2023年研究线ۥ粒体DNA表观遗传学的作用以及展望.docx

研究线粒体DNA表观遗传学的作用以及展望 研究线粒体DNA表观遗传学的作用以及展望 本文关键词：表观，线粒体，遗传学，展望，作用 研究线粒体DNA表观遗传学的作用以及展望 本文简介：关键词：线粒体；表观遗传学；穿插串话；　　　　表观遗传学可以在不改变基因序列的情况下调控基因的表达，且该变化是可遗传的，主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰、miRNA和RNA甲基化等，在调控基因表达、个体发育、分化和衰老等方面发挥重要作用。线粒体基因组是一个环状的双链DNA分子，含有类似于组蛋白构造的 研究线粒体DNA表观遗传学的作用以及展望 本文内容： 关键词：线粒体； 表观遗传学； 穿插串话； 　　 　　表观遗传学可以在不改变基因序列的情况下调控基因的表达， 且该变化是可遗传的， 主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰、miRNA和RNA甲基化等， 在调控基因表达、个体发育、分化和衰老等方面发挥重要作用。线粒体基因组是一个环状的双链DNA分子， 含有类似于组蛋白构造的类核， 遭到表观遗传学机制调控。线粒体表观遗传学 〔mitoepigentics〕 是指线粒体编码的基因发生表观遗传修饰以及其他代谢物对线粒体进展表观遗传调控而产生阻碍， 且线粒体与核基因组存在复杂的表观遗传学调控作用网络， 可参与复杂的病理生理过程， 如神经退行性疾病、癌症或早衰等， 其线粒体表观遗传学已然成为生命科学究领域一个崭新的重要内容。 　　 　　线粒体表观遗传学有4种调控方式： 〔1〕 调控核基因表达的表观遗传机制， 可通过调理核编码的线粒体基因表达阻碍线粒体； 〔2〕 细胞特异性线粒体DNA 〔mt DNA〕 含量和线粒体活性决定核基因的甲基化方式； 〔3〕 mt DNA变异阻碍核基因表达方式和核DNA甲基化水平； 〔4〕 mt DNA本身也遭到表观遗传学修饰[1].此外， 暴露于环境污染物和膳食营养等要素也会刺激线粒体基因的表观遗传学修饰， 从而阻碍其基因表达[2].线粒体与细胞核之间的穿插串话、利用mt DNA表观遗传产物作为生物学标志以及环境、营养膳食对线粒体表观遗传的阻碍是目前生命科学研究的重要内容。 　　 　　1、mt DNA表观遗传学修饰及其作用 　　 　　1.1 mt DNA表观遗传学修饰酶 　　 　　DNA甲基化通常抑制基因启动子的活性， 从而阻碍基因的稳定性， 在哺乳类动物mt DNA也存在5-甲基胞嘧啶 〔5m C〕 和5-羟甲基胞嘧啶 〔5hm C〕 , 其甲基化亦存在于Cp G二核苷酸之外的区域。 　　 　　1971年在线粒体内觉察含有构成5m C所必需的DNA甲基转移酶 〔DNMT〕 , 说明mt DNA可能含有5m C[3].随后证听说明， 哺乳动物mt DNA存在5m C, 而mt DNMT1是靶向线粒体序列的核编码DNMT1内源性等位基因， mt DNMT1负责mt DNA胞嘧啶的甲基化， 并参与对mt DNA转录因子的表达调控[4-5]. 　　 　　除mt DNMT1外， DNMT3A和DNMT3B也参与线粒体表观遗传学调控作用， 具有氧化复原依赖性DNA的去羟甲基化才能， 在特定情况下， 可以将5hm C去羟甲基化[6].DNMT3A/3B旁系同源物DNMT3L能与DNMT3A/3B互相作用而促进mt DNA发生甲基化。5m C转换为5hm C需要TET酶 〔TET1~3〕 和Fe2+依赖加双氧酶的催化， TET后续催化5hm C转换成5-甲酰胞嘧啶 〔5-f C〕 和5-羧基胞嘧啶 〔5-ca C〕 , 这是2种衍生的表观遗传产物， 可以在胸腺嘧啶-DNA糖基化酶和碱基切除修复途径中使5hm C复原为胞嘧啶 〔甲基化循环〕 . 　　 　　