基因印记与遗传性疾病
[摘要]
基因印记是等位基因依赖双亲性别表达的不符合孟德尔遗传定律的特殊遗传现象。基因印记异常调节可引起一些遗传性疾病。在人类染色体11p15.5和15q11-13存在两个印记基因聚集区，两个区域的基因印记异常调节引起前者为贝-威综合征，后者为普-威综合征和安格尔曼综合征。作者对最近几年在这方面的最新研究进展进行了综述。从这些研究结果可以了解以前遗传学不能解释的某些遗传疾病的发病机制，从而为这些疾病的预防和治疗带来希望。
[关键词] 基因印记；遗传性疾病；贝-威综合征；普-威综合征；安格尔曼综合征
Gene Imprinting and Genetic Diseases
Zhu
Xike Wang Zhenyu Li Qiang Laboratory of Medical Genetics, Central
Laboratory; The Second Clinical College, China Medical University,
Shenyang 110004, China. E-Mail: xikezhu@yahoo.com
The Department of Anatomy, The Basic Medical College, China Medical University, Shenyang, 110001, P.R.China
[Abstract]
Gene imprinting is a special genetic phenomenon out of line with
Mendel’s law, in which the transcription and expression of alleles
depend on parental sex. It was reported that abnormal adjustment of gene
imprinting may result in some genetic diseases. There are two clusters
of imprinting genes in human chromosome, one is 11p15.5 related to
Beckwith-Wiedemann syndrome and another is 15q11-13 related to
Prader-Willi syndrome and Angelman syndrome. This paper reviewed the
research progress in these fields. These studies provide important basis
for understanding the mechanism of causing the genetic diseases that
could not be explained by previous genetics and for preventing and
treating the genetic diseases.
[Key words] gene imprinting; genetic disease; Beckwith-Wiedemann syndrome; Prader-Willi syndrome; Angelman syndrome
1 介 绍
高等动物的基因组为两倍体，受精卵从双亲中各继承了一套基因组。每一个常染色体均为双拷贝，父源和母源常染色体基因都能有均等的机会表达或受到抑制，这是孟德尔遗传定律的基本要素。上世纪90年代开始，发现了不符合这个定律的遗传现象。某些基因呈单等位基因表达，即父源与母源的基因拷贝不能同时表达，并且，父源或母源等位基因通过某种特异的基因修饰机制，特异性地抑制另一母源或父源染色体等位基因表达。例如：胰岛素样生长因子2基因（insulin-like
growth factor 2,
IGF2）只表达源自父亲的等位基因，母源等位基因被抑制。相反的例子，胰岛素样生长因子2受体基因（insulin-like growth
factor 2 receptor,
