免疫系統(tǒng)和表觀遺傳學(xué)調(diào)控

1、 本讀書報告是摘自于本讀書報告是摘自于現(xiàn)代免疫學(xué)現(xiàn)代免疫學(xué)20042004年第年第1 1期期 ，作者是上海第二醫(yī)科大學(xué)、，作者是上海第二醫(yī)科大學(xué)、上海市免疫學(xué)研究所的周光炎，本文主要上海市免疫學(xué)研究所的周光炎，本文主要是論述生物遺傳學(xué)的一個新的科學(xué)前沿領(lǐng)是論述生物遺傳學(xué)的一個新的科學(xué)前沿領(lǐng)域域免疫系統(tǒng)和表現(xiàn)遺傳學(xué)調(diào)控。免疫系統(tǒng)和表現(xiàn)遺傳學(xué)調(diào)控。 表觀遺傳學(xué)（表觀遺傳學(xué)（epigenetics）研究轉(zhuǎn)錄前基）研究轉(zhuǎn)錄前基因在染色質(zhì)水平的結(jié)構(gòu)修飾對基因功能的影響，因在染色質(zhì)水平的結(jié)構(gòu)修飾對基因功能的影響，這種修飾可通過細胞分裂和增值周期進行傳遞。這種修飾可通過細胞分裂和增值周期進行傳遞。表觀遺傳學(xué)

2、已成為生命科學(xué)中普遍關(guān)注的前沿，表觀遺傳學(xué)已成為生命科學(xué)中普遍關(guān)注的前沿，在功能基因組時代尤其如此。免疫系統(tǒng)被認為在功能基因組時代尤其如此。免疫系統(tǒng)被認為是一個解析表觀遺傳學(xué)調(diào)控機制的良好模型，是一個解析表觀遺傳學(xué)調(diào)控機制的良好模型，而且免疫細胞的分化及功能表達和表觀遺傳學(xué)而且免疫細胞的分化及功能表達和表觀遺傳學(xué)的聯(lián)系甚密，無疑使這一交叉領(lǐng)域的發(fā)展一開的聯(lián)系甚密，無疑使這一交叉領(lǐng)域的發(fā)展一開始就置身于一片沃土之中。為此，本文對表觀始就置身于一片沃土之中。為此，本文對表觀遺傳學(xué)的免疫學(xué)意義作一簡介，側(cè)面重于遺傳學(xué)的免疫學(xué)意義作一簡介，側(cè)面重于T細胞細胞分化特別是分化特別是Th1、Th2及相關(guān)細胞

3、因子基因表達及相關(guān)細胞因子基因表達中的表觀遺傳學(xué)調(diào)控。中的表觀遺傳學(xué)調(diào)控。 表觀遺傳學(xué)涉及的機制 表觀遺傳學(xué)調(diào)控的免疫學(xué)意義 T T亞群分化和相應(yīng)細胞因子的表達調(diào)控亞群分化和相應(yīng)細胞因子的表達調(diào)控 表觀遺傳學(xué)調(diào)控和轉(zhuǎn)錄輔助激活因子表觀遺傳學(xué)調(diào)控和轉(zhuǎn)錄輔助激活因子 結(jié) 語 DNADNA甲基化、組蛋白修飾和染色質(zhì)重塑甲基化、組蛋白修飾和染色質(zhì)重塑 DNA DNA甲基化由甲基化由DNADNA甲基轉(zhuǎn)移酶甲基轉(zhuǎn)移酶DnmtlDnmtl催化，通常發(fā)生在雙核苷酸催化，通常發(fā)生在雙核苷酸CpGCpG中的胞中的胞嘧啶，構(gòu)成甲基化的嘧啶，構(gòu)成甲基化的CpGCpG。DNADNA甲基化甲基化及去甲基化，再加上組蛋白修

