卵子发生过程中表观遗传学的变化
摘要：卵子发生过程中染色质结构发生了显著的变化，并且基因转录活性也发生
了相应的改变；而表观遗传修饰在染色质重构和基因转录调节中发挥了重要的作用。在卵子发生过程中表观遗传信息都发生了较大变化，包括DNA甲基化作用、组蛋白修饰作用、染色质重塑、遗传印记、非编码RNA等。本文对卵子发生过程中的表观遗传学信息变化进行综述。
关键词：卵子发生 表观遗传学变化 DNA甲基化 遗传印记 非编码RNA
尽管生物体的每个体细胞都含有相同的基因组，但是在不同细胞的不同时期，基因的表达并不相同。表观遗传学(epigenetics)是阐明基因组功能及基因表达
[1]
的关键研究领域之一。它主要研究DNA序列不变的情况下基因表达改变的修饰，这种修饰不仅可以影响个体发育，而且还可以遗传给子代。表观遗传学研究包括DNA甲基化、组蛋白修饰(histone modifications)、非编码RNA(non-coding RNAs，ncRNAs)调控、基因组印记等几个方面，任何一方面的异常都将影响染色质结构和基因表达。而卵子的发生过程又经历了减数分裂、有丝分裂、和染色体重组等相当复杂的过程；因此，在卵子发生过程中表观遗传信息都发生了较大的变化，同时了解在其过程中表观遗传信息的变化对于研究后代遗传信息的改变至关重要。
1 卵子的发育
卵细胞发育在卵巢内进行，经历增殖期、生长期和成熟期3 个发育阶段。哺乳动物在胚胎期由卵黄囊内胚层经过变形运动沿后肠系膜迁移到生殖腺的原始生殖细胞， 在性别分化后形成卵原细胞，经过一定次数的有丝分裂增加同类型细胞的数量，然后由卵原细胞发育形成初级卵母细胞。继而，初级卵母细胞进行生长、发育，积累各种营养物质，进行卵质分化及结构建造，合成和贮存胚胎发育所需的各类信息。初级卵母细胞完成生长后，进行两次成熟分裂。在此过程中出现两个停滞现象。第1 次停滞是在第1 次成熟分裂的前期（MⅠ）的双线期，此时，高度分散的染色质周围有完整的核膜，称为生发泡期（germinal vesicle，GV），卵在等待促性腺激素的信号或从抑制卵泡发育的环境中释放；第2 次停滞在第2 次减数分裂中期（MⅡ），卵等待受精。卵巢中的卵母细胞在发育的过程中并不是独立的，而是与其外周的卵泡细胞共同形成卵泡，以各期卵泡的形式共同发育。
2 表观遗传学的基本概念
经典遗传学认为遗传的分子基础是核酸, 生命的遗传信息储存在核酸的碱基序列上, 碱基序列的改变会引起生物体表现型的改变, 而这种改变可以从上一代传递到下一代。然而, 随着遗传学的发展,人们发现, DNA、组蛋白、染色质水平的修饰也会造成基因表达模式的变化, 并且这种改变是可以遗传的。这种基因结构没有变化, 只是其表达发生改变的遗传变化叫表观遗传改变。表观遗传学是一门研究生命有机体发育与分化过程中, 导致基因发生表观遗传改变的新兴学科。它的主要论点是, 生命有机体的大部分性状是由DNA 序列中编码蛋白质的基因传递的, 但是DNA 序列以外的化学标记编码的表观遗传密码, 对于生命有
机体的健康及其表型特征, 同样也有深刻的影响。鉴于表观遗传信息能够明显地影响生命有机体的健康及表型特征, 其中有一部分甚至可以从亲代传给子代, 而且它们基本的DNA 序列也没有改变, 所以人们也称表观遗传信息为表观遗传标记。
3 组蛋白乙酰化和甲基化
组蛋白乙酰化酶（histone acetyl transferases，HATs）催化核心蛋白尾部赖氨酸残基的乙酰化，易化基因转录激活。乙酰化发生在组蛋白 H3 的赖氨酸9 H3K9），14（H3K14），18（H3K18）和23（H3K23）上，组蛋白 H4 的赖氨酸5（H4K5），8（H4K8），12（H4K12） 和16（H4K16）上。组蛋白去乙酰化酶（histone deacetyl lases，HDACs） 催化去乙酰化，从而关闭基因以及保持基因抑制状态。乙酰化水平与转录水平密切相关，组蛋白乙酰化在基因表达调控中起重要作用。组蛋白尾部赖氨酸上乙酰基群的增加能中和阳离子，导致染色质纤维结构改变，增加与DNA接触的机会而易化转录。组蛋白乙酰化状态直接与转录活性相关，起着表观遗传标记作用。
除了参与基因表达调控外组蛋白乙酰化也参与其他细胞功能。组蛋白乙酰化在减数分裂染色体分离过程中起作用。哺乳动物卵母细胞减数分裂时组蛋白普遍去乙酰化，研究发现，在减数分裂时抑制组蛋白去乙酰化可诱导小鼠受精卵母细胞非整倍体，从而导致早期胚胎宫内死亡[2]。而且，老龄雌鼠卵母细胞中有一种组蛋白保持乙酰化， 提示在老龄小鼠卵母细胞中组蛋白去乙酰化功能减退。因此，组蛋白去乙酰化可能参与了减数分裂中染色体的正常分离。
