活中被人們廣泛熟知的遺傳學(xué)常識，血型遺傳學(xué)的研究歷程符合遺傳學(xué)的發(fā)展規(guī)律與教學(xué)規(guī)劃，其作為遺傳學(xué)教學(xué)案例有著不可替代的優(yōu)勢：

篇7

【關(guān)鍵詞】早期經(jīng)驗(yàn)；幼兒；表觀遺傳學(xué)；大腦結(jié)構(gòu)發(fā)育

【中圖分類號】G610 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1004-4604（2017）03-0027-06

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在基因組中除DNA和RNA序列外，還存在其他能夠調(diào)控基因的信息。雖然這些信息無法改變基因序列，但可以通過其他方式影響和調(diào)節(jié)遺傳基因的功能和特性，并通過發(fā)育和細(xì)胞增殖過程穩(wěn)定傳遞這些功能和特性，這就是表觀遺傳。表觀遺傳學(xué)是研究在基因DNA序列不發(fā)生改變的情況下，基因表達(dá)的可遺傳變化。換言之，可將其理解為環(huán)境因素與遺傳因素之間的相互作用，即生活環(huán)境與經(jīng)驗(yàn)對個體基因表達(dá)的影響。科學(xué)家運(yùn)用表觀遺傳學(xué)來解釋為何環(huán)境、飲食等外在因素可以改變生物體的表現(xiàn)型，甚至改變基因型。

大腦發(fā)育對早期經(jīng)驗(yàn)和環(huán)境非常敏感，其結(jié)構(gòu)的成熟和基礎(chǔ)功能的好壞取決于發(fā)育時期的主觀和客觀環(huán)境。生理活動創(chuàng)造的經(jīng)驗(yàn)會強(qiáng)烈影響大腦的結(jié)構(gòu)，也極大地影響著由基因調(diào)控的神經(jīng)細(xì)胞的化學(xué)變化。〔1〕研究顯示，有早期不良經(jīng)驗(yàn)的兒童在大腦容量、大腦皮層發(fā)育和大腦結(jié)構(gòu)方面都與無早期不良經(jīng)驗(yàn)的兒童有著顯著差異。〔2〕生理活動創(chuàng)造的經(jīng)驗(yàn)會導(dǎo)致表觀遺傳的變化，控制神經(jīng)細(xì)胞中基因的表達(dá)。〔3〕早期經(jīng)驗(yàn)對幼兒大腦結(jié)構(gòu)發(fā)育的影響詳述如下。

一、社會信息獲得

幼兒與撫養(yǎng)者的交流，是其社會性發(fā)展的重要途徑之一。幼兒通過與撫養(yǎng)者交流來獲得社會信息，并逐漸學(xué)會情緒辨別。研究表明，幼兒在出生后的0～3個月里就已經(jīng)形成社會和情緒腦機(jī)制的核心腦區(qū)，〔4〕且在此后的一段時間里會繼續(xù)發(fā)生改變。

幼兒對外界刺激的學(xué)習(xí)可以促進(jìn)大腦高級功能的發(fā)育。例如，觀察卡通面孔或類似視覺組合符號，能夠激活右半球，有利于幼兒腦內(nèi)視覺系統(tǒng)與邊緣系統(tǒng)的整合。〔5〕這種整合可以促進(jìn)幼兒情緒能力及處理其他視覺刺激類型能力的發(fā)展。〔6〕同時，兒童期是大腦網(wǎng)絡(luò)區(qū)域合作和功能連通性發(fā)展的關(guān)鍵時期。神經(jīng)連通性方面的缺陷對于解釋學(xué)習(xí)困難和自閉癥有重要意義。〔7〕

二、師幼關(guān)系

新近的科學(xué)研究揭示了情感發(fā)展依賴于多個腦區(qū)中復(fù)雜的神經(jīng)回路的形成、成熟和相互關(guān)聯(lián)，包括前額葉皮層、邊緣系統(tǒng)、基底前腦、杏仁核、下丘腦和腦干等。這些包含了情感調(diào)節(jié)的腦回路又和那些與“執(zhí)行功能”（如計(jì)劃、判斷和決策等）相關(guān)的腦回路相互影響。良好的情感會增強(qiáng)執(zhí)行功能，反之則會削弱。〔8〕隨著幼兒的發(fā)展，其情感經(jīng)驗(yàn)會被逐漸內(nèi)化到其大腦結(jié)構(gòu)之中。

研究發(fā)現(xiàn)，幼兒與教師之間安全的依戀關(guān)系，能促進(jìn)其認(rèn)知發(fā)展，提高其注意能力和閱讀技能。若幼兒與教師沒有建立正常的依戀關(guān)系，則會影響其認(rèn)知發(fā)展。例如，未與教師建立正常依戀關(guān)系的幼兒往往表現(xiàn)出較弱的口頭表達(dá)能力、計(jì)算能力和言語理解能力，且在總體學(xué)術(shù)成就上落后于師幼間依戀關(guān)系良好的幼兒。〔9〕教師的情感支持會對幼兒的大腦發(fā)育造成影響。對幼兒唾液中的皮質(zhì)醇含量和α-淀粉酶測定發(fā)現(xiàn)，較低教師情感支持的幼兒可能處于慢性應(yīng)激狀態(tài)，其HPA軸（下丘腦-垂體-腎上腺軸）與交感神經(jīng)系統(tǒng)活動均比有較高教師情感支持的幼兒強(qiáng)，顯示其緊張和壓力程度較后者高。〔10〕

三、撫養(yǎng)者抑郁

撫養(yǎng)者抑郁會影響親子關(guān)系，危害幼兒的健康成長，尤其是長期和嚴(yán)重的母親抑郁。

幼兒與成人之間的互動，就像乒乓球中的發(fā)球和接球，是經(jīng)驗(yàn)積累的有效途徑。〔11〕例如，當(dāng)嬰兒牙牙學(xué)語時，成人用眼神、手勢或語言予以恰當(dāng)回應(yīng)，這將會讓嬰兒在大腦中建立相應(yīng)鏈接，從而達(dá)到支持和強(qiáng)化其交流和社會技能發(fā)展的目的。一旦抑郁影響了撫養(yǎng)者為嬰幼兒及時提供恰當(dāng)回應(yīng)的能力，嬰兒大腦中本該形成的鏈接將無法建立。可以說，是否生活在一個能夠得到恰當(dāng)回應(yīng)的環(huán)境里，決定了嬰幼兒大腦結(jié)構(gòu)發(fā)展的強(qiáng)弱，這是個體以后學(xué)習(xí)和行為發(fā)展的基礎(chǔ)。

