隨著表觀遺傳學研究的深入，我們理解正常和異常的基因表達越來越離不開表觀遺傳調(diào)控機制分析。表觀遺傳調(diào)控取決于多層次表觀遺傳修飾的相互作用，由表觀遺傳修飾異常引起的疾病主要可分為兩大類：一類是在發(fā)育的重新編程過程中造成的特定基因表觀遺傳修飾的異常，有人稱之為表觀突變（epimutation）；另一類是與表觀遺傳修飾的分子機器結構與功能相關的蛋白質(zhì)編碼基因有關的，如DNA甲基轉(zhuǎn)移酶基因或差異甲基化CpG島結合蛋白CTCF基因的突變或表觀突變。

1983年哈格貝里（B.Hagberg）等以35例臨床資料為基礎報道了一種遺傳性進行性神經(jīng)系統(tǒng)疾病，患者均為女性，在出生后7～18個月就出現(xiàn)發(fā)育停滯，隨后出現(xiàn)高級腦功能的迅速惡化和嚴重癡呆等癥狀，家系分析顯示這是一種X連鎖基因突變所致。文獻檢索表明，在1966年雷特（A.Rett）曾經(jīng)報道過一種稱為腦萎縮性高氨血癥（cerebroatrophic hyperammonemia）的神經(jīng)發(fā)育異常疾病，其癥狀與這種遺傳性疾病十分相似，哈格貝里就把這種遺傳病命名為Rett綜合征（Rett syndrome，RS）。研究表明Rett綜合征的致病基因是位于Xq28的McCP2蛋白質(zhì)（methyl-CpG-biding protein 2）的編碼基因McCP2。McCP2是一種甲基結合蛋白（methyl-binding protein，MBP），能專一性地識別甲基化的CpG島并與之結合，其功能是作為分子榫頭將染色質(zhì)修飾復合物（chromatin-modifying complex，CMC）和DNA甲基化區(qū)域連接在一起以阻遏基因的轉(zhuǎn)錄。Rett綜合征患者的McCP2基因突變集中在甲基化CpG結合域和轉(zhuǎn)錄阻遏域。顯而易見，這類突變會嚴重干擾表觀遺傳修飾的正常功能。值得注意的是McCP2基因的表達譜是比較廣泛的，所以，突變所造成的病理作用為什么只局限于腦內(nèi)神經(jīng)細胞的機制還有待于研究。

ICF綜合征（immunodeficiency-centromeric instability-facial anomalies syndoome）是一種罕見的常染色體隱性遺傳病，它是一種變異性免疫缺陷病，主要病癥是不同程度的免疫球蛋白缺陷，并伴以面部畸形和智力低下。多個研究小組獨立發(fā)現(xiàn)，該病是DNA從頭甲基化酶DNMT3B編碼基因的突變所致。患者至少有兩種同型免疫球蛋白的減少或缺失，并造成細胞免疫缺陷。此外，患者淋巴細胞分裂中的1號、9號和16號等多條染色體的環(huán)著絲粒區(qū)域的異染色質(zhì)不穩(wěn)定性也明顯增高，位于該區(qū)域的一種通常是被甲基化的異染色質(zhì)組成成分的衛(wèi)星DNA序列Ⅱ和Ⅲ（satellites 2 and 3）有典型的低甲基化，在ICF患者中甚至完全是非甲基化的。這些衛(wèi)星DNA序列被認為與著絲粒的功能和動基體（kinetochore）的裝配有關。還有人發(fā)現(xiàn)ICF患者的失活X染色體上的CpG島和兩個重復序列家族D4Z4和NBL2也出現(xiàn)了DNA失甲基化。這些變化與基因組中5-mC水平降低和某些染色體著絲粒周圍區(qū)域重復序列的低甲基化是相互吻合的?；蛐酒谋磉_分析還顯示，患者淋巴細胞中部分與免疫功能調(diào)節(jié)相關的基因表達水平下調(diào)，但未觀察到這些基因啟動子區(qū)甲基化型的變化，提示ICF綜合征中DNMT3B基因的突變可能通過降低轉(zhuǎn)甲基活性而減少了對基因轉(zhuǎn)錄的阻遏作用，從而間接影響了淋巴細胞部分基因的表達模式。

