高等教育出版社：《医学细胞生物与遗传学》课程教学资源（电子教材）第十四章 干细胞与表观遗传学

第十四章干细胞与表观遗传第一节干细胞概述干细胞（stemcell）是一类具有自我复制能力的多潜能细胞。在一定条件下，它可以分化成多种功能细胞。根据这一定义，在个体发育的不同阶段、不同组织中均存在着干细胞，只是随着发育过程的延伸，干细胞的数量和分化潜能均逐渐降低。干细胞的分类根据研究角度的不同主要有两种方法。1.根据细胞来源将干细胞分成胚胎干细胞、成体干细胞和诱导型多能干细胞。胚胎干细胞是指源自囊胚内细胞团的胚胎干细胞（embryonicstemcell，ES）和来源于早期胎儿原始生殖蝽的胚胎生殖细胞（embryonicgermcell，EG）。成体干细胞（adultstemcell）是指组织和器官特异性干细胞。诱导型多能干细胞（inducedpluripotentstemcell，iPS）是在体外将终末分化细胞分化，而诱导获得的多能干细胞。2.按其分化潜能的高低将干细胞分为全能干细胞（totipotentstemcell）多能干细胞（pluripotent stemcell）和单能干细胞（monopotentstemcell）。哺乳动物的生命起源于受精卵，受精卵经卵裂进行增殖并分化成200多种不同类型的细胞而发育成一个完整个体，细胞的这种潜能称全能性（totipotency），具有这种潜能的细胞称为全能干细胞。受精卵经卵裂分裂为8~16个细胞时，每个细胞仍保持这种全能性，此时，将其中任一细胞移人子宫中，均可发育成一个完整个体。进人囊胚期后，整个胚胎开始最早期分化，此时形成的内细胞团细胞已失去了发育成完整个体的能力，但仍具有分化成包括生殖细胞在内的各种类型细胞的潜能，即所谓的多能干细胞。例如，造血干细胞可分化出至少12种血细胞；骨髓间充质细胞不但可以分化为中胚层的多种组织细胞（骨、软骨、肌肉和脂肪等），还可以分化为其他胚层的细胞（如神经元）。单能干细胞则只能向单一方向分化，形成一种类型的细胞，如神经干细胞只能分化成神经元。干细胞的基本特性千细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞，可以分化产生一种以上的“专业”细胞。干细胞在形态上有一些共性，通常胞体小，呈圆形或椭圆形，核质比例相对大。不同类型干细胞的形态特征有所不同，生化特点也各有差异，如各种干细胞其表面标记性分子就有很大差异，这对于寻找和鉴定干细胞有重要意义。干细胞的基本特点包括：①属非终未分化细胞，终身保持未分化和低分化特征，具有多向分化潜能。②具有无限的增殖分裂能力，能够进行自我更新。③可连续分裂数代，也可在较长时间内处于静止状态。（一）干细胞的自我复制千细胞的自我复制在一定条件下，干细胞可以根据所处的内环境，通过自我复制的方式，以保持其257医学细胞--正文.indd2572018-5-18 17:32:08

www.hep.com.cn 257 第十四章  干细胞与表观遗传 第一节  干细胞概述 干细胞（stem cell）是一类具有自我复制能力的多潜能细胞。在一定条件下，它可 以分化成多种功能细胞。根据这一定义，在个体发育的不同阶段、不同组织中均存在着 干细胞，只是随着发育过程的延伸，干细胞的数量和分化潜能均逐渐降低。 干细胞的分类根据研究角度的不同主要有两种方法。 1.  根据细胞来源 将干细胞分成胚胎干细胞、成体干细胞和诱导型多能干细胞。胚 胎干细胞是指源自囊胚内细胞团的胚胎干细胞（embryonic stem cell，ES）和来源于早 期胎儿原始生殖嵴的胚胎生殖细胞（embryonic germ cell，EG）。成体干细胞（adult stem cell）是指组织和器官特异性干细胞。诱导型多能干细胞（induced pluripotent stem cell， iPS）是在体外将终末分化细胞分化，而诱导获得的多能干细胞。 2.  按其分化潜能的高低 将干细胞分为全能干细胞（totipotent stem cell）、多能干细 胞（pluripotent stem cell）和单能干细胞（monopotent stem cell）。哺乳动物的生命起源于 受精卵，受精卵经卵裂进行增殖并分化成 200 多种不同类型的细胞而发育成一个完整个 体，细胞的这种潜能称全能性（totipotency），具有这种潜能的细胞称为全能干细胞。受 精卵经卵裂分裂为 8～16 个细胞时，每个细胞仍保持这种全能性，此时，将其中任一细 胞移入子宫中，均可发育成一个完整个体。进入囊胚期后，整个胚胎开始最早期分化， 此时形成的内细胞团细胞已失去了发育成完整个体的能力，但仍具有分化成包括生殖细 胞在内的各种类型细胞的潜能，即所谓的多能干细胞。例如，造血干细胞可分化出至少 12 种血细胞；骨髓间充质细胞不但可以分化为中胚层的多种组织细胞（骨、软骨、肌肉 和脂肪等），还可以分化为其他胚层的细胞（如神经元）。单能干细胞则只能向单一方向 分化，形成一种类型的细胞，如神经干细胞只能分化成神经元。 一、干细胞的基本特性 干细胞是一类具有自我更新和分化潜能的细胞，可以分化产生一种以上的“专业” 细胞。干细胞在形态上有一些共性，通常胞体小，呈圆形或椭圆形，核质比例相对大。不 同类型干细胞的形态特征有所不同，生化特点也各有差异，如各种干细胞其表面标记性分 子就有很大差异，这对于寻找和鉴定干细胞有重要意义。干细胞的基本特点包括：①属非 终末分化细胞，终身保持未分化和低分化特征，具有多向分化潜能。②具有无限的增殖 分裂能力，能够进行自我更新。③可连续分裂数代，也可在较长时间内处于静止状态。 （一）干细胞的自我复制 在一定条件下，干细胞可以根据所处的内环境，通过自我复制的方式，以保持其 干细胞的自我复制 医学细胞-正文.indd 257 2018-5-18 17:32:08

第十四章干细胞与表观遗传自身数目的稳定。干细胞的分裂方式可以是对称分裂（symmetrydivision），即两个子细胞都是干细胞或都是分化细胞；也可以是不对称分裂（asymmetrydivision），即产生一个子代干细胞和一个子代分化细胞（图14-1)。在正常生理状态下，干细胞大多是以不对称分裂方式补充组织在自我更新过程中衰老和死亡的细胞；但在创伤等应激状态时，由于需要大量的细胞替代和图14-1干细胞不对称分裂补充坏死的组织细胞，干细胞的分裂方式可能就不再仅限于不对称分裂方式。1.干细胞增殖的缓慢性干细胞缓慢增殖的意义是有利于干细胞对特定的外界信号做出反应，以决定其细胞是进入增殖状态，还是进入特定分化程序。这种缓慢增殖特性还可以减少基因发生突变的危险，使干细胞有更多的时间发现和校正复制错误，那些无法修复的细胞，则进入调亡程序。2.干细胞增殖的自稳定性在生物体个体漫长的发育中，干细胞不断自我更新并可维持自身数目恒定，这种现象称为干细胞的自稳定性（self-maintenance）。干细胞通过两种分裂方式来维持其自稳定性，即对称分裂和不对称分裂。当组织处于稳定状态时，干细胞通常进行不对称分裂。干细胞系有可能作为“种子细胞”，用于细胞替代疗法来治疗各种难治疾病。这种巨大的医学应用前景能否得以实现，首要问题是使干细胞在体外不断增殖的同时，又维持不分化状态。研究表明，白血病抑制因子（leukemiainhibitoryfactor，LIF）白介素-6（IL-6）转录因子Oct-4和Nanog等外源性因子可维福持胚胎干细胞在体外不分化的高度增殖状态。（二）干细胞的分化1.干细胞具有产生一种或一种以上特定功能细胞的分化潜能干细胞的另一个重要特征是可分化为多种功能细胞类型。在人类或成年哺乳类动物的个体发育中，最初一个受精卵，在发育成熟后，分化的细胞种类多达200多种，如神经细胞、上皮细胞、血管内皮细胞、成骨细胞和软骨细胞等。2.干细胞的分化具有一定的可塑性干细胞分化的可塑性是指干细胞在适当的条件下，可以发生转分化（transdifferentiation）或去分化（dedifferentiation）的现象。一种组织类型中的干细胞，在特定的条件下分化为另一种组织类型的细胞的现象，称为干细胞的转分化。一直以来，成体干细胞被认为只能向一种类型或与之密切相关的细胞分化如神经干细胞只能向神经系统的细胞（神经元、神经胶质细胞）分化而不能分化成其他类型的细胞。然而，最近一系列的实验研究结果对这一观点提出了挑战。成体干细胞可能具有更广泛的分化潜能。例如，骨髓干细胞在适当条件下可分化为骨髓肌细胞、肝细胞、肾细胞、心肌细胞，甚至神经元。提示这种已部分特化、具有特殊功能的专能干细胞具有较大的可塑性。十细胞向其前体细胞读向转化的现象称为去分化。有实验表明，当把来自成体鼠的造血干细胞注入鼠卵泡的内细胞团后，成体鼠造血干细胞的分化状态可以发生逆转，开始表达胎儿的珠蛋白基因，并参与胚胎造血系统的发育。这一结果，在一定程度上暗示了去分化现象存在的可能性。（三）干细胞增殖分化的调控机制干细胞自我复制和多潜能分化在体内受到严格的调控，以保持干细胞和特定功能细258医学细胞--正文.indd-2582018-5-18 17:32:0

