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標(biāo)題: 免疫系統(tǒng)和表觀遺傳學(xué)調(diào)控：一個新的前沿領(lǐng)域 [打印本頁]
作者: fisherzhao    時間: 2007-10-17 16:23
標(biāo)題: 免疫系統(tǒng)和表觀遺傳學(xué)調(diào)控：一個新的前沿領(lǐng)域
從生物秀轉(zhuǎn)載一篇好文，如下：
免疫系統(tǒng)和表觀遺傳學(xué)調(diào)控：一個新的前沿領(lǐng)域


關(guān)鍵詞：表觀遺傳學(xué)；DNA甲基化；組蛋白修飾；染色質(zhì)重塑；轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)；細胞因子基因

表觀遺傳學(xué)（epigenetics）研究轉(zhuǎn)錄前基因在染色質(zhì)水平的結(jié)構(gòu)修飾對基因功能的影響，這種修飾可通過細胞分裂和增值周期進行傳遞。表觀遺傳學(xué)已成為生命科學(xué)中普遍關(guān)注的前沿，在功能基因組時代尤其如此。免疫系統(tǒng)被認(rèn)為是一個解析表觀遺傳學(xué)調(diào)控機制的良好模型，而且免疫細胞伯分化及功能表達和表觀遺傳學(xué)的聯(lián)系甚密，無疑使這一交叉領(lǐng)域的發(fā)展一開始就置身于一片沃土之中。為此，本文對表觀遺傳學(xué)的免疫學(xué)意義作一簡介，側(cè)面重于T細胞分化特別是Th1、Th2及相關(guān)細胞因子基因表達中的表觀遺傳學(xué)調(diào)控。

1 表觀遺傳學(xué)涉及的機制：DNA甲基化、組蛋白修飾和染色質(zhì)重塑
DNA甲基化由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶Dnmtl催化，通常發(fā)生在雙核苷酸CpG中的胞嘧啶，構(gòu)成甲基化的CpG。DNA甲基化及去甲基化，再加上下面將要提到的組蛋白修飾，直接制約基因的活化狀態(tài)。
染色質(zhì)的基本單位為核小體，核小體中部是由四種組蛋白（H2A、H2B、H3、H4）各兩個分子構(gòu)成的八聚體核心，N端尾部為單一的H1。核小體周圍繞著兩圈長約166 hp的DNA，之間的連接DNA約10～80bp，并通過組蛋白H1縮成直徑為30nm的纖絲。組蛋白可以共價修飾而發(fā)生乙酰化、甲基化和磷酸化，由此構(gòu)成多種多樣的組蛋白密碼。
染色質(zhì)重塑（remodeling）指染色質(zhì)位置和結(jié)構(gòu)的變化。主要涉及密集的染色質(zhì)絲在核小體連接處發(fā)生松解造成染色質(zhì)解壓縮，從而暴露基因轉(zhuǎn)錄啟動子區(qū)中的順式作用元件，為反式作用蛋白（轉(zhuǎn)錄因子）與之結(jié)合提供了一種稱為可接近性（accesibility）的狀態(tài)。這一過程由兩類結(jié)構(gòu)介導(dǎo)：ATP依賴型核小體重塑復(fù)合體和組蛋白修飾復(fù)合體。前者通過水解作用改變核小體構(gòu)型；后者對核心組蛋白N端尾部的共價修飾進行催化其中還有I型DNA酶（DNase I）超敏性的改變。
通常，DNA甲基化、組蛋白甲基化和染色質(zhì)的壓縮狀態(tài)和DNA的不可接近性，以及基因處于抑制和靜息狀態(tài)相關(guān)；而DNA的去甲基化、組蛋白的乙?；腿旧|(zhì)壓縮狀態(tài)的開啟，則與轉(zhuǎn)錄的啟動、基因活化和行使功能有關(guān)。這意味著，不用改變基因本身的結(jié)構(gòu)，而是改變基因轉(zhuǎn)錄的微環(huán)境條件就可以左右基因的活性：或者令其靜息（silencing），或者使其激活。