组蛋白甲基化在转录调控、基因组完整性及表观遗传继承方面起着重要作用。甲基化发生在 H3/H4 尾部未乙酰化的赖氨酸或精氨酸残基上，包括单甲基化、双甲基化和三甲基化。在哺乳动物中，组蛋白精氨酸甲基化主要位于H3精氨酸H3R2，H3R8，H3R17，H3R26 和 H4R3。H3和H4甲基化依赖所修饰的赖氨酸残基的不同而激活或抑制转录。如 H3K4，H3K36 及 H3K79甲基化主要与染色质活化区域有关，而 H3K9，H3K27 及 H3K29 甲基化主要位于沉默区域[3]。
自初级卵泡至成熟窦卵泡所有卵母细胞单甲基化、双甲基化及三甲基化均为阳性，但在卵母细胞发育过程中其分布显著变化。该研究提示，在卵子发育过程中组蛋白 H3K4 甲基化发生变化，这些表观遗传标记在卵子发育过程中起调控作用。
4 卵子发育过程中的染色质重构
在人类和鼠的卵子中，染色质发生大范围的结构调整，细胞核发生着重要的变化，染色质结构和功能发生动态改变。根据染色质结构可将卵细胞分为两类[2]：①环绕核仁(surrounded nucleolus，SN)型，②非环绕核仁(not surrounded nucleolus，NSN)型。
对鼠卵细胞的研究发现，NSN 和SN 这2 种卵细胞核型在卵子成熟过程中均存在。最初，卵子在减数分裂Ⅰ的双线期处于NSN 型， 随着卵子的发育，或者保持NSN 结构，或者向SN 结构转变。SN型结构最早在直径达到40～50μm 的卵母细胞中发现，此直径的卵子中约占5％；而在直径70～80μm的卵母细胞中，SN 型卵子所占比例增高，约50％。GV期卵母细胞的染色质是一种疏松的状态，即NSN型，在外来信号的刺激下，卵母细胞恢复减数分裂．在光镜下可以看见细胞核膜破裂，核仁消失，核内物质与核质混合，此过程即为生发泡破裂(germinal
vesicle break down。GVBD)。在此过程中，起初分散的染色质显著凝集在核膜内缘，与核膜分解同步进行，同时，染色质变为异染色质并包含致密颗粒，形成一个异染色质环围绕核仁，形成SN结构。这种大范围的染色质结构改变已在多种哺乳动物的卵细胞中发现。因此，NSN 结构来源的胚胎可能缺少促使这些基因向2 细胞期过渡的必要的表观遗传修饰。
5 基因组印记
基因印迹建立于配子形成过程中, 并持续到出生后。在子代配子发生时, 上一代的印迹被清除并重新建立新的父本或母本印迹, 最终雌性个体仅遗传母源印迹。在配子和胚胎发育过程中, 印迹基因经历印迹擦除、重新建立和印迹维持3 个阶段, 这是一个动态的过程, 在每个生殖周期都必须保持精确。
母本印迹基因的建立始于初级卵泡的生长, 并伴随着卵泡的发育和卵母细胞生长的全过程。但基因组印迹并不是同步化的, 每个印迹基因有自己的特异的甲基化时间表。Obata 等用不同发育时期卵泡内的卵母细胞核进行核移植建立孤雌胚胎, 研究卵母细胞基因组甲基化的建立,发现Snrpn,127Znf和Ndn 在卵泡发育早期从始基卵泡到初级卵泡发育阶段完成基因印迹；Peg3, Igf2r 和Cdkn1C 在次级卵泡发育阶段被印迹；Peg1 /Mest 在早窦卵泡阶段完成基因印迹, 而Impact 在卵泡发育到后期即将成熟排卵前( 窦卵泡期间) 才完成基因印迹。2004 年Lucifero 等[4]用不同年龄出生后小鼠的卵泡进行基因印迹标记的研究也得到类似结果。El-Maarri 等报道体细胞SNURF- SNRPN 和NDN 基因是甲基化的, 而未受精卵子是低甲基化的。推测该基因受精后才完成甲基化。因此卵母细胞印迹基因的完成贯穿整个卵泡发育和卵母细胞的生长过程, 直至受精后卵细胞完成整个细胞周期才完成基因组印迹[5]。
6 DNA甲基化
目前普遍认为，在卵子发生过程中，DNA甲基化的作用位点是富含CpG的差异性甲基化区域(differential methylation region，DMR)就是基因组印迹的修饰位点[6]。需要指出在基因组范围内甲基化位点广泛存在，并不限于印迹基因。甲基化通常使基因处于静默状态。Davis等报道, 在配子发生期间, 可观察到甲基化的是由母亲表达的H19组蛋白等位基因。
DNA甲基化的实现依赖于DNA甲基转移酶(Dnmt)。其能催化腺苷．L甲硫氨酸的甲基基团转移至DNA胞嘧啶。甲基化模式的建立和维护至少需要3种不同的甲基转移酶：Dnmtl“维持”甲基转移酶倾向于以半甲基化DNA作为底物；Dnmt3a和Dnmt3b则更多以非甲基化DNA作为底物[7]
7 非编码RNA
非编码RNA也称微小RNA(micro RNA，miRNA)，是一类具有组织特异性或发育阶段特异性表达特征的非编码调控小RNA，具有非常重要的生物学意义。miRNA主要通过基因切割和翻译抑制的方式调节mRNAs的翻译或稳定性，调控前体细胞细胞系的决定和器官的发生。
miRNA在卵子的生长发育和减数分裂中发挥重要的作用。miRNA合成加工所需的Dicer酶在生长的卵母细胞中表达。Dicer酶虽然对卵母细胞的生长和发育并非是必需的，但对于减数分裂纺锤体的完整性和减数分裂I期的完成却是不可缺少的lSl。敲除Dicer基因的鼠卵母细胞阻滞在减数分裂I期，并呈现出多重紊乱的