神經(jīng)科學(xué)研究表明，當(dāng)母親有慢性抑郁癥時，會通過兩種病態(tài)的養(yǎng)育模式破壞親子間的“發(fā)球和接球互動”：敵意-侵入模式和脫離-沉默模式。〔12〕處于敵意或侵入狀態(tài)的母親看似在以某種方式“發(fā)球”，卻會使幼兒的“接球”變得困難。相反，若母親是脫離和撤退的，幼兒則會成為發(fā)球者，而母親卻沒有接球。在以上兩種情況中，患抑郁癥的母親都不能為幼兒提供積極、和諧的互動，將對幼兒的大腦結(jié)構(gòu)發(fā)展產(chǎn)生不利影響。一旦親子間建立起的是一種消極互動，即使隨后母親的抑郁情緒有所改善，這種互動模式也將持續(xù)，并可能使幼兒和其他重要成人間也產(chǎn)生消極的互動。〔13〕

除母親等撫養(yǎng)者外，幼兒園教師作為幼兒在幼兒園的主要接觸者，其抑郁也會對幼兒的大腦結(jié)構(gòu)發(fā)育造成顯著影響。研究表明，教師的抑郁程度與幼兒在園內(nèi)表現(xiàn)出的行為問題次數(shù)呈顯著正相關(guān)。〔14〕

四、虐待與忽視

嬰兒在6～12個月時就有了恐懼體驗(yàn)并具有將恐懼從其他情緒中區(qū)分開來的能力。如果幼兒生長在父母有心理健康問題、藥物濫用、家庭暴力或社區(qū)暴力的環(huán)境中，又或初入幼兒園時適應(yīng)困難，但被幼兒園教師忽視、責(zé)罵等，都會使幼兒出現(xiàn)持續(xù)恐懼和焦慮情緒，情感發(fā)展會受到很大威脅。〔15〕研究表明，消極經(jīng)驗(yàn)，如虐待和暴力等，會導(dǎo)致幼兒產(chǎn)生恐懼和慢性焦慮情緒。如若這種壓力反應(yīng)系統(tǒng)長期被激活，會導(dǎo)致其恐懼和慢性焦慮情緒過載。幼年的持久恐懼和慢性焦慮可以通過擾亂大腦的發(fā)展架構(gòu)而造成終身的不良后果。〔16〕持續(xù)恐懼和焦慮還會削弱幼兒感知和回應(yīng)威脅的能力，使其失去區(qū)分安全和危險的能力，嚴(yán)重的焦慮和恐懼還會影響幼兒的學(xué)習(xí)能力和執(zhí)行功能發(fā)展。

1.虐待

幼兒遭遇的虐待主要有：（1）身體虐待，如毆打、體罰。（2）精神虐待，如言語攻擊。（3）待。任何類型的虐待都會對幼兒的大腦發(fā)育帶來負(fù)面影響，如家庭暴力、社區(qū)暴力和幼兒園虐待等。

在教師辱罵中成長的幼兒，其表情加工能力往往出現(xiàn)異常，對負(fù)性情緒更加敏感。幼兒和易怒、有攻擊性的撫養(yǎng)者或教育者互動，容易產(chǎn)生恐懼和焦慮情緒，可能導(dǎo)致潛在的應(yīng)激有害化學(xué)物質(zhì)增加。〔17〕這種反復(fù)出現(xiàn)的生理反應(yīng)不僅會影響幼兒大腦發(fā)育，阻滯幼兒的學(xué)習(xí)能力發(fā)展，增加情感障礙的風(fēng)險，〔18〕而且可能造成器質(zhì)性、生理功能性損傷，導(dǎo)致幼兒情緒緊張、認(rèn)知功能低下，出現(xiàn)心理障礙。〔19〕對遭遇過待或有其他童年受虐待經(jīng)驗(yàn)的兒童進(jìn)行的磁共振掃描發(fā)現(xiàn)，其海馬、胼胝體及額葉的體積減小，這些腦區(qū)結(jié)構(gòu)和功能的改變會影響兒童的學(xué)習(xí)、記憶、情緒控制、同伴交往及左右半球的信息傳遞。〔20〕

研究者對虐待影響大腦發(fā)育的原因做了解釋：虐待導(dǎo)致幼兒長期處于高壓狀態(tài)，造成有關(guān)焦慮反應(yīng)和恐懼反應(yīng)的神經(jīng)回路和相關(guān)腦區(qū)被經(jīng)常激活，使得這些神經(jīng)回路和腦區(qū)過度發(fā)育，而其他功能的神經(jīng)回路和腦區(qū)則出現(xiàn)發(fā)展延緩現(xiàn)象。〔21〕同時，虐待還會導(dǎo)致皮質(zhì)醇受體的數(shù)量減少，致使下丘腦和垂體收到的反饋信息減少，增加了促皮質(zhì)素釋放因子（CRF）的釋放，延長了壓力反應(yīng)。〔22〕

有童年受虐待經(jīng)驗(yàn)的父母在養(yǎng)育子女時常會表現(xiàn)出虐待行為。研究發(fā)現(xiàn)，有兒童期受虐待驗(yàn)的成年人右側(cè)腹外側(cè)前額葉體積較小，且功能受到損害，導(dǎo)致這些成人容易出現(xiàn)情緒失調(diào)和攻擊性，增加出現(xiàn)虐待行為的概率。〔23〕

2.忽視

忽視是指照看者對幼兒缺少照看，包括缺乏對幼兒健康和教育的關(guān)注、缺乏情感支持、無視幼兒生理需求的滿足及危險的防護(hù)等。〔24〕忽視現(xiàn)象不僅會發(fā)生在家庭中，幼兒園里也會產(chǎn)生不同程度的忽視問題。研究表明，忽視對幼兒造成的心理傷害并不亞于其他形式的虐待，其“潛在影響可能是由長期的、彌漫性的、自然的疏忽而產(chǎn)生的。它可能反映出整個家庭、幼兒園功能紊亂的一般性水平”。〔25〕

