《体育科学》2020年(第40卷)第4期 表1基因表达调控过程中的主要表观遗传修饰方式 Table 1 Main Epigenetic Mechanisms in Gene Expression Regulation 表观遗传机制 祥细过程 主要效应 DNA甲基化常发生在基因启动子和第一外显子区窬含鸟嘌呤和胞喘啶序列的CpG岛DNA甲基化与基因沉默相关,DNA去甲基化与 上,在持续性DNA甲基化转移酶[DNA( cytosine5)- methyltransferase,基因活化相关 DNMT]催化作用下,使DNA序列内胞嘧啶5’碳位转变为5-甲基胞嘧啶 (5-methylcytosine, SmC) 组蛋白修饰作为染色体的基本结构成分,组蛋白包括H、H2A、H2B、H3和H4等类型。组蛋白乙酰化与基因活化有关,组蛋白去乙酰化 在相关酶作用下,其N末端氨基酸残基可发生甲基化、磷酸化、泛素化、类与基因沉默有关 泛素化、乙酰化等修饰 编码RNA在所有輸出的DNA转录本中,编码蛋白质的RNA占比不足1.5%,余下为非编码RNA能在基因组及染色体水平调控基因 非编码RNA,这是一类能够调控基因表达,但是自身不翻译为蛋白质的功表达,决定細胞分化。主要功能包括使转录基因 能性RNA分子。具有调控功能的非编码RNA按照长度分为长链非编码沉默、生殖细胞内转座子沉默及基因组印记和X RNA( long non-coding rNa, IncANA)和短链非编码RNA(包括sRNA、染色体失活 deacetylase inhibitor, HDACI)探究高度乙酰化对成骨细胞 和破骨细胞分化及基因表达的影响,发现 HDACI有助于 成骨细胞( osteoblast,OB)成熟及基质矿化( Schroeder et al 2007),但也会介导OB内核因子kB受体活化因子配体 乎 ( RANKL)启动子区域乙酰化,继而激活破骨细胞( osteo- clast,OC),使受试者骨密度降低,骨折风险增高( McGee. Lawrence et al.,2011)。以上研究表明,乙酰化修饰可灵 甲基化酶 活地影响染色质结构及功能,在成骨和破骨生成过程中 均发挥重要作用。同时,作为骨相关基因表观遗传的直 接或共调控方式,具备相当的动态性和复杂性 图1运动影响表观遗传修饰示意图( Zimmer et al,2016) 1.3非编码RNA与骨质 Figure 1. Schematic Diagram of the Changes of Epigenetic in 在非编码RNA中,长度约19~24个核苷酸的 micro Response to Exercise NA( miRNA)在机体生命活动过程中的效应范围十分广 泛,可作用于约30%的人类基因组,同时具有较高稳定 1.2组蛋白修饰与骨质 性,因而其表达水平可成为监测和诊断骨代谢疾病的最 组蛋白乙酰化在4种核心组蛋白中均可发生,是表观佳生物标志物。目前已检测出多达80余种与骨密度 遗传组蛋白修饰的研究热点(王维等,2012; Grunstein,( bone mineral density,BMD)、骨折和骨质疏松症密切相 199)。催化组蛋白乙酰化修饰的酶包括可激活转录的关的特异性mRNA( Cheng et al,2018; Scimeca et al 组蛋白乙酰化转移酶( histone/lysine acetyltransferases,HA 2017)(表2),如过表达mR-3383p会通过靶向Runt相关 TS/KATs)( utter et al,199)和功能相反的组蛋白去乙酰转录因子2( Runt-related transcription factor2,Rumx2)和成 化酶( histone/lysine deacetylases, HDACS/ KDACS)( Taunton纤维细胞生长因子受体2( fibroblast growth factor receptor etal,1996)。染色质免疫沉淀显示,成骨细胞基因启动2,FGFR2),抑制 Osterix等骨形成转录因子导致骨质疏松 子区域存在p300和CREB结合蛋白( CREB binding pro-( Liu et al,2014)。但有些mRNA分子的作用功能尚未得 ten,CBP)2种HAT大分子( Gordon et al.,2011),可诱导到统一定论( Meng et al,2015; Wei et al,2017),如 Banach 25-羟维生素D1-24-羟基化酶(25 hydroxyvitamin D-24-等(2015)发现,骨质疏松性骨折患者血清中mR-21-5p与 hydroxylase,Cyp24)基因的启动子发生组蛋白H4乙酰1型胶原羧基末端肽CTX(骨吸收标志物)水平存在很强 化,激活成骨基因转录( Kim et al,2005)。p300C0BP同样相关性; Yavropoulou等(2017)的研究指出,健康对照组人 有助于维持巨噬细胞集落刺激因子( macrophage colony-群的mR-21-5p水平高于骨质疏松患者。样本量大小、研 stimulating factor,MCSF)和细胞核因子C1( nuclear factor究对象等因素会影响最终的研究结论,同时mRNA在不 of activated t cells c1, NFATcl)的高乙酰化状态,促破骨同骨组织细胞乃至各发育分化阶段的功能是否存在差 细胞生成( Asagiri et al.,2005; Weilbaecher et al,2001)。异,以及骨折等改变骨稳态的因素是否会干扰mRNA的 Cantley等(2017)使用组蛋白去乙酰化酶抑制剂( histone作用方式等问题有待研究证明。此外,循环血液中动态 60《体育科学》2020 年（第 40 卷）第 4 期 1.2 组蛋白修饰与骨质 组蛋白乙酰化在 4 种核心组蛋白中均可发生，是表观 遗传组蛋白修饰的研究热点（王维 等，2012；Grunstein， 1997）。