免疫系統(tǒng)和表觀遺傳學調控：一個新的前沿領域

fisherzhao

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免疫系統(tǒng)和表觀遺傳學調控：一個新的前沿領域


關鍵詞：表觀遺傳學；DNA甲基化；組蛋白修飾；染色質重塑；轉錄調節(jié)；細胞因子基因

表觀遺傳學（epigenetics）研究轉錄前基因在染色質水平的結構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。表觀遺傳學已成為生命科學中普遍關注的前沿，在功能基因組時代尤其如此。免疫系統(tǒng)被認為是一個解析表觀遺傳學調控機制的良好模型，而且免疫細胞伯分化及功能表達和表觀遺傳學的聯(lián)系甚密，無疑使這一交叉領域的發(fā)展一開始就置身于一片沃土之中。為此，本文對表觀遺傳學的免疫學意義作一簡介，側面重于T細胞分化特別是Th1、Th2及相關細胞因子基因表達中的表觀遺傳學調控。

1 表觀遺傳學涉及的機制：DNA甲基化、組蛋白修飾和染色質重塑
DNA甲基化由DNA甲基轉移酶Dnmtl催化，通常發(fā)生在雙核苷酸CpG中的胞嘧啶，構成甲基化的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?；?、甲基化和磷酸化，由此構成多種多樣的組蛋白密碼。
染色質重塑（remodeling）指染色質位置和結構的變化。主要涉及密集的染色質絲在核小體連接處發(fā)生松解造成染色質解壓縮，從而暴露基因轉錄啟動子區(qū)中的順式作用元件，為反式作用蛋白（轉錄因子）與之結合提供了一種稱為可接近性（accesibility）的狀態(tài)。這一過程由兩類結構介導：ATP依賴型核小體重塑復合體和組蛋白修飾復合體。前者通過水解作用改變核小體構型；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；而DNA的去甲基化、組蛋白的乙酰化和染色質壓縮狀態(tài)的開啟，則與轉錄的啟動、基因活化和行使功能有關。這意味著，不用改變基因本身的結構，而是改變基因轉錄的微環(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 表觀遺傳學調控的免疫學意義：對免疫細胞分化和功能的影響
免疫學中表觀遺傳學調控所發(fā)揮的影響，波及基因、細胞和應答等不同的水平。
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的DNA重組信號序列（RSS）相接合。因而染色質的可接近性及相應的核小體重塑等表觀遺傳學變化顯得十分重要。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T亞群的分化皆涉及選擇何種基因何時順序轉錄的問題。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。
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。就表觀遺傳學機制而言，某一基因一旦去甲基化，即可誘導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進行轉錄表達?，F(xiàn)時，等位相斥及表觀遺傳學調控研究，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。
5）T細胞激活：細胞因子IL-2是T細胞激活的關鍵因素。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)生染色質重塑，IL-2基因激活，細胞進入分裂周期。
細胞因子基因轉錄的表觀遺傳學調控，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亞群分化和相應細胞因子的表達調控
Th1和Th2的分化受細胞外環(huán)境因素和細胞內遺傳因素影響，包括APC特性、抗原的結構和劑量、共刺激分子、MHC背景、細胞因子等。當把內外因素整合起來，發(fā)現(xiàn)細胞因子的表達及其表觀遺傳學的調控起主要作用。
3.1 細胞因子基因表達的三個時相 細胞因子受體、受體相關轉錄因子STAT、亞群特異性轉錄因子、抗原誘導的轉錄因子等要素，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的結合、共刺激信號的參與、細胞因子IL-12和IL-4與相應受體IL-12R和IL-4R的結合，以及受體相關轉錄因子 Stat4和Stat6的激活。
2）定型期：下列亞群特異性轉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節(jié)環(huán)路。這一調節(jié)環(huán)路，不僅針對自身，還針對其它亞群特異性轉錄因子，由此構成一個動態(tài)的調節(jié)網(wǎng)絡。