忽視可能會導(dǎo)致幼兒大腦器質(zhì)性的損傷，同時被忽視的經(jīng)驗(yàn)會導(dǎo)致大腦結(jié)構(gòu)異常，如造成胼胝體縮小。〔26〕Perry 等人發(fā)現(xiàn)，受忽視幼兒會出現(xiàn)大腦腦室增大及皮層萎縮現(xiàn)象。〔27〕遭受嚴(yán)重忽視的幼兒，其大腦皮質(zhì)、邊緣系統(tǒng)及中腦的結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)發(fā)育異常，全腦明顯小于正常幼兒。〔28〕這些被忽視的幼兒對負(fù)性情緒更加敏感，并缺乏情緒控制技巧。〔29〕一些因?yàn)楸缓鲆暥馐莛囸I、寒冷的幼兒，因?yàn)樾枰芯﹃P(guān)注自己的生存情況而導(dǎo)致壓力反應(yīng)系統(tǒng)發(fā)育異常，進(jìn)而造成學(xué)習(xí)、記憶、情緒認(rèn)知等能力的受損。〔30〕

五、幼兒學(xué)習(xí)和游戲經(jīng)驗(yàn)

重復(fù)高度緊張的經(jīng)驗(yàn)會導(dǎo)致表觀遺傳的變化，從而損傷逆境管理系統(tǒng)。而積極的環(huán)境和豐富的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)則會使個體產(chǎn)生積極的表觀遺傳標(biāo)記，激活基因潛力。積極學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)會刺激與激活大腦語言、記憶等回路，進(jìn)而促使表觀遺傳變化，提高學(xué)習(xí)能力。例如，有關(guān)幼兒語言學(xué)習(xí)的研究發(fā)現(xiàn)，語言是大腦不同系統(tǒng)協(xié)作的共同機(jī)能，幼兒在1～3歲時語法信息加工能力的不斷提高會促使大腦左半球后部得到更好的發(fā)展。〔31〕幼兒早期接受藝術(shù)教育也會刺激大腦突觸發(fā)育并刺激左右半球連接，進(jìn)而促使全腦均衡發(fā)展。〔32〕雖然隨著年齡的增長，新的經(jīng)驗(yàn)會繼續(xù)改變表觀基因組，但胎兒和嬰兒時的經(jīng)驗(yàn)可以對腦部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響并持續(xù)一生。〔33〕個體的基因表達(dá)實(shí)際上受很多環(huán)境因素的影響。在幼兒的早期發(fā)展中，基因的表達(dá)處于一種不定時、不定位會發(fā)生改變的開放性狀態(tài)，因而為幼兒提供積極學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)是非常必要的。

游戲是幼兒早期的主要活動和經(jīng)驗(yàn)，是幼兒表達(dá)自我的方式。幼兒通過游戲感知外部世界，并在相互作用中獲得外界的第一手資料。大腦具有高度的經(jīng)驗(yàn)可塑性。游戲可促進(jìn)幼兒音樂、美術(shù)、語言、運(yùn)動、思維、執(zhí)行功能等認(rèn)知能力及其對應(yīng)腦功能的發(fā)展，對與情緒發(fā)展相關(guān)的神經(jīng)回路的建立也有重要作用。

從表觀遺傳學(xué)視角看，除上述早期經(jīng)驗(yàn)可直接影響大腦結(jié)構(gòu)的發(fā)育外，還有一些因素會間接影響大腦結(jié)構(gòu)發(fā)育，如家庭貧富、社會支持、撫養(yǎng)者受教育水平等。

六、對不良早期經(jīng)驗(yàn)的預(yù)防和干預(yù)

綜上所述，早期經(jīng)驗(yàn)可以修改表觀基因組，影響大腦結(jié)構(gòu)的發(fā)育。積極的早期經(jīng)驗(yàn)有助于大腦結(jié)構(gòu)的發(fā)育和其他社會能力的發(fā)展。不良的早期經(jīng)驗(yàn)不僅會損害大腦結(jié)構(gòu)發(fā)育，而且會影響幼兒的環(huán)境適應(yīng)和人際交往能力，故應(yīng)做好早期預(yù)防和干預(yù)工作，從源頭上阻止不良經(jīng)驗(yàn)對大腦結(jié)構(gòu)及功能的傷害。此外，以往認(rèn)為不良早期經(jīng)驗(yàn)造成的表觀基因組的改變是永久的，但近來有動物實(shí)驗(yàn)表明，一些類型的表觀遺傳基因在一定情況下能夠逆轉(zhuǎn)。〔34〕這些研究為不良早期經(jīng)驗(yàn)的干預(yù)和治療提供了支持。

1.創(chuàng)建安全友好的居住環(huán)境

在生命早期，慢性和強(qiáng)烈的恐懼會影響壓力反應(yīng)系統(tǒng)的發(fā)展和情緒記憶的處理。早期暴露于極可怕的事件下（如受虐待等），會嚴(yán)重影響大腦的發(fā)育。尤其是隨著時間的推移不斷重復(fù)發(fā)生的可怕事件，很有可能影響幼兒的學(xué)習(xí)、問題解決及與他人交流能力的發(fā)展。因此，為幼兒提供一個安全友好的居住環(huán)境，讓幼兒遠(yuǎn)離暴力和恐怖事件，有助于幼兒大腦的發(fā)育和學(xué)習(xí)能力的發(fā)展。

2.關(guān)注撫養(yǎng)者的心理健康并為其提供專業(yè)指導(dǎo)

撫養(yǎng)者有嚴(yán)重的心理健康問題，對幼兒的負(fù)面影響比患有生理疾病的影響更大。有研究表明，母親的抑郁在胎兒出生前就會影響胎兒的大腦發(fā)育。抑郁的母親在懷孕期間會產(chǎn)生高水平的應(yīng)激化學(xué)物質(zhì)，減緩胎兒生長并增加流產(chǎn)風(fēng)險，降低胎兒出生后的免疫功能。〔35〕因此，要更多關(guān)注撫養(yǎng)者的心理健康，對已有問題進(jìn)行及時干預(yù)。

3.加強(qiáng)幼兒園教師的培養(yǎng)與管理

教師是除撫養(yǎng)者外幼兒接觸最多的人。作為幼兒的主要教育者，教師不僅需要專業(yè)技能，還需為幼兒建設(shè)積極健康的成長環(huán)境，為其腦結(jié)構(gòu)和功能的發(fā)展創(chuàng)造條件。因此，關(guān)注幼兒園教師的心理健康問題很有必要。幼兒園教師要有健康的心理狀態(tài)，能夠及時覺察自己的消極情緒，如憤怒、抑郁等，并能控制自己的消極情緒，以避免對幼兒造成身體傷害和心理傷害。對有過激行為傾向（如虐待幼兒、打罵或忽視幼兒等）的教師，應(yīng)及早進(jìn)行心理干預(yù)，杜絕因教師的心理健康問題對幼兒大腦發(fā)展可能造成的傷害。

