『珍藏版』Cell綜述丨哺乳動物的基因組印記與生理過程
編者按：基因表達的模式有時必須得到繼承，在發育中一個細胞釋放的信號導致鄰近細胞開啟特異的基因，這些基因也許不得不在這些細胞的許多代內都保持開啟，即使誘導它們開啟的信號只瞬間存在。在同時缺乏突變和起始信號的情況下，基因表達模式的繼承稱為表觀遺傳調控。其中「印記」就是哺乳動物中的一種經典的表觀遺傳調控現象。2019年2月21日Cell 雜誌發表了一篇題為Genomic Imprinting and Physiological Processes in Mammals的綜述，詳細總結了目前對基因印記及其生物學功能的認識，著重強調了基因印記在腦功能和相關疾病中的重要作用。本文對基因印記的研究歷史、印記建立的分子機制和基因組範圍的印記鑒定方法進行概要。
編譯丨陳哲 博士
- 基因組印記的研究歷史
- 印記的表觀遺傳調控
- 基因組範圍的等位基因表達
基因組印記的研究歷史
基因組印記（genomic imprinting）是染色體特定片段中來源於親本的表觀遺傳標記，它的存在與否取決於這些染色體是來源於父系還是母系的。「印記」這個術語，第一次被使用，是在十九世紀六十年代，細胞遺傳學家Helen Crouse用它去描述Sciara coprophila細胞中父系與母系來源的X染色體上的不同之處。然而，基因組印記這一現象再次受到關注是在二十年後的基於小鼠的基礎研究中了。首先，通過原核移植（pronuclear transfer）實驗，人們發現二倍體雌核（gynogenetic）或者二倍體雄核（androgenetic）所形成的胚胎均不能成活（下圖）。
雖然這個實驗證明瞭來源於父系的一套染色體和來源於母系的一套染色體是不等價的，但是這種現象是一種全基因組的效應還是特定基因所造成的在當時並不清楚。關於這個問題的答案，是通過基於染色體易位的實驗分析解答的。通過染色體非互補分析，人們發現染色體的特定片段如果都是來源於母系或者父系的將會導致生長、行為或者存活能力的不正常（下圖）。
這一系統的實驗方法證明瞭印記現象是由特定的染色體片段所造成的，它不是一種全基因組的效應。小鼠中的研究發現，特定染色體片段均來自父系或母系的小鼠能夠存活和生長，但是它們具有不正常的表型。這提示人類中的特定疾病也可能是由於基因組印記的不正常而導致的，雖然他們具有正常的DNA序列。
早在1974年，Johnson發現小鼠17號染色體上一個小片段（T-maternal effect (Tme) locus）缺失後所導致的後代存活能力不同的現象具有親本遺傳效應，通過對這個小鼠的進一步研究，Barlow在1991年鑒定出了第一個印記基因Igf2r（insulin-like growth factor 2 receptor），它在細胞中母系來源的染色體上表達，但是在父系來源的染色體上不表達。同年，其他研究者又鑒定出了小鼠7號染色體上表達模式相反的印記基因Igf2和H19。印記基因發現後不久，人們又進一步發現，印記基因位點處親本的等位基因具有不同的特異的DNA甲基化模式，這表明DNA甲基化可能對控制基因組印記具有重要的作用。
除了在胚胎髮育過程中的重要作用，人們開始越來越關注基因組印記在神經系統中的作用了，目前已經發現的印記基因中有近一半是在腦中印記表達。通過雌核或雄核細胞與野生型細胞混合所形成的嵌合體（chimeras）小鼠，人們發現嵌合體小鼠的腦部不正常，並且雌核細胞與雄核細胞在腦中的分佈具有偏倚性，這表明印記基因在不同的腦區可能發揮著不同的特異的功能（下圖）。
印記的表觀遺傳調控
DNA甲基化是一種可遺傳的表觀遺傳標記，印記控制區（imprinting control regions (ICRs)）親本來源特異的DNA甲基化是印記基因在胚胎中單等位基因表達（mono-allelic expression）所必需的。哺乳動物基因組中的絕大部分印記基因成簇存在，一個基因簇通常含有一個ICR，其上含有生殖細胞系來源的親本等位基因特異的DNA甲基化，它控制著整個基因簇中的多個基因的印記表達。除此之外，一些印記基因在不同的細胞系和不同的轉錄本中具有組織特異和啟動子-轉錄本isoform特異的基因表達模式。
那麼DNA甲基化和其它表觀遺傳標記模式是如何在配子發生和胚胎髮育過程中形成的呢？DNA甲基化是通過DNA甲基轉移酶（DNMTs）催化完成的，DNMT3A和DNMT3B建立從無到有的DNA甲基化模式，而DNMT1在DNA複製後起到維持DNA甲基化模式的作用。