4、飾，直及去甲基化，再加上組蛋白修飾，直接制約基因的活化狀態(tài)。接制約基因的活化狀態(tài)。 組蛋白可以共價修飾而發(fā)生乙酰組蛋白可以共價修飾而發(fā)生乙酰化、甲基化和磷酸化，由此構(gòu)成多種化、甲基化和磷酸化，由此構(gòu)成多種多樣的組蛋白密碼。多樣的組蛋白密碼。 染色質(zhì)重塑（染色質(zhì)重塑（remodelingremodeling）指染色質(zhì)位置和結(jié)構(gòu)的變化。主）指染色質(zhì)位置和結(jié)構(gòu)的變化。主要涉及密集的染色質(zhì)絲在核小體連接處發(fā)生松解造成染色質(zhì)解要涉及密集的染色質(zhì)絲在核小體連接處發(fā)生松解造成染色質(zhì)解壓縮，從而暴露基因轉(zhuǎn)錄啟動子區(qū)中的順式作用元件，為反式壓縮，從而暴露基因轉(zhuǎn)錄啟動子區(qū)中的順式作用元件，為反式作用蛋白（轉(zhuǎn)錄因子

5、）與之結(jié)合提供了一種稱為可接近性作用蛋白（轉(zhuǎn)錄因子）與之結(jié)合提供了一種稱為可接近性（accesibilityaccesibility）的狀態(tài)。這一過程由兩類結(jié)構(gòu)介導(dǎo)：）的狀態(tài)。這一過程由兩類結(jié)構(gòu)介導(dǎo)：ATPATP依賴依賴型核小體重塑復(fù)合體和組蛋白修飾復(fù)合體。前者通過水解作用型核小體重塑復(fù)合體和組蛋白修飾復(fù)合體。前者通過水解作用改變核小體構(gòu)型；后者對核心組蛋白改變核小體構(gòu)型；后者對核心組蛋白N N端尾部的共價修飾進行催端尾部的共價修飾進行催化其中還有化其中還有I I型型DNADNA酶（酶（DNaseDNase I I）超敏性的改變。）超敏性的改變。 通常，通常，DNADNA甲基化、組蛋白甲基化和

6、染色質(zhì)的壓縮狀態(tài)和甲基化、組蛋白甲基化和染色質(zhì)的壓縮狀態(tài)和DNADNA的不可接近性，以及基因處于抑制和靜息狀態(tài)相關(guān)；而的不可接近性，以及基因處于抑制和靜息狀態(tài)相關(guān)；而DNADNA的去的去甲基化、組蛋白的乙?；腿旧|(zhì)壓縮狀態(tài)的開啟，則與轉(zhuǎn)錄甲基化、組蛋白的乙?；腿旧|(zhì)壓縮狀態(tài)的開啟，則與轉(zhuǎn)錄的啟動、基因活化和行使功能有關(guān)。這意味著，不用改變基因的啟動、基因活化和行使功能有關(guān)。這意味著，不用改變基因本身的結(jié)構(gòu)，而是改變基因轉(zhuǎn)錄的微環(huán)境條件就可以左右基因本身的結(jié)構(gòu)，而是改變基因轉(zhuǎn)錄的微環(huán)境條件就可以左右基因的活性：或者令其靜息（的活性：或者令其靜息（silencingsilencing），或者使

7、其激活。），或者使其激活。 免疫學(xué)中表觀遺傳學(xué)調(diào)控所發(fā)揮的免疫學(xué)中表觀遺傳學(xué)調(diào)控所發(fā)揮的影響，波及基因、細胞和應(yīng)答等不同影響，波及基因、細胞和應(yīng)答等不同的水平。的水平。1）抗原受體基因的表達2）淋巴細胞的發(fā)育和分化 3）等位相斥和單一等位基因（monoallelic）的選擇4）NK細胞受體表達的多樣性5）T細胞激活 TCR TCR和和BCRBCR的表達需發(fā)生的表達需發(fā)生V-V-（D D）-J-J基因片段的重排，重排有賴重組酶與基基因片段的重排，重排有賴重組酶與基因座位兩側(cè)的因座位兩側(cè)的DNADNA重組信號序列（重組信號序列（RSSRSS）相接合。因而染色質(zhì)的可接近性及相應(yīng)相接合。因而染色質(zhì)的可