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篇8

[關(guān)鍵詞] 宮頸癌；DKK-3基因啟動子；甲基化；臨床意義

[中圖分類號] R711.74 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-4721（2013）12（b）-0087-03

宮頸癌的發(fā)病機(jī)制與基因啟動子甲基化等表觀遺傳學(xué)改變密切相關(guān)，目前發(fā)現(xiàn)越來越多的基因參與了宮頸癌的發(fā)病，可作為宮頸癌病情及預(yù)后評估的標(biāo)志物[1-2]。Dickkopf相關(guān)蛋白3（Dickkopf-related protein 3，DKK-3）基因具有抑制細(xì)胞增殖作用，與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展、轉(zhuǎn)移及預(yù)后緊密相關(guān)，其基因啟動子甲基化在多種腫瘤中可反映病情及預(yù)后，成為腫瘤基因水平的標(biāo)志物[3-4]。本研究比較了宮頸癌患者和健康女性的DKK-3基因啟動子甲基化狀態(tài)，研究DKK-3基因啟動子甲基化在宮頸癌中的臨床意義，現(xiàn)報道如下。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選擇2009年1月～2012年12月確診的80例宮頸癌患者為研究對象，均經(jīng)臨床表現(xiàn)、體格檢查、影像學(xué)檢查、細(xì)胞學(xué)和病理組織學(xué)檢查確診，年齡31～80歲，平均（50.9±12.7）歲；病理類型：鱗癌53例，腺癌16例，腺鱗癌11例；根據(jù)FIGO 2009分期標(biāo)準(zhǔn)，Ⅰ期16例，Ⅱ期33例，Ⅲ期21例，Ⅳ期10例。另以同期參加健康體檢的80例健康女性作為比較對象，年齡30～80歲，平均（51.1±14.6歲）。兩組研究對象在年齡等一般資料方面比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），具有可比性。

1.2 DKK-3基因啟動子甲基化檢測方法

對所有研究對象宮頸取活檢組織或術(shù)后病理標(biāo)本后立即提取基因組DNA，采用甲基化特異性PCR檢測DKK-3基因啟動子甲基化。將提取的基因組DNA行重硫酸鹽轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化后的樣本進(jìn)行PCR擴(kuò)增。引物采用Methprimer設(shè)計(jì)，序列見表1，反應(yīng)體系為25 μl，反應(yīng)條件為95℃預(yù)變性12 min，95℃變性1 min，64℃退火45 s，72℃延伸45 s，共35個循環(huán)，最后一輪72℃延伸10 min。擴(kuò)增后的產(chǎn)物經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳后檢測。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 11.5統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)數(shù)資料比較采用χ2檢驗(yàn)或Fisher精確概率法計(jì)算，以P

2 結(jié)果

2.1 宮頸癌患者和健康女性DKK-3基因啟動子甲基化的比較

宮頸癌患者中有49例宮頸活檢組織檢測到DKK-3基因啟動子甲基化，甲基化率為61.3%；健康女性中有2例檢測到DKK-3基因啟動子甲基化，甲基化率為2.5%，宮頸癌患者DKK-3基因啟動子甲基化率顯著高于健康女性（P

2.2 不同臨床病理因素中DKK-3基因啟動子甲基化差異的比較

宮頸癌患者宮頸活檢組織DKK-3基因啟動子甲基化率在年齡、吸煙史、酗酒史和病理類型中差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），在HPV感染、分化程度、腫瘤直徑、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移、遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移和FIGO分期中的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P

3 討論

DNA甲基化是表觀遺傳學(xué)最主要的調(diào)控基因表達(dá)方式，是一種非DNA序列改變的轉(zhuǎn)錄前基因調(diào)控，甲基化CG位點(diǎn)導(dǎo)致DNA序列致密化，結(jié)合甲基結(jié)合蛋白后可阻遏轉(zhuǎn)錄因子形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合物從而抑制基因表達(dá)，目前研究發(fā)現(xiàn)DNA甲基化調(diào)控主要集中在富含CG位點(diǎn)的基因啟動子區(qū)域[5]。大量的體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)表明基因啟動子甲基化導(dǎo)致基因處于表達(dá)抑制狀態(tài)，抑癌基因的表達(dá)下降導(dǎo)致正常細(xì)胞失去調(diào)控而癌變，在眾多腫瘤中可檢測到抑癌基因啟動子的甲基化狀態(tài)[6-7]。DKK-3屬于DKK基因家族成員之一，經(jīng)典的DKK家族被認(rèn)為是Wnt信號傳導(dǎo)通路的調(diào)控因子，但目前對DKK-3的功能尚未完全清楚，大多數(shù)研究表明其具有促進(jìn)細(xì)胞凋亡和腫瘤血管產(chǎn)生的作用，在多種腫瘤細(xì)胞中表現(xiàn)為低表達(dá)狀態(tài)[8]。目前研究發(fā)現(xiàn)，DKK-3基因啟動子在消化道腫瘤、呼吸系統(tǒng)腫瘤等眾多腫瘤中處于高甲基化狀態(tài)，且其甲基化與病情及預(yù)后緊密相關(guān)，可作為這些腫瘤的生物標(biāo)志物，較傳統(tǒng)的蛋白質(zhì)水平分子標(biāo)志物具有更高的靈敏度及特異性[9]。本研究提示，宮頸癌患者DKK-3基因啟動子甲基化率顯著高于健康女性，表明與其他腫瘤基本相似，宮頸癌患者DKK-3基因啟動子處于高甲基化抑制狀態(tài)。

本研究比較了不同臨床病理因素下DKK-3基因啟動子甲基化率的差異，發(fā)現(xiàn)分化程度越低、腫瘤直徑越大、有淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移、遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移及FIGO分期晚的宮頸癌患者DKK-3基因啟動子甲基化率高于分化程度越高、腫瘤直徑越小、無淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移、無遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移及FIGO分期早的患者，這些證據(jù)表明DKK-3基因啟動子甲基化與宮頸癌的病情及預(yù)后密切相關(guān)。因?yàn)槟[瘤的分化程度和臨床分期是目前公認(rèn)的與宮頸癌病情及預(yù)后的指標(biāo)，DKK-3基因啟動子甲基化可作為宮頸癌的生物標(biāo)志物，可為宮頸癌的診斷、病情與預(yù)后評估提供證據(jù)，值得一提的是本研究樣本數(shù)較少，且缺乏遠(yuǎn)期隨訪證據(jù)，該結(jié)論有待進(jìn)一步研究。

