表觀遺傳學的意義范例6篇

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表觀遺傳學的意義

表觀遺傳學的意義范文1

關鍵詞 表觀遺傳 高中生物 科學的本質 生命觀念

中圖分類號 G633.91 文獻標志碼 A

表觀遺傳學為人們理解遺傳現象提供了全新的視角,成為“后基因組”時代的重要研究內容之一。同時,表觀遺傳學作為一個前沿領域,將是高中生物課程內容的一部分。如何在高中課程中實現其教育價值,對教育工作者又提出了新的要求。

1 表觀遺傳學:從“意外”發展而來的科學領域

“眾所周知,DNA是生命的基本遺傳物質,但令人怦然心動的是,你可以繼承的不僅僅只有DNA序列,還有表觀遺傳信息?!北碛^遺傳學是從對經典遺傳學理論無法解釋的“意外”現象的探索中發展起來的,這也使表觀遺傳學的研究格外令人著迷。

經典遺傳學認為,遺傳信息儲存于核酸序列中,并通過生殖將遺傳信息傳遞給下一代。它所揭示的“基因型決定表型”的遺傳模式被廣泛認知。然而,不符合此模式的遺傳現象卻一直困擾著遺傳學研究者們。作為遺傳信息完全相同的同卵雙胞胎為什么會在成長發育過程中表現出不盡相同的外表特征?在生物體的發育過程中,雖然每個細胞擁有相同的遺傳物質,為什么它們卻遵循高度的時空特異性,從而分化為不同的組織?在過去的30年中,隨著對DNA甲基化、組蛋白修飾、X染色體失活、基因組印記以及非編碼RNA等領域的不斷深入研究,許多困惑科學家已久的遺傳學問題得到了解釋,表觀遺傳學也逐漸成為一個新興的熱點研究領域。

表觀遺傳現象被定義為“非DNA突變引起的可繼承的表型變化”。其中包涵三個關鍵點:

(1) 不是由DNA突變引起的;

(2) 可以繼承的,或是說可遺傳的;

(3) 引起了表型的變化。

一直以來,DNA被認為是遺傳信息的唯一承載者。表觀遺傳學的研究表明,子代可以繼承的不僅僅有DNA攜帶的遺傳信息,還有“表觀遺傳信息”。而這些表觀遺傳信息雖然沒有伴隨DNA序列的改變卻可以遺傳下去。例如,在發育過程中,分化后的細胞和組織之間存在明顯的表型差異,這些差異一旦形成便可以以一種克隆性的方式遺傳給子代細胞。需要說明的是表觀遺傳現象中的表型變化是“開關”型的,即這種表型非“有”即“無”,而不是程度上的變化。

表觀遺傳學與克隆、干細胞、衰老與癌癥等研究都有密切聯系。在“后基因組”時代,表觀遺傳學的發展對生物學研究以及人類疾病領域的研究都具有深遠的意義

2 發揮表觀遺傳學在高中生物學中的教育價值的教學策略

表觀遺傳學現象廣泛存在于生命周期的各個過程中,表觀遺傳學的調控對生物體來說具有普遍且重要的意義。不過,目前國內外高中生物教材幾乎都沒有完整介紹表觀遺傳學相P內容的章節。其原因固然比較多,但主要原因有:表觀遺傳學是近些年來才發展迅速,屬于比較新的研究領域;表觀遺傳的機制非常復雜,要讓高中學生理解其內在機制,有一定困難。然而,將表觀遺傳學的內容納入我國的高中生物課程,已經基本達成共識。那么,這一內容在高中生物課程中的教育價值究竟表現在哪里?筆者認為,它不僅僅是為了讓學生掌握更多的遺傳學知識,完善遺傳知識體系,更重要的是發揮它在提升學生學科核心素養方面的價值。

2.1 引導學生深入理解科學的本質

目前,人們對“科學的本質”還沒有一個統一的定義,《2061計劃――面向所有美國人的科學》所闡述的科學的本質得到很多學者的認可:

(1) 科學世界觀:自然是可以理解的;科學知識是可改變的;科學知識并非很容易就可以;科學并非萬靈丹,能解決所有的問題。

(2) 科學探究活動:證據對科學而言是重要的;科學是邏輯與想象融合成一體;科學知識除了能說明自然界的現象也具有預測的功能;科學家會驗證理論以減少誤差;既定的科學知識并不具有永久的權威地位。

(3) 科學事業:科學是人類的一項事業。

表觀遺傳學的發展歷程,典型地體現出了科學的本質。因此,表觀遺傳學內容的教學,應著力于引導學生更好地理解科學的本質。

2.1.1 引導學生理解科學具有開放性

表觀遺傳學的發展表明,人類對遺傳現象和本質的認識是不斷發展的,因此,科學知識是一個開放的系統。雖然遺傳學已經建立100多年,但是科學家們并沒有停止對遺傳問題的探索,遺傳學仍然在發展。

在教學中,教師可以讓學生嘗試回答:“為什么遺傳背景相同的同卵雙胞胎在成長過程中會出現表型差異?”“為什么克隆后的小貓與‘單親媽媽’會有不同花色?”……學生在尋求答案的過程中,會發現用之前所學的經典遺傳學知識并不能回答好這些問題,而是要進一步尋找更合理的科學解釋。由此可以讓學生直觀地感受到科學的開放性。

2.1.2 引導學生感悟科學講求證據與邏輯

人們對遺傳現象的認知程度會隨著科學的發展而改變,但所有觀點的產生都不是異想天開,而是基于科學實證。表觀遺傳學從對現象的認知到理論的建立都是基于科學證據的積累。這期間出現了很多假說,也經歷了理論的不斷提出與的過程。雖然目前仍然有很多還不能夠被解答的問題,但是通過科學家們在DNA與組蛋白修飾、染色質重組以及非編碼RNA等領域的不斷探索,人們已經可以解釋很多表觀遺傳學現象??茖W研究的發展往往從認知規律開始,進而通過科學探究來逐步揭示規律形成的機制。教學時,如果教師引導學生基于表觀遺傳的現象,科學家揭示現象獲得的研究事實來得出結論,既可以讓學生更好地理解表觀遺傳學內容,知道知識是如何形成的,也能進一步引導他們認識到科學是重視證據和邏輯的。

2.1.3 引導學生理解科學的連續性

科學的本質特征,一方面表現在科學知識是暫時的、可變的;另一方面表現為科學知識又具有持久性。雖然科學家反對絕對真理的概念,并認為其中不確定性是事物本性的一部分,但絕大部分知識都具有持久性。因此,改變性與連續性是科學一貫的特征。高中階段學生對表觀遺傳學相關內容的學習,既需要、也可以體現出科學的連續性。

經典的分子遺傳學可以說是從“基因”的層面來進行研究,表型的改變歸結于DNA序列的變化。而表觀遺傳學是從“染色質”的層面來進行研究,表型的改變歸結于染色質狀態的調整。所以表觀遺傳學狹義的定義為:通過調整染色質狀態,在不改變DNA序列的情況下實現對基因轉錄的調節。學習有關內容時,教師要引導學生認識:表觀遺傳學的發展對經典遺傳學來說并不是一種質疑和挑戰,而是一種補充,是遺傳學研究的一種延續。隨著表觀遺傳現象分子機制的揭開,其與經典遺傳學以及普遍的生物調控更容易地被結合起來。這種聯系是一直就存在的,只是科學家需要通過對科學的不斷探究去發現和理解它。科學是人類的一項永無止境的事業,遺傳學的探索還將繼續為人們揭開更多生命的奧秘。

2.2 注意引導學生進一步建立生命觀念

“生命觀念”是理解生命的本質所需要的觀念,是對觀察到的生命現象及相互關系或特性進行解釋后的抽象。構建生命觀念是發展核心素養的重要組成部分。表觀遺傳學內容的學習可以幫助學生完善結構與功能觀、進化與適應觀以及穩態與平衡觀。

2.2.1 注意凸顯表觀遺傳學如何體現出結構與功能的統一性

結構與功能觀是基本的生命觀念之一。結構是功能的基礎,功能的有效執行必定依賴于特定的結構。在生物體的生命歷程中,結構與功能是一個不可分割的整體。

表觀遺傳現象充分體現出結構與功能的辯證統一關系。研究結果表明,在表觀遺傳學“開啟”和“關閉”兩種不同的表型狀態下,總是可以在其中的關鍵調控點找到結構差異,即結構決定功能。染色質在結構上并不是均一存在的,既有相對松散的有利于基因表達的常染色質,又有高度濃縮使基因沉默的異染色質。常染色質是以一種開放式的、對轉錄等過程所需的各種酶更為敏感的構象存在,隨時可以開啟基因的表達。而異染色質以一種超濃縮的致密結構存在,轉錄等相關的酶無法結合上去,從而抑制表達。這體現出染色質的結構和功能是相適應的。表觀遺傳學的各種機制之間其實是相互關聯的,表觀遺傳因素通過調節染色質的結構、對染色質進行修飾等來影響基因的轉錄,從而達到調節功能的目的。