www.hep.com.cn 258 第十四章  干细胞与表观遗传 自身数目的稳定。干细胞的分裂方式可以是对称分裂 （symmetry division），即两个子细胞都是干细胞或都是 分化细胞；也可以是不对称分裂（asymmetry division）， 即 产 生 一 个 子 代 干 细 胞 和 一 个 子 代 分 化 细 胞（图 14-1）。在正常生理状态下，干细胞大多是以不对称分 裂方式补充组织在自我更新过程中衰老和死亡的细胞； 但在创伤等应激状态时，由于需要大量的细胞替代和 补充坏死的组织细胞，干细胞的分裂方式可能就不再 仅限于不对称分裂方式。 1.  干细胞增殖的缓慢性 干细胞缓慢增殖的意义是有利于干细胞对特定的外界信号 做出反应，以决定其细胞是进入增殖状态，还是进入特定分化程序。这种缓慢增殖特性 还可以减少基因发生突变的危险，使干细胞有更多的时间发现和校正复制错误，那些无 法修复的细胞，则进入凋亡程序。 2.  干细胞增殖的自稳定性 在生物体个体漫长的发育中，干细胞不断自我更新并 可维持自身数目恒定，这种现象称为干细胞的自稳定性（self-maintenance）。干细胞通 过两种分裂方式来维持其自稳定性，即对称分裂和不对称分裂。当组织处于稳定状态 时，干细胞通常进行不对称分裂。干细胞系有可能作为“种子细胞”，用于细胞替代疗 法来治疗各种难治疾病。这种巨大的医学应用前景能否得以实现，首要问题是使干细 胞在体外不断增殖的同时，又维持不分化状态。研究表明，白血病抑制因子（leukemia inhibitory factor，LIF）、白介素 -6（IL-6）、转录因子 Oct- 4 和 Nanog 等外源性因子可维 持胚胎干细胞在体外不分化的高度增殖状态。 （二）干细胞的分化 1.  干细胞具有产生一种或一种以上特定功能细胞的分化潜能 干细胞的另一个重要 特征是可分化为多种功能细胞类型。在人类或成年哺乳类动物的个体发育中，最初一个 受精卵，在发育成熟后，分化的细胞种类多达 200 多种，如神经细胞、上皮细胞、血管 内皮细胞、成骨细胞和软骨细胞等。 2.  干细胞的分化具有一定的可塑性 干细胞分化的可塑性是指干细胞在适当的条件 下，可以发生转分化（transdifferentiation）或去分化（dedifferentiation）的现象。一种组 织类型中的干细胞，在特定的条件下分化为另一种组织类型的细胞的现象，称为干细胞 的转分化。一直以来，成体干细胞被认为只能向一种类型或与之密切相关的细胞分化， 如神经干细胞只能向神经系统的细胞（神经元、神经胶质细胞）分化而不能分化成其他 类型的细胞。然而，最近一系列的实验研究结果对这一观点提出了挑战。成体干细胞可 能具有更广泛的分化潜能。例如，骨髓干细胞在适当条件下可分化为骨髓肌细胞、肝细 胞、肾细胞、心肌细胞，甚至神经元。提示这种已部分特化、具有特殊功能的专能干细 胞具有较大的可塑性。干细胞向其前体细胞逆向转化的现象称为去分化。有实验表明， 当把来自成体鼠的造血干细胞注入鼠卵泡的内细胞团后，成体鼠造血干细胞的分化状态 可以发生逆转，开始表达胎儿的珠蛋白基因，并参与胚胎造血系统的发育。这一结果， 在一定程度上暗示了去分化现象存在的可能性。 （三）干细胞增殖分化的调控机制 干细胞自我复制和多潜能分化在体内受到严格的调控，以保持干细胞和特定功能细 图 14-1 干细胞不对称分裂 医学细胞-正文.indd 258 2018-5-18 17:32:08

第一节干细胞概述胞在特定组织内的平衡。目前认为，这个调控机制可能与它所在组织中的微环境有关，这种微环境称为干细胞巢（stemcellniche）。干细胞增殖和分化的调控是通过干细胞和微区的相互作用而实现的，其中细胞分泌因子、细胞间的相互作用及细胞外基质成分均对干细胞的生存和发育起重要的调控作用。1.干细胞巢中的分泌因子是于细胞增殖分化的调控因子于细胞巢中的分泌因子口以是干细胞自身分泌的，也可以来自外围细胞或其他组织细胞，它们对于干细胞增殖与分化的调控具有重要作用。在不同的干细胞微环境中，以及不同的生理或发育状态下，分泌因子的种类及其水平可以有很大差别，但它们总是与机体发育或生理状态的需求相适应的。转化生长因子β（TGF-β）和Wnt家族的信号分子在多种干细胞的不对称分裂及维持十细胞自我更新方面起重要作用。2.细胞间直接的相互作用也是干细胞增殖分化的一种调控因素在干细胞巢中，除游离的分泌因子可以对干细胞发挥作用外，有些调控干细胞命运的信号分子则是通过细胞与细胞之间的直接接触而发挥作用的。这种相互作用通常是由整合膜蛋白所介导的。在相互作用的两个细胞中，一个细胞中跨膜蛋白的胞外段作为配体，另一个细胞的跨膜蛋白的胞外段则作为受体。许多介导细胞与细胞黏附的受体分子都是整合膜蛋白，但是这种细胞间黏附对干细胞的调节作用目前认识不多。已知Notch介导的细胞间作用对果蝇感受器官的正常发育必不可少。例如在神经系统，分布在细胞质内的蛋白因子Numb可抑制跨膜分子Notch的活性，从而阻断Notch通过其Delta配体对神经干细胞分化的抑制作用，促使神经干细胞走向分化。3.整联蛋白和细胞外基质参与干细胞巢的结构体系的形成整联蛋白（integrin）是一类细胞黏附分子，有维系干细胞在组织中正确位置的作用，否则干细胞会脱离生存环境而分化或调亡。其作用依赖于Ca+介导的细胞与细胞间的相互作用，以及细胞与细胞外基质（extracellularmatrix，ECM）间的相互作用。ECM有调节干细胞微环境中局部分泌因子浓度的作用，整联蛋白的激活和表达也要受ECM蛋白的调节。目前研究较多的ECM因子为β整联蛋白，其高表达对于表皮干细胞的维持是至关重要的。二、胚胎干细胞胚胎干细胞（ES细胞）具有分化为个体中任何细胞类型的潜能，有以下特点：①体外培养可以无限增殖。②可以长期保持原始未分化的状态。③可以分化成为衍生于3个胚层的各类组织细胞，包括生殖细胞。而且还可将其与受体胚胎嵌合，形成嵌合体（可嵌合进人包括生殖腺在内的各种组织）。因此，胚胎干细胞在哺乳动物早期胚胎发育、细胞分化和基因表达调控等发育生物学问题的研究方面具有特殊的生物学意义和实用价值。1.人胚胎干细胞的形态学特点人胚胎干细胞在形态上与早期胚胎细胞相似，细胞较小，核质比高，细胞核明显，有一个或多个核，染色质较分散，胞质内除游离核糖体外，其他细胞器很少；体外培养细胞呈多层集落状生长，紧密堆积在一起，无明显细胞界限。胚胎干细胞染色体为稳定的二倍体核型。2.人胚胎干细胞分子标记与生化特征胚胎十细胞为未分化的多能性细胞，它表达早期胚胎细胞、畸胎瘤细胞的表面抗原。Oct-4为目前广泛用于鉴定胚胎干细胞是否处于未分化状态的一个重要的标记分子。另外还有一些其他的标记分子，如碱性磷酸酶、259医学细胞--正文.indd252018-5-1817:32