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篇9

表觀遺傳學(xué)

惡性腫瘤的發(fā)生涉及多種基因功能的異常，導(dǎo)致異常的除了以往我們研究得很多的基因突變、基因缺失等遺傳改變外，近年來表觀遺傳學(xué)成為了研究熱點(diǎn)。1999年Jones等在Nature上撰文“Cancer epigenetics comes of age”[1],表明腫瘤研究進(jìn)入了新的時期。表觀遺傳是指DNA序列不發(fā)生變化，但基因表達(dá)卻發(fā)生了改變，并且此種變化在發(fā)育和細(xì)胞增殖過程中能穩(wěn)定傳遞[2]。表觀遺傳學(xué)的主要研究方向包括以下幾個方面：DNA甲基化修飾；組蛋白修飾(組蛋白的乙酰化、去乙酰化及磷酸化、去磷酸化等)；基因印跡等。和很多傳統(tǒng)遺傳學(xué)改變不同的是，許多表觀遺傳的改變是可逆的，這便為很多疾病尤其是惡性腫瘤的診斷與治療開拓了廣闊的前景。

DNA甲基化概況

DNA甲基化是目前研究得最多的表觀遺傳學(xué)機(jī)制，它是一種常見的DNA修飾，指在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMT）催化下將甲基加到CG二核苷酸的胞嘧啶上，使之變成5′-甲基胞嘧啶（5-mc）的化學(xué)修飾過程[3]。CpG二核苷酸在基因組中呈非隨機(jī)分布，在5′端啟動子區(qū)CpG位點(diǎn)高度聚集在一起，稱為CpG島。目前已經(jīng)研究證實(shí)有三種與DNA甲基化相關(guān)的酶，DNMT1、DNMT3a、DNMT3b，普遍認(rèn)為DNMT3a和DNMT3b可以催化新生甲基化形成，而DNMT1主要在DNA復(fù)制時維持其甲基化狀態(tài)。很多研究都表明，腫瘤細(xì)胞DNA總體甲基化水平低于正常細(xì)胞，但某些CpG島甲基化程度增高。基因組DNA過低甲基化可促進(jìn)雜和性丟失（LOH）[4]，導(dǎo)致基因組有害基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)，例如激活原癌基因，使癌基因或相關(guān)因子得以表達(dá)，胚胎干細(xì)胞在缺乏DNMTl時基因組過低甲基化，宿主保護(hù)機(jī)制削弱，有利于基因組重復(fù)子同源性重組，從而導(dǎo)致整個基因組不穩(wěn)定性增加；此外，在細(xì)胞染色體中心粒劇同存在高度密集甲基化區(qū)域，如果失去致密的甲基，可導(dǎo)致基因損傷和突變。

人類基因組中約有45000個CpG島，雖然僅占基因組DNA 的1 %～2 % ，但存在于所有管家基因和少量組織特異基因的5′端調(diào)控區(qū)。CpG島在正常組織中處于非甲基化狀態(tài)，但在細(xì)胞發(fā)生癌變時某些腫瘤抑制基因啟動子區(qū)的CpG島發(fā)生甲基化，以致這些基因表達(dá)沉默，導(dǎo)致了腫瘤的發(fā)生。概括地講，DNA 甲基化抑制基因表達(dá)的機(jī)理為[5-6]：① 甲基化CpG島直接抑制序列特異性轉(zhuǎn)錄因子與DNA的結(jié)合，從而抑制轉(zhuǎn)錄；② 甲基化CpG激活阻遏蛋白因子從而抑制轉(zhuǎn)錄；③ 甲基化CpG與甲基化CpG結(jié)合蛋白家族成員結(jié)合，通過組氨酸去乙酰化酶作用抑制轉(zhuǎn)錄；④ 甲基化CpG的甲基化胞嘧啶突入雙螺旋主溝，抑制轉(zhuǎn)錄因子與DNA的結(jié)合。DNA 甲基化能增加基因突變率。5一甲基胞嘧啶可自發(fā)或在S_腺苷蛋氨酸作用下引起鄰位脫氨而使甲基化CpG變成TpG，這種突變能力較非甲基化的CpG 高12倍[7]。

隨著研究的深入，腫瘤發(fā)生的經(jīng)典“二次打擊理論”并不能解釋某些惡性腫瘤其DNA序列完整，沒有突變、缺失，但其腫瘤抑制基因卻表達(dá)失活；也無法解釋MMR（錯配修復(fù)系統(tǒng)）在沒有突變情況下，其相關(guān)基因?yàn)楹问Щ睢NA甲基化理論很好的解釋了上述現(xiàn)象，因此又被稱為“腫瘤發(fā)生的第三種機(jī)制”[8]，由此拓寬了腫瘤研究的視野，CpG島甲基化對腫瘤抑制基因失活的關(guān)鍵作用越發(fā)凸現(xiàn)出來，成為腫瘤研究熱點(diǎn)也不足為奇。

CpG島甲基化與腫瘤

CpG島甲基化與惡性腫瘤、衰老與某些遺傳性疾病[9-10]有關(guān)，很多研究表明在乳腺癌、頭頸腫瘤、肝癌、肺癌、胰腺癌、胃癌、結(jié)腸癌等多種惡性腫瘤[11-13]中不同程度的存在一個或多個腫瘤抑制基因CpG島甲基化。

Esteller等[14]對600 份標(biāo)本予以甲基化檢測,包括12種基因:腫瘤抑制基因 （p16INK4a ,p15INK4b ,p14ARF ,p73 ,APC ,BRCA1) ,DNA修復(fù)基因( hMLH1 , GSTP1 ,MGMT) 以及轉(zhuǎn)移、浸潤相關(guān)基因(CDH1 ,TIMP3 ,DAPK) ]和15 種腫瘤(結(jié)腸癌、胃癌、食道癌、胰腺癌、肝癌、腎癌、肺癌、頭頸部腫瘤、乳腺癌、卵巢癌、子宮內(nèi)膜癌、膀胱癌、腦瘤、白血病和淋巴瘤) ,從中得出許多重要信息,提出建立某些腫瘤的甲基化圖譜的設(shè)想,為早期診斷、治療以及預(yù)后判斷提供依據(jù)。