2 表觀遺傳學(xué)調(diào)控的免疫學(xué)意義：對免疫細胞分化和功能的影響
免疫學(xué)中表觀遺傳學(xué)調(diào)控所發(fā)揮的影響，波及基因、細胞和應(yīng)答等不同的水平。
1）抗原受體基因的表達：TCR和BCR的表達需發(fā)生V-（D）-J基因片段的重排，重排有賴重組酶與基因座位兩側(cè)的DNA重組信號序列（RSS）相接合。因而染色質(zhì)的可接近性及相應(yīng)的核小體重塑等表觀遺傳學(xué)變化顯得十分重要。而且核小體的裝配和DNA甲基化如果危及編碼重組酶的重組激活基因（Rag），也將影響基因重排，干擾抗原受體基因的表達。
2）淋巴細胞的發(fā)育和分化：γδT細胞和αβT細胞的順序分化、雙陰性αβT細胞向CD4或CD8T細胞的分化，以及CD4陽性效應(yīng)T亞群的分化皆涉及選擇何種基因何時順序轉(zhuǎn)錄的問題。通常，被選擇出來先行表達的基因（如TCRβ早于TCRα）總是首先出現(xiàn)表觀遺傳學(xué)的改變，包括DNA去甲基化、組蛋白的乙酰化和DNase I超敏性的誘導(dǎo)。
3）等位相斥和單一等位基因（monoallelic）的選擇：等位基因重排可抑制同一座位另一個等位基因的重排，保證了淋巴細胞伯單一特異性，稱為等位相斥。就表觀遺傳學(xué)機制而言，某一基因一旦去甲基化，即可誘導(dǎo)重排而使其成為細胞所表達的單一等位基因。已確定成熟B細胞啟用這一機制使Igκ早于Igλ進行轉(zhuǎn)錄表達。現(xiàn)時，等位相斥及表觀遺傳學(xué)調(diào)控研究，已進一步擴展到呈現(xiàn)多態(tài)性的細胞因子編碼基因，包括IL-2和IL-4。
4）NK細胞受體表達的多樣性：同一克隆淋巴細胞表面抗原受體的特異性相同，但單一的NK細胞表面卻可表達針對不同配體（MHC I類的分子）的多種受體組合。有研究發(fā)現(xiàn)，這種差異和NK細胞多個KR基因去甲基化有關(guān)。
5）T細胞激活：細胞因子IL-2是T細胞激活的關(guān)鍵因素。初始T細胞中，IL-2基因因啟動子區(qū)DNA甲基化而處于靜息狀態(tài)。當(dāng)T細胞得到激活信號后20min，DNA開始去甲基化，并發(fā)生染色質(zhì)重塑，IL-2基因激活，細胞進入分裂周期。
細胞因子基因轉(zhuǎn)錄的表觀遺傳學(xué)調(diào)控，IL-2研究的最早，隨后是IFN-γ和IL-4。不同的是，IL-2基因的表達是在細胞分裂之前，IFN-γ的產(chǎn)生則在細胞進入S期之后，而IL-4的最適表達需要細胞經(jīng)歷3～4次分裂。