埃利希（M.Ehrlich）等發(fā)現(xiàn)，雖然DNMT3B與組蛋白脫乙?；?、異染色質(zhì)蛋白1（heterochromatin protein 1，HP 1）、其他的DNA甲基化酶、染色質(zhì)重塑蛋白、染色質(zhì)凝聚復合物，以及其他核蛋白都有廣泛的功能關聯(lián)，但DNMT3B催化活性的部分喪失仍被認為是主要的病因。他們還發(fā)現(xiàn)ICF患者多涉及轉(zhuǎn)錄調(diào)控、細胞凋亡和機體免疫反應信號通路的一系列基因的RNA轉(zhuǎn)錄水平都與正常人有顯著的差異。這些基因可能因DNA甲基化程度降低而調(diào)控失常，以致造成患者免疫缺陷和其他癥狀。埃利希等提出一種假設，認為1號染色體和16號染色體長臂異染色質(zhì)區(qū)的衛(wèi)星DNA序列Ⅱ的低甲基化通過反式作用封閉了轉(zhuǎn)錄因子，并改變了染色質(zhì)的結構或者非編碼RNA的表達，從而引起了這一系列基因表達失常。有人曾經(jīng)將人的DNMT3B編碼基因分離后導入釀酒酵母（Saccharmyces cerevisiae）并使其高表達，轉(zhuǎn)基因釀酒酵母因多種代謝酶基因表達異常而導致生長受抑，這個實驗暗示DNMT3B突變確實可能引起基因表達調(diào)控失常，也在某種程度上佐證了埃利希的假設。

脆性X綜合征（fragile-X syndrome，F(xiàn)XS）是一種以智力低下為主要癥狀的遺傳性智力障礙綜合征，疾病相關基因是位于Xq27.3的脆性X智障基因（fragile X mental retardation-1，F(xiàn)MR1），長3.8 kb，由17個外顯子編碼的蛋白產(chǎn)物被命名為脆性X智力低下蛋白（fragile X mental retardation protein，F(xiàn)MRP），F(xiàn)MR1基因5′端非翻譯區(qū)包含一個CGG重復序列，后者上游250 bp處有一個CpG島。FMRP基因最常見的突變是5′端非翻譯區(qū)中CGG三核苷酸重復序列的異常擴展，一般正常人的（CGG）n重復序列最多為50拷貝左右，擴展至55～200拷貝時稱為前突變（pre mutation），擴展至200～2 000拷貝時稱為完全突變（full mutation），這種（CGG）n拷貝數(shù)的異常擴展是隨著世代而不斷進行的，又稱為動態(tài)突變（dynamic mutation）。研究表明（CGG）n重復序列擴展可使上游啟動子區(qū)域的CGG中CpG島及附近的序列發(fā)生不同程度的甲基化，嚴重時造成FMRl基因轉(zhuǎn)錄失活及其蛋白產(chǎn)物FMRP表達缺失。FMR1基因的沉默還涉及染色質(zhì)構型的改變，而染色質(zhì)的濃縮進而使擴展的（CGG）n重復序列的遺傳穩(wěn)定性增加。脆性X綜合征患者臨床表現(xiàn)為不同程度的智力低下，也可伴有孤僻、焦慮等精神疾病癥狀，男性患者的癥狀重于女性。

圖5-24a是FMR l基因5′端非翻譯區(qū)中CGG三核苷酸重復序列數(shù)及其甲基化程度對該基因轉(zhuǎn)錄和翻譯影響的理論假設，圖5-24b是FXS患者和正常人，以及男性和女性FMR l基因前突變基因攜帶者的mRNA與FMRP表達量的實測數(shù)據(jù)分布圖。兩組數(shù)據(jù)都顯示前突變基因攜帶者的FMR1基因很少完全沉默，F(xiàn)MRP表達量也基本正常或略有降低，然而轉(zhuǎn)錄的mRNA數(shù)量明顯高于正常值。轉(zhuǎn)錄的增加還呈現(xiàn)出與（CGG）n序列重復數(shù)的多少有相關性。FMRl基因的mRNA與FMRP表達量的測定現(xiàn)已成為脆性X綜合征的臨床診斷和預后的常規(guī)方法。

圖5-24　FXS患者與前突變攜帶者以及正常人的相關基因表達水平示意（改自L.Rodriguez-Revenga等）

A，F(xiàn)XS患者；N，CGG拷貝數(shù)正常者；NTM，F(xiàn)MRl前突變男性攜帶者；Pre，F(xiàn)MRl前突變女性攜帶者；圖中黑色橫線代表FMRP水平及其變化范圍；★代表FMRl的mRNA水平

韋爾勒（D.Wohrle）等的鼠源胚胎腫瘤細胞的FMR 1轉(zhuǎn)基因?qū)嶒炓矠镃CG重復序列甲基化在脆性X綜合征發(fā)生中的分子病理學作用提供了新的線索。當將攜有CCG重復延伸并甲基化的脆性X染色體轉(zhuǎn)入腫瘤細胞后，會導致去甲基化和FMR1基因轉(zhuǎn)錄的重新激活，并增加（CCG）n重復序列的遺傳不穩(wěn)定性。為了證實腫瘤細胞中確實發(fā)生了去甲基化反應，用能誘導去甲基化反應的5-氮脫氧胞苷（5-aza-2′-deoxycytidine）處理脆性X細胞，結果使FMRl基因和乙?；M蛋白H3和H4重新聯(lián)結，轉(zhuǎn)錄也重新被激活（圖5-25）。這表明脆性X綜合征患者的FMR1基因沉默最初起因于延伸重復序列的甲基化，這也是研究得最清楚的一種因特定DNA序列表觀遺傳修飾異常而導致的一種疾病表型。