Fukai等[15]早期及進(jìn)展期肝癌中都檢測到,p16INK4a 基因啟動子甲基化而引起其轉(zhuǎn)錄失活。Yang等[16]研究51 例肝細(xì)胞癌組織中多個相關(guān)基因的甲基化狀態(tài),結(jié)果多基因發(fā)生甲基化: SOCS21 ( 65 %) , GSTP ( 54 %) , APC ( 53 %) , Ecadherin(49 %) 及p15 (49 %) ,其中53 %的肝細(xì)胞癌有兩個以上的抑癌基因甲基化,而在正常組織中為0 %。結(jié)果顯示,抑癌基因的甲基化是肝細(xì)胞癌發(fā)生過程中的普遍事件,說明DNA 甲基化與基因轉(zhuǎn)錄活性和表達(dá)呈負(fù)相關(guān),且對腫瘤形成起到重要作用。Corn[17]對31 例食管腺癌的Ecadherin 基因甲基化狀態(tài)進(jìn)行研究,84 %的病例發(fā)生甲基化,而相應(yīng)的正常組織大多為非甲基化;同時對4 例正常的食管組織進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)其正常鱗狀細(xì)胞上皮沒有1 例發(fā)生甲基化。Ecadherin 發(fā)生甲基化是其失活的一個重要原因,可能是引起食管腺癌重要原因。所以DNA 甲基化狀態(tài)改變是抑癌基因失活方式之一,是致癌的一個關(guān)鍵因素。Kang、Waki [18-19]對非腫瘤胃黏膜和胃癌組織進(jìn)行P16、hMLH1、DAP2kmase、Ecadherin、THBS1 及TIMP2S 等基因檢測后發(fā)現(xiàn),相關(guān)基因CpG島高甲基化在胃癌發(fā)生過程中可較早出現(xiàn),并趨向與胃癌發(fā)生過程相一致,提示相關(guān)基因甲基化可作為診斷早期胃癌的一項(xiàng)較為敏感的指標(biāo)。

DNA甲基化檢測方法

盡管DNA甲基化對細(xì)胞的生物活性有重要的影響，但對它的檢測要比檢測DNA的堿基序列相對困難。這主要是由于甲基化的胞嘧啶并不影響C：G核苷酸的配對，并且在聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)過程中，胞嘧啶上的甲基通常會被丟失。隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在檢測甲基化的手段也豐富起來，不僅可探測某段DNA序列的甲基化分布，而且還能大通量地了解整個基因組甲基化的程度。本文著重介紹應(yīng)用普遍、易于開展的兩種方法：

(一)亞硫酸氫鈉法(Sodium Bisulfite法):亞硫酸氫鈉可將非甲基化胞嘧啶轉(zhuǎn)化為尿嘧啶，后者經(jīng)聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)擴(kuò)增克隆變成胸腺嘧啶而產(chǎn)生T:A配對，但對甲基化的胞嘧啶亞硫酸氫鈉則沒有作用，這樣甲基化狀態(tài)不同的DN段就可轉(zhuǎn)化為有堿基序列差異的2個片段。這種方法對小樣本有很好的檢測能力，是現(xiàn)在研究的主流方法，細(xì)分為以下兩種。

（1）甲基化特異性PCR(MS―PCR)：通常在亞硫酸氫鈉處理后，分別針對目的片段完全甲基化的情況和完全非甲基化的情況設(shè)計(jì)引物。這樣樣本DNA即可根據(jù)自身的甲基化狀態(tài)分別在相應(yīng)的PCR組中進(jìn)行擴(kuò)增，并將結(jié)果通過凝膠電泳圖像顯示出來。根據(jù)擴(kuò)增條帶所在的PCR組可判斷樣本中甲基化的狀況。MS―PCR的特異性很高，操作簡便，費(fèi)用和耗時都較小，但只能部分檢測DNA甲基化的狀態(tài)。對MS―PCR進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)后，設(shè)計(jì)出半巢式PCR 和巢式PCR ；而改進(jìn)的實(shí)時MS―PCR 可對產(chǎn)物進(jìn)行定量分析。這些方法都可提高M(jìn)S―PCR的靈敏性。

（2）亞硫酸氫鈉法依賴的基因測序法(BSP bisulfite sequence-PCR)：是一種對DNA樣本進(jìn)行亞硫酸氫鈉處理和PCR擴(kuò)增克隆及DNA測序結(jié)合的檢測方法。然后，根據(jù)核苷酸序列中C―T轉(zhuǎn)化情況可判斷樣本中的甲基化狀態(tài)，如與原序列比較，發(fā)生了C―T的轉(zhuǎn)變，則表示該處未發(fā)生甲基化，如沒有C―T轉(zhuǎn)變，則發(fā)生甲基化。此方法通過測序可獲得樣本DNA序列中較全面的甲基化信息。

以上兩種方法大體過程有很多相似之處，但在引物的設(shè)計(jì)上有較大差別，BSP引物不包括CpG位點(diǎn)，在CpG位點(diǎn)的上下游，擴(kuò)增后通過測序檢測該位置的甲基化狀態(tài)(測序如果CG不變則為甲基化，如果CG變?yōu)門G則為非甲基化）。MSP是根據(jù)修飾后甲基化和非甲基化的引物不同擴(kuò)增出不同的條帶而判斷是否為甲基化(只擴(kuò)增出MSP條帶表明為甲基化，如果擴(kuò)增出USP則表明為非甲基化)。

(二)甲基化敏感的限制性內(nèi)切酶法: 一些限制性內(nèi)切酶可識別位點(diǎn)中含有的CpG雙核苷酸序列，并結(jié)合非甲基化的識別序列，而對發(fā)生甲基化的序列則無結(jié)合活性。在此基礎(chǔ)上，可設(shè)計(jì)出許多檢測甲基化的方法。這些方法分為兩大類：一種是檢測某個DNA序列或基因甲基化狀態(tài)的方法。如Southern法，甲基化敏感的限制性圖譜(MSRF法)；另一種是檢測整個基因組或大通量檢測許多基因的方法，如限制性標(biāo)志物全基因組掃描(RLGS)、差異性甲基化雜交分析(DMH)和甲基化CpG島擴(kuò)增子分析(MCA)等。這種方法易進(jìn)行自動化和大通量基因檢測。