在教學中,教師可以結合表觀遺傳的實例滲透結構與功能觀。例如,表觀遺傳學因素導致雌性哺乳動物的一條X染色體失活,失活后的染色體以致密的異染色質狀態存在,稱為巴氏小體。以玳瑁貓為例,玳瑁貓(母貓)的體表有黃色和黑色隨機分布的花斑??刂泣S色和黑色毛色的基因是位于X染色體上的兩個等位基因。在個體的發育過程中,細胞內的一條X染色體隨機濃縮而失去活性,從而呈現出這種黃黑相間的花色。

2.2.2 注意發揮表觀遺傳學在建立進化和適應觀念上的價值

“生物進化”是生物學核心概念的重要組成部分,提供了將大部分生物學知識建成一個整體的框架?!斑z傳”“進化”與“環境”三者之間存在很微妙的關系。生物進化的前提是有可遺傳的變異;遺傳素材的多樣性為自然選擇提供了更多的原料從而更好地適應環境;而環境又像是一個有力的推手影響著進化的方向。表觀遺傳學的學習是一個將遺傳、進化與環境很好整合的過程,能夠幫助學生進一步理解三者的內在聯系。

生物體能夠產生后代并穩定遺傳依賴于穩定傳遞的遺傳信息與精密的調控機制。表觀遺傳信息的發現是對遺傳信息的重要補充,拓展了遺傳密碼(DNA)的信息承載量。表觀遺傳信息的加入相當于擴大了遺傳樣本量,為自然選擇提供了更多的素材。很多表觀遺傳學現象都是在生物后天的發育中表現出來的,體現出環境的塑造性。借助表觀遺傳學研究手段,人們能更好地理解環境因素對生命的影響,進一步理解“基因型+環境=表型”這一遺傳學命題。研究結果顯示,從單細胞到多細胞,表觀遺傳相關的DNA甲基化、組蛋白修飾的程度與類型以及RNA干擾機制在不同的物種中具有顯著的差異,暗示著表觀遺傳調控在生物進化過程中的作用。表觀遺傳信息的發現以及表觀遺傳調控機制的研究對進一步理解遺傳與進化具有重要意義。

2.2.3 利用表觀遺傳學內容引導學生建立穩態與平衡觀念

在自然界生存,生物種群會找到一個合適的平衡點來有效地適應環境從而維持穩態。穩態不是恒定不變的,而是一種動態的平衡。動態平衡無處不在,各物種與生存環境之間存在平衡,物種之間存在平衡,種群之間存在平衡,個體之間存在平衡。與此同時,每一個生物個體也是一個復雜而精密的系統,在生存過程中,個體的各種結構之間、各種調控機制之間都存在平衡。在進行表觀遺傳學的教學時,教師可以通過以下幾個層次引導學生建立相關的生命觀念。

雌性與雄性之間的平衡:眾所周知,X染色體的基因攜帶量較Y染色體來說是大很多的。如果雌性動物的兩條X染色體都具有活性,那么雌性性染色體所攜帶的基因數目幾乎是雄性的兩倍之多。在哺乳動物中,雌性個體的一條X染色體會隨機失活,從而維持與雄性之間基因的劑量平衡。

染色質結構之間的平衡:基因的表達與沉默是一個復雜且精密的過程。在哺乳動物中,染色質中的常染色質比例只占不到4%,而剩余的96%都為異染色質。需要注意的是,沉默染色質是動態變化的,這增加了問題的復雜性。要維持和延續染色質的這種動態平衡狀態必定需要一個十分可靠的調控過程。因此,表觀遺傳現象往往是多種機制共同作用的結果。

表觀遺傳調控與環境因素之間的平衡:在表觀遺傳學研究還不明確的年代,人們常常把經典遺傳學無法解釋的現象都歸結于“環境”的因素。研究數據表明,環境因素可以通過影響表觀遺傳標記從而影響基因功能。表觀遺傳具有時間上的多樣性,同卵雙胞胎在出生早期具有相似的表型,但隨著不斷地成長,差異會不斷出現。數據顯示,同卵雙胞胎在遺傳學標記的程度和分布上都有明顯的不同,說明表觀遺傳調控與環境的變化之間存在一種動態的聯系。

綜上所述,高中階段的表觀遺傳學內容的教學關鍵不在于表觀遺傳知識的深挖和補充,而在于以此為腳手架,引導學生更好地理解科學的本質、構建生命觀念,從而使學生建立終生受益的素養基礎。

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表觀遺傳學的意義范文2

    1 DNA甲基化和組蛋白乙?;?/p>

    1.1 DNA甲基化 DNA甲基化是指在DNA復制以后,在DNA甲基化酶的作用下,將S-腺苷甲硫氨酸分子上的甲基轉移到DNA分子中胞嘧啶殘基的第5位碳原子上,隨著甲基向DNA分子的引入,改變了DNA分子的構象,直接或通過序列特異性甲基化蛋白、甲基化結合蛋白間接影響轉錄因子與基因調控區的結合。目前發現的DNA甲基化酶有兩種:一種是維持甲基轉移酶;另一種是重新甲基轉移酶。

    1.2 組蛋白乙酰化 染色質的基本單位為核小體,核小體是由組蛋白八聚體和DNA纏繞而成。組蛋白乙?;潜碛^遺傳學修飾的另一主要方式,它屬于一種可逆的動態過程。

    1.3 DNA甲基化與組蛋白乙?;年P系 由于組蛋白去乙?;虳NA甲基化一樣,可以導致基因沉默,學者們認為兩者之間存在串擾現象。

    2 表觀遺傳學修飾與惡性腫瘤耐藥

    2.1 基因下調導致耐藥 在惡性腫瘤中有一些抑癌基因和凋亡信號通路的基因通過表觀遺傳學修飾的機制下調,并與化療耐藥有關。其中研究比較確切的一個基因是hMLH1,它編碼DNA錯配修復酶。此外,由于表觀遺傳學修飾造成下調的基因,均可導致惡性腫瘤耐藥。

    2.2 基因上調導致耐藥 在惡性腫瘤中,表觀遺傳學修飾的改變也可導致一些基因的上調,包括與細胞增殖和存活相關的基因。上調基因FANCF編碼一種相對分子質量為42000的蛋白質,與腫瘤的易感性相關。2003年,Taniguchi等證實在卵巢惡性腫瘤獲得耐藥的過程中,FANCF基因發生DNA去甲基化和重新表達。另一個上調基因Synuclein-γ與腫瘤轉移密切相關。同樣,由表觀遺傳學修飾導致的MDR-1基因的上調也參與卵巢惡性腫瘤耐藥的形成。

    3 表觀遺傳學修飾機制在腫瘤治療中的應用

    3.1 DNA甲基化抑制劑 目前了解最深入的甲基化抑制劑是5-氮雜脫氧胞苷(5-aza-dc)。較5-氮雜胞苷(5-aza-C)相比,5-aza-dc首先插入DNA,細胞毒性比較低,并且能夠逆轉組蛋白八聚體中H3的第9位賴氨酸的甲基化。有關5-aza-dc治療卵巢惡性腫瘤的體外實驗研究結果表明,它能夠恢復一些沉默基因的表達,并且可以恢復對順柏的敏感性,其中最引人注目的是hMLH1基因。有關地西他濱(DAC)治療的臨床試驗,研究結果顯示,結果顯示:DAC是一種有效的治療耐藥性復發性惡性腫瘤的藥物。 3.2 HDAC抑制劑 由于組蛋白去乙?;腔虺聊牧硪粰C制,使用HDAC抑制劑(HDACI)是使表觀遺傳學修飾的基因重新表達的又一策略。根據化學結構,可將HDACI分為短鏈脂肪酸類、氯肟酸類、環形肽類、苯酸胺類等4類。丁酸苯酯(PB)和丙戊酸(VPA)屬短鏈脂肪酸類。PB是臨床前研究最深入的一種HDACI,在包括卵巢惡性腫瘤在內的實體腫瘤(21例)Ⅰ期臨床試驗中有3例患者分別有4~7個月的腫瘤無進展期,其不良反應是短期記憶缺失、意識障礙、眩暈、嘔吐。因此,其臨床有效性仍有待于進一步在Ⅰ、Ⅱ期臨床試驗中確定。在VPA的臨床試驗中,Kuendgen等在對不同類型血液系統腫瘤中使用VPA進行了Ⅱ期臨床試驗,結果顯示,不同的患者有效率差異甚遠。辛二酰苯胺異羥肟酸(SAHA)是氯肟酸類中研究較深入的一種HDACI。其研究表明,體內使用安全劑量SAHA時,可有效抑制生物靶點,發揮抗腫瘤活性。大量體外研究結果顯示,聯合使用DNA甲基化抑制劑和HDACI會起到更明顯的協同作用。

    3.3 逆轉耐藥的治療 Balch等使用甲基化抑制劑—5-aza-dc或zebularine處理卵巢惡性腫瘤順柏耐藥細胞后給予順柏治療,發現此細胞對順柏的敏感性分別增加5、16倍。在臨床試驗中,Oki等將DAC和伊馬替尼(imatinib)聯合使用治療白血病耐藥患者,結果說明,應用表觀遺傳學機制治療惡性腫瘤確實可以對化療藥物起到增敏作用,并且在一定范圍內其療效與體內表觀遺傳學的改變呈正比。Kuendgen和Pilatrino等對HDACI和化療藥物的給藥順序進行研究,結果顯示,在使用VPA達到一定血清濃度時加用全反式維甲酸可增加復發性髓性白血病和骨髓增生異常綜合征患者的臨床緩解率,這可能與VPA引起的表觀遺傳學改變增加患者對藥物的敏感性有關。