圖5-25　FXS的實驗性治療示意

除了脆性X綜合征（FXS）之外，三核苷酸重復導致的疾病還有一種遲發(fā)性神經(jīng)退行性疾病脆性X震顫性共濟失調(diào)綜合征（fragile X tremor ataxia syndrome，F(xiàn)XTAS），以及亨廷頓?。℉untington's disease）和脊髓小腦型共濟失調(diào)（spinocerebellar ataxia，SCA）等。近來的研究表明某些lncRNA的正常表達及其功能也會受到三核苷酸重復的影響并與疾病表型相關聯(lián)。例如，轉(zhuǎn)錄自FMR1基因的兩種lncRNA FMR4和ASFMR 1的表達模式與FMRl基因相似，即在FXTAS患者中高表達，而在FXS患者中表達受抑，F(xiàn)MR4和ASFMR1的表達模式與這兩種疾病之間的內(nèi)在聯(lián)系尚待進一步研究。體外實驗研究表明，F(xiàn)MR4在人體細胞中有抗凋亡功能，很可能在神經(jīng)元及其子裔細胞發(fā)育過程中受到FMR4的保護而免遭凋亡。也許FMR1基因與FMR4和ASFMR1相互合作于一個RNA-蛋白質(zhì)網(wǎng)絡，而這個調(diào)控網(wǎng)絡的阻斷則可能會影響大腦的正常功能，這也為解釋FXS和FXTAS患者之間的癥狀差異程度提供了新的思路。由此可見，lncRNA的重復序列的延伸和蛋白質(zhì)編碼基因的重復序列的延伸都與某些神經(jīng)系統(tǒng)疾病有關聯(lián)。此外，我們有理由設想這一類lncRNA的突變或者表達調(diào)控異常也可能導致疾病，相關的分子機制也應該是疾病表觀遺傳學研究的重要內(nèi)容。

1981年威茨拉爾（D.J.Weathrall）等報道了地中海貧血和智力低下的聯(lián)系，隨后證實這并非患者同時患有兩種疾病，而是一種X連鎖疾病，被稱為X連鎖α地中海貧血/智力發(fā)育遲滯綜合征（X-linked alpha-thalassemia/mental retardation syndrome，ATR-X）。ATRX基因突變會引起特征性的發(fā)育異常，如嚴重的智力低下、面部變形、α地中海貧血、泌尿生殖道畸形，甚至出現(xiàn)性反轉(zhuǎn)表型。前期的研究表明ATRX基因編碼的蛋白質(zhì)可能是一種轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，通過修飾染色質(zhì)的局部結構來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄。在細胞分裂間期和中期，ATRX蛋白質(zhì)定位在著絲粒附近的異染色質(zhì)區(qū)。在ATR-X綜合征患者中發(fā)現(xiàn)一些高度重復序列的甲基化型改變，包括編碼核糖體RNA的rDNA重復序列，Y染色體特異的衛(wèi)星DNA和亞端粒區(qū)重復序列等區(qū)域甲基化的嚴重減少，提示ATRX編碼的蛋白質(zhì)功能可能起著將DNA甲基化和染色質(zhì)重塑這兩類表觀遺傳修飾連接在一起的作用。