www.hep.com.cn 259 第一节  干细胞概述 胞在特定组织内的平衡。目前认为，这个调控机制可能与它所在组织中的微环境有关， 这种微环境称为干细胞巢（stem cell niche）。干细胞增殖和分化的调控是通过干细胞和 微区的相互作用而实现的，其中细胞分泌因子、细胞间的相互作用及细胞外基质成分均 对干细胞的生存和发育起重要的调控作用。 1.  干细胞巢中的分泌因子是干细胞增殖分化的调控因子 干细胞巢中的分泌因子可 以是干细胞自身分泌的，也可以来自外围细胞或其他组织细胞，它们对于干细胞增殖与 分化的调控具有重要作用。在不同的干细胞微环境中，以及不同的生理或发育状态下， 分泌因子的种类及其水平可以有很大差别，但它们总是与机体发育或生理状态的需求相 适应的。转化生长因子 β（TGF-β）和 Wnt 家族的信号分子在多种干细胞的不对称分裂 及维持干细胞自我更新方面起重要作用。 2.  细胞间直接的相互作用也是干细胞增殖分化的一种调控因素 在干细胞巢中，除 游离的分泌因子可以对干细胞发挥作用外，有些调控干细胞命运的信号分子则是通过细 胞与细胞之间的直接接触而发挥作用的。这种相互作用通常是由整合膜蛋白所介导的。 在相互作用的两个细胞中，一个细胞中跨膜蛋白的胞外段作为配体，另一个细胞的跨膜 蛋白的胞外段则作为受体。许多介导细胞与细胞黏附的受体分子都是整合膜蛋白，但是 这种细胞间黏附对干细胞的调节作用目前认识不多。已知 Notch 介导的细胞间作用对果 蝇感受器官的正常发育必不可少。例如在神经系统，分布在细胞质内的蛋白因子 Numb 可抑制跨膜分子 Notch 的活性，从而阻断 Notch 通过其 Delta 配体对神经干细胞分化的抑 制作用，促使神经干细胞走向分化。 3.  整联蛋白和细胞外基质参与干细胞巢的结构体系的形成 整联蛋白（integrin） 是一类细胞黏附分子，有维系干细胞在组织中正确位置的作用，否则干细胞会脱离生存 环境而分化或凋亡。其作用依赖于 Ca2+ 介导的细胞与细胞间的相互作用，以及细胞与细 胞外基质（extracellular matrix，ECM）间的相互作用。ECM 有调节干细胞微环境中局部 分泌因子浓度的作用，整联蛋白的激活和表达也要受 ECM 蛋白的调节。目前研究较多 的 ECM 因子为 β 整联蛋白，其高表达对于表皮干细胞的维持是至关重要的。 二、胚胎干细胞 胚胎干细胞（ES 细胞）具有分化为个体中任何细胞类型的潜能，有以下特点：① 体外培养可以无限增殖。②可以长期保持原始未分化的状态。③可以分化成为衍生于 3 个胚层的各类组织细胞，包括生殖细胞。而且还可将其与受体胚胎嵌合，形成嵌合体 （可嵌合进入包括生殖腺在内的各种组织）。因此，胚胎干细胞在哺乳动物早期胚胎发 育、细胞分化和基因表达调控等发育生物学问题的研究方面具有特殊的生物学意义和实 用价值。 1.  人胚胎干细胞的形态学特点 人胚胎干细胞在形态上与早期胚胎细胞相似，细胞 较小，核质比高，细胞核明显，有一个或多个核仁，染色质较分散，胞质内除游离核糖 体外，其他细胞器很少；体外培养细胞呈多层集落状生长，紧密堆积在一起，无明显细 胞界限。胚胎干细胞染色体为稳定的二倍体核型。 2.  人胚胎干细胞分子标记与生化特征 胚胎干细胞为未分化的多能性细胞，它表达 早期胚胎细胞、畸胎瘤细胞的表面抗原。Oct-4 为目前广泛用于鉴定胚胎干细胞是否处 于未分化状态的一个重要的标记分子。另外还有一些其他的标记分子，如碱性磷酸酶、 医学细胞-正文.indd 259 2018-5-18 17:32:09

第十四章干细胞与表观遗传Genesis、TRA-1-60、TRA-1-81、GCTM-2和CD30等。此外，胚胎干细胞端粒酶持续高水平表达，因此，这些细胞在分裂后保持端粒长度，维持细胞的不死性。3.人胚胎干细胞具有向3个胚层组织细胞分化的潜能个体发育中，存在于囊胚内细胞团中的胚胎干细胞具有分化为后续发育个体的任何组织细胞的潜能。胚胎干细胞可分化为各种类型的细胞，如脂肪细胞、星形胶质细胞、心肌细胞、软骨细胞、造血细胞、树突状细胞及胰岛细胞等。三、成体干细胞生物体组织需要干细胞来维持正常的更新和损伤后修复，在已经充分发育的组织中也确实存在着这类干细胞，称为成体干细胞。成体干细胞和胚胎干细胞两者虽然都具有干细胞的基本特征即增殖和分化的能力，但还是有所区别，主要表现为：①增殖方面人胚胎干细胞在体外培养条件下可以分裂300次以上，仍然维持高水平的端粒酶活性，维持正常核型和端粒长度，使细胞在体外维持未分化状态的永久性。但是成体干细胞的增殖能力一般是有限的。②分化方面：胚胎干细胞的分化谱较宽，可分化为机体3个胚层的所有细胞类型；成体干细胞虽然也具有一定的多能性，但是与胚胎干细胞相比，其潜在的分化谱相对较窄。1.造血干细胞（hemopoieticstemcell，HSC）是第一种被认识的成体干细胞，在外周组织中含量很低，其主要分选标志为CD34*和CD38*等。HSC是体内各种血细胞的唯一来源，主要存在于骨髓、外周血和脐带血中。从骨髓中分离、纯化HSC进行移植已成功地应用于临床，但HSC在人群中移植时，需先进行人白细胞抗原（HLA）配型。目前发现脐带血中含有丰富的HSC，可用于造血干细胞移植。脐常血干细胞移植的长处是无来源的限制、对HLA配型要求不高和不易受病毒污染。已有人尝试用脐带血干细胞代替骨髓来源的造血干细胞重建造血系统。2.间充质干细胞（mesenchymalstemcell，MSc）是来源于结缔组织的一类细胞，可以从皮肤、骨髓、软骨和骨组织中分离得到。这类细胞易于在体外扩增，并且在不同的诱导条件下可分化为多种间充质组织，如骨、关节、脂肪、肌腱、肌和骨髓基质等，因此提出MSC的概念。实际上，MSC是一个混合细胞群体，很难以一个表型对它进行筛选。由于MSC可以在体外相对容易地诱导分化为成骨细胞和软骨细胞，所以可以预见，其在治疗骨损伤和先天骨组织畸形等疾病方面将会有广泛的应用。临床聚焦14-1造血干细胞移植临床上造血干细胞移植除了可以治疗急性白血病和慢性白血病外，也可以用于治疗重型再生障碍性贫血、珠蛋白生成障碍性贫血、恶性淋巴瘤和多发性骨髓瘤等血液系统疾病，以及小细胞肺癌、乳腺癌、睾丸癌、卵巢癌和神经母细胞瘤等多种实体肿瘤。对急性白血病无供体者，也可在治疗完全缓解后采取其自身造血干细胞移植，即自体造血干细胞移植进行治疗。3.神经干细胞（neuralstemcell，NSC）是近来发现的在中枢神经系统中部分细胞仍具有自我更新及分化产生成熟脑细胞的能力的细胞。许多老年性疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病和脑卒中等疾病，均伴有脑或脊髓相应部位特定神经元的死亡，而利用260医学细胞--正文.indd-2602018-5-1817:32