    4 展望

    總的來說,應用表觀遺傳學修飾機制治療腫瘤具有良好的應用前景,與傳統化療藥物聯合來逆轉耐藥,將給攻克惡性腫瘤等疾病帶來新的希望。

    參 考 文 獻

表觀遺傳學的意義范文3

【關鍵詞】 川芎嗪 小細胞肺癌 微血管密度 血管內皮生長因子

惡性腫瘤的生長及轉移依賴于腫瘤組織中新血管生成, 抑制血管生成能抑制腫瘤的生長和轉移[1]。腫瘤細胞能夠分泌多種血管生成因子,其中血管內皮生長因子(VEGF)是高效、高特異性作用于血管內皮的促血管生成因子,與腫瘤的生長和轉移密切相關[2]。川芎是著名的活血、化瘀、抗腫瘤中藥。已知川芎嗪可以抑制腫瘤的生長,其機制與其促進免疫功能有關[3]。川芎素(阿魏酸鈉)抑制人肺癌A549細胞增殖,其機制與誘導細胞凋亡有關[4]。本試驗觀察川芎嗪對小鼠小細胞肺癌的抑制作用以及對腫瘤微血管密度和VEGF表達的影響,旨在探討活血化瘀中藥可能存在的其它作用及其機制。

1 材料與方法

1.1 藥品與試劑

鹽酸川芎嗪注射液(TMP,4 mg/2 mL/支,北京市第4制藥廠),硫酸魚精蛋白注射液(PTM, 50 mg/5 mL/支,上海生物化學制藥廠), VEGF抗體和Ⅷ因子抗體(Santa Cruze 產品),SABC試劑盒(武漢博士德生物工程有限公司),其余試劑均為市售分析純。

1.2 動物分組與造模[5] 取40只18~20 g的C57BL小鼠(購自中國醫科大學實驗動物中心), 雌雄各半,隨機分為4組,川芎嗪1、2組、魚精蛋白組(陽性對照)、生理鹽水組(NS)。

取接種小細胞肺癌細胞(購自中國科學院細胞庫)14 d的C57BL荷瘤小鼠脫頸椎處死,無菌條件下取瘤組織加生理鹽水研磨成勻漿,調細胞濃度后,每只正常C57BL小鼠右臀部皮下接種1×107個小細胞肺癌細胞。

1.3 實驗方法

川芎嗪組劑量分別為100、200 mg/kg , 生理鹽水組每只0.2 mL,接種后第2天開始用藥, 每天1次, 腹腔注射連續21 d;魚精蛋白組60 mg/kg,接種后第2天皮下注射1次,第3天起每12小時1次,連續20 d。第22天脫頸椎處死各組小鼠進行檢測。

1.4 一般檢測

接種前和接種后每3天稱量1次體重,按體重變化調整給藥劑量。接種后每3天用游標卡尺測量1次荷瘤小鼠腫瘤的最長徑(a)和最小徑(b),按V =0.5ab2計算腫瘤體積,第22天 處死小鼠,取接種部位腫瘤稱重,計算腫瘤生長抑制率〔腫瘤生長抑制率(%)=(生理鹽水組平均瘤重-治療組平均瘤重)/生理鹽水組平均瘤重×100%〕。

1.5 免疫組化染色

取腫瘤組織,固定、脫水、包埋,4 μm連續切片,VEGF抗體或Ⅷ因子抗體為Ⅰ抗,陰性對照用PBS代替Ⅰ抗,按照試劑盒說明書進行SABC法免疫組織化學染色。

1.6 VEGF 表達的定量分析

選取陽性細胞密集區域,在400×顯微鏡下選取20個陽性細胞,用圖像分析系統測定平均吸光度(A值),以此代表陽性細胞胞質單位面積內VEGF 相對含量。

1.7 腫瘤微血管密度分級(MVD)

依據Weidner[1]標準對著染的血管進行密度分級。高血管密度區多位于腫瘤邊緣。在200倍鏡每0.74 mm2的視野下,以與周圍腫瘤細胞和結締組織成分明顯區別的棕黃色內皮細胞或細胞叢作為一個微血管,記錄5個視野內的微血管數,取其平均值。

1.8 Western Blot

參照文獻[6],取腫瘤組織,溶于Laemmlis溶解緩沖液中(1% Triton X-100,1 mmol/L PMSF,21 mg/L aorotinin,0.5 mg/L leupeptin,1% SDS),離心后將上清液移于另一試管中。Lowry法檢測溶解液中蛋白含量。加入2×SDS加樣緩沖液(125 mmol/L Tris-HCl,20%甘油,0.01%溴酚藍,4% SDS,200 mmol/L DTT),置沸水浴中加熱5 min,按每孔30 μg蛋白量加樣進行SDS2聚丙烯酰胺凝膠電泳。凝膠在轉移緩沖液(25 mmol/L Tris,192 mmol/L 甘氨酸,20%甲醇) 中轉移至硝酸纖維素膜,然后將膜浸沒于含5%脫脂奶粉的TBST液中封閉。Ⅰ抗、Ⅱ抗分別與膜孵育,顯影,NIH image1159計算機軟件分析條帶。

1.9 數據處理

計量資料結果以x±s表示,進行單因素方差分析,組間均值兩兩比較用SHK法,以上結果均由統計軟件包(SPSS10.0) 完成。

2 結

2.1 川芎嗪對各組腫瘤生長體積的影響

川芎嗪各劑量組、魚精蛋白組腫瘤體積均小于生理鹽水組(均P

2.2 川芎嗪對腫瘤重量及生長抑制率的影響

川芎嗪各個劑量組、魚精蛋白組小鼠接種部位的腫瘤重量均低于生理鹽水組(均P

2.3 川芎嗪對腫瘤細胞VEGF 表達及腫瘤血管生長的影響

圖像分析顯示:VEGF 主要表達于腫瘤細胞內,陽性染色的腫瘤細胞多位于浸潤邊緣。血管內皮細胞呈弱陽性染色。川芎嗪各劑量組VEGF表達都呈現出弱陽性,各組A 值與生理鹽水組比較,差異有顯著性(P< 0.05),見表2。實驗結果顯示:川芎嗪對C57BL 小鼠小細胞肺癌細胞表達VEGF 有抑制作用。圖像分析顯示:腫瘤組織切片中,微血管密集區多位于腫瘤細胞浸潤的前緣部位。不同劑量的川芎嗪組腫瘤血管密度分級MVD 值低于生理鹽水組(均P< 0.05),見表2。實驗結果顯示:川芎嗪對C57BL 小鼠小細胞肺癌實體瘤血管生成有抑制作用。表2 川芎嗪對腫瘤血管生長的影響注:*P< 0.05,**P< 0.01 vs NS2.4 Western Blot

3 討

VEGF 是一種重要的血管生長因子,對血管內皮細胞的增殖、基膜降解、內皮細胞遷移和血管構建的調控作用較強,且特異性高[7]。研究證明,VEGF是腫瘤血管形成的關鍵性介質[8]。無論是mRNA水平還是蛋白水平,在許多動物和人的惡性腫瘤中都有VEGF 的高表達;抑制VEGF 可以抑制腫瘤的生長[9]。本研究結果顯示,小細胞肺癌細胞可表達VEGF,并與腫瘤的生長和轉移密切相關。這與同類研究報道一致。

不少研究發現,腫瘤侵襲轉移等惡性潛能隨著腫瘤微血管密度(MVD) 的增加而明顯增加[10]。因此,MVD 被認為是預測腫瘤轉移、復發和預后的一項重要指標[11]。本試驗結果再次顯示了,MVD 升高與腫瘤生長、轉移加快的一致性,并且與VEGF表達的升高也有正性相關性。

中醫活血化瘀法及其方藥治療腫瘤有悠久的歷史和確切的療效。對其機制的探討,既往是從抑制腫瘤細胞的增殖、增強免疫等方面進行。川芎為常用的活血化瘀中藥,本試驗再次證明了其主要成分川芎嗪有抗腫瘤生長和轉移的作用。試驗結果還顯示川芎嗪抗腫瘤機制與抑制VEGF 表達,降低微血管密度密切相關。這與既往報道川芎嗪增強機體免疫[3]149-152或誘導腫瘤細胞凋亡[4]94-96而抑制腫瘤生長的機制不同。