8、接近性及相應(yīng)的核小體重塑等表觀遺傳學(xué)變化顯得十的核小體重塑等表觀遺傳學(xué)變化顯得十分重要。而且核小體的裝配和分重要。而且核小體的裝配和DNADNA甲基甲基化如果危及編碼重組酶的重組激活基因化如果危及編碼重組酶的重組激活基因（RagRag），也將影響基因重排，干擾抗），也將影響基因重排，干擾抗原受體基因的表達。原受體基因的表達。 T T細胞和細胞和TT細胞的順序分細胞的順序分化、雙陰性化、雙陰性TT細胞向細胞向CD4CD4或或CD8TCD8T細細胞的分化，以及胞的分化，以及CD4CD4陽性效應(yīng)陽性效應(yīng)T T亞群的亞群的分化皆涉及選擇何種基因何時順序轉(zhuǎn)分化皆涉及選擇何種基因何時順序轉(zhuǎn)錄的問題。通常，

9、被選擇出來先行表錄的問題。通常，被選擇出來先行表達的基因（如達的基因（如TCRTCR早于早于TCRTCR）總是）總是首先出現(xiàn)表觀遺傳學(xué)的改變，包括首先出現(xiàn)表觀遺傳學(xué)的改變，包括DNADNA去甲基化、組蛋白的乙?；腿ゼ谆⒔M蛋白的乙?；虳NaseDNase I I超敏性的誘導(dǎo)。超敏性的誘導(dǎo)。 等位基因重排可抑制同一座位另一等位基因重排可抑制同一座位另一個等位基因的重排，保證了淋巴細胞伯個等位基因的重排，保證了淋巴細胞伯單一特異性，稱為等位相斥。就表觀遺單一特異性，稱為等位相斥。就表觀遺傳學(xué)機制而言，某一基因一旦去甲基化，傳學(xué)機制而言，某一基因一旦去甲基化，即可誘導(dǎo)重排而使其成為細胞所表達的

10、即可誘導(dǎo)重排而使其成為細胞所表達的單一等位基因。已確定成熟單一等位基因。已確定成熟B B細胞啟用細胞啟用這一機制使這一機制使IgIg早于早于IgIg進行轉(zhuǎn)錄表達。進行轉(zhuǎn)錄表達。現(xiàn)時，等位相斥及表觀遺傳學(xué)調(diào)控研究，現(xiàn)時，等位相斥及表觀遺傳學(xué)調(diào)控研究，已進一步擴展到呈現(xiàn)多態(tài)性的細胞因子已進一步擴展到呈現(xiàn)多態(tài)性的細胞因子編碼基因，包括編碼基因，包括IL-2IL-2和和IL-4IL-4。 同一克隆淋巴細胞表面抗原同一克隆淋巴細胞表面抗原受體的特異性相同，但單一的受體的特異性相同，但單一的NKNK細胞表面卻可表達針對不同配體細胞表面卻可表達針對不同配體（MHC IMHC I類的分子）的多種受體組類的分子

11、）的多種受體組合。有研究發(fā)現(xiàn)，這種差異和合。有研究發(fā)現(xiàn)，這種差異和NKNK細胞多個細胞多個KRKR基因去甲基化有關(guān)?；蛉ゼ谆嘘P(guān)。 細胞因子細胞因子IL-2IL-2是是T T細胞激活細胞激活的關(guān)鍵因素。初始的關(guān)鍵因素。初始T T細胞中，細胞中，IL-2IL-2基因因啟動子區(qū)基因因啟動子區(qū)DNADNA甲基化甲基化而處于靜息狀態(tài)。當而處于靜息狀態(tài)。當T T細胞得到細胞得到激活信號后激活信號后20min20min，DNADNA開始去開始去甲基化，并發(fā)生染色質(zhì)重塑，甲基化，并發(fā)生染色質(zhì)重塑，IL-2IL-2基因激活，細胞進入分裂基因激活，細胞進入分裂周期。周期。 Th1 Th1和和Th2Th2的分