曾經(jīng)在超過180個ATR-X患者家系中發(fā)現(xiàn)了113種不同的基因突變，但這些突變究竟如何造成α珠蛋白這樣的基因表達異常的確切機制一直是不清楚的。2010年勞（M.J.Law）等通過系統(tǒng)分析證實ATRX蛋白質(zhì)在小鼠和人類基因組中主要與染色體端粒區(qū)域和常染色質(zhì)上的串聯(lián)重復序列結合，發(fā)生了突變的ATRX蛋白則會引起諸如α珠蛋白這類與串聯(lián)重復序列有關聯(lián)的基因調(diào)控異常，進一步分析還提示靶基因表達調(diào)控失常的程度取決于與其關聯(lián)的串聯(lián)重復序列的長度。已知基因組中的許多串聯(lián)重復序列都是富含鳥嘌呤G并能在活細胞內(nèi)形成非B型DNA結構，如G-四聚體構型（G-quadruplex），而勞等的實驗證實ATRX蛋白在體外能與多種呈現(xiàn)G-四聚體構型的DNA（G4）結合，相比B型DNA結構，ATRX蛋白更傾向于與G4 DNA結合，尤其是與若干在ATR-X綜合征患者中呈現(xiàn)表達異?；蜞徑母缓B嘌呤G的串聯(lián)重復序列相互結合。ATRX蛋白C端有一個與染色質(zhì)重塑解旋酶SNF2（sucrose non-fermenting 2）同源的解旋酶樣結構域，N端有一個ADD（ATRX-DNMT3-DNMT3L）結構包含了一個植物鋅指蛋白同源結構域（plant homo-domain zinc finger，PHD），它能與組蛋白H3的變異體H3.3的尾部相互作用，而H3.3的分子伴侶就是能結合ATRX的DAXX蛋白（death domain-associated protein）。已被分析的突變分布表明，與ATR-X綜合征相關的A TRX基因突變大多數(shù)發(fā)生于C端和N端的這兩個區(qū)域。據(jù)此他們提出了一種工作假設，在正常情況下，ATRX蛋白會與靶基因中呈現(xiàn)G4結構的DNA相互結合，協(xié)同DAXX 、H3.3使G4 DNA轉(zhuǎn)變?yōu)锽型結構，并調(diào)控靶基因使之正常表達。然而，ATR-X綜合征患者中發(fā)生了突變的ATRX蛋白不再具有將靶基因鄰近的富含鳥嘌呤G的串聯(lián)重復序列由G4 DNA轉(zhuǎn)變?yōu)锽型結構的能力，導致靶基因表達失控。此外，有研究提示ATRX和H3.3在一起還有維持染色體上轉(zhuǎn)錄活性區(qū)和非轉(zhuǎn)錄區(qū)之間邊界的作用。所以，正常ATRX蛋白的喪失也許會造成無轉(zhuǎn)錄活性的異染色質(zhì)區(qū)的延伸，甚至沉默鄰近區(qū)域α珠蛋白這樣的基因。勞等的發(fā)現(xiàn)不僅為闡明ATR-X綜合征的發(fā)病機制提供了新的思路，還進一步暗示基因組中的重復序列很可能并不只是沒有任何功能的簡單重復。通過X連鎖α地中海貧血/智力發(fā)育遲滯綜合征的發(fā)病機制研究，可以清楚地認識到基因的表達幾乎涉及表觀遺傳修飾對于控制基因轉(zhuǎn)錄和染色體結構穩(wěn)定的每一個環(huán)節(jié)，表觀遺傳信號甚至可以通過具有阻遏特定基因轉(zhuǎn)錄的雙鏈RNA分子在細胞間的傳遞來影響鄰近細胞的基因表達。表觀遺傳調(diào)控對相關疾病的深入研究必將有助于闡明參與表觀遺傳調(diào)控的眾多分子元件的結構與功能，以及整個基因組表觀遺傳調(diào)控機制（圖5-26）。

誠然，目前對于表觀遺傳修飾在疾病發(fā)生中作用的研究還處在初級階段，我們的認識還很不全面，已經(jīng)有的一些認識可能還不符合實際情況，但是霍利迪（R.Holliday）等已經(jīng)提出了表觀遺傳病（epigenetic disease）的概念，其中包括多種復雜的遺傳性綜合征、印跡綜合征、免疫性疾病和中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育紊亂等，還包括衰老和癌癥。關于癌癥的表觀遺傳學問題，將在有關腫瘤的分子遺傳學分析的章節(jié)中做專門討論。圖5-27匯集了表觀遺傳的多方向、多層次信息及其與疾病的關聯(lián)生物信息涉及遺傳和表觀遺傳兩個層面。

圖5-26　ATRX蛋白結構和功能相關的特征

（a）ATRX蛋白各個功能結構域和ATRX基因突變高發(fā)區(qū)段；（b）關于ATRX蛋白協(xié)同DAXX蛋白以及組蛋白變異體H3.3使四聚體DNA轉(zhuǎn)變?yōu)檎５腂型二聚體結構的假設示意（改自I.Whitehousei和T.Owen-Hughes）

圖5-27　表觀遺傳的多方向、多層次信息及其與疾病的關聯(lián)生物信息涉及遺傳和表觀遺傳兩個層面（引自R.Chahwan）

圖的中央顯示分子生物學的中心法則：遺傳信息從DNA到RNA再到蛋白質(zhì)。其次是基因組不同層次的表觀遺傳修飾，包括了解得比較清楚的DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑，以及尚待進一步研究的細胞結構的表觀遺傳修飾，這一系列從分子到染色體再到細胞的修飾同樣是充分了解生物表型的根本問題。在最外層列出了表觀遺傳信息調(diào)控與疾病發(fā)生、發(fā)展及防控相關的表型。分子醫(yī)學面臨的挑戰(zhàn)是闡明遺傳學和表觀遺傳學之間錯綜復雜的關系，逐步增進疾病的預防、診斷和治療。