有關活血化瘀中藥的現代藥理作用研究成果豐碩,但尚未見到有關抑制VEGF 表達及抗實體瘤血管生長的報道。這一試驗結果突破了既往關于活血化瘀中藥促進缺血壞死組織側枝循環的建立,改善心血管功能,改善血液流變學,抗血栓形成,鎮痛、鎮靜、抗炎,抗增生等認識的局限,從一個全新的角度認識了活血化瘀中藥的現代藥理作用。尤其是活血化瘀中藥促進側枝循環與抑制新血管生成之間的關系與條件,是否因為具體藥物而有別,一味中藥是否對于不同病理狀態可表現出不同的作用等,都有深入研究的必要。許多中醫診斷為“瘀血”的病癥如腫瘤、類風濕性關節炎、糖尿病血管損害、動脈粥樣硬化等,都有病理性的新血管增生。中醫均以活血化瘀為主治療, 其異病同治的共同機制是否與抑制VEGF 有關,研究這一問題能從一個角度揭示傳統中醫治法與方藥的作用實質。

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表觀遺傳學的意義范文4

基因組印記

基因組印記是一種不遵循傳統孟德爾遺傳規律的表觀遺傳現象。這是由于來源于某一親本的等位基因或其所在的染色體發生了表觀遺傳修飾,導致不同親本來源的兩個等位基因在子代細胞中表達不同。受印記機制調控而差異表達的基因稱之為印記基因(imprintedgene)。目前在植物、昆蟲和哺乳動物中均發現了基因組印記現象,而在鳥類、魚類、爬行類和兩棲類動物普遍認為不存在印記現象。1991年Bartolomei等采用基因敲除技術在小鼠中首次確認了類胰島素生長因子2型受體和非編碼RNAH19基因兩個母源印記基因及一個類胰島素生長因子2型父源印記基因。2007年,杜克大學的研究人員用機器學習的人工智能形式發現了156個新的印記基因,并以此為基礎創造了第一張人類基因組印記基因圖譜。

X染色體失活

X染色體失活是指雌性哺乳類細胞中兩條X染色體的其中之一失去活性的現象,X染色體會被包裝成異染色質,進而因功能受抑制而沉默化,這種現象也稱為X染色體的劑量補償(dosagecompensation)。X染色體失活的起始和選擇發生在胚胎發育的早期,這個過程被X染色體失活中心(X-inactivationcenter,XIC)所控制,是一種反義轉錄的調控模式。這個失活中心存在著X染色體失活的特異性轉錄基因,當失活命令下達時,這個基因產生1個17kb不翻譯的RNA與X染色體結合,介導DNA甲基化和組蛋白修飾,引發并維持X染色體的失活。X染色體失活中心還有“記數”功能,即保持每個二倍體中僅有1條X染色體有活性,其余全部失活。X染色體的失活狀態需要表觀遺傳修飾來維持,可以通過有絲或減數分裂遺傳給后代。

非編碼RNA

非編碼RNA是指不能翻譯為蛋白質的功能性RNA分子,其中包括rRNA、tRNA、snRNA、snoRNA、microRNA等多種已知功能的RNA以及未知功能的RNA。按照它們的大小可分為長鏈非編碼RNA和短鏈非編碼RNA,前者在基因簇以至于整個染色體水平發揮順式調節作用,后者在基因組水平調控基因表達并介導mRNA的降解,誘導染色質結構改變,決定細胞的分化命運,還對外源的核酸序列有降解作用以保護本身的基因組。microRNA是一類內源產生的長度約為22個核苷酸的非編碼小RNA分子,廣泛存在于真核生物甚至病毒中,通過調節編碼蛋白的基因的表達或翻譯來發揮調控作用。microRNA的功能十分廣泛并且滲入到了生理病理學的各種調控途徑中,包括發育周期、細胞增殖和分化、細胞凋亡、新陳代謝、神經調控、腫瘤發生以及病毒和宿主的相互作用等。在法醫學應用中,由于降解后的片段長度過小,不能進行有效的PCR擴增,然而microRNA就能滿足降解檢材的PCR擴增,開始成為關注的熱點。

表觀遺傳學在法醫學中的應用

1表觀遺傳學與親權鑒定

自1985年英國遺傳學家AlecJeffreys教授首次報道DNA指紋圖技術應用于法醫DNA分析以來,DNA分析技術已經在多起重大的刑事犯罪偵破和民事訴訟中發揮重要的作用。目前主要是以熒光標記STR與SNP等傳統遺傳標記進行個體識別和親權鑒定。但在法醫學親子鑒定中,尤其是子代為雜合子或者父(母)和子代為相同的雜合子的單親鑒定中,親代的必需等位基因可能無法確定,使基因座的鑒別能力下降。但通過使用親緣特異性甲基化遺傳標記可以直接判定等位基因的親源,從而確定親代的必需等位基因。Zhao等應用甲基化特異性PCR對被甲基化標記的母系SNP位點rs220028進行檢測證明了這一觀點。另外,Poon等報道,采用DNA甲基化標記可有效識別孕婦外周血中的胎兒DNA,這也為產前的親權鑒定提供了一種非侵入性的檢測方法。

2表觀遺傳學與年齡推斷鑒定

個體年齡推斷一直是法醫學研究的重要內容。目前實際工作中,個體年齡推斷主要依據人類學方法,通過測量與年齡相關的骨骼、牙齒標志等,根據相關模型進行推算。近年來,許多研究者發現表觀遺傳學為個體年齡推斷的研究提供了一種新的思路。DNA甲基化隨年齡變化的特點為利用甲基化標記進行年齡推斷提供了可能。陳培利等利用人胚肺二倍體成纖維細胞(humanembryoniclungdiploidfibroblast,2BS)進行體外培養,發現其p16基因啟動子區及外顯子Ⅰ處的DNA甲基化水平隨個體細胞代齡的增加而降低。Tra等用限制性標記基因組掃描(restrictionlandmarkgenomescanning,RLGS)技術對T淋巴細胞2000個基因座的甲基化年齡變化情況進行了調查,發現29個基因座有變化,其中23個增加,6個降低。由于甲基化標記數目眾多,從中可以篩選出一組適合于法醫學應用的、年齡變化有規律的座位,應用于微量檢材的年齡推斷。尹慧等用高效液相色譜(HPLC)法對94個健康個體DNA甲基化水平的檢測發現,5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine,5mC)含量隨年齡增加而降低,50歲以上與50歲以下年齡組5mC含量差異具有統計學意義。2010年,Teschendorff等通過對261個絕經后婦女全血樣本約14000個基因啟動子區超過27000個CpG的甲基化狀態進行分析,證實干細胞多梳蛋白家族(polycombgroup,PcG)靶基因比非靶基因更容易隨年齡發生甲基化,并且變化不依賴于組織類型、疾病狀態和甲基化水平。

Bocklandt等通過分析唾液中的DNA甲基化標記,可以預測一個樣本組成員的年齡,結果與實際年齡相差大約在5歲范圍內。這項技術如果被確證,可能會成為法醫取證方面很有用的一種工具。同時,它還表明了一種可能性:DNA甲基化修飾或許可以提供一種比計算生日更具醫學相關性的年齡測定方法。

2010年,NorenHooten等在外周血單核細胞中的800個microRNA標記中篩選出9個與年齡相關的基因,但發現其中5個與疾病有關,該研究表明microRNA可以作為推斷年齡以及和年齡相關疾病的診斷指標。

2011年,國內Jin等首次報道了通過體細胞發揮功能的組蛋白修飾基因對衰老這一重要生物學過程的調控作用。這項研究通過生物化學、分子生物學、遺傳學和系統生物學相結合的方法,發現組蛋白H3K27me2/3去甲基酶UTX-1/UTX對衰老發揮了重要的調控作用。在秀麗線蟲中,該基因的雜合突變體及野生型的RNAi敲降后都能極大地延長線蟲壽命,使其抗逆性也大大加強。遺傳學分析發現其功能依賴于胰島素樣信號通路。這種通過重新建立組蛋白修飾模式的方式,揭示了細胞的重編程在抑制衰老過程中的重要作用,并提示其作用機制在哺乳動物細胞中同樣存在。

3表觀遺傳學與雙生子的鑒別

同卵雙生子(monozygotictwins,MZ)是由一個受精卵經過卵裂產生兩個單獨的細胞,并發育為完全獨立的個體,因此同卵雙生兩個個體的遺傳背景完全相同,享有共同的DNA序列。在法醫DNA分析領域,現有的DNA分析手段尚不能有效鑒別同卵雙生個體。

但是近年來,眾多研究都已證實,同卵雙生子的表觀遺傳學水平存在一定的差異。Fraga等對西班牙的40對同卵雙生子個體進行研究,發現他們在DNA甲基化、X染色體失活、組蛋白位點特異性乙酰化上存在差異,并且這種差異會隨年齡增長而增加。Kaminsky等對114對同卵雙生子個體的DNA甲基化的研究顯示,血白細胞、口腔黏膜上皮細胞和腸道組織中的甲基化狀態均存在差異。

此外,Ollikainen等對新生兒不同組織相關的4個差異甲基化區域的甲基化狀態進行了研究,發現甲基化水平存在顯著差異。從上述研究成果中可以看出,研究人員已經把目光投入到了法醫DNA分析的全新領域,尤其是DNA甲基化在同卵雙生子中的研究。這些都為采用DNA甲基化這一表觀遺傳學標記進行同卵雙生子個體甄別的可能性提供了強有力的理論支撐。