www.hep.com.cn 260 第十四章  干细胞与表观遗传 Genesis、TRA-1-60、TRA-1-81、GCTM-2 和 CD30 等。此外，胚胎干细胞端粒酶持续 高水平表达，因此，这些细胞在分裂后保持端粒长度，维持细胞的不死性。 3.  人胚胎干细胞具有向 3 个胚层组织细胞分化的潜能 个体发育中，存在于囊胚 内细胞团中的胚胎干细胞具有分化为后续发育个体的任何组织细胞的潜能。胚胎干细胞 可分化为各种类型的细胞，如脂肪细胞、星形胶质细胞、心肌细胞、软骨细胞、造血细 胞、树突状细胞及胰岛细胞等。 三、成体干细胞 生物体组织需要干细胞来维持正常的更新和损伤后修复，在已经充分发育的组织中 也确实存在着这类干细胞，称为成体干细胞。成体干细胞和胚胎干细胞两者虽然都具有 干细胞的基本特征即增殖和分化的能力，但还是有所区别，主要表现为：①增殖方面： 人胚胎干细胞在体外培养条件下可以分裂 300 次以上，仍然维持高水平的端粒酶活性， 维持正常核型和端粒长度，使细胞在体外维持未分化状态的永久性。但是成体干细胞的 增殖能力一般是有限的。②分化方面：胚胎干细胞的分化谱较宽，可分化为机体 3 个胚 层的所有细胞类型；成体干细胞虽然也具有一定的多能性，但是与胚胎干细胞相比，其 潜在的分化谱相对较窄。 1.  造血干细胞（hemopoietic stem cell，HSC） 是第一种被认识的成体干细胞， 在外周组织中含量很低，其主要分选标志为 CD34 ＋和 CD38 ＋等。HSC 是体内各种血细 胞的唯一来源，主要存在于骨髓、外周血和脐带血中。从骨髓中分离、纯化 HSC 进行 移植已成功地应用于临床，但 HSC 在人群中移植时，需先进行人白细胞抗原（HLA）配 型。目前发现脐带血中含有丰富的 HSC，可用于造血干细胞移植。脐常血干细胞移植的 长处是无来源的限制、对 HLA 配型要求不高和不易受病毒污染。已有人尝试用脐带血 干细胞代替骨髓来源的造血干细胞重建造血系统。 2.  间充质干细胞（mesenchymal stem cell，MSC） 是来源于结缔组织的一类细 胞，可以从皮肤、骨髓、软骨和骨组织中分离得到。这类细胞易于在体外扩增，并且在 不同的诱导条件下可分化为多种间充质组织，如骨、关节、脂肪、肌腱、肌和骨髓基质 等，因此提出 MSC 的概念。实际上，MSC 是一个混合细胞群体，很难以一个表型对它 进行筛选。由于 MSC 可以在体外相对容易地诱导分化为成骨细胞和软骨细胞，所以可 以预见，其在治疗骨损伤和先天骨组织畸形等疾病方面将会有广泛的应用。 临床聚焦 14-1 造血干细胞移植 临床上造血干细胞移植除了可以治疗急性白血病和慢性白血病外，也可以用于 治疗重型再生障碍性贫血、珠蛋白生成障碍性贫血、恶性淋巴瘤和多发性骨髓瘤等 血液系统疾病，以及小细胞肺癌、乳腺癌、睾丸癌、卵巢癌和神经母细胞瘤等多种 实体肿瘤。对急性白血病无供体者，也可在治疗完全缓解后采取其自身造血干细胞 移植，即自体造血干细胞移植进行治疗。 3.  神经干细胞（neural stem cell，NSC） 是近来发现的在中枢神经系统中部分细 胞仍具有自我更新及分化产生成熟脑细胞的能力的细胞。许多老年性疾病，如阿尔茨海 默病、帕金森病和脑卒中等疾病，均伴有脑或脊髓相应部位特定神经元的死亡，而利用 医学细胞-正文.indd 260 2018-5-18 17:32:09

第二节表观遗传与细胞命运十细胞移植治疗这此疾病的动物模型已获成功。此外神经十细胞移植还可治疗脊髓损伤和脑外伤等。神经干细胞移植的另一个特点是移植入中枢神经系统后不具有免疫排斥反应，因为脑和脊髓由于血脑屏障的存在而成为免疫系统中较为特殊的器官。尽管成体干细胞显示出了广阔的应用前景，但仍受到一些因素的限制：①虽然多种不同类型的专能干细胞已得到确定，但尚未能在人体所有组织和细胞中分离鉴定出成体干细胞。②成体干细胞在数量上是非常少的，很难分离和纯化，且随年龄增长其数目会减少。③如果尝试使用患者自身的干细胞进行自体移植治疗，那么首先必须从患者体内分离干细胞，然后进行体外培养，直至有足够数量的细胞才可用于治疗。而对于某些急性病症来说，恐怕没有足够的时间来培养细胞了。由此可见，研究成体干细胞在体外保持长期增殖和定向诱导其分化的机制极其重要。第二节表观遗传与细胞命运一、表观遗传学概述（一）表观遗传学概念及研究内容表观遗传学（epigenetics）是研究不涉及基因结构及DNA序列变化的基因表达调控的可遗传修饰作用，探索从基因型到表现型的过程和机制。表观遗传学把DNA序列以外的化学修饰方式看做是基因组的第二套遗传密码，这种暂时的、动态变化的表观遗传密码决定何时、何地、以何种方式来执行基因组中的遗传信息指令，参与基因表达调控，对生命体健康及表型特征具有重要生物学意义。生物遗传信息表达正确与否，一方面受控于DNA序列，另一方面又受制于表观遗传学信息。也就是说，真核基因表达调控机制非常复杂，包括遗传调控和表观遗传调控。表观遗传调控（epigenetieregulation）是真核基因组一种独特的调控机制，表观遗传主要通过DNA修饰、蛋白质修饰和非编码RNA调控3个层面上调控基因表达。根据对基因表达的影响，可以把表观遗传调控分为以下两个水平。①转录前调控：如DNA甲基化和组蛋白修饰等。甲基化没有改变基因序列，但对基因表达起调控作用。组蛋白修饰包括组蛋白乙酰化与去乙酰化、甲基化与去甲基化、磷酸化及泛素化等，这些修饰因素单一或共同作用均可调节基因表达。②转录后调控：如非编码RNA和RNA编辑等。可以与DNA甲基化、组蛋白乙酰化等发生交互作用，彼此影响，从而构成复杂的基因表观调控网络。（二）表观遗传学与遗传学的关系表现遗传学与造传学的区别1.表观遗传学与遗传学的区别体现在以下三个方面。①遗传信息类型不同：遗传学的遗传信息是DNA或RNA，表观遗传学的遗传信息是修饰后的DNA和组蛋白。②影响基因表达的方式不同：遗传学通过DNA序列的改变如基因突变来影响基因的表达，表观遗传学通过非DNA序列变化来影响基因的表达。③遗传信息的稳定性不同：经典遗传学的遗传信息存储于DNA序列中，相对较稳定：表观遗传信息依赖于DNA和组蛋白不同的修饰基团，这些修饰往往是可逆的，相对不稳定。另外，经典遗传学是研究基因到性状的原因，性状的分离表达符合孟德尔定律：表观遗传学研究的是基因到性状的过程，性状的分离表达不符合孟德尔定律（图14-2）。261医学细胞--正文.indd-2612018-5-18 17:32:09

www.hep.com.cn 261 第二节  表观遗传与细胞命运 干细胞移植治疗这些疾病的动物模型已获成功。此外神经干细胞移植还可治疗脊髓损伤 和脑外伤等。神经干细胞移植的另一个特点是移植入中枢神经系统后不具有免疫排斥反 应，因为脑和脊髓由于血脑屏障的存在而成为免疫系统中较为特殊的器官。 尽管成体干细胞显示出了广阔的应用前景，但仍受到一些因素的限制：①虽然多种 不同类型的专能干细胞已得到确定，但尚未能在人体所有组织和细胞中分离鉴定出成体 干细胞。②成体干细胞在数量上是非常少的，很难分离和纯化，且随年龄增长其数目会 减少。③如果尝试使用患者自身的干细胞进行自体移植治疗，那么首先必须从患者体内 分离干细胞，然后进行体外培养，直至有足够数量的细胞才可用于治疗。而对于某些急 性病症来说，恐怕没有足够的时间来培养细胞了。由此可见，研究成体干细胞在体外保 持长期增殖和定向诱导其分化的机制极其重要。 第二节  表观遗传与细胞命运 一、表观遗传学概述 （一）表观遗传学概念及研究内容 表观遗传学（epigenetics）是研究不涉及基因结构及 DNA 序列变化的基因表达调控 的可遗传修饰作用，探索从基因型到表现型的过程和机制。表观遗传学把 DNA 序列以 外的化学修饰方式看做是基因组的第二套遗传密码，这种暂时的、动态变化的表观遗传 密码决定何时、何地、以何种方式来执行基因组中的遗传信息指令，参与基因表达调 控，对生命体健康及表型特征具有重要生物学意义。 生物遗传信息表达正确与否，一方面受控于 DNA 序列，另一方面又受制于表观遗 传学信息。也就是说，真核基因表达调控机制非常复杂，包括遗传调控和表观遗传调 控。表观遗传调控（epigenetic regulation）是真核基因组一种独特的调控机制，表观遗传 主要通过 DNA 修饰、蛋白质修饰和非编码 RNA 调控 3 个层面上调控基因表达。 根据对基因表达的影响，可以把表观遗传调控分为以下两个水平。①转录前调控： 如 DNA 甲基化和组蛋白修饰等。甲基化没有改变基因序列，但对基因表达起调控作用。 组蛋白修饰包括组蛋白乙酰化与去乙酰化、甲基化与去甲基化、磷酸化及泛素化等，这 些修饰因素单一或共同作用均可调节基因表达。②转录后调控：如非编码 RNA 和 RNA 编辑等。可以与 DNA 甲基化、组蛋白乙酰化等发生交互作用，彼此影响，从而构成复 杂的基因表观调控网络。 （二）表观遗传学与遗传学的关系 1.  表观遗传学与遗传学的区别 体现在以下三个方面。①遗传信息类型不同：遗 传学的遗传信息是 DNA 或 RNA，表观遗传学的遗传信息是修饰后的 DNA 和组蛋白。② 影响基因表达的方式不同：遗传学通过 DNA 序列的改变如基因突变来影响基因的表达， 表观遗传学通过非 DNA 序列变化来影响基因的表达。③遗传信息的稳定性不同：经典 遗传学的遗传信息存储于 DNA 序列中，相对较稳定；表观遗传信息依赖于 DNA 和组蛋 白不同的修饰基团，这些修饰往往是可逆的，相对不稳定。另外，经典遗传学是研究基 因到性状的原因，性状的分离表达符合孟德尔定律；表观遗传学研究的是基因到性状的 过程，性状的分离表达不符合孟德尔定律（图 14-2）。 表现遗传学与遗传学的区别 医学细胞-正文.indd 261 2018-5-18 17:32:09