3）急性轉錄期：特點是需要抗原對已分化的細胞再次進行激發(fā)。起關鍵作用的是抗原誘導的轉錄因子如NF-AT和AP-1。誘導表達后的NF-AT在各種細胞中含量相似，但它的結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)結合，Th2中和IL-4啟動子區(qū)結合。結果，對Th1和Th2細胞，IFN-γ和IL-4基因的轉錄分別再次被誘導。此時不再需要共刺激因子和相應細胞因子受體提供信號。
3.2 IL-4基因表達的表觀遺傳學調控　伴隨基因表達的三個時相，有多種表觀遺傳學的參數(shù)發(fā)生改變。下面以IL-4基因的表達和調控為例加以說明。
DNA酶高敏性的誘導：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)，其功能相當于一個IL-4基因的增強子，可以和進入急性轉錄期的GATA3和NF-AT結合，推動IL-4基因的轉錄。這里，沒有表觀遺傳學關于DNA高敏感座位的調節(jié)，轉錄因子GATA-3和NFAT不能有效的發(fā)揮作用。
組蛋白乙?；腿旧|重塑：在DNase I高敏性增加的同時，組蛋白發(fā)生乙酰化，由此引發(fā)兩個變化，一是DNA的構型開始松解，轉錄因子得以和核小體中相應的順式激活部位結合；二是轉錄因子NF-AT和Stat6可招募一類能與之結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錄，還進一步引起組蛋白的乙酰化。這一切，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異染色質區(qū)段，因為DNA甲基化招募甲基化CpG結合蛋白如McCP2，后者的作用是聚集抑制因子SIN3-HDAC復合體。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　表觀遺傳學調控和轉錄輔助激活因子：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)結構保守的眾多DNA框相結合。當然，如前所說，DNA框的“開放”是發(fā)生染色質重塑的結果。與順式作用元件結合的還有通用轉錄復合體（GTC）。GTC由Ⅱ型RNA聚合酶、TATA結合蛋白（TBP）和TBP相關因子（TAFⅡ）組成。一旦TBP和啟動子區(qū)TATA框相結合，基因即開始轉錄。
如果把這些要素稱為基因轉錄和表觀遺傳調控的基線，則在基線之上，還有其他的調節(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結合，而是連接轉錄因子和GTC；或是一端連接轉錄因子，另一端和其他的輔助激活因子結合。不僅如此，有的輔助激活因子如CBP還作為組蛋白乙?；D移酶（HAT）直接參與對組蛋白的乙?；揎棥４祟愐蜃幼鳛楸碛^遺傳學調控的重要成份，在免疫學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的轉錄，受控于Ⅱ類反式激活蛋白（CⅡTA）參與Ⅱ類基因染色質重塑，該基因的突變往往導致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控區(qū)（LCR）的結構，可誘導組蛋白乙?；⒄心糝NA聚合酶，從表觀遺傳學的角度制約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，其中之一是調控Th1/Th2相關細胞因子基因的轉錄表達。Sisk等曾報告，IL-4基因轉錄中NF-AT需要和輔助激活因子CBP結合需用發(fā)揮作用。但CⅡTA可以競爭性地和CBP結合，造成沒有足夠的CBP通過NF-AT參與IL-4的轉錄，抑制了Th2的分化。
4）自身免疫?。涸擃惣膊∩婕白陨矸磻粤馨图毎募せ睿⒖砂橛心承┕δ苄詠喨海ㄈ鏣h1）的極化，由此開啟各種基因表達的表觀遺傳學調控，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，不再出現(xiàn)抗雙鏈DNA抗體和免疫復合物介導的腎小球腎炎。這種戲劇性的效果，凸現(xiàn)表觀遺傳學在自身免疫發(fā)病機制研究中的意義。甚至有人提出SLE是一類抗原驅動的表觀遺傳學疾病。

5　結 語
表觀遺傳學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，并為免疫學研究開拓了新的領域。應該說，表觀遺傳學調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節(jié)途徑，也許會有助于發(fā)展新型免疫干預手段。

牧童

好貼
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