4表觀遺傳學與組織來源鑒定

在常見的法醫學案件中,有時需要對生物檢材的組織來源進行鑒定。傳統的形態和生化方法信息含量少,容易受各種條件的影響,因此常常受到限制。隨著分子生物技術的發展,以表觀遺傳學為基礎的組織鑒定方法存在明顯優勢,越來越為人們所關注。

例如,富含CpG的Alu重復序列,在體細胞中是甲基化的,在生殖細胞中卻是低甲基化的,有一個在進化上比較年輕的Alu亞族在中幾乎是完全沒有甲基化的。通過對這一Alu亞族甲基化的分析,就可以判斷檢材是否含有。范光耀應用聯合亞硫酸氫鹽的限制酶法,調查、常見體液、分泌液和組織的DEAD盒多肽4[DEAD(Asp-Glu-Ala-Asp)boxpolypeptide4,DDX4)]基因啟動子甲基化水平,發現中的甲基化水平顯著高于非組織。因此,選擇一個合適的界值,可以根據DDX4甲基化水平有效地鑒別(斑)的種屬來源。

Hanson等運用RT-PCR技術,根據microRNA的細胞組織特異性對血液、、唾液、陰道分泌液和經血進行來源鑒別,并通過與21種人體組織比對驗證了各種斑痕microRNA表達的特異性,用于檢測RNA的模板量最低可達50pg。Zubakov等運用微陣列和Taqman定量PCR技術確證了一些能運用于法醫學實踐識別血痕和精斑的穩定的microRNA標記。該項研究不僅將靈敏度提高到相當于單細胞水平的0.1pgRNA模板量,而且在新鮮與陳舊樣本的比對中發現其microRNA分子絕對含量未發生明顯變化。

5其他

近年來,隨著學者們對RNA在法庭科學領域的研究逐漸廣泛和深入,發現microRNA在法醫學領域的應用價值也日益重要。2007年王芬等發現有6個microRNA分子在H2O2誘導PC12細胞凋亡后表達顯著下調,這一結果為法醫病理學者研究腦缺血再灌注損傷中神經細胞凋亡的機制提供了理論依據。2010年李文燦等在研究大鼠心肌組織microRNA降解與死亡時間的相關性時發現,其含量在機體死后120h內保持相對穩定的水平,可作為內參指標反映其他生物指標的變化水平。

隨著分子生物學技術的飛速發展,法醫工作者又面臨一項新的挑戰,即如何在日常的親緣鑒定和個體識別工作中有效甄別偽造DNA。用于偽造DNA常使用PCR擴增的方法,因此使用親緣特異性甲基化遺傳標記,可以在進行親子鑒定和個體識別的同時,檢測樣本的甲基化狀態,從而鑒別樣本是否為人工偽造DNA。因此DNA甲基化遺傳標記在鑒定DNA是否人工偽造中發揮著重要的作用。

表觀遺傳學的意義范文5

在高校遺傳學教學中存在許多經典案例,如:果蠅的翅型、體色、眼色等性狀的遺傳;豌豆的性狀遺傳以及玉米籽粒的形狀和顏色性狀的遺傳等。其中,還有一個非常重要的經典案例,即血型遺傳。自20世紀初至今,ABO血型遺傳一直是復等位基因的一個不可缺少的經典案例。隨著科學技術的高速發展,血型的經典內涵得到不斷提升,新的研究結果使血型遺傳所涵蓋的遺傳學知識點越來越多,內容越來越豐富。因此,以我們身邊最常見的表型--血型為案例開展遺傳學教學不僅可以將復雜的知識點簡單化、形象化,便于理解,還可以將繁多的基礎知識串聯起來,便于記憶。另外,以血型遺傳作為經典案例在遺傳學的教學中還可以不斷加人新的研究和新的應用,使經典的內涵不斷得到新的提升,讓學生的視野接觸到前沿的科學知識,為日后的科研接力打好基礎。

1血型與遺傳學之間的重要關系

開展案例教學,案例的選擇是關鍵。血型是人類血液由遺傳控制的個體性狀之一,與人類的生活關系密切,用途廣泛。自1900年到2005年,已檢測出約29個血型系統[21。臨床上最常用的有“ABO血型系統”、“Rh血型系統”、“MN血型系統”和“HLA血型系統”。這些血型系統涵蓋了復等位基因、基因互作之上位效應等遺傳學的孟德爾定律拓展原理,基因的表達調控及群體遺傳等遺傳學的精髓內容。透過這個知識窗口,可以看到遺傳學在血型中的奧秘。

孟德爾遺傳定律從建立、發展到不斷拓展完善,一直都是貫穿高校遺傳學教學的核心知識點。由于現在大學生從高中開始就接觸孟德爾定律,如果大學教學還是重復高中階段所涉及的內容,學生的學習興趣難以提高。在高中知識的基礎上,開展案例教學,引入現代遺傳學在人類血型上的最新認識,則不但可以給學生一種似曾相識的感覺,還能自然地激起他們深入探索的興趣。血型的遺傳特征及生化基礎可以清晰明了地向學生闡述清楚孟德爾定律的一些重要的延伸知識內容。從紅細胞血型到白細胞血型,從常見的ABO血型到罕見的孟買、Rh血型,對于假基因、等位基因、復等位基因和擬等位基因等不容易理解的基因概念以及基因之間的相互作用都可以通過血型案例,把學生帶入情境之中,在教師的指引下由學生自己依靠其擁有的基礎知識結構和背景,在血型案例情境中發現、分析和解決問題,比較輕松地掌握這些容易混淆不清的概念和一些難以理解的遺傳學現象,如非等位基因之間的相互作用之上位效應等。

此外,人的血紅蛋白基因在不同發育時期的表達調控還涉及遺傳學中的表型和基因型之間的關系,真核生物中的基因表達調控模式等知識點。對血型相關的一些遺傳疾病進行分析,還可以引申出基因突變和染色體缺失突變及一些重要的遺傳標記。血型的遺傳學檢測方法及臨床上的輸血原則和溶血、血型互配等現象也與受基因表達調控的紅細胞的細胞膜糖基的特征和生化機制密切 相關,引導遺傳學從理論到實驗,再到實踐中的應用。血型與疾病的關聯分析,把科研思維引入高校遺傳學教學中,讓學生緊跟時展的步伐,理論聯系實際,為日后的科研工作打好基礎。

遺傳學中兩大重要的主題是遺傳和變異,主要包括孟德爾遺傳和連鎖遺傳、基因突變和染色體畸變。通過以復旦大學遺傳學教學大綱為參考,與劉祖洞主編的《遺傳學》和喬守怡主編的《現代遺傳學》教材內容相比較發現,血型遺傳案例除了與上述遺傳學四大內容關聯外,還涉及到基因的表達調控、群體遺傳、表觀遺傳等知識點,其中大部分知識點都是要求學生重點掌握的內容。目前,血型案例所涵蓋的主要遺傳學知識內容及在遺傳學學科中的重要意義的歸納見表1。因此,把血型作為經典案例,開展遺傳學的案例教學既貼近生活,引發學生深刻的思考,又能代表性地進一步闡述探討遺傳學的生物知識。

2血型案例在遺傳學教學中的開展

在以血型為案例的教學過程中,我們首先根據高校遺傳學的教學目標和培養目標的要求,在學生掌握了一些遺傳學的基礎知識和理論知識的基礎上,結合遺傳學的教學進度逐步有序地進行介紹:1.血型基本知識介紹;2.紅細胞血型的細胞膜糖基特征和生化機制;3.紅細胞血型與輸血;4.血型的遺傳學規律特征,包括(I)ABO血型復等位基因遺傳及其應用,(II)ABO血型基因的克隆,(III)ABO血型的遺傳學鑒定;5.ABO血型的拓展,包括(I)孟買血型與擬孟買血型,(II)紅細胞血型與白細胞血型。下面主表1血型與高校遺傳學教學的重要關系

要選取兩個方面闡述在遺傳學教學中的開展過程。

    2.1血型基本知識在教學中的開展

ABO血型系統是第一個被描述的紅細胞血型系統,也是最具有臨床意義的一個系統。因此,在進行血型基本知識介紹時往往以ABO血型為例。隨著以分子生物學為基礎的血型研究的發展,ABO血型的基因遺傳背景目前已比較清楚。在介紹血型基因的基本知識同時也涵蓋著遺傳學知識的傳播,而且隨著血型基因知識的不斷豐富完善,涵蓋的遺傳學知識也越來越廣泛。

ABO血型由3個復等位基因控制,即iA、產和i°o在開展遺傳學相關教學活動時,一般都用此作為分析生物界中復等位現象的經典例證。這些基礎知識對于高校學生來說可能在高中的時候就已經獲得。因此,在大學開展相關教學時,除了簡單介紹這3個主要的復等位基因外,還可以深入講述新的研究結果,到目前為止通過分子生物學方法已經確定了160多個^50等位基因,只是目前國際上以4川7基因作為等位基因的參比序列,其他基因均與其緊密相關,非常保守。在此基礎上ABO血型又可分為許多亞群,其中A血型表現出最多的亞型。在紅細胞血型系統中還有一種Rh血型,分為Rh陽性和Rh陰性。Rh血型主要由3個緊密連鎖的基因D/d、C/c、E/e決定,這3個基因以單倍型方式傳遞,屬于擬等位基因。這樣在講解原有知識基礎上,又不局限于原有知識范圍,由ABO血型到Rh血型,由復等位基因引出擬等位基因,在教學方法上可以通過相互比較,舉例分析,擴大學生的知識面,提