1.2 线粒体表观遗传修饰产物 　　 　　1.2.1 mt-5m C: 　　 　　mt DNMT1表达以及由mt DNA编码RNAs的水平受mt-5m C的阻碍。mt DNMT1改变会阻碍mt DNA轻链和重链转录表达， 并与重链上的NADH脱氢酶亚基1 〔ND1〕 转录加强及与轻链上ND6的mRNA表达降低有关， 可能由于mt-5m C能对基因启动子产生抑制造用， 或某种替代机制可以加强基因表达。mt DNA重链第2个启动子的转录遭到线粒体转录因子A 〔TFAM〕 的抑制， 而mt-5m C可能阻碍TFAM的转录位点和后续转录反响[7].mt-5m C在重链保守区域 〔CSB-Ⅲ〕 中的启动子区域， 位于D-loop的5末端， 在重链复制过程中阻碍RNA引物[8].mt DNA甲基化参与线粒体的基因表达和生物合成， 但其生理作用仍未知。 　　 　　1.2.2 mt-5hm C: 　　 　　5hm C作为甲基化循环的中间产物， 在mt DNA中高丰度分布， 同时能反响阻碍TETs的活性。线粒体表观遗传学参与调控衰老的不同生理病理过程， 病变出如今不同月龄的小鼠脑组织中， 衰老阶段的前额叶皮层中mt DNA的5hm C水平降低， mt DNA编码基因包括复合体I组分 〔ND2、ND4、ND4L、ND5和ND6〕 转录物水平仅在额叶皮层衰老过程中增加， 且衰老阻碍mt DNMT1和TET1~3的表达；在小脑中， TET2和TET3的mRNA含量增加， 但mt DNMT1的mRNA水平不受阻碍， 提示哺乳动物大脑的线粒体表观遗传学调控受衰老阻碍[9]. 　　 　　1.2.3 其他表观遗传修饰类型： 　　 　　参与TET介导氧化途径的5-f C和5-ca C, 这两种表观遗传修饰产物的功能尚未说明。通过T7RNA聚合酶 〔T7RNAP〕 或人类RNA聚合酶II的体外介导作用， 觉察5-f C和5-ca C可导致DNA转录抑制[10].T7 RNAP与线粒体聚合酶具有高度的同源性， 是mt DNA表观遗传修饰产物的重要转录调控机制。目前， 线粒体表观遗传修饰产物的详细生理作用仍未知， 是今后重要的研究方向之一。 　　 　　2、线粒体表观遗传修饰产物作为生物学标志 　　 　　线粒体特异性异常位点的表观遗传修饰可用于临床肿瘤治疗及某些相关疾病的预防策略。探究线粒体基因组5m C和5hm C的含量， 与临床预后、生活方式、膳食及环境暴露之间的关系有重要意义。 　　 　　mt DNA甲基化产物是新一代的疾病监测生物学标志物， 包括癌症， 神经退行性变和年龄相关的疾病[11];mt DNA的表观遗传修饰位点包括整体和某些特异性片段基因的甲基化。目前， 已经建立mt DNA甲基化与不同环境要素之间的关联， 对暴露于空气污染物 〔如暴露于富含金属颗粒物的钢铁工人、富含苯空气的加油站效劳员和交通中暴露于含碳、氮化合物的驾驶员〕 的工人， 与低水平空气污染的对照组相比， 其Phe-mtRNA和12S rRNA的编码区具有较高的甲基化水平， 该编码区的去甲基化假设关于职业病分子水平的预防和操纵具有良好的应用前景[12]. 　　 　　对老年男性受试者进展12S和16S rRNA编码区甲基化胞嘧啶残基的分析， 觉察12S rRNA甲基化水平随年龄变化， 随着年龄增加而明显下降。mt DNA的Cp G岛高甲基化与癌症、肌萎缩侧索硬化 〔ALS〕 、糖尿病性视网膜病变以及机体环境毒物暴露反响有关；唐氏综合征患者觉察mt DNA的Cp G岛呈低甲基化状态[13].mt DNA表观遗传产物作为一种新的生物学标志， 用于相关疾病检测。 　　 　　3、细胞核-线粒体表观遗传穿插串话 　　 　　线粒体作为一个信号传导的细胞器， 细胞核通过顺行调理“ 〔信号从核到线粒体〕 促进其生物合成并调理活性。同时， 线粒体也可通过逆行反响“ 〔信号从线粒体到细胞核〕 反向调控核基因的表达， 经重编程而参与修饰细胞的功能。细胞内双向的信息传导称为线-核穿插串话， 组成稳定而庞杂的信号网络， 以维持细胞内动态平衡[14]. 　　 　　