3　　T亞群分化和相應(yīng)細胞因子的表達調(diào)控
Th1和Th2的分化受細胞外環(huán)境因素和細胞內(nèi)遺傳因素影響，包括APC特性、抗原的結(jié)構(gòu)和劑量、共刺激分子、MHC背景、細胞因子等。當(dāng)把內(nèi)外因素整合起來，發(fā)現(xiàn)細胞因子的表達及其表觀遺傳學(xué)的調(diào)控起主要作用。
3.1 細胞因子基因表達的三個時相 細胞因子受體、受體相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子STAT、亞群特異性轉(zhuǎn)錄因子、抗原誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子等要素，出現(xiàn)在基因表達的不同時期。
1）起始期：主要事件是抗原和TCR的結(jié)合、共刺激信號的參與、細胞因子IL-12和IL-4與相應(yīng)受體IL-12R和IL-4R的結(jié)合，以及受體相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子 Stat4和Stat6的激活。
2）定型期：下列亞群特異性轉(zhuǎn)錄因子開始激活并發(fā)揮作用。對Th1是T-bet(以及ERM)；對Th2是GATA3（以及c-maf）。結(jié)果，已分化的亞群表型特征通過細胞擴增得以穩(wěn)定地保持和遺傳。例如對Th1,一旦IFN-γ表達而IL-4基因處于靜息狀態(tài)，則新產(chǎn)生的Th1細胞和所有的子代細胞一直維持這一格局，形成一種細胞性記憶（cell memory）現(xiàn)象。需要提及的是，T細胞的定向分化需要亞群特異性轉(zhuǎn)錄因子持續(xù)地高表達，因而GATA3和T-bet都可形成自我激活的反饋調(diào)節(jié)環(huán)路。這一調(diào)節(jié)環(huán)路，不僅針對自身，還針對其它亞群特異性轉(zhuǎn)錄因子，由此構(gòu)成一個動態(tài)的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)。
3）急性轉(zhuǎn)錄期：特點是需要抗原對已分化的細胞再次進行激發(fā)。起關(guān)鍵作用的是抗原誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子如NF-AT和AP-1。誘導(dǎo)表達后的NF-AT在各種細胞中含量相似，但它的結(jié)合往往采取細胞亞型專一的方式，即Th1中和IFN-γ基因啟動子區(qū)結(jié)合，Th2中和IL-4啟動子區(qū)結(jié)合。結(jié)果，對Th1和Th2細胞，IFN-γ和IL-4基因的轉(zhuǎn)錄分別再次被誘導(dǎo)。此時不再需要共刺激因子和相應(yīng)細胞因子受體提供信號。
3.2 IL-4基因表達的表觀遺傳學(xué)調(diào)控　伴隨基因表達的三個時相，有多種表觀遺傳學(xué)的參數(shù)發(fā)生改變。下面以IL-4基因的表達和調(diào)控為例加以說明。
DNA酶高敏性的誘導(dǎo)：從起始期到定向期，IL-4基因座位附近的DNase I高敏感性座位（稱為DH座位）由3個增加到10個，特別出現(xiàn)在兩個保守性非編碼序列CNS-2和CNS-2中，這意味著DNA去甲基化區(qū)域擴大。由此引起啟動子區(qū)另一個高敏感座位3’端VA的出現(xiàn)，其功能相當(dāng)于一個IL-4基因的增強子，可以和進入急性轉(zhuǎn)錄期的GATA3和NF-AT結(jié)合，推動IL-4基因的轉(zhuǎn)錄。這里，沒有表觀遺傳學(xué)關(guān)于DNA高敏感座位的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)錄因子GATA-3和NFAT不能有效的發(fā)揮作用。
組蛋白乙?；腿旧|(zhì)重塑：在DNase I高敏性增加的同時，組蛋白發(fā)生乙?；?，由此引發(fā)兩個變化，一是DNA的構(gòu)型開始松解，轉(zhuǎn)錄因子得以和核小體中相應(yīng)的順式激活部位結(jié)合；二是轉(zhuǎn)錄因子NF-AT和Stat6可招募一類能與之結(jié)合的反式激活因子如CBP。后面將要提高，CBP不僅參與啟動基因轉(zhuǎn)錄，還進一步引起組蛋白的乙?；＿@一切，推動了Th2的分化。
DNA去甲基化：靜息基因往往坐落在高度甲基化的DNA異染色質(zhì)區(qū)段，因為DNA甲基化招募甲基化CpG結(jié)合蛋白如McCP2，后者的作用是聚集抑制因子SIN3-HDAC復(fù)合體。因而，Th2的分化往往伴有IL-4基因的去甲基化。去甲基化主要發(fā)生在定型期而非起始期。