12、化受細胞外環(huán)境因素和細胞的分化受細胞外環(huán)境因素和細胞內(nèi)遺傳因素影響，包括內(nèi)遺傳因素影響，包括APCAPC特性、抗原的結(jié)構(gòu)特性、抗原的結(jié)構(gòu)和劑量、共刺激分子、和劑量、共刺激分子、MHCMHC背景、細胞因子等。背景、細胞因子等。當把內(nèi)外因素整合起來，發(fā)現(xiàn)細胞因子的表當把內(nèi)外因素整合起來，發(fā)現(xiàn)細胞因子的表達及其表觀遺傳學(xué)的調(diào)控起主要作用。達及其表觀遺傳學(xué)的調(diào)控起主要作用。 1、細胞因子基因表達的三個時相、細胞因子基因表達的三個時相 2、IL-4基因表達的表觀遺傳學(xué)調(diào)控基因表達的表觀遺傳學(xué)調(diào)控 起始期：主要事件是抗原和起始期：主要事件是抗原和TCRTCR的結(jié)合、共刺激信號的參的結(jié)合、共刺激信號的參與、

13、細胞因子與、細胞因子IL-12IL-12和和IL-4IL-4與與相應(yīng)受體相應(yīng)受體IL-12RIL-12R和和IL-4RIL-4R的結(jié)的結(jié)合，以及受體相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子合，以及受體相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子 Stat4Stat4和和Stat6Stat6的激活。的激活。 定型期：下列亞群特異性轉(zhuǎn)錄因子開始激活并定型期：下列亞群特異性轉(zhuǎn)錄因子開始激活并發(fā)揮作用。對發(fā)揮作用。對Th1Th1是是T-bet(T-bet(以及以及ERM)ERM)；對；對Th2Th2是是GATA3GATA3（以及（以及c-mafc-maf）。結(jié)果，已分化的亞群表）。結(jié)果，已分化的亞群表型特征通過細胞擴增得以穩(wěn)定地保持和遺傳。型特征通過細胞擴增得

14、以穩(wěn)定地保持和遺傳。例如對例如對Th1,Th1,一旦一旦IFN-IFN-表達而表達而IL-4IL-4基因處于靜基因處于靜息狀態(tài)，則新產(chǎn)生的息狀態(tài)，則新產(chǎn)生的Th1Th1細胞和所有的子代細胞細胞和所有的子代細胞一直維持這一格局，形成一種細胞性記憶一直維持這一格局，形成一種細胞性記憶（cell memorycell memory）現(xiàn)象。需要提及的是，）現(xiàn)象。需要提及的是，T T細胞細胞的定向分化需要亞群特異性轉(zhuǎn)錄因子持續(xù)地高的定向分化需要亞群特異性轉(zhuǎn)錄因子持續(xù)地高表達，因而表達，因而GATA3GATA3和和T-betT-bet都可形成自我激活的都可形成自我激活的反饋調(diào)節(jié)環(huán)路。這一調(diào)節(jié)環(huán)路，不僅針對

15、自身，反饋調(diào)節(jié)環(huán)路。這一調(diào)節(jié)環(huán)路，不僅針對自身，還針對其它亞群特異性轉(zhuǎn)錄因子，由此構(gòu)成一還針對其它亞群特異性轉(zhuǎn)錄因子，由此構(gòu)成一個動態(tài)的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)。個動態(tài)的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)。急性轉(zhuǎn)錄期：特點是需要抗原對已分化的急性轉(zhuǎn)錄期：特點是需要抗原對已分化的細胞再次進行激發(fā)。起關(guān)鍵作用的是抗原細胞再次進行激發(fā)。起關(guān)鍵作用的是抗原誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子如誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子如NF-ATNF-AT和和AP-1AP-1。誘導(dǎo)表達。誘導(dǎo)表達后的后的NF-ATNF-AT在各種細胞中含量相似，但它的在各種細胞中含量相似，但它的結(jié)合往往采取細胞亞型專一的方式，即結(jié)合往往采取細胞亞型專一的方式，即Th1Th1中和中和IFN-IFN-基因啟動子區(qū)