3.1 顺行调理 　　 　　细胞核编码大多数线粒体蛋白并输送到线粒体中执行功能， 通过检测细胞代谢条件变化的多重感受器激活顺行信号通路， 并按照线粒体的生物能量和生物合成输出， 从而习惯细胞的不同需求；该过程需激活几种核编码的转录因子和共激活因子， 诱导线粒体基因表达并调理线粒体蛋白质组。 　　 　　由核DNA编码的聚合酶gamma; 〔Pol-gamma;〕 亚酶， 即Pol-gamma;A, 负责线粒体复制和修复， 通过其第二外显子内Cp G岛的DNA甲基化调理表达下调；Pol-gamma;A表达与mt DNA拷贝数量成线性关系[15].在哺乳类动物中， 氧化应激阻碍过氧化物酶体增殖物激活受体gamma;共激活因子1alpha; 〔PGC1alpha;〕 的稳定性， 可激活几种核编码转录因子[包括核呼吸因子1 〔NRF1〕 ]的转录。PGC1alpha;和NRF1构成复合物能上调线粒体转录因子 〔TFAM〕 和线粒体呼吸链复合体的多个组分转录， 而两者表达均遭到DNA甲基化调理。 　　 　　胸苷激酶 〔TK2〕 在线粒体中参与脱氧核苷酸合成的补救途径， 在细胞核中能促进维持细胞n DNA完好性。扩张型心肌病患者心脏中TK2基因的启动子区高甲基化而使蛋白水平降低， 最终导致mt DNA耗尽[16]. 　　 　　核编码miRNA涉及线粒体的外膜或基质， 在线-核表观遗传串话中起重要作用， miRNA的存在说明基因表达核-线双向调理的复杂性。特别多由核编码的miRNA在线粒体中参与调理转录和细胞代谢[17].对mt DNA转录产物分析和深度测序提示线粒体基因组内存在编码的miRNA[18].假设其与核对应物类似地调理线粒体基因表达， 那么具有阻碍核基因表达的功能。 　　 　　DNA发生快速或动态甲基化后与甲基-Cp G结合域蛋白 〔MBD〕 进展结合发挥作用， 从而对人体细胞分化、增殖和分裂、正常发育、干细胞多能性、基因表达和抑制以及癌症发挥重要作用[19];线粒体也参与其中， MBD家族是否也会进入线粒体或作用于mt DNA, 对线粒体的表观遗传调控机制研究具有重要意义。 　　 　　3.2 逆行反响 　　 　　线粒体维持基因组DNA的稳定性， 是氧化磷酸化 〔OXPHOS〕 的作用位点及众多代谢和信号通路的穿插点。线粒体的代谢反响操纵着某些关键信号分子以调理核基因的表达， 并可触发各种逆行信号通路， 且激活许多有利于线粒体稳态恢复和促进细胞存活的反响过程。逆行反响的标志之一是能延长细胞复制和寿命[20]. 　　 　　3.2.1 组蛋白修饰： 　　 　　组蛋白修饰严格依赖细胞内的能量状态、线粒体功能及其中间产物的作用。组蛋白乙酰转移酶 〔HATs〕 和去乙酰化酶 〔HDACs〕 的活性依赖ATP水平和线粒体功能， ATP和乙酰Co A减少会降低NADH/NAD+复原当量， 而mt DNA损伤会导致线粒体功能障碍， 降低组蛋白特定位点标志物的乙酰化水平， 乙酰Co A消耗可能增加DNA甲基化水平[4].线粒体三羟酸循环关于组蛋白乙酰化调理特别重要。HDACs利用NAD+从底物的赖氨酸残基移去乙酰基， 尽管去乙酰化酶活性对细胞内NAD+含量敏感， 但缺乏线粒体操纵去乙酰化酶的证据而需要进一步研究。 　　 　　组蛋白去甲基化酶 〔HDMs〕 包含Jumonji C 〔Jmj C〕 构造域的赖氨酸去甲基化酶 〔JMJD〕 , 可通过2-酮戊二酸 〔2-OG〕 和Fe 〔Ⅱ〕 激活， 2-OG是TCA循环产物并通过载体运输至细胞核， 作为TET蛋白的底物促进5m C转换， 但琥珀酸和延胡索酸作为JMJD和TET酶的竞争性抑制剂而促使DNA维持高甲基化水平， 在癌症开展过程中是组蛋白和DNA的强诱导剂[21].研究显示组蛋白甲基化转移酶 〔HMTs〕 也能调理线粒体功能， 如抑制赖氨酸去甲基化转移酶SETD7/9, 促进线粒体生物合成并通过PGC1alpha;和NFE2