第十四章干细胞与表观遗传XTX碱基改变AcMoA区传统遗传突变表观遗传突变图14-2传统遗传突变与表观遗传突变2.表观遗传学是遗传学的重要分支随着分子生物学的发展，发现了许多DNA序列并未改变但是基因功能却发生明显改变的遗传现象，这无法用传统遗传学理论加以解释，于是产生了表观遗传学理论。遗传学的DNA序列为表观遗传信息提供了模板，表观遗传信息是通过提供何时、何地及如何利用遗传信息的命令来实现对性状的调控，两者共同完成对细胞或个体生命活动的调节。二、表观遗传对基因表达的调控及其机制在正常生理状态下，已经决定了命运的终末分化细胞受到胞内信号通路、表观遗传及胞外微环境的严格调控，维持在一个相对稳定的类型和状态，一般不会转变为其他类型的细胞。这种细胞命运的稳定对于维持高等动物细胞功能、组织稳态等都极为重要。不同组织器官的不同细胞其表达基因是有差别的，正是这种不同基因的表达使不同的细胞发挥不同的功能。这就是表观遗传调控一基因组外的分子信号决定细胞发育和增殖过程中哪些基因会被激活，哪些基因会选择沉默。研究选择性基因表达的机制是表观遗传学研究的核心内容之一。表观遗传调控机制主要包括：DNA甲基化与去甲茎化、组蛋白修饰、染色质重塑、X染色质失活、基因印记及非编码RNA等。（一）DNA甲基化与去甲茎化甲基化怎样影响基因的表达？DNA甲基化（DNAmethylation）是最重要的表观遗传修饰方式之一。甲基化是由酶介导的一种化学修饰，即将甲基选择性地添加到蛋白质、DNA或RNA上，虽未改变核苷酸顺序及组成，但基因表达却受影响。DNA甲基化与许多细胞进程的调节有关，包括X染色体失活、染色体稳定性、染色质结构、胚胎发育和转录等。1.DNA甲基化机制真核生物DNA甲基化主要发生在CpG二核苷酸序列的胞嘧啶上，在DNA甲基转移酶（DNMTs）的作用下，以S-腺苷甲硫氨酸作为甲基供体，在胞嘧啶（C）的第5位碳原子上添加一个甲基基团而形成5-甲基胞嘧啶（图14-3 )。DNA甲基转移酶分为两种：一种是重新甲基化酶（denovomethyltransferases），主要包括DNA甲基转移酶3a和3b（DNMT3a、DNMT3b），它们可以使正常的DNA分子发生甲基化，并且不需要模板链的指导。另一种是维持甲基化酶，可以作用于已经甲基化的位点，使它们完全甲基化，即使半甲基化的双链DNA分子变成完全甲基化的双链DNA分子。如DNA甲基转移酶1（DNMT1），在模板链的指导下，它能使半甲基化的262医学细胞--正文.indd2622018-5-18 17:32:0

www.hep.com.cn 262 第十四章  干细胞与表观遗传 图 14-2 传统遗传突变与表观遗传突变 2.  表观遗传学是遗传学的重要分支 随着分子生物学的发展，发现了许多 DNA 序 列并未改变但是基因功能却发生明显改变的遗传现象，这无法用传统遗传学理论加以解 释，于是产生了表观遗传学理论。遗传学的 DNA 序列为表观遗传信息提供了模板，表 观遗传信息是通过提供何时、何地及如何利用遗传信息的命令来实现对性状的调控，两 者共同完成对细胞或个体生命活动的调节。 二、表观遗传对基因表达的调控及其机制 在正常生理状态下，已经决定了命运的终末分化细胞受到胞内信号通路、表观遗传 及胞外微环境的严格调控，维持在一个相对稳定的类型和状态，一般不会转变为其他类 型的细胞。这种细胞命运的稳定对于维持高等动物细胞功能、组织稳态等都极为重要。 不同组织器官的不同细胞其表达基因是有差别的，正是这种不同基因的表达使不同的细 胞发挥不同的功能。这就是表观遗传调控 - 基因组外的分子信号决定细胞发育和增殖过 程中哪些基因会被激活，哪些基因会选择沉默。 研究选择性基因表达的机制是表观遗传学研究的核心内容之一。表观遗传调控机 制主要包括：DNA 甲基化与去甲茎化、组蛋白修饰、染色质重塑、X 染色质失活、基 因印记及非编码 RNA 等。 （一）DNA 甲基化与去甲茎化 DNA 甲基化（DNA methylation）是最重要的表观遗传修饰方式之一。甲基化是由酶 介导的一种化学修饰，即将甲基选择性地添加到蛋白质、DNA 或 RNA 上，虽未改变核 苷酸顺序及组成，但基因表达却受影响。DNA 甲基化与许多细胞进程的调节有关，包括 X 染色体失活、染色体稳定性、染色质结构、胚胎发育和转录等。 1.  DNA 甲基化机制 真核生物 DNA 甲基化主要发生在 CpG 二核苷酸序列的胞 嘧啶上，在 DNA 甲基转移酶（DNMTs）的作用下，以 S- 腺苷甲硫氨酸作为甲基供 体，在胞嘧啶（C）的第 5 位碳原子上添加一个甲基基团而形成 5- 甲基胞嘧啶（图 14-3）。 DNA 甲基转移酶分为两种：一种是重新甲基化酶（de novo methyltransferases），主 要包括 DNA 甲基转移酶 3a 和 3b（DNMT 3a、DNMT3b），它们可以使正常的 DNA 分子 发生甲基化，并且不需要模板链的指导。另一种是维持甲基化酶，可以作用于已经甲基 化的位点，使它们完全甲基化，即使半甲基化的双链 DNA 分子变成完全甲基化的双链 DNA 分子。如 DNA 甲基转移酶 1（DNMT1），在模板链的指导下，它能使半甲基化的 甲基化怎样影响基因的表达？ 医学细胞-正文.indd 262 2018-5-18 17:32:09

第二节表观遗传与细胞命运DNA甲基转移酶胞嘧啶5-甲基胞嘧啶图14-3DNA甲基转移酶催化胞嘧啶5位甲基化DNA双链分子上与甲基胞嘧啶相对应的胞甲基化，在细胞分裂过程中维持DNA甲基化状态（图14-4）。NXA从头合成甲基化未甲基化DNMT3a/3b新合成子链甲基化DNMT1DAXXAAcAcDNA复制后半甲基化图14-4DNA甲基化机制DNA甲基化在基因组中的发生不是随机的，具有一定的位置特异性和物种特异性。在人类和哺乳动物中，甲基化主要发生在CpG、CpNpG位置的胞嘧啶。CpG（cytosinephosphateguanine）位置的胞嘧啶更容易被甲基化，又称为CpG岛（CpGislands）。CpG岛是一段富含CpG二核苷酸序列的DNA片段，其甲基化会阻碍转录因子复合体与启动子DNA的结合，而抑制基因的表达。可被甲基化的CpG二核苷酸并非随机地分布于基因组序列中，通常是基因的启动子区域、5端非翻译区和第一个外显子区的CpG序列甲基化密度非常高，超过5倍，为鸟嘌岭和胞嘧啶的富集区。2.DNA甲基化功能目前认为，DNA甲基化主要具有宿主防御和基因调控两种功能。在细菌中，DNA甲基化是保护其基因组不插人外来入侵者的遗传物质，这种保护是通过甲基化自身遗传物质而不被自身限制性内切核酸酶切割。DNA甲基化对于基因表达的调控可以通过直接或者间接的方式来实现。直接机制是甲基化可以直接阻止RNA聚合酶及转录相关复合因子的结合，从而阻止转录的进行；间接机制是一些可以识别甲基化胞嘧啶的结合蛋白结合到特定位点，或者进一步招募其他的蛋白因子组成复合体，阻止转录的进行。DNA甲基化对基因表达的影响还能够随细胞分裂而传递下去。在细胞分裂过程中，263医学细胞-正文.indd26320185-1817:32:10