IGF2R）为源自父亲的等位基因不表达，只表达母源等位基因。这种现象可能是在父母受精卵形成过程中，特异性地对源自父亲或源自母亲的等位基因做一印记使其只表达父源或母源等位基因。这种现象被称作基因印记（gene
imprinting）或基因组印记（genomic imprinting）。
临床上很早就发现父源和母源等位基因不均等表达的类似基因印记的现象，如睾丸性畸胎瘤和卵巢性畸胎瘤。睾丸性畸胎瘤细胞的两套基因组都是来自孤雌生殖发生的父源染色体，表现为肿瘤无胎儿成分。而卵巢性畸胎瘤细胞有两套雌核生殖发生的母源基因组，肿瘤有胎儿成分。这说明，人类在发育初期来自父母双方的基因组也不是均等的，也有基于父母性别的类似基因组印记现象的存在。
基因印记的机制现在还不完全了解，从到目前为止的研究成果看，与DNA的甲基化[1～3]，染色质构造的改变[4]，DNA复制时机的变化[5]和非编码RNA的调节作用[6]有关。
目前，关于基因印记的研究已成为分子遗传学的一个重要领域，已有数十个印记基因被发现和克隆。已发现这些基因与机体发育的许多方面有关，如胎儿发育和胎盘生长，细胞分裂和个体行为。因此，正常印记模式的改变在临床上会引起许多疾病。本文介绍基因印记在人类遗传疾病发生中的作用的最新研究进展。
2 与遗传疾病的关系
目前已知的大多数印记基因都是与生长和分化有关的基因。由于印记基因是父源或母源单等位基因表达，基因表达产物量在影响该基因功能方面有重要意义。印记基因引起疾病主要表现在两个方面，一是印记等位基因的再活化，即印记丢失（loss
of imprinting, LOI）；二是印记基因的另一拷贝等位基因异常造成该基因失活，而非印记基因是两等位基因同时失活引起疾病。
下列现象出现可怀疑其致病基因为印记基因。①遗传形式和父母的性别有关，例如，胰岛素依赖性糖尿病是父源等位基因为致病基因的时候发病，异常源自母亲等位基因的时候不发病。原因可能是这个致病基因源自父亲的表达，源自母亲的不表达。②父源二体型或母源二体型引起的疾患。例如：西拉综合征（Silver-Russell
syndrome）为7号染色体父源二体型，就是说7号染色体的两条都是源自父亲，无源自母亲的7号染色体。所以，此病可能是由于源自母亲等位基因不能表达，而全无母亲等位基因表达产物所致。③由遗传不均一性消失而偏向母源染色体增多或偏向父源染色体增多性癌症。例如：母源选择性11号染色体缺失所引起的小儿肿瘤，其原因可能为母源等位基因表达的抑癌基因不能表达而致肿瘤发生。目前发现许多疾病的发病与基因印记相关。本文重点介绍目前为止研究较充分的贝-威综合征，普-威综合征和安格尔曼综合征。
2.1 贝-威综合征（Beckwith-Wiedemann syndrome, BWS）
BWS是以巨大舌，脐膨出和生长过剩为三大主要特征的先天性疾病，同时伴有内脏肿大（主要为肝、肾和脾的肿大），出生时低血糖，单侧肥大（身体的一侧生长过剩）等生长异常。发病率为0.07%，无性别差异，85%为散在发病，15%为家族性遗传，符合常染色体显性遗传[7]。家族性遗传为母亲单侧遗传，因此显示了和基因印记有关[8]。BWS致病基因尚不完全清楚，已经知道BWS的致病基因位于第11号染色体短臂15.5区域（11p15.5）[9]，在这个基因组区域，IGF2、H19、INS、KvLQT1、LIT1和p57KIP2等印记基因聚集存在，其中IGF2、H19、p57KIP2和LIT1等基因与机体的发育和分化有关。有许多关于它们和BWS相关研究的报道，其中p57KIP2，LIT1作为其致病基因的可能性尤其引人注目。
p57KIP2为依赖cyclin激酶（CDK）抑制剂，在细胞周期的G1/S期与cyclin/Cdk相结合，阻碍其磷酸化过程，使细胞分裂停止于G1期，显示了其在细胞生长和分化上有重要作用[10]。这个基因为母源等位基因表达，父源等位基因的表达因印记而被抑制[10-12]。