胚胎髮育過程中有一個失去DNA甲基化的過程和一個重新建立DNA甲基化的過程。卵細胞受精後有一個DNA去甲基化的階段，除了包含ICRs等的特定區域外，父系和母系基因組的DNA甲基化模式均會被去除。而從著牀開始，胚胎細胞將會發生一次從頭的DNA甲基化過程，在那以後，除了生殖系細胞外，其它細胞的DNA甲基化模式將會保持相對穩定。對於原始生殖細胞來說，它將會經歷第二波基因組範圍的DNA去甲基化過程，印記位點處的DNA甲基化模式也會被去除，以便它在配子發生過程中重新建立卵細胞或精細胞特異的DNA甲基化模式。生殖細胞系ICR的DNA甲基化模式主要是由DNMT3A在DNMT3L的幫助下完成的，這些ICRs被認為是初級甲基化差異區域（differentially methylated regions (DMRs)）。其中有三處是父系來源的，它們都位於基因間區，而另外超過二十個ICRs的DNA甲基化模式來源於母系生殖細胞，它們都位於基因的啟動子區。受精後，由於印記表達的非編碼轉錄本或被動的轉錄抑制，印記基因簇將會形成次級的DMRs。
配子形成過程中，父系或母系ICRs的DNA甲基化模式並不是由靶位點特異的DNA甲基化過程產生的。精子發生過程中，DNA甲基化優先建立在基因間區和轉座子序列上，而卵細胞DNA甲基化的獲得與轉錄延伸相偶聯，主要發生在基因內部，包括基因內的CpG島。DNA甲基化能否在受精後的表觀重編程過程中得到保持，是區分ICRs和配子形成過程中伴隨產生的其它DNA甲基化區域的關鍵。但是關於ICRs上的DNA甲基化模式如何保持這一問題，目前還不清楚。其中一個可能的機制是通過能夠募集表觀修飾酶的DNA序列特異的結合因子來維持的，例如ZFP57和ZFP445。近些年的研究發現，UHRF1和DNMT1也參與到了卵細胞和卵裂胚胎DNA甲基化的調控中。
除了經典的DNA甲基化印記，哈佛大學張毅教授實驗室最近在早期胚胎中還發現了能夠介導單等位基因印記表達的H3K27me3標記（張毅組Nature揭示基因印跡的新機制【附朱冰點評】）。這些H3K27me3產生於卵細胞發育早期，能夠維持到受精後一段時間，至少能維持到囊胚階段，這種印記一般是暫時的，它在胚胎著牀後消失。但是在胚外組織中，一些基因的H3K27me3印記能夠維持，例如Xist基因。關於胚外組織中這些基因H3K27me3印記得到選擇性維持的機制目前還不清楚。
基因組範圍的等位基因表達
經過近三十年經典遺傳學、分子生物學和胚胎學的研究，鑒定出了近200個證實了的印記基因，這一數目少於全部基因的1%，它們中的一些在生長發育和各種生理過程中具有重要的作用。基於小鼠的遺傳學功能篩查雖然要耗費大量經費和時間，但這是目前在哺乳動物中鑒定印記基因最可靠的方法。近些年，通過高通量測序技術結合小鼠種系特異的多態性，提供了一種定量全基因組範圍親本來源特異的等位基因轉錄情況的新方法。這種方法的基本思想是通過RNA-seq測序得到含有雜合單鹼基多態性（SNP）的序列，再進一步根據親本DNA多態性推斷樣本中等位基因的相對表達情況。這種方法能夠把基因印記表達的研究簡化到特定組織和細胞水平，並且已經被應用到了腦組織和胎盤組織的印記研究中了。
雖然通過雜合F1代轉錄組測序技術進行的幾輪早期研究僅僅新發現了幾十個新的印記基因，但是這些研究發現，許多基因的表達都存在由親本來源決定的偏倚，也就是說，子代從父系和母系繼承來的同源基因在同一個細胞內的表達量不同。雖然目前這種實驗策略的應用還不夠成熟，但是隨著種系特異的參考基因組質量的提高、生物信息統計方法的完善和細胞分離純化技術的進展，將使我們能夠更精準的定量等位基因特異的轉錄本表達量，這將有助於我們從功能和機制上進一步瞭解由親本來源決定的等位基因表達偏倚與經典的基因印記表達之間的關係。
通過各組織中印記類似效應的研究，引起了一個重要的爭論，就是如何去定義基因組印記？因為基於RNA-seq的新方法發現了許多基因具有不那麼極端的親本來源特異的等位基因表達偏倚，而不是像經典的那種單等位基因印記表達。小鼠中的研究已經證明，印記簇中的一些基因具有親本來源特異的等位基因表達偏倚，並且在不同的發育階段和不同的組織中存在不同程度的偏倚。但是目前並不清楚這種偏倚到底是什麼原因造成的。可能是樣品中所有細胞均具有偏倚的基因表達模式，但也可能是樣品中部分細胞單等位基因印記表達而其它細胞中兩組親本基因表達量相同造成的。一些印記基因區域邊緣的基因被發現具有表達偏倚，而這種偏倚則可能是由於ICR的不完全影響產生的弱印記效應所造成的。
目前，有許多新的印記基因被報道，包括RNA isoform特異的親本偏倚以及在不同部位、不同時間和不同強度的親本來源特異的偏倚，下圖匯總了小鼠和人類中的印記基因數量（截止到2018年12月）。
有趣的是，許多印記基因在多個腦區印記表達，但是在其它組織中正常表達，並且在功能不同的腦區的印記表達具有巨大的差異，這種現象的生物學意義目前正剛開始被探索。對神經細胞中具有親本來源偏倚的基因進行的遺傳學分析發現，親本來源對基因表達劑量的調控可能是腦組織正常發育和行使功能所必須的。
基因印記對發育、行為、睡眠和生物鐘等生理過程都有著重要的影響和調控作用，基於基因印記是一種表觀遺傳現象，而它所參與的生理過程會受到環境的影響，通過對基因印記生物學意義的進一步研究，可能會給我們對基因組、表觀修飾以及環境的相互作用帶來新的認識。
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