4　表觀遺傳學(xué)調(diào)控和轉(zhuǎn)錄輔助激活因子：MHC基因的表達和自身免疫病
DNA、核小體和組蛋白的修飾和重塑對于基因靜息和激活的影響，最終需依賴轉(zhuǎn)錄因子（反式作用蛋白）與順式作用元件即分布于啟動子區(qū)結(jié)構(gòu)保守的眾多DNA框相結(jié)合。當(dāng)然，如前所說，DNA框的“開放”是發(fā)生染色質(zhì)重塑的結(jié)果。與順式作用元件結(jié)合的還有通用轉(zhuǎn)錄復(fù)合體（GTC）。GTC由Ⅱ型RNA聚合酶、TATA結(jié)合蛋白（TBP）和TBP相關(guān)因子（TAFⅡ）組成。一旦TBP和啟動子區(qū)TATA框相結(jié)合，基因即開始轉(zhuǎn)錄。
如果把這些要素稱為基因轉(zhuǎn)錄和表觀遺傳調(diào)控的基線，則在基線之上，還有其他的調(diào)節(jié)成份，重要者為前面提到的輔助激活因子（coactivator）。這些因子通常不和DNA結(jié)合，而是連接轉(zhuǎn)錄因子和GTC；或是一端連接轉(zhuǎn)錄因子，另一端和其他的輔助激活因子結(jié)合。不僅如此，有的輔助激活因子如CBP還作為組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶（HAT）直接參與對組蛋白的乙酰化修飾。此類因子作為表觀遺傳學(xué)調(diào)控的重要成份，在免疫學(xué)中的意義至少在以下方面得到了證實。
1）TCR重組基因的選擇：眾多TCR基因中TCR基因中TCRγ基因可先發(fā)生重組，其中有IL-7的參與。IL-7受體可激活Stat5,Stat5再結(jié)合輔助激活因子CBP等，由后者連接Jγ基因啟動子，開啟TCRγ的重排和表達。
2）MHC基因的表達：MHC Ⅱ類基因以及其他參與抗原加工遞呈的基因如TAP、LMP和DM的轉(zhuǎn)錄，受控于Ⅱ類反式激活蛋白（CⅡTA）參與Ⅱ類基因染色質(zhì)重塑，該基因的突變往往導(dǎo)致Ⅱ類分子表達失效，引起裸淋巴細胞綜合癥。有意義的是，CⅡTA基因本身的轉(zhuǎn)錄涉及四個獨立的啟動子區(qū)（PI～PⅣ），這些區(qū)段中DNA的甲基化程度又直接制約CⅡTA基因的活性。例如樹突狀細胞和滋養(yǎng)層細胞Ⅱ類分子的表達由CⅡTA基因啟動子DNA的甲基化狀態(tài)所決定。另外，新近發(fā)現(xiàn)與CⅡTA相近處還有一個稱為座位調(diào)控區(qū)（LCR）的結(jié)構(gòu)，可誘導(dǎo)組蛋白乙?；⒄心糝NA聚合酶，從表觀遺傳學(xué)的角度制約Ⅱ類基因的表達。
3）細胞因子基因的表達：CⅡTA雖以調(diào)控Ⅱ類基因而得名，它作為輔助激活因子尚有多種功能，其中之一是調(diào)控Th1/Th2相關(guān)細胞因子基因的轉(zhuǎn)錄表達。Sisk等曾報告，IL-4基因轉(zhuǎn)錄中NF-AT需要和輔助激活因子CBP結(jié)合需用發(fā)揮作用。但CⅡTA可以競爭性地和CBP結(jié)合，造成沒有足夠的CBP通過NF-AT參與IL-4的轉(zhuǎn)錄，抑制了Th2的分化。
4）自身免疫?。涸擃惣膊∩婕白陨矸磻?yīng)性淋巴細胞的激活，并可伴有某些功能性亞群（如Th1）的極化，由此開啟各種基因表達的表觀遺傳學(xué)調(diào)控，包括輔助激活因子的參與。一個典型的例子是B細胞的OBF-1，這是前B細胞向未成熟B細胞發(fā)育中參與基因轉(zhuǎn)錄的輔助激活因子，一旦缺失，可以使Aiolos小鼠SLE樣癥狀發(fā)生逆轉(zhuǎn)，不再出現(xiàn)抗雙鏈DNA抗體和免疫復(fù)合物介導(dǎo)的腎小球腎炎。這種戲劇性的效果，凸現(xiàn)表觀遺傳學(xué)在自身免疫發(fā)病機制研究中的意義。甚至有人提出SLE是一類抗原驅(qū)動的表觀遺傳學(xué)疾病。

5　結(jié) 語
表觀遺傳學(xué)推出了許多新的概念，如組蛋白密碼、細胞性記憶、表觀型的可遺傳性，以及基因的條件性靜息和激活等，并為免疫學(xué)研究開拓了新的領(lǐng)域。應(yīng)該說，表觀遺傳學(xué)調(diào)控并不具有抗原特異性，但其作用的靶點，卻可以是特定細胞類型的特定基因座位，及其在特定時空下的表現(xiàn)，這反映了另一種層次的調(diào)節(jié)途徑，也許會有助于發(fā)展新型免疫干預(yù)手段。
作者: 牧童    時間: 2007-10-18 20:33
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