高他們的學習興趣。

人類的血型是不是一生恒定不變的?面對這個問題,很多學生都會認為血型是由遺傳決定,不會改變。其實人類的血型也會發生變異,如急性白血病以及再生障礙性貧血可以使血型抗原減弱,骨髓增生異常綜合征可以導致血型抗原丟失等。而且,健康人也存在血型變異的現象,但是這個是與細胞表面血型物質受到掩蓋以及人體存在一些稀有ABO等位基因有關。這些新的知識可以向學生很好地展示“遺傳和變異”,利用身邊的血型案例調動學生的學習積極性,使他們積極主動地掌握遺傳學的精髓。

此外,最近幾年疾病引發基因甲基化和突變的研究'又可以結合表觀遺傳學的內容開展教學。

2.2紅細胞血型的細胞膜糖基特征和生化機制在教學中的開展

人類ABO基因位于9號染色體長臂(9q34),其基因產物是一些專一性的糖基轉移酶,可以催化血型抗原前體特定部位的糖基轉移,從而控制ABO血型抗原的生物合成。其中4基因編碼產物為N-乙酰-D-半乳糖胺轉移酶(簡稱A酶),可以產生常見的A抗原;S基因編碼產物ci-l,3-D-半乳糖轉移酶(簡稱B酶),可以產生常見的B表面抗原;和S基因同時存在產生的等位基因,其編碼產物具有A酶和B酶的特異性,在紅細胞表面上產生不同強度的A和B抗原;而O基因則是第258位和第349位堿基缺失導致的密碼子移位,使終止密碼提前出現,合成了無酶活性的短肽,因而體內沒有A酶和B酶,也不能催化糖基轉移,只有前體物質H的產生為H抗原(圖1)。因此ABO血型有時也稱為八811型[71。這樣,不同的、B、0基因編碼不同的多肽,產生具有不同功能的糖基轉移酶,非常簡單地引出了遺傳學中經典的基因與酶的關系的“一個基因一條多肽(一個基因一個酶)假說”,使學生很容易獲得一個基因決定一條相應的多肽鏈(酶)的結構,并相應地

影響這個多肽(以及由單條或多條多肽鏈組成的酶)的功能這種遺傳學思想,達到良好的教學效果。

此外,最新研究發現ABH抗原除表達在血細胞表面以外,還可以出現在除腦脊液外的分泌液中;有大約80%的個體具有產生這些可溶性抗原的遺傳基因;這種分泌抗原的表達由雙結構基因控制,即第19號染色體2個緊密連鎖的Ft/n(用和基因座。ABO血型抗原都由前體H物質合成,SeAe基因和丑冷基因都可以控制合成H物質;簡單來說,基因的表達決定體液中是否出現ABH抗原,H/h基因的表達決定紅細胞上是否出現ABH抗原。但是,并不是所有帶m基因的個體唾液中都分泌ABH物質,還要受到Wh基因的制約,其中hh型(即孟買型)均為非分泌型[7]。這樣又引出了遺傳學中一個很重要的概念--上位基因,很重要的遺傳學現象--上位效應。這些屬于遺傳學中基因互作的重點內容,而且發生基因相互作用的非等位基因仍然遵循孟德爾分離和自由組合定律,后代的基因型及其比例是可預計的,所以在遺傳學教學中還可用于親子鑒定、重大遺傳疾病的關聯分析、人種演化、群體遺傳分析等相關內容。

2.2相關技術的拓展應用

ABO血型的分子檢測是分子遺傳學教學中PCR技術拓展應用的案例。血型基因的表達影響血型的表現型,表型相同的個體其基因型不一定相同。如何區分iAiA、Pi0在表現型都是A型和iBiB、iBi0在表現型都是B型的個體,可以根據A、B、0血型基因堿基的差異,應用聚合酶鏈式反應-限制性片段多態性(PCR-RFLP)技術分型人類ABO血型的方法。這種方法可以對個體血型(血型基因型)進行判定:是屬于AA型、AO型,還是BB型或BO型。在這個基礎上,我們進行了改進,并結合教學進程,作為自選實驗在學生中開設,獲得了學生的好評。在135個學生中開展自選實驗,其中有80%的學生選擇ABO血型鑒定這個實驗,并表示對這個實驗很感興趣。

此外,還可通過分析核苷酸來確定分泌型ABH血型的Se基因型。主要基因分型技術有:(l)PCR-序列特異性引物(PCR-SSP),這是一種新的基因多態性分析技術,根據基因座某一堿基的差異設計一系列引物,特異性引物僅擴增與其對應的等位基因, 而不擴增其他的等位基因;(2)PCR-DNA測序法,先通過PCR擴增基因的主要片段,然后測定序列;(3)PCR-限制性內切酶法,用對位點特異的限制性內切酶消化基因,再通過Southernblot分析來確定。目前,PCR-SSP常用于胎兒血型鑒定及白血病引起的血型抗原異常等血型鑒定。隨著450基因結構和研究方法的迅速發展,AB0血型定型也將進入基因定型的時代,揭示更多的關于AB0基因和AB0血型表觀遺傳學等方面的奧秘。

在教學過程中還可以設計一系列與血型相關的論題,引導學生査閱相關方面的最新進展,總結出血型與人類疾病和性格之間的關系以及蘊涵的遺傳學原理。學生可以分組制作PPT討論,還可針對某一論題,學生組隊分為正反兩方,開展辯論式討論。一學期可以安排一次課時(45分鐘)開展辯論式討論,前30分鐘讓學生正反方陳述觀點,列舉證據開展辯論,后15分鐘用于總結和點評。在這個模式下,幾乎所有的學生都積極主動地參與進來,將引導、鼓勵與考評相結合,充分調動了學生學習的積極性[11]。開展“血型是否可以決定性格”類似專題的辯論式討論,既增加了遺傳學教學的興趣性及可接受性,還可以使學生的思維在辨析中得到操練。正反兩方隊員通過收集資料和案例,與同學辯論解釋的過程中,不僅掌握了深奧的科學知識,而且還與現實生活相聯系,并且將遺傳學應用于實際,填補了傳統教學在知識靈活認知與實踐中的不足。

3以血型為案例開展遺傳學教學的優點

作為日常生活中被人們廣泛熟知的遺傳學常識,血型遺傳學的研究歷程符合遺傳學的發展規律與教學規劃,其作為遺傳學教學案例有著不可替代的優勢:

表觀遺傳學的意義范文6

[關鍵詞] DNA甲基化;5'-Aza-CdR;HT-29;LoVo;Wif-1基因

[中圖分類號] R735.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673-7210(2014)08(b)-0016-06

Effect of 5-Aza-dC on mRNA expression, protein expression and methylation of Wif-1 gene status in HT-29 and LoVo Colorectal cancer

GE Chang XU Chunwei WANG Luping FANG Yuan ZHANG Yuping

Department of Pathology, the Military General Hospital of Beijing PLA, Beijing 100700, China

[Abstract] Objective To investigate the effects of 5-Aza-2-deoxycytidine (5-Aza-dC), a methylation inhibitor, on the mRNA expression, protein expression of Wif-1 gene in HT-29 and LoVo Colorectal cancer cell lines. Methods HT-29 and LoVo Colorectal cancer cell lines was treated with different dosages of 5-Aza-dC. Wif-1 gene DNA, mRNA and protein were determined by Methylight, SYBR Green PCR and Western blot respectively. HT-29 and LoVo Colorectal cancer cell lines were treated with different dosages of 5-Aza-dC (0.5, 1.0, 1.5 μmol/L). Wif-1 gene DNA, mRNA and protein were determined by Methylight, SYBR Green PCR and Western blot respectively. Results Methylight detection showed that the Wif-1 gene methylation had effectively been reverserd by 5-Aza-dC. Moreover, the expression levels of Wif-1 gene mRNA treated with 5-Aza-dC increased respectively in HT-29 Colorectal cell line[(1.000±0.000), (1.207±0.052), (1.790±0.033), (2.016±0.123)], and the expression levels of Wif-1 gene mRNA treated with 5-Aza-Dc increased respectively in LoVo Colorectal cell line [(1.000±0.000), (1.294±0.048), (1.893±0.061), (2.204±0.041)]. Western blot indicated that 5-Aza-dC could recover the Wif-1 protein expression respectively in HT-29 Colorectal cell line [(0.456±0.040), (0.511±0.025), (0.857±0.031), (0.934±0.047)], and the protein expression was (0.842±0.032), (0.844±0.044), (0.854±0.037), (0.856±0.034), respectively in LoVo Colorectal cell line. The Wif-1 gene mRNA effects within certain extent dose and time dependent with statistical significance in HT-29 Colorectal cancer line (F=144.823, P=0.000) and LoVo Colorectal cancer line (F=476.195, P=0.000), and the Wif-1 protein effects within certain extent dose and time dependent with statistical significance in HT-29 Colorectal cancer line (F=129.674, P=0.000), but without statistical significance in LoVo Colorectal cancer line (F=0.117, P=0.948). Conclusion The methylation of promoter region is a main cause for transcriptional inactivation of Wif-1 gene in HT-29 and LoVo Colorectal cancer cell lines. 5-Aza-dC may effectively reactivate the gene transcription through a demethylation role.