治療和應(yīng)用前景

與基因突變不同,腫瘤發(fā)生中DNA甲基化等表觀遺傳學(xué)事件的發(fā)生是可以逆轉(zhuǎn)的。因此,在惡性腫瘤和癌前病變中通過去甲基化處理可以恢復(fù)某些關(guān)鍵性抑癌基因的功能而起到預(yù)防和治療腫瘤的作用。由甲基化引起基因沉默而出現(xiàn)的腫瘤,可通過DNA甲基轉(zhuǎn)移酶非競爭性或競爭性抑制劑抑制甲基化的發(fā)生,活化沉默的抑癌基因,從而達(dá)到治療腫瘤的目的。去甲基化藥物: 5-氮胞苷(5-azacytidine)和5-氮- 2′-脫氧胞苷(5-Aza-2′- deoxycytidine)及其衍生物可以抑制甲基轉(zhuǎn)移酶活性,在一些難治性腫瘤,特別是在白血病治療方面已取得了一定的療效[22]。應(yīng)用反義寡核苷酸,針對DNMT1mRNA 的反義寡核苷酸能降低DNMT1蛋白水平,誘導(dǎo)去甲基化和腫瘤抑制基因p16 的再表達(dá),也能抑制小鼠模型腫瘤的生長。這種療法已進(jìn)入臨床一期試驗(yàn),顯示一定抗腫瘤活性。章?lián)P培[20]等從1987 年始,先后進(jìn)行了20 株中國人腫瘤細(xì)胞系甲基轉(zhuǎn)移酶(MGMT) 活性與對烷化劑亞硝脲耐藥性的研究,分析患者M(jìn)GMT 水平,此為依據(jù)對MGMT水平調(diào)節(jié),可對患者實(shí)施不同的烷化劑治療方案。

由于DNA甲基化對基因抑制是多種腫瘤都有的特性，且腫瘤的發(fā)生常常涉及多個抑癌基因的失活，各種腫瘤都有各自不同的抑癌基因失活，而去甲基化藥物針對的是整個基因組而不是特定的基因，可同時恢復(fù)多個抑癌基因的表達(dá)。但同時這也使得腫瘤中的很多致癌基因由于去甲基化而甲基化程度更低，導(dǎo)致了他們的表達(dá)增加，相反又促進(jìn)了腫瘤的發(fā)生，所以一些臨床試驗(yàn)用去甲基化藥物治療實(shí)體腫瘤的效果還不是很理想[21],應(yīng)用前景受到了限制。因此理想的藥物應(yīng)該是特異性的甲基化劑而不是非選擇性的去甲基化劑，這需要我們更深一步的研究和探討。

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篇10

【關(guān)鍵詞】組合數(shù)學(xué) 教學(xué)方法 生物醫(yī)學(xué) 生物信息學(xué)

【中圖分類號】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）09-0132-02

伴隨著信息時代的來臨，特別是生物醫(yī)學(xué)科學(xué)研究的迅猛發(fā)展，尤其是生物信息學(xué)這門科學(xué)的出現(xiàn)使得原來的生物醫(yī)學(xué)研究向低通量的臨床數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)向高通量分子生物學(xué)數(shù)據(jù)。組合數(shù)學(xué)作為一門應(yīng)用性較強(qiáng)的數(shù)學(xué)分支，在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用廣泛，面對多因素高通量的生物醫(yī)學(xué)問題，增加高等學(xué)校，特別是生物信息學(xué)專業(yè)學(xué)生的組合數(shù)學(xué)知識，培養(yǎng)他們運(yùn)用組合數(shù)學(xué)方法分析和解決生物醫(yī)藥科學(xué)問題的能力已經(jīng)成為必要。如何在教學(xué)過程中提高學(xué)生學(xué)習(xí)組合數(shù)學(xué)的興趣，建立組合數(shù)學(xué)的邏輯思維用于解決醫(yī)學(xué)問題是我們教育工作者需要思考的問題。

一、高等學(xué)校組合數(shù)學(xué)的特點(diǎn)及教學(xué)現(xiàn)狀

組合數(shù)學(xué)是一門研究離散對象的科學(xué)，在計(jì)算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)中具有重要的地位，是理科及工科院校的一門必修課，隨著現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)的日益發(fā)展，組合數(shù)學(xué)的重要性也日漸凸顯。組合數(shù)學(xué)對于生物醫(yī)學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課有著直接的衍射作用。目前，部分開設(shè)組合數(shù)學(xué)課程的生物高等學(xué)校的主要面向生物信息學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等等專業(yè)開設(shè)，講授學(xué)時30到60學(xué)時。在大部分生物高等學(xué)校并沒有該類課程的設(shè)置，也是導(dǎo)致高等學(xué)校組合數(shù)學(xué)教師隊(duì)伍的匱乏的主要原因。而且目前組合數(shù)學(xué)授課考核形式也比較單一。組合數(shù)學(xué)主要是以理論授課形式為主的教學(xué)方式，考試成績是考核學(xué)生的唯一標(biāo)準(zhǔn)，忽視了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的考核。信息時代學(xué)科的交叉發(fā)展體現(xiàn)在組合數(shù)學(xué)在各個學(xué)科中不可替代的作用，因此提高生物高等學(xué)校學(xué)生的組合數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)他們運(yùn)用組合數(shù)學(xué)的能力是目前迫切需要解決的問題。

二、改進(jìn)組合數(shù)學(xué)教學(xué)措施，提高學(xué)生興趣

（一）更新教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法

目前的組合數(shù)學(xué)內(nèi)容主要有： 鴿巢原理、排列與組合、容斥原理、遞推關(guān)系、生成函數(shù)等基本的組合數(shù)學(xué)知識及其在數(shù)學(xué)中的應(yīng)用。為了讓學(xué)生在有限的學(xué)時內(nèi)學(xué)完必要的知識，更新和精選教學(xué)內(nèi)容顯得尤為必要，將以組合數(shù)學(xué)內(nèi)容為主導(dǎo)的教學(xué)模式改進(jìn)成以生物醫(yī)學(xué)問題為導(dǎo)向的教學(xué)模式。由于面向醫(yī)學(xué)專業(yè)的特殊性，從內(nèi)容上應(yīng)著重選擇與醫(yī)學(xué)知識聯(lián)系緊密的內(nèi)容，采取精講和略講相結(jié)合的方式。根據(jù)不同專業(yè)背景更新組合數(shù)學(xué)的教學(xué)內(nèi)容往往能夠起到事半功倍的效果。以下是我們在講解排列與組合一章時的一個教學(xué)實(shí)例：“生物遺傳信息是由DNA分子中4個堿基核苷酸就像電報密碼似的以不同的排列順序記錄下來，它載著人類的全部基因或全部遺傳信息，人的DNA約有30億（3×109） 堿基對，按照排列的思想可知人類基因組可能的排列方式有N=4■=（4■）■≈（1.52）■種，然而人類僅從這無窮多的方式中選了一種作為全人類共同的遺傳密碼，可見我們的基因組是祖先們留給人類的最寶貴的財(cái)富！”。這樣的實(shí)例教學(xué)不僅可以讓學(xué)生熟悉課堂知識，還能讓學(xué)生對所學(xué)的知識進(jìn)行綜合的運(yùn)用，更重要的與生物醫(yī)學(xué)問題的結(jié)合提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過興趣小組討論學(xué)習(xí)提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的主動性，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)組合數(shù)學(xué)的興趣，從而充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性。