催化组蛋白乙酰化修饰的酶包括可激活转录的 组蛋白乙酰化转移酶（histone/lysine acetyltransferases，HA￾Ts/KATs）（Lutter et al.，1992）和功能相反的组蛋白去乙酰 化酶（histone/lysine deacetylases，HDACs/KDACs）（Taunton et al.，1996）。染色质免疫沉淀显示，成骨细胞基因启动 子 区 域 存 在 p300 和 CREB 结 合 蛋 白（CREB binding pro‐ tein，CBP）2 种 HATs 大分子（Gordon et al.，2011），可诱导 25-羟维生素 D3-24-羟基化酶（25-hydroxyvitamin D3-24- hydroxylase，Cyp24）基 因 的 启 动 子 发 生 组 蛋 白 H4 乙 酰 化，激活成骨基因转录（Kim et al.，2005）。p300/CBP 同样 有助于维持巨噬细胞集落刺激因子（macrophage colony￾stimulating factor，M-CSF）和细胞核因子 C1（nuclear factor of activated T cells C1，NFATc1）的高乙酰化状态，促破骨 细 胞 生 成（Asagiri et al.，2005；Weilbaecher et al.，2001）。 Cantley 等（2017）使用组蛋白去乙酰化酶抑制剂（histone deacetylase inhibitor，HDACI）探究高度乙酰化对成骨细胞 和破骨细胞分化及基因表达的影响，发现 HDACI 有助于 成骨细胞（osteoblast，OB）成熟及基质矿化（Schroeder et al.， 2007），但也会介导 OB 内核因子 kB 受体活化因子配体 （RANKL）启动子区域乙酰化，继而激活破骨细胞（osteo‐ clast，OC），使受试者骨密度降低，骨折风险增高（McGee￾Lawrence et al.，2011）。以上研究表明，乙酰化修饰可灵 活地影响染色质结构及功能，在成骨和破骨生成过程中 均发挥重要作用。同时，作为骨相关基因表观遗传的直 接或共调控方式，具备相当的动态性和复杂性。 1.3 非编码RNA与骨质 在非编码 RNA 中，长度约 19～24 个核苷酸的 microR‐ NA（miRNA）在机体生命活动过程中的效应范围十分广 泛，可作用于约 30% 的人类基因组，同时具有较高稳定 性，因而其表达水平可成为监测和诊断骨代谢疾病的最 佳 生 物 标 志 物 。 目 前 已 检 测 出 多 达 80 余 种 与 骨 密 度 （bone mineral density，BMD）、骨折和骨质疏松症密切相 关 的 特 异 性 miRNA（Cheng et al.，2018；Scimeca et al.， 2017）（表 2），如过表达 miR-338-3p 会通过靶向 Runt 相关 转录因子 2（Runt-related transcription factor 2，Runx2）和成 纤维细胞生长因子受体 2（fibroblast growth factor receptor 2，FGFR2），抑制 Osterix 等骨形成转录因子导致骨质疏松 （Liu et al.，2014）。但有些 miRNA 分子的作用功能尚未得 到统一定论（Meng et al.，2015；Wei et al.，2017），如 Panach 等（2015）发现，骨质疏松性骨折患者血清中 miR-21-5p 与 I 型胶原羧基末端肽 CTX（骨吸收标志物）水平存在很强 相关性；Yavropoulou 等（2017）的研究指出，健康对照组人 群的 miR-21-5p 水平高于骨质疏松患者。样本量大小、研 究对象等因素会影响最终的研究结论，同时 miRNA 在不 同骨组织细胞乃至各发育分化阶段的功能是否存在差 异，以及骨折等改变骨稳态的因素是否会干扰 miRNA 的 作用方式等问题有待研究证明。此外，循环血液中动态 表1 基因表达调控过程中的主要表观遗传修饰方式 Table 1 Main Epigenetic Mechanisms in Gene Expression Regulation 表观遗传机制 DNA甲基化 组蛋白修饰 非编码RNA 详细过程 常发生在基因启动子和第一外显子区富含鸟嘌呤和胞嘧啶序列的CpG岛 上，在持续性DNA甲基化转移酶［DNA（cytosine-5）- methyltransferase， DNMT］催化作用下，使DNA序列内胞嘧啶5’碳位转变为5-甲基胞嘧啶 （5-methylcytosine，5mC） 作为染色体的基本结构成分，组蛋白包括H1、H2A、H2B、H3和H4等类型。 在相关酶作用下，其N末端氨基酸残基可发生甲基化、磷酸化、泛素化、类 泛素化、乙酰化等修饰 在所有输出的 DNA转录本中，编码蛋白质的 RNA占比不足 1.5%，余下为 非编码RNA，这是一类能够调控基因表达，但是自身不翻译为蛋白质的功 能性 RNA 分子。具有调控功能的非编码 RNA 按照长度分为长链非编码 RNA（long non-coding RNA，lncRNA）和短链非编码 RNA（包括 siRNA、 miRNA、piRNA）2类 主要效应 DNA 甲基化与基因沉默相关，DNA 去甲基化与 基因活化相关 组蛋白乙酰化与基因活化有关，组蛋白去乙酰化 与基因沉默有关 非编码RNA能在基因组及染色体水平调控基因 表达，决定细胞分化。主要功能包括使转录基因 沉默、生殖细胞内转座子沉默及基因组印记和X 染色体失活 图1 运动影响表观遗传修饰示意图（Zimmer et al.，2016） Figure 1. Schematic Diagram of the Changes of Epigenetic in Response to Exercise 60