16、結(jié)合，基因啟動子區(qū)結(jié)合，Th2Th2中和中和IL-4IL-4啟動子區(qū)結(jié)合。結(jié)果，對啟動子區(qū)結(jié)合。結(jié)果，對Th1Th1和和Th2Th2細細胞，胞，IFN-IFN-和和IL-4IL-4基因的轉(zhuǎn)錄分別再次被基因的轉(zhuǎn)錄分別再次被誘導(dǎo)。此時不再需要共刺激因子和相應(yīng)細誘導(dǎo)。此時不再需要共刺激因子和相應(yīng)細胞因子受體提供信號。胞因子受體提供信號。 DNA DNA酶高敏性的誘導(dǎo)：從起始期到定向期，酶高敏性的誘導(dǎo)：從起始期到定向期，IL-4IL-4基因座位附近的基因座位附近的DNaseDNase I I高敏感性座高敏感性座位（稱為位（稱為DHDH座位）由座位）由3 3個增加到個增加到1010個，特個，特別出現(xiàn)在兩

17、個保守性非編碼序列別出現(xiàn)在兩個保守性非編碼序列CNS-2CNS-2和和CNS-2CNS-2中，這意味著中，這意味著DNADNA去甲基化區(qū)域擴大。去甲基化區(qū)域擴大。由此引起啟動子區(qū)另一個高敏感座位由此引起啟動子區(qū)另一個高敏感座位33端端VAVA的出現(xiàn)，其功能相當于一個的出現(xiàn)，其功能相當于一個IL-4IL-4基因基因的增強子，可以和進入急性轉(zhuǎn)錄期的的增強子，可以和進入急性轉(zhuǎn)錄期的GATA3GATA3和和NF-ATNF-AT結(jié)合，推動結(jié)合，推動IL-4IL-4基因的轉(zhuǎn)錄?；虻霓D(zhuǎn)錄。這里，沒有表觀遺傳學(xué)關(guān)于這里，沒有表觀遺傳學(xué)關(guān)于DNADNA高敏感座高敏感座位的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)錄因子位的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)錄因子GAT

18、A-3GATA-3和和NFATNFAT不能有不能有效的發(fā)揮作用。效的發(fā)揮作用。組蛋白乙酰化和染色質(zhì)重塑：在組蛋白乙?；腿旧|(zhì)重塑：在DNaseDNase I I高敏高敏性增加的同時，組蛋白發(fā)生乙?；纱艘l(fā)性增加的同時，組蛋白發(fā)生乙?；纱艘l(fā)兩個變化，一是兩個變化，一是DNADNA的構(gòu)型開始松解，轉(zhuǎn)錄因的構(gòu)型開始松解，轉(zhuǎn)錄因子得以和核小體中相應(yīng)的順式激活部位結(jié)合；子得以和核小體中相應(yīng)的順式激活部位結(jié)合；二是轉(zhuǎn)錄因子二是轉(zhuǎn)錄因子NF-ATNF-AT和和Stat6Stat6可招募一類能與之可招募一類能與之結(jié)合的反式激活因子如結(jié)合的反式激活因子如CBPCBP。后面將要提高，。后面將要提高，C

19、BPCBP不僅參與啟動基因轉(zhuǎn)錄，還進一步引起組不僅參與啟動基因轉(zhuǎn)錄，還進一步引起組蛋白的乙?；?。這一切，推動了蛋白的乙?；?。這一切，推動了Th2Th2的分化。的分化。 DNA DNA去甲基化：靜息基因往往坐落在高度甲去甲基化：靜息基因往往坐落在高度甲基化的基化的DNADNA異染色質(zhì)區(qū)段，因為異染色質(zhì)區(qū)段，因為DNADNA甲基化招募甲基化招募甲基化甲基化CpGCpG結(jié)合蛋白如結(jié)合蛋白如McCP2McCP2，后者的作用是聚，后者的作用是聚集抑制因子集抑制因子SIN3-HDACSIN3-HDAC復(fù)合體。因而，復(fù)合體。因而，Th2Th2的的分化往往伴有分化往往伴有IL-4IL-4基因的去甲基化。去甲基