www.hep.com.cn 263 第二节  表观遗传与细胞命运 DNA 双链分子上与甲基胞嘧啶相对应的胞嘧啶甲基化，在细胞分裂过程中维持 DNA 甲 基化状态（图 14-4）。 图 14-4 DNA 甲基化机制 DNA 甲基化在基因组中的发生不是随机的，具有一定的位置特异性和物种特异性。 在人类和哺乳动物中，甲基化主要发生在 CpG、CpNpG 位置的胞嘧啶。CpG（cytosine phosphate guanine）位置的胞嘧啶更容易被甲基化，又称为 CpG 岛（CpG islands）。CpG 岛是一段富含 CpG 二核苷酸序列的 DNA 片段，其甲基化会阻碍转录因子复合体与启动 子 DNA 的结合，而抑制基因的表达。可被甲基化的 CpG 二核苷酸并非随机地分布于基 因组序列中，通常是基因的启动子区域、5′ 端非翻译区和第一个外显子区的 CpG 序列甲 基化密度非常高，超过 5 倍，为鸟嘌呤和胞嘧啶的富集区。 2.  DNA 甲基化功能 目前认为，DNA 甲基化主要具有宿主防御和基因调控两种功 能。在细菌中，DNA 甲基化是保护其基因组不插入外来入侵者的遗传物质，这种保护是 通过甲基化自身遗传物质而不被自身限制性内切核酸酶切割。DNA 甲基化对于基因表达 的调控可以通过直接或者间接的方式来实现。直接机制是甲基化可以直接阻止 RNA 聚 合酶及转录相关复合因子的结合，从而阻止转录的进行；间接机制是一些可以识别甲基 化胞嘧啶的结合蛋白结合到特定位点，或者进一步招募其他的蛋白因子组成复合体，阻 止转录的进行。 DNA 甲基化对基因表达的影响还能够随细胞分裂而传递下去。在细胞分裂过程中， 图 14-3 DNA 甲基转移酶催化胞嘧啶 5 位甲基化 医学细胞-正文.indd 263 2018-5-18 17:32:10

第十四章干细胞与表观遗传高度甲基化的基因（如印记失活基因、X染色质等）将处于失活状态；而管家基因则始终处于低甲基化状态，一直具有转录活性。3.DNA去甲基化DNA甲基化是一种可逆调控方式，因此可以发生去甲基化。DNA去甲基化分为主动去甲基化和被动去甲基化两种方式，其中最主要的是主动去甲基化。DNA主动去甲基化是通过切除或者水解甲基基团的方式进行。DNA被动去甲基化是指当DNMTs活性被抑制或浓度过低时无法维持原有的甲基化状态，使DNA甲基化程度降低的过程。在生物体中，基因组DNA甲基化和去甲基化的平衡状态是受到DNA甲基化发生、维持和去甲基化的精确调控，当这种平衡状态发生紊乱可能会导致个体生长发育的异常，甚至死亡。（二）组蛋白修饰组蛋白修饰（histonemodification）指组蛋白在相关酶的作用下发生乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、SUMO化、ADP核糖基化和生物素化等过程。组蛋白作为表观遗传信息的重要载体之一，其末端氨基酸共价修饰是表观遗传的重要修饰方式。组蛋白修饰可以看做是决定基因表达与否的控制开关。在真核细胞中，DNA与组蛋白和非组蛋白紧密结合在一起。组蛋白形态的改变，使染色质处于松弛和开放的状态，而使各种转录因子、RNA聚合酶与DNA结合，有利于基因的转录。核小体在基因表达中发挥重要作用，组蛋白修饰能够引起核小体结构的变化，导致染色质重塑，影响各类转录因子与DNA的结合，进而影响基因转录。1.组蛋白乙酰化（histoneacetylation）是由组蛋白乙酰基转移酶（histoneacetyltransferase，HAT）和组蛋白去乙酰化酶（histonedeacetylase，HDAC）协调进行的。组蛋白乙酰化主要发生于N-末端保守的赖氨酸（Lys）残基上。由组蛋白乙酰基转移酶和组蛋白去乙酰化酶协调催化完成。从分子效应上来说，乙酰基团中的C=0具有一定的负电，在赖氨酸上增加一个乙酰基后能够增加与DNA的斥力，使得DNA结构变得疏松，从而导致基因的转录活化。乙酰化的形成主要归功于乙酰基转移酶（HAT），大多数的乙酰基转移酶都具有转录激活和参与DNA修复的作用。组蛋白去乙酰化酶可以移除组蛋白Lys残基上的乙酰基，恢复组蛋白的正电性，带正电荷的Lys残基与DNA分子的电性相反，增加了DNA与组蛋白之间的吸引力，使启动子不易接近转录调控元件，从而阻碍了基因转录的顺利进行。如果乙酰化酶突变将导致正常基因不能表达，去乙酰化酶的突变或一些与去乙酰化酶相关的蛋白发生突变，会使去乙酰化酶错误募集，将引发肿瘤等疾病。2.组蛋白甲基化（histonemethylation）是组蛋白修饰的重要方式之一。组蛋白甲基化是由组蛋白甲基化转移酶（histonemethyltransferase，HMT）完成的，可以通过改变染色体的形态，进而调节基因的转录，而组蛋白的去甲基化是由赖氨酸去甲基酶催化完成。研究表明，组蛋白精氨酸甲基化是一种相对动态的标记，精氨酸甲基化与基因激活相关而H3和H4精氨酸的甲基化丢失与基因沉默相关。相反，赖氨酸甲基化似乎是基因表达调控中一种较为稳定的标记。根据赖氨酸和精氨酸的N端增加的甲基基团的数量不同，组蛋白甲基化可以分为单、双和三甲基三种方式，而且不同数量的甲基作用也有所不同，这些不同程度的甲基化极大地增加了组蛋白修饰和调节基因表达的复杂性。3.组蛋白磷酸化（histonephosphorylation）是在蛋白激酶的作用下将ATP上的264医学细胞--正文.indd_262018-5-1817:32:

www.hep.com.cn 264 第十四章  干细胞与表观遗传 高度甲基化的基因（如印记失活基因、X 染色质等）将处于失活状态；而管家基因则始 终处于低甲基化状态，一直具有转录活性。 3.  DNA 去甲基化 DNA 甲基化是一种可逆调控方式，因此可以发生去甲基化。 DNA 去甲基化分为主动去甲基化和被动去甲基化两种方式，其中最主要的是主动去甲基 化。DNA 主动去甲基化是通过切除或者水解甲基基团的方式进行。DNA 被动去甲基化 是指当 DNMTs 活性被抑制或浓度过低时无法维持原有的甲基化状态，使 DNA 甲基化程 度降低的过程。在生物体中，基因组 DNA 甲基化和去甲基化的平衡状态是受到 DNA 甲 基化发生、维持和去甲基化的精确调控，当这种平衡状态发生紊乱可能会导致个体生长 发育的异常，甚至死亡。 （二）组蛋白修饰 组蛋白修饰（histone modification）指组蛋白在相关酶的作用下发生乙酰化、甲基 化、磷酸化、泛素化、SUMO 化、ADP 核糖基化和生物素化等过程。组蛋白作为表观遗 传信息的重要载体之一，其末端氨基酸共价修饰是表观遗传的重要修饰方式。组蛋白修 饰可以看做是决定基因表达与否的控制开关。在真核细胞中，DNA 与组蛋白和非组蛋 白紧密结合在一起。组蛋白形态的改变，使染色质处于松弛和开放的状态，而使各种转 录因子、RNA 聚合酶与 DNA 结合，有利于基因的转录。核小体在基因表达中发挥重要 作用，组蛋白修饰能够引起核小体结构的变化，导致染色质重塑，影响各类转录因子与 DNA 的结合，进而影响基因转录。 1.  组 蛋 白 乙 酰 化（histone acetylation） 是 由 组 蛋 白 乙 酰 基 转 移 酶（histone acetyltransferase，HAT）和组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）协调进行的。 组蛋白乙酰化主要发生于 N- 末端保守的赖氨酸（Lys）残基上。由组蛋白乙酰基转移酶 和组蛋白去乙酰化酶协调催化完成。从分子效应上来说，乙酰基团中的 C=O 具有一定 的负电，在赖氨酸上增加一个乙酰基后能够增加与 DNA 的斥力，使得 DNA 结构变得疏 松，从而导致基因的转录活化。乙酰化的形成主要归功于乙酰基转移酶（HAT），大多 数的乙酰基转移酶都具有转录激活和参与 DNA 修复的作用。 组蛋白去乙酰化酶可以移除组蛋白 Lys 残基上的乙酰基，恢复组蛋白的正电性，带 正电荷的 Lys 残基与 DNA 分子的电性相反，增加了 DNA 与组蛋白之间的吸引力，使启 动子不易接近转录调控元件，从而阻碍了基因转录的顺利进行。如果乙酰化酶突变将导 致正常基因不能表达，去乙酰化酶的突变或一些与去乙酰化酶相关的蛋白发生突变，会 使去乙酰化酶错误募集，将引发肿瘤等疾病。 2.  组蛋白甲基化（histone methylation） 是组蛋白修饰的重要方式之一。组蛋白 甲基化是由组蛋白甲基化转移酶（histonemethyl transferase，HMT）完成的，可以通过改 变染色体的形态，进而调节基因的转录，而组蛋白的去甲基化是由赖氨酸去甲基酶催化 完成。研究表明，组蛋白精氨酸甲基化是一种相对动态的标记，精氨酸甲基化与基因激 活相关，而 H3 和 H4 精氨酸的甲基化丢失与基因沉默相关。相反，赖氨酸甲基化似乎 是基因表达调控中一种较为稳定的标记。 根据赖氨酸和精氨酸的 N 端增加的甲基基团的数量不同，组蛋白甲基化可以分为 单、双和三甲基三种方式，而且不同数量的甲基作用也有所不同，这些不同程度的甲基 化极大地增加了组蛋白修饰和调节基因表达的复杂性。 3.  组蛋白磷酸化（histone phosphorylation） 是在蛋白激酶的作用下将 ATP 上的 医学细胞-正文.indd 264 2018-5-18 17:32:10