（二）加強(qiáng)多媒體輔助教學(xué)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

組合數(shù)學(xué)傳統(tǒng)的授課方式是在黑板上將定義、定理的內(nèi)容進(jìn)行逐步嚴(yán)密的推導(dǎo)證明，這在一定程度上讓學(xué)生緊跟授課教師的思維和建立學(xué)生的邏輯思考能力。然而隨著多媒體技術(shù)的不斷進(jìn)步，利用多媒體和板書相結(jié)合的策略成為下一階段組合數(shù)學(xué)教學(xué)模式的主要教學(xué)手段。對于繁瑣的定理公式例如容斥原理避免推導(dǎo)證明，結(jié)合多媒體的幾何圖形使學(xué)生更加直觀的理解和應(yīng)用。以我們在教授容斥原理時的一個實(shí)例，容斥原理的根本思想是將難的問題分解成若干簡單問題，通過間接計(jì)數(shù)來解決直接計(jì)數(shù)不容易解決的問題，我們用多媒體幻燈片分別展示兩集合和三集合的容斥原理（圖1A和B），并按照容斥原理的邏輯順序利用多媒體動畫技術(shù)控制每一部分的出現(xiàn)順序，不僅避免了大量繁重枯燥的板書推導(dǎo)，最重要的是圖形式教學(xué)可以幫助學(xué)生對容斥原理建立更直觀的理解。可見在組合數(shù)學(xué)的教學(xué)過程多媒體的充分利用可以起到事半功倍的效果。

圖1 多媒體在組合數(shù)學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用――容斥原理實(shí)例

（三）增設(shè)組合數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)課，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性思維

組合數(shù)學(xué)除了基本理論課之外還應(yīng)該開設(shè)適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)課，在實(shí)驗(yàn)課上讓學(xué)生自己動手解決一些與生物醫(yī)學(xué)有關(guān)的實(shí)際問題。通過讓學(xué)生自己編程實(shí)現(xiàn)排列組合的算法，不僅可以增進(jìn)學(xué)生對排列與組合的深入認(rèn)識，也能夠培養(yǎng)學(xué)生利用排列組合思想解決實(shí)際問題的能力。以下是我們的一個實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例：“任選一種排列生成算法，編程實(shí)現(xiàn)自動生成n個（如n=6）不同元素中取r個元素的排列，并輸出指定任意n和r的所有排列。”，不僅讓學(xué)生掌握了課堂上講解的排列原理，還鍛煉了編程能力，初步體驗(yàn)了科研的樂趣，由消極的被動學(xué)習(xí)升級為積極的主動學(xué)習(xí)。可見通過組合數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)課更能培養(yǎng)學(xué)生自己動手自己學(xué)習(xí)的能力，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維。

（四）精挑細(xì)選課后練習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決問題的能力

組合數(shù)學(xué)作為一門應(yīng)用性較強(qiáng)的數(shù)學(xué)課，需要學(xué)生掌握其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，這就必須加強(qiáng)組合數(shù)學(xué)課堂后練習(xí)。因此習(xí)題是組合數(shù)學(xué)課程重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，也是理論教學(xué)必不可少的補(bǔ)充。然而習(xí)題課并不意味著單純地大量做題，教師應(yīng)根據(jù)課堂內(nèi)容，精挑細(xì)選出質(zhì)量比較高的少量題目，供學(xué)生課余時間認(rèn)真研究，要在習(xí)題中體現(xiàn)組合數(shù)學(xué)的知識點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生獨(dú)立給出解決問題的新觀點(diǎn)和新方法。設(shè)置習(xí)題時，應(yīng)以問題為導(dǎo)向，即給定一個實(shí)際的有興趣的問題，讓學(xué)生利用所學(xué)的組合數(shù)學(xué)理論進(jìn)行解決，進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生對知識細(xì)節(jié)的理解和掌握，并讓學(xué)生舉一反三熟練掌握所學(xué)內(nèi)容，使學(xué)生的理解更加深刻。如我們在教學(xué)過程中的一個課后習(xí)題實(shí)例：“一位國際象棋大師有11周的時間備戰(zhàn)一場錦標(biāo)賽，他決定每天至少下一盤棋，但是為了使自己不過分疲勞他還決定在每周不能下棋超過12盤。證明存在連續(xù)若干天，期間這位大師恰好下了21盤棋。”，該實(shí)例引起了學(xué)生在課余時間學(xué)習(xí)組合數(shù)學(xué)的一個熱潮。

總之，面對高等學(xué)校生物信息學(xué)學(xué)生的專業(yè)特點(diǎn)，傳統(tǒng)的單一的純理論的組合數(shù)學(xué)教學(xué)方法已經(jīng)不再適用。應(yīng)該考慮改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容和方法，發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，使學(xué)生在快樂進(jìn)取的氛圍里學(xué)習(xí)組合數(shù)學(xué)，具體的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改進(jìn)仍有待教學(xué)工作者進(jìn)一步探討和研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]盧開澄，盧華明.組合數(shù)學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[2]蘇建忠，張巖，劉洪波，王芳，崔穎.組合數(shù)學(xué)在生物信息學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012，6，142-143.

作者簡介：

劉洪波（1983-），男，漢族，山東德州人，博士，講師，主要研究方向：生物信息學(xué)，計(jì)算表觀遺傳學(xué)。

王芳（1982-），女，漢族，吉林松原人，博士，副教授，主要研究方向：生物信息學(xué)，計(jì)算表觀遺傳學(xué)。