20、化基因的去甲基化。去甲基化主要發(fā)生在定型期而非起始期。主要發(fā)生在定型期而非起始期。TCRTCR重組基因的選擇：眾多重組基因的選擇：眾多TCRTCR基因中基因中TCRTCR基因中基因中TCRTCR基因可基因可先發(fā)生重組，其中有先發(fā)生重組，其中有IL-7IL-7的參的參與。與。IL-7IL-7受體可激活受體可激活Stat5,Stat5Stat5,Stat5再結(jié)合輔助激活再結(jié)合輔助激活因子因子CBPCBP等，由后者連接等，由后者連接JJ基基因啟動子，開啟因啟動子，開啟TCRTCR的重排的重排和表達。和表達。MHCMHC基因的表達：基因的表達：MHC MHC 類基因以及其他參與類基因以及其他參與抗原加

21、工遞呈的基因如抗原加工遞呈的基因如TAPTAP、LMPLMP和和DMDM的轉(zhuǎn)錄，的轉(zhuǎn)錄，受控于受控于類反式激活蛋白（類反式激活蛋白（CTACTA）參與）參與類類基因染色質(zhì)重塑，該基因的突變往往導(dǎo)致基因染色質(zhì)重塑，該基因的突變往往導(dǎo)致類類分子表達失效，引起裸淋巴細胞綜合癥。有意分子表達失效，引起裸淋巴細胞綜合癥。有意義的是，義的是，CTACTA基因本身的轉(zhuǎn)錄涉及四個獨立基因本身的轉(zhuǎn)錄涉及四個獨立的啟動子區(qū)（的啟動子區(qū)（PIPIPP），這些區(qū)段中），這些區(qū)段中DNADNA的甲的甲基化程度又直接制約基化程度又直接制約CTACTA基因的活性。例如基因的活性。例如樹突狀細胞和滋養(yǎng)層細胞樹突狀細胞和滋養(yǎng)層

22、細胞類分子的表達由類分子的表達由CTACTA基因啟動子基因啟動子DNADNA的甲基化狀態(tài)所決定。另的甲基化狀態(tài)所決定。另外，新近發(fā)現(xiàn)與外，新近發(fā)現(xiàn)與CTACTA相近處還有一個稱為座相近處還有一個稱為座位調(diào)控區(qū)（位調(diào)控區(qū)（LCRLCR）的結(jié)構(gòu)，可誘導(dǎo)組蛋白乙酰）的結(jié)構(gòu)，可誘導(dǎo)組蛋白乙酰化并招募化并招募RNARNA聚合酶，從表觀遺傳學(xué)的角度制聚合酶，從表觀遺傳學(xué)的角度制約約類基因的表達。類基因的表達。細胞因子細胞因子基因的表達：基因的表達：CTACTA雖以調(diào)控雖以調(diào)控類基因而得名，它作為輔助激活因類基因而得名，它作為輔助激活因子尚有多種功能，其中之一是調(diào)控子尚有多種功能，其中之一是調(diào)控Th1/Th2Th1/Th2相關(guān)細胞因子基因的轉(zhuǎn)錄表達。相關(guān)細胞因子基因的轉(zhuǎn)錄表達。SiskSisk等曾報告，等曾報告，IL-4IL-4基因轉(zhuǎn)錄中基因轉(zhuǎn)錄中NF-ATNF-AT需要和輔助激活因子需要和輔助激活因子CBPCBP結(jié)合需用發(fā)揮結(jié)合需用發(fā)揮作用。但作用。但CTACTA可以競爭性地和可以競爭性地和CBPCBP結(jié)結(jié)合，造成沒有足夠的合，造成沒有足夠的CBPCBP通過通過NF-ATNF-AT參參與與IL-4IL-4的轉(zhuǎn)錄，抑制了的轉(zhuǎn)錄，抑制了Th2Th2的分化。的分化。自身免疫自身免疫?。涸擃惣膊∩婕白陨矸磻?yīng)性淋?。涸擃惣膊∩?/p>