第二节表观遗传与细胞命运磷酸基转移到组蛋白N端的丝氨酸或苏氨酸残基上的过程。组蛋白磷酸化是最重要的蛋白质翻译后修饰之一，蛋白质磷酸化和去磷酸化为真核细胞提供了调节机制。组蛋白的磷酸化修饰能破坏组蛋白和DNA之间的相互作用，从而影响染色质的结构和功能。这种影响是从两个方面的作用来实现的：一是磷酸基团携带的负电荷中和厂组蛋白的正电荷，使得DNA与组蛋白之间的结合力下降：二是磷酸基团与组蛋白的结合可能形成了其他蛋白质修饰的识别模块，促进了组蛋白的其他共价修饰复合体的形成，如组蛋白H3-S10的磷酸化促进了H3-K9和H3-K14的乙酰化。组蛋白的各种修饰方式并不是彼此独立的，而是相互联系的，并可以通过协同或拮抗来发挥作用。相对而言，组蛋白的甲基化修饰方式是最稳定的，所以最适合作为稳定的表观遗传信息。而乙酰化修饰具有较高的动态，磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP核糖基化等为不稳定的修饰方式。这些修饰更为灵活地影响染色质的结构与功能，并通过多种修饰方式的组合发挥其调控功能。（三）染色质重塑染色质重塑（chromatinremodeling）是指使整个细胞分裂周期中染色质结构和位置改变的过程。主要涉及在能量驱动下核小体的置换或重新排列，它改变了核小体在基因启动子区的排列，增加了基因启动子的可接近性，是表观遗传修饰中一种常见的修饰方式。DNA细丝与核小体经过缠绕和折叠形成的染色质高级结构是高度致密的，这使-些基因的正常活动受到限制。例如，一些基本转录因子及序列特异性调控因子由此不能与相应靶基因的启动子结合，因而使基因的转录活动不能顺利进行。核小体位置和结构的变化影响着启动子和转录因子等能否结合到染色质上，改变染色质对核酶的敏感性。染色质重塑是在染色质重塑因子（chromatinremodelingfactor）作用下使染色质发生复杂变化的过程。已经发现至少有两类高度保守的染色质修饰复合物可以作为染色质重塑因子：一类是ATP依赖的染色质重塑复合物SWI/SNF，该复合物由约11个亚基组成。另一类是对组蛋白进行共价修饰的组蛋白修饰复合物。ATP依赖的染色质重塑因子可重新定位核小体，改变核小体结构，共价修饰组蛋白。人们发现，体内染色质结构重塑存在于基因启动子中，转录因子TF以及染色质重塑因子与启动子上特定位点结合，引起特定核小体位置的改变（滑动），或核小体三维结构的改变，或两者兼有，它们都能改变染色质对核酶的敏感性。（四）X染色质失活X染色质失活是一个典型的表观遗传修饰过程，在这个过程中，X染色体会被包装成异染色质而失去转录活性。X染色质失活发生在胚胎发育的早期，与Xist（X-inactivespecifietranscript）基因有关，Xist是×染色体上启动转录最早的基因，位于Xq13的一个位点XIC（X失活中心）内，这个中心就是失活的起始部位，失活过程由此向染色体两端扩展。般情况下，雌性哺乳动物体细胞中2条X染色体的Xist基因都可以稳定转录成XistRNA，但是随后一条X染色体转录的XistRNA很快降解，而另一条X染色体转录的XistRNA则与这条染色体上的特定蛋白质结合进而将X染色体包裹，并启动异染色质化和失活过程。X染色体失活从Xic区段开始启动，继而扩展到整条X染色体，DNA甲基化和组蛋白修饰随之发生，这对X染色体失活的建立和维持具有重要作用，包括265医学细胞--正文.indd262018-5-1817:32

www.hep.com.cn 265 第二节  表观遗传与细胞命运 磷酸基转移到组蛋白 N 端的丝氨酸或苏氨酸残基上的过程。组蛋白磷酸化是最重要的 蛋白质翻译后修饰之一，蛋白质磷酸化和去磷酸化为真核细胞提供了调节机制。 组蛋白的磷酸化修饰能破坏组蛋白和 DNA 之间的相互作用，从而影响染色质的结 构和功能。这种影响是从两个方面的作用来实现的：一是磷酸基团携带的负电荷中和 了组蛋白的正电荷，使得 DNA 与组蛋白之间的结合力下降；二是磷酸基团与组蛋白的 结合可能形成了其他蛋白质修饰的识别模块，促进了组蛋白的其他共价修饰复合体的形 成，如组蛋白 H3-S10 的磷酸化促进了 H3-K9 和 H3-K14 的乙酰化。 组蛋白的各种修饰方式并不是彼此独立的，而是相互联系的，并可以通过协同或拮 抗来发挥作用。相对而言，组蛋白的甲基化修饰方式是最稳定的，所以最适合作为稳定 的表观遗传信息。而乙酰化修饰具有较高的动态，磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP 核 糖基化等为不稳定的修饰方式。这些修饰更为灵活地影响染色质的结构与功能，并通过 多种修饰方式的组合发挥其调控功能。 （三）染色质重塑 染色质重塑（chromatin remodeling）是指使整个细胞分裂周期中染色质结构和位置 改变的过程。主要涉及在能量驱动下核小体的置换或重新排列，它改变了核小体在基因 启动子区的排列，增加了基因启动子的可接近性，是表观遗传修饰中一种常见的修饰 方式。DNA 细丝与核小体经过缠绕和折叠形成的染色质高级结构是高度致密的，这使 一些基因的正常活动受到限制。例如，一些基本转录因子及序列特异性调控因子由此 不能与相应靶基因的启动子结合，因而使基因的转录活动不能顺利进行。核小体位置 和结构的变化影响着启动子和转录因子等能否结合到染色质上，改变染色质对核酶的 敏感性。 染色质重塑是在染色质重塑因子（chromatin remodeling factor）作用下使染色质发生 复杂变化的过程。已经发现至少有两类高度保守的染色质修饰复合物可以作为染色质重 塑因子：一类是 ATP 依赖的染色质重塑复合物 SWI/SNF，该复合物由约 11 个亚基组成。 另一类是对组蛋白进行共价修饰的组蛋白修饰复合物。ATP 依赖的染色质重塑因子可重 新定位核小体，改变核小体结构，共价修饰组蛋白。人们发现，体内染色质结构重塑存 在于基因启动子中，转录因子 TF 以及染色质重塑因子与启动子上特定位点结合，引起 特定核小体位置的改变（滑动），或核小体三维结构的改变，或两者兼有，它们都能改 变染色质对核酶的敏感性。 （四）X 染色质失活 X 染色质失活是一个典型的表观遗传修饰过程，在这个过程中，X 染色体会被包装 成异染色质而失去转录活性。X 染色质失活发生在胚胎发育的早期，与 Xist（X-inactive specific transcript）基因有关，Xist 是 X 染色体上启动转录最早的基因，位于 Xq13 的一 个位点 XIC（X 失活中心）内，这个中心就是失活的起始部位，失活过程由此向染色体 两端扩展。 一般情况下，雌性哺乳动物体细胞中 2 条 X 染色体的 Xist 基因都可以稳定转录成 Xist RNA，但是随后一条 X 染色体转录的 Xist RNA 很快降解，而另一条 X 染色体转录 的 Xist RNA 则与这条染色体上的特定蛋白质结合进而将 X 染色体包裹，并启动异染色 质化和失活过程。X 染色体失活从 Xic 区段开始启动，继而扩展到整条 X 染色体，DNA 甲基化和组蛋白修饰随之发生，这对 X 染色体失活的建立和维持具有重要作用，包括 医学细胞-正文.indd 265 2018-5-18 17:32:10