[Key words] DNA methylation; 5-Aza-dC; HT-29; LoVo; Wif-1 gene

結直腸癌(colorectal cancer,CRC)作為最常見惡性腫瘤之一,其發病率僅位于肺癌和前列腺癌(女性為乳腺癌)之后,居第3位,而每年CRC病死率約占全部惡性腫瘤死亡總人數的8%,在惡性腫瘤死因中居第4位[1]。CRC的發生與發展與癌基因和抑癌基因的缺失、擴增或突變有關。有些基因在染色質水平上發生表型遺傳修飾改變也會導致表達下調。表型遺傳修飾最多見的是CpG島(CpG island)的甲基化改變。Wif-1基因(Wnt inhibitory factor-1)定位于人類染色體12q14.3上,由10個外顯子組成,全長約200 kb。Wnt/β-catenin信號傳導通路是調控細胞生長增殖的重要途徑之一,其異常激活已發現與多種人類腫瘤密切相關[2]。Wif-1基因是這條通路的下游區基因也是這條通路的拮抗基因。Wif-1基因的高甲基化在多種腫瘤中都已證實是存在的,它作為一種腫瘤抑制基因(tumor suppressor gene,TSG),其啟動子的高甲基化參與了腫瘤的發生發展。本實驗通過研究5'-氮雜-2'-脫氧胞苷(5'-Aza-CdR)對HT-29和LoVo細胞株作用后Wif-1基因的DNA層面、mRNA層面和蛋白層面的改變,探討腫瘤發生發展過程中Wif-1基因失活的甲基化機制及藥物恢復Wif-1基因表達的可能性,以期尋找CRC的腫瘤標志物及新的治療靶點。

1 材料與方法

1.1 材料

結直腸癌細胞株HT-29和LoVo(北京大學醫學部107實驗室);DNA提取試劑盒(德國QIAGEN公司);核酸蛋白質濃度測量儀B-500(上海創萌生物科技有限公司),DNA甲基化修飾試劑盒及甲基化陽性/陰性對照(美國ZYMO公司);qPCR反應試劑ROX(TaKaRa公司);Mix(上海輝睿生物科技有限公司);Mx3000P定量PCR擴增儀(美國Stratagene公司);引物由生工生物工程(上海)有限公司合成;5'-Aza-CdR(美國Sigma公司),以DMSO溶劑充分溶解后配制成0.1 μmol/L的母液,分裝后-80℃保存;Wif-1和內參β-actin(美國Santa Cruz公司),Western blot相關試劑(北京索萊寶科技有限公司)。

1.2 細胞培養和干預

結直腸癌細胞株HT-29和LoVo置于10%胎牛血清和100 μ/mL青霉素、鏈霉素的RPMI1640的培養基中常規培養,胰酶消化傳代。取貼壁生長良好的細胞以RPMI1640調整細胞密度至2×106/mL,接種于六孔培養板。干預的LoVo和HT-29細胞分別加入0.5、1.0、1.5 μmol/L 5'-Aza-CdR混合培養液,每24小時更換新鮮培養基,連續作用72 h;以HT-29和LoVo分別加入等量DMSO溶劑培養作為對照(0 μmol/L)。

1.3 Methylight方法

取對數生長期的HT-29和LoVo細胞株,胰酶消化后抽提DNA。抽提DNA按DNA提取試劑盒(德國QIAGEN公司)說明提取上述兩種細胞不同濃度梯度的細胞DNA,用紫外分光光度儀(上海創萌生物科技有限公司)測DNA濃度,以DNA濃度在25 ng/μL為最低濃度,使用DNA修飾試劑盒進行亞硫酸氫鹽修飾,按照試劑盒說明書操作,Wif-1基因甲基化引物和探針設計:Wif-1基因序列參照GenBank。甲基化引物和探針由Beacon Designer 7.9軟件設計,其引物序列上游引物:5'-TAAACGGGAATAGTTTTGGTTGAGG-3';下游引物:5'- TACTACTCAAAACCTCCTCCTCGCTAC-3';探針:FAM 5'- CTCCTCGTACCGCACCTACGCAACCTA-3' BHQ1,內參β-actin基因甲基化按文獻[3]設計,上游引物:5'-TGGTCATC CAGGTTTAGTAACT-3',下游引物:5'-AACCAATAAAC CTACTCCTCCCTTAA-3',探針:FAM 5'-ACCACCACCCAACACACAATAACAAACACA-3'BHQ1。PCR反應總體系為20 μL,2×Taq PCR Master Mix 10 μL;修飾后的DNA模板2 μL;上、下游引物各1 μL(10 pmol);探針FAM 0.4 μL(10 pmol);ROX 0.3 μL。反應條件:94℃預變性5 min;94℃ 30 s,52℃ 45 s,72℃ 45 s,共50個循環;72℃延伸5 min,4℃冷卻5 min。經亞硫酸氫鹽修飾的Human Methylated & Non-methylated DNA Set作為陽性、陰性對照,水為空白對照。

1.4 實時熒光定量PCR分析結直腸癌細胞株HT-29和LoVo中Wif-1基因mRNA的表達情況

取對數生長期的HT-29和LoVo細胞,胰酶消化后抽提細胞總RNA,逆轉錄合成cDNA,行實時熒光定量PCR。Wif-1引物由Primer Premier 5.0軟件設計,上游引物:5'- GTTCCACGGACCTCACT-3',下游引物:5'-ATGTCGGAGTTCACCAGA-3';內參基因GAPDH上游引物:5'-GGCTGCTTTTAACTCTGG-3',下游引物:5'-GGAGGGATCTCGCTCC-3'。20 Μl PCR反應體系含10 μL SYBR Premix Ex TaqTM(2×)、上、下游引物(10 μmol/L)各1、0.3 μL ROX Reference Dye(50×)、4.0 μL DNA模板、3.7 μL dH2O。反應條件為95℃預變性5 min;95℃ 10 s,55℃ 40 s,72℃ 45 s,共40個循環;72℃延伸1 min,70℃延伸30 s,95℃延伸30 s。實驗重復3次,取均值。擴增完畢后分析熔解曲線,采用2-ΔΔCt法分析Wif-1 mRNA表達。ΔΔCt=(Ct處理組目的基因-Ct處理組內參基因)-(Ct對照組目的基因-Ct對照組內參基因)。

1.5 Western blot分析結直腸癌細胞株HT-29和LoVo中Wif-1蛋白的表達情況

取對數生長期的HT-29和LoVo細胞,在上述兩種細胞株各個濃度梯度的每管細胞中加入80 μL蛋白裂解和1 μL蛋白酶抑制劑PMSF液于冰上裂解30 min。15 000 r/min 37℃離心,10 min后取上清液提取總蛋白,BCA法蛋白定量??偟鞍?00℃變性5 min后,配制濃度為12%的SDS-PAGE凝膠,進行蛋白質電泳,蛋白電泳分離后經電轉移槽轉移至PVDF膜。BSA室溫封閉2 h后,PVDF膜置于1∶200稀釋的Wif-1單克隆抗體稀釋液中4℃冰箱內培養過夜,TBST洗膜3次,每次10 min,再置于1∶20 000稀釋的HRP標記的山羊抗兔IgG稀釋液中37℃培養2 h,TBST洗膜4次,每次10 min,然后加入ECL發光液顯影,采集并分析處理圖像。凝膠成像系統攝像并分析各條帶吸光度值,以0.5 μmol/L 5'-Aza-CdR條帶吸光度值(A)/β-actin條帶吸光度值(A)為基準,設置為1。以目的基因條帶吸光度值(A)/β-actin條帶吸光度值(A)作為Wif-1蛋白的相對表達強度。實驗重復3次,取其平均值。

1.6 MethyLight結果判斷標準

同時擴增目的基因(Wif-1)和內參基因(β-actin),根據標準曲線得到兩者的原始拷貝數,計算標準甲基化指數(the normalized index of methylation,NIM)。其定義為:NIM=[(Wif-1 sample/Wif-1 positive)/(β-actin sample/β-actin positive)]×100,其中Wif-1 sample指樣本中甲基化Wif-1基因的拷貝數,Wif-1 positive指陽性對照中甲基化Wif-1基因的拷貝數,β-actin sample指樣本中甲基化Wif-1基因的拷貝數,β-actin positve指陽性對照中甲基化Wif-1基因的拷貝數。NIM≥4為甲基化,NIM

1.7 統計學方法

采用統計軟件SPSS 19.0對實驗數據進行分析,計量資料數據以均數±標準差(x±s)表示,組間比較采用單因素方差分析(One-way ANOVA),行配對t檢驗,并設定P值為雙側分布,以P < 0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 結直腸癌細胞株HT-29和LoVo中Wif-1基因甲基化狀況