BWS患者的p57KIP2基因变异出现率大约在5%～17%[13-16]。从变异的特点看，首先发生变异的患者本人为杂合子，变异是从携带者母亲遗传而来，这个特点与疾病为显性遗传，也是从携带者母亲遗传而来的临床事实相一致。另外，常为BWS并发症的Wilms瘤有p57KIP2表达低下，也显示了p57KIP2和BWS致病有关[12]。但是，由于BWS患者p57KIP2基因突变的频率较低，以及p57KIP2基因敲除鼠的表现型未完全展示BWS的症状，说明仅仅p57KIP2不能解释BWS的致病原因[17]。同在11p15.5印记基因聚集区的IGF2和H19也是BWS的可能候选基因，IGF2和H19受一个增强子调节，有互相竞争抑制的作用。有促生长作用的父源基因IGF2过分表达时，母源有抑制生长作用的H19表达，抑制IGF2的表达[18]。在BWS患者，母源IGF2失去印记状态而表达，发生LOI，其结果是IGF2的表达量比正常多一倍，与父源染色体三体型和二体型致病机制类似。这个结果已被IGF2转基因鼠试验所证实[19]。近几年有研究报告，在11p15.5区印记基因KVLQT1的内含子内有反义链的转录，被命名为LIT1（long
QT intronic transcript
1），为印记基因。正常时父源等位基因表达，发现许多BWS患者的LIT1基因既转录父源等位，也转录母源等位基因，显示了LOI[20-22]。LIT1的LOI大约占到BWS患者的20%～58%[22]。11p15.5印记基因聚集区内的某个单个基因尚不能完全解释BWS的发病，这些基因有共享调节机构的倾向，BWS发病可能是多个基因共同作用的结果。BWS的发病机制还有待进一步的研究。
2.2 普-威综合征（Prader-Willi syndrome, PWS）和安格尔曼综合征（Angelman syndrome, AS）
PWS和AS是两种临床症状和遗传形式不同的遗传疾病，但是，两者的致病因素都与15号染色体长臂11-13区（15q11-13）印记基因聚集区有关。
PWS的临床症状主要有肌张力低下、身材矮小、外生殖器发育不良和精神发育迟缓等。PWS的大部分患者（约75%）的致病原因为染色体15q11-13缺失，而且，缺失主要发生在父源染色体。其余患者（25%）的染色体核型可见母源二体型。由此可见，PWS是由于15q11-13父源基因表达的欠缺所引起，与基因组印记的调节有重要关系[23]。已经发现，15q11-13区域存在SNRPN等数个印记基因，而且，这些印记基因都是父源等位基因表达，母源等位基因受抑制。
AS以重度精神发育障碍、步态失调和发作性大笑为主要临床症状。已经知道，其致病因素为与PWS几乎相同的染色体区域缺失。AS与PWS不同，大部分患者（75%）为母源染色体缺失，父源二体型占2%，23%的患者为散发病例，由此可推测，AS的发病也与基因印记的调节有关，致病基因可能为母源等位基因表达的印记基因[23]。
从PWS和AS的发病特点可推测，正常时，在父源染色体的15q11-13区域，PWS致病基因转录表达，AS致病基因转录抑制。另一方面，在母源染色体，PWS致病基因表达受抑制，AS致病基因转录表达。15q11-13的大约250kb这个区域被称作印记中心（imprinting
center,
IC），它在调节印记状态及PWS和AS发病上起着重要的作用[24，25]。提出IC的理由是由于在15q11-13包括SNRPN基因的一个区域的缺失，造成本来父源等位基因表达的某些基因表达受抑制，引起PWS。在此区域也观察到DNA甲基化的异常。所以，推测在SNRPN的附近，可能有一个控制父源等位基因印记的区域或DNA片段，这个区域或DNA片段决定该领域基因的表达或抑制。另一方面，由于AS也有SNRPN区域的缺失，推测这个基因组区域同时控制引起PWS和AS的基因表达。IC调节基因表达的机制可能类似于X染色体的不活化。XX的雌性在受精后，一条X染色体随机性地不活化，而在基因印记，据生殖细胞阶段性的不同决定基因的活化或不活化。IC可能就是调节这个活化/不活化的机构。这个调节可能是由DNA的甲基化和调节基因的表达等来完成。PWS和AS可能就是由于IC的缺失和碱基突变引起IC调节障碍的结果。
3 结束语
基因印记的研究是遗传学新的研究领域，印记异常调节引起遗传疾病的机制有待进一步深入了解。在以前的遗传学原理不能解释的遗传病中，与基因印记异常相关的可能还有很多。期待对基因印记调节机制和生物学意义的研究能进一步了解更多原因未明的遗传性疾病的发病机制，给预防和治疗这些疾病带来希望。
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