第十四章干细胞与表观遗传组蛋白H2A、H3和H4的去乙酰化，组蛋白H3赖氨酸9（H3-K9）、赖氨酸27（H3-K27）的超甲基化与组蛋白H3赖氨酸4（H3-K4）的去甲基化等。尤其是与X连锁基因CpG岛的甲基化和基因的转录抑制，可能同失活X染色体上伴有的这些蛋白修饰相关联，是X染色体失活过程中调节基因表达的方式之一。另外，Xic还有辨别X染色体数目的功能，即保持每个细胞中仅有一条X染色体具有活性，其余全部失活，失活的染色体依旧持续合成XistRNA，维持本身的失活状态。（五）基因印记遗传印记是指在配子或合子的发生期间，来自亲本的等位基因或染色体在发育过程中产生专一性的加工修饰，导致后代体细胞中两个亲本来源的等位基因有不同的表达方式，又称配子印记。它是一种伴有基因组改变的非孟德尔遗传形式，可遗传给子代细胞，但并不包括DNA序列的改变。基因印记是基因组在传递遗传信息的过程中，通过基因组的化学修饰而使基因或DNA片段被标识的过程。印记基因又分为父系印记基因和母系印记基因，父系印记基因是指来自父系的等位基因的表达被抑制，来自母系的等位基因表达；母系印记基因是指来自母系的等位基因的表达被抑制，来自父系的等位基表达。这种现象是由于源自某一亲本的等位基因或其所在染色体发生了表观遗传修饰所致。（六）非编码RNA非编码RNA（non-codingRNA，ncRNA）指转录形成的不参与编码蛋白质的那部分长链或短链RNA。其中包括rRNA、tRNA、端粒酶RNA（HTR）及scRNA等功能性非编码RNA；还包括snRNA、microRNA等调节性非编码RNA。哺乳动物的基因组只有2%的区域编码mRNA，但非编码区的许多部位也发生转录，转录产物大部分是长链和短链的不编码蛋白质的功能性RNA分子，越来越多的研究表明，这些区域所编码的RNA具有复杂的调控功能，它们介导了转录水平和转录后水平的基因沉默、X染色体失活、生殖细胞重编程等表观遗传学过程。目前所说的ncRNA多指调节性非编码RNA，根据长度可以将之分为三种类型①长链非编码RNA（longnon-codingRNA，lncRNA）：长度通常>500nt，多以顺式调节的模式对基因簇甚至整个染色体水平调控基因的表达水平。IncRNA具有多种重要的调控功能，其中最为重要的功能是从表观遗传层面上调控蛋白编码基因的表达。②中链非编码RNA（mediumnon-codingRNA，mncRNA），长度通常为50~500nt，包括反义RNA（asRNA）核仁小分子RNA（snoRNA）及核内小RNA（snRNA）等。它们多与反义调控有关，少数具有修饰功能。③短链非编码RNA（smallnon-codingRNA，sncRNA）：长度通常为21~31nt，可介导mRNA的降解，诱导染色质结构的改变，决定细胞分化命运，还对外源的核酸序列有降解作用以保护本身的基因组。常见的短链RNA为小干涉RNA（shortinterferingRNA，siRNA）和微小RNA（microRNA，miRNA），前者是RNA干扰的主要执行者，后者也参与RNA干扰但有自己独立的作用机制。总之，非编码RNA不仅能对整个染色体进行活性调节，也可对单个基因活性进行调节，它们对基因组的稳定性、细胞分裂、个体发育都有重要的作用。自前通过其他物质调节RNA干扰的效果，以及实现RNA干扰在特异组织中发挥作用是未来RNA干扰的研究重点。266医学细胞--正文.indd_2602018-5-18 17:32

www.hep.com.cn 266 第十四章  干细胞与表观遗传 组蛋白 H2A、H3 和 H4 的去乙酰化，组蛋白 H3 赖氨酸 9（H3-K9）、赖氨酸 27（H3- K27）的超甲基化与组蛋白 H3 赖氨酸 4（H3-K4）的去甲基化等。尤其是与 X 连锁基因 CpG 岛的甲基化和基因的转录抑制，可能同失活 X 染色体上伴有的这些蛋白修饰相关 联，是 X 染色体失活过程中调节基因表达的方式之一。另外，Xic 还有辨别 X 染色体数 目的功能，即保持每个细胞中仅有一条 X 染色体具有活性，其余全部失活，失活的染色 体依旧持续合成 Xist RNA，维持本身的失活状态。 （五）基因印记 遗传印记是指在配子或合子的发生期间，来自亲本的等位基因或染色体在发育过程 中产生专一性的加工修饰，导致后代体细胞中两个亲本来源的等位基因有不同的表达方 式，又称配子印记。它是一种伴有基因组改变的非孟德尔遗传形式，可遗传给子代细 胞，但并不包括 DNA 序列的改变。基因印记是基因组在传递遗传信息的过程中，通过 基因组的化学修饰而使基因或 DNA 片段被标识的过程。印记基因又分为父系印记基因 和母系印记基因，父系印记基因是指来自父系的等位基因的表达被抑制，来自母系的 等位基因表达；母系印记基因是指来自母系的等位基因的表达被抑制，来自父系的等 位基表达。这种现象是由于源自某一亲本的等位基因或其所在染色体发生了表观遗传修 饰所致。 （六）非编码 RNA 非编码 RNA（non-coding RNA，ncRNA）指转录形成的不参与编码蛋白质的那部 分长链或短链 RNA。其中包括 rRNA、tRNA、端粒酶 RNA（HTR）及 scRNA 等功能性 非编码 RNA；还包括 snRNA、microRNA 等调节性非编码 RNA。哺乳动物的基因组只 有 2% 的区域编码 mRNA，但非编码区的许多部位也发生转录，转录产物大部分是长链 和短链的不编码蛋白质的功能性 RNA 分子，越来越多的研究表明，这些区域所编码的 RNA 具有复杂的调控功能，它们介导了转录水平和转录后水平的基因沉默、X 染色体失 活、生殖细胞重编程等表观遗传学过程。 目前所说的 ncRNA 多指调节性非编码 RNA，根据长度可以将之分为三种类型： ①长链非编码 RNA（long non-coding RNA，lncRNA）：长度通常﹥500 nt，多以顺式调节 的模式对基因簇甚至整个染色体水平调控基因的表达水平。lncRNA 具有多种重要的调控 功能，其中最为重要的功能是从表观遗传层面上调控蛋白编码基因的表达。②中链非编 码 RNA（medium non-coding RNA，mncRNA），长度通常为 50～500 nt，包括反义 RNA （asRNA）、核仁小分子 RNA（snoRNA）及核内小 RNA（snRNA）等。它们多与反义调 控有关，少数具有修饰功能。③短链非编码 RNA（small non-coding RNA，sncRNA）：长 度通常为 21～31 nt，可介导 mRNA 的降解，诱导染色质结构的改变，决定细胞分化命 运，还对外源的核酸序列有降解作用以保护本身的基因组。常见的短链 RNA 为小干涉 RNA（short interfering RNA，siRNA） 和 微 小 RNA（microRNA，miRNA）， 前 者 是 RNA 干扰的主要执行者，后者也参与 RNA 干扰但有自己独立的作用机制。 总之，非编码 RNA 不仅能对整个染色体进行活性调节，也可对单个基因活性进行 调节，它们对基因组的稳定性、细胞分裂、个体发育都有重要的作用。目前通过其他物 质调节 RNA 干扰的效果，以及实现 RNA 干扰在特异组织中发挥作用是未来 RNA 干扰 的研究重点。 医学细胞-正文.indd 266 2018-5-18 17:32:10