將陽性對照按10的倍數稀釋成1×100~1×10-6 7個濃度梯度制作標準曲線(其拷貝數為103~109/mL)。各濃度梯度反應均做復孔。MethyLight的線性范圍為104~108拷貝/mL,R2為0.907。實時熒光定量PCR得出數據按MethyLight結果判斷標準,在DMSO對照組、0.5、1.0、1.5 μmol/L 5'-Aza-CdR中HT-29和LoVo細胞株中Wif-1基因甲基化狀態分別為甲基化、甲基化、未甲基化和未甲基化。見表1、圖1。

表1 HT-29和LoVo細胞株中Wif-1基因甲基化狀況

2.2 結直腸癌細胞株LoVo和HT-29中Wif-1基因mRNA表達狀況

實時熒光定量PCR得出的數據檢驗擴增效率(E)通過公式E=2-1/斜率-1計算,Wif-1基因mRNA為0.945,GAPDH基因mRNA為0.977,兩個基因的擴增效率相差

表2 HT-29和LoVo細胞株中Wif-1基因mRNA表達狀況(x±s)

注:與DMSO對照組比較,*P < 0.05,**P < 0.01

2.3結直腸癌細胞株HT-29和LoVo中Wif-1蛋白表達狀況

Western blot結果運用Image J軟件進行條帶圖像分析,獲得HT-29和LoVo細胞株各條帶光密度值,并計算出兩種細胞在各組中的平均光密度比值,進行半定量分析及統計學分析,并以各實驗分組為橫坐標,將測出相應的平均光密度比值為縱坐標,繪出柱狀圖后發現0.5、1.0、1.5 μmol/L 5'-Aza-CdR作用后,HT-29細胞株中Wif-1蛋白表達水平較DMSO對照組上調,并且有藥物濃度依賴性(F=129.674,P=0.000),與DMSO對照組比較,1.0、1.5 μmol/L 5'-Aza-CdR組比較,差異均有統計學意義(t=45.825,P=0.000;t=9.584,P=0.011)。LoVo細胞株中Wif-1基因的蛋白表達水平較DMSO對照組略微上調,并且有藥物濃度依賴性但差異無統計學意義(F=0.117,P=0.948),與DMSO對照組比較,0.5、1.0、1.5 μmol/L 5'-Aza-CdR組差異均有高度統計學意義(t = 19.414,P = 0.003;t = 30.468,P = 0.001;t = 102.233,P = 0.000)。見表3、圖3。

表3 HT-29和LoVo細胞株中Wif-1蛋白表達狀況(x±s)

注:與DMSO對照組比較,*P < 0.05,**P < 0.01

A:DMSO對照組,0.5、1.0、1.5 μmol/L 5'-Aza-CdR組中HT-29細胞株Wif-1蛋白Westernblot條帶圖;B:DMSO對照組,0.5、1.0、1.5 μmol/L 5'-Aza-CdR組中HT-29細胞株Wif-1蛋白柱狀圖;C:DMSO對照組,0.5、1.0、1.5 μmol/L 5'-Aza-CdR組中LoVo細胞株Wif-1蛋白Westernblot條帶圖;D:DMSO對照組,0.5、1.0、1.5 μmol/L 5'-Aza-CdR組中LoVo細胞株Wif-1蛋白柱狀圖

圖3 各組HT-29細胞株及LoVo細胞株Wif-1蛋白表達

3討論

CRC是最常見的消化道惡性腫瘤之一,每年全球新發病例達123萬,病死率約為發病率的1/2。我國CRC發病率雖低于西方發達國家,但近20年來CRC的發病率仍在逐漸上升,同時,其發病年齡有增高趨勢。近年研究表明CRC的發病是多因素、多階段、多基因連續累積發生的過程,除遺傳學改變外,表觀遺傳學改變亦參與CRC的發生、發展過程。表觀遺傳學是指不涉及DNA序列改變,但基因表達卻發生可遺傳的改變,DNA甲基化、組蛋白修飾、MicroRNA等是表觀遺傳學的主要形式。與腫瘤發生關系最密切的是DNA甲基化修飾異常,其中包括基因組去甲基化及部分區域高度甲基化兩種形式。DNA甲基化可以導致癌相關基因沉默,病變迅速進展為癌。CRC有若干高度甲基化基因,若能認識CRC中基因異常DNA甲基化,將可能獲得CRC診斷的腫瘤標志物及新的治療靶點[5-7]。

經典Wnt/β-catenin信號通路發現迄今已數十年,作為一條高度保守的信號通路在動物胚胎的器官發育各個階段均發揮異常重要的作用。Wif-1基因是Wnt/β-catenin信號傳導通路的拮抗基因之一,屬SFRP拮抗家族,在種族間高度保守,最早在人類視網膜中發現[8]。它主要通過捆綁Wnt信號蛋白,阻止其與Frizzled受體相互作用,從而抑制通路的異常激活。Nosho等[9]的研究發現,在早期CRC中伴有Wif-1表達的下調,可能通過引起經典Wnt/β-catenin信號通路的激活,導致通路下游靶基因的過度表達,伴隨細胞過度的增殖和失控的分化從而引起腫瘤的發生。表觀遺傳學改變如基因5′端CpG島甲基化是Wif-1基因失活的重要機制。已有一系列研究證實在各系統腫瘤中,啟動子區甲基化可引起Wif-1基因失活[10-12]。在CRC中,Taniguchi等[13]和Lee等[14]的研究顯示,Wif-1啟動子區的甲基化率都很高,分別為82.0%和74%。齊健等[15]的研究結果與國外基本一致,Wif-1甲基化率為84.7%。Wif-1基因的啟動子中存在T細胞相關因子(T cell factor,TCF)的反應元件[11],而TCF是目前已知的Wnt通路中重要的核內靶因子,Wnt信號活化可使β-catenin在胞漿內累積并進入核內識別淋巴結增強因子/T細胞相關因子(lymphoid enhancer factor/T cell factor,LEF/TCF)等轉錄因子,激活Wnt信號的靶基因,控制胚胎發育及細胞生長、分化及凋亡等。Kansara等[16]和Chung等[17]的研究結果顯示,Wnt拮抗物的高甲基化可以增加β-catenin在細胞質中的積聚及經典Wnt/β-catenin信號通路的激活。

本實驗研究中筆者采用去甲基化藥物5'-Aza-CdR處理兩個結直腸癌細胞株:MSS細胞株HT-29和MSI細胞株LoVo后通過實時熒光定量PCR檢測,筆者發現DNA層面上DMSO對照組,0.5、1.0、1.5 μmol/L 5′-Aza-dCR中HT-29細胞株中Wif-1基因甲基化狀態分別為甲基化、甲基化、未甲基化和未甲基化,LoVo細胞株中Wif-1基因甲基化狀態都為未甲基化,說明去甲基化藥物5′-Aza-CdR能夠逆轉Wif-1基因甲基化狀態,同時在mRNA層面上筆者發現在0.5、1.0、1.5 μmol/L 5'-Aza-CdR作用后,HT-29細胞株中Wif-1基因的mRNA表達水平較DMSO對照組上調,并且有時間、藥物濃度依賴性(F=144.823,P=0.000),與DMSO對照組比較,0.5、1.0、1.5 μmol/L 5'-Aza-CdR差異均有統計學意義(t=6.945,P=0.020;t=41.629,P=0.001;t=14.262,P=0.005);LoVo細胞株中Wif-1基因的mRNA表達水平較DMSO對照組上調,并且有時間、藥物濃度依賴性(F=476.195,P=0.000),與DMSO對照組比較,0.5、1.0、1.5 μmol/L 5'-Aza-CdR差異均有高度統計學意義(t=10.656,P=0.009;t=25.486,P=0.002;t=51.323,P=0.000)。最后通過Western blot在蛋白層面上發現在0.5、1.0、1.5 μmol/L 5'-Aza-CdR作用后,HT-29細胞株中Wif-1蛋白表達水平較DMSO對照組上調,并且有時間、藥物濃度依賴性(F=129.674,P=0.000),與DMSO對照組比較,1.0、1.5 μmol/L 5'-Aza-CdR組比較,差異均有統計學意義(t=45.825,P=0.000;t=9.584,P=0.011)。LoVo細胞株中Wif-1基因的蛋白表達水平較DMSO對照組略微上調,并且有藥物濃度依賴性但差異無統計學意義(F=0.117,P=0.948),與DMSO對照組比較,0.5、1.0、1.5 μmol/L 5'-Aza-CdR組差異均有高度統計學意義(t=19.414,P=0.003;t=30.468,P=0.001;t=102.233,P=0.000)。

本實驗研究顯示甲基化酶抑制劑5′-aza-dC可通過啟動子甲基化而失活的Wif-1基因的異常甲基化狀態得到逆轉,而使該抑癌基因恢復其轉錄活性,以使該基因在腫瘤的發生發展中發揮可能的抑制腫瘤的作用。腫瘤的發生發展涉及多種途徑和多種基因的改變,其中表觀遺傳學的變化逐漸受到醫學研究的重視。異常甲基化是表觀遺傳學研究的一個重要內容,往往是導致抑癌基因失活的主要原因。本研究希望能通過對異常甲基化的進一步研究,來尋求結直腸腫瘤診斷的新標志物和治療的新靶點。

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