大腦中非常規的表觀遺傳現象

　　胞嘧啶甲基化（mC）是對DNA的修飾，進而調節多種生物功能，如生長發育、腫瘤、以及基因印跡。在絕大多數哺乳動物軀體組織中，當胞嘧啶在一個二核苷酸序列中，并且其后跟著鳥嘌呤（G）時出現mC。同時這些位點絕大多數出現了甲基化（mCG）。然而，在成年哺乳動物大腦，在非CG序列中非常規的胞嘧啶甲基化出現的頻率很高（mCH； H=腺嘌呤（A）、胞嘧啶（C）、或胸腺嘧啶（T））。非CG甲基化的數量與基因的表達成反比，但是mCH調控轉錄的機制目前還不清楚。此前我們對于大腦中DNA甲基化調控基因的看法僅僅是基于對mCG的研究的，而兩個近期的研究提出了mCH與基因表達的一個新的機制，很大程度上修正了既往的看法。

　　人類胚胎干細胞中有非CG甲基化，而近期研究說明在哺乳動物大腦，神經元中的非CG甲基化明顯高于非神經元的腦細胞-神經膠質細胞。非CG甲基化主要發生于CA二核苷酸，額葉皮質中超過70%的非CG甲基化為mCA。有趣的是，mCH在新生的小鼠或人的大腦中缺失或只有很低的水平，但是隨著出生到青春期的過渡，其含量逐漸累積。mCH的累積會短暫地與突觸的發育相一致，此時逐漸成熟的額葉皮質中神經元細胞間的聯系正逐漸增多。

　　Gabel和Chen等人提出了一種可能的機制，甲基化的CpG結合蛋白2（MeCP2）被破壞能導致神經系統疾病Rett綜合征，而mCH可能就是通過對MeCP2的識別調控神經元基因表達的。Gabel等人觀察到人或者小鼠中被MeCP2抑制的基因傾向于有更長的序列（核苷酸的數量），并且與mCA的數量增多相關。另一個獨立的研究也支持了這一發現，該研究表明，在各種不同的神經細胞中，MeCP2的破壞更容易影響較長的基因。既往研究證實，MeCP2能與mCH相結合。Gabel等人的體外實驗中進行了更為精細的分析，發現MeCP2傾向于以mCAC作為結合靶點，較之mCG，mCAC有相近或更高的親和力。Gabel和Chen等人進行了一系列的相關分析，逐步建立了在成年哺乳動物大腦中，mCA靶向基因MeCP2結合位點的模型（如圖）。Chen等人使用帶有標記的表達MeCP2的轉基因小鼠及染色質免疫共沉淀法構建了小鼠基因組中MeCP2結合位點的較為全面的分析圖。值得注意的是，研究者發現當MeCP2被破壞后，mCH以及MeCP2結合位點區域同時富含上調和下調的基因，說明MeCP2可能有更多樣的調控功能。Gabel等人的研究也支持了mCA靶向MeCP2這一模型，他們發現通過清除神經系統中DNA從頭合成甲基化轉移酶3a，能消除mCH的累積，進而消除對長基因的抑制，類似于破壞MeCP2的作用。

　　腦甲基化。當前的模型聚焦在基因組上離散的調控因子上的mCG，它可能阻止了與轉錄因子或MeCP2的結合，進而抑制轉錄。這種模型沒有指出新生個體和成熟個體大腦表觀遺傳的差異。改進的模型強調了自出生延續至整個青春期的mCH的累積，使成熟個體的大腦呈現mCA和MeCP2高親和力相互作用的獨特現象。通過非CG甲基化對于MeCP2的募集（圖中“？”表示可能的其他mCH識別因子）抑制了富含mCA的基因的表達，可能是影響了轉錄延長因子RNA多聚酶2。

　　這兩個研究所揭示的機制提供了一個新的視野，讓人們重新從空間和廣度上認識了DNA甲基化的調控，以及靶向表觀遺傳學的調節機制。許多先前的研究著眼于基因表達的變化與獨立調控的DNA甲基化模式的關系（主要為mCG），如啟動子、CpG島，或遠處的增強子。與之相反，MeCP2優先與mCA結合，置于基因特定位點（該基因被RNA聚合酶轉錄的區域），并可跨越數百個千堿基對，這將有可能在個別基因水平進行精細化的基因表達調控。目前基于大規模表觀遺傳學分析得出的mCG局部堿基缺失與轉錄因子結合關系的流行觀點是，啟動或靶向表觀遺傳的調控可能與序列特異性的轉錄因子相關。盡管這可能是正確的，但其普適性已經被MeCP2在較長的基因上選擇性靶向mCA所挑戰。這是源于基因組的空間特性，并且不太可能與特異性順式原件相關。特別的，MeCP2的募集可能是直接由表觀遺傳標志mCA所介導的。

　　mCA與MeCP2的結合形式及其涉及面目前只在全組織（如大腦皮質）或混合的神經細胞中進行研究，而將其延伸至特定的神經細胞亞型對于進一步發現mCA的模式至關重要。例如，清除MeCP2導致細胞特異性的基因調節異常。這樣的實驗將可以檢測是否細胞特異性MeCP2調節與mCA在不同種類的腦細胞中差異性沉積相關。mCA（相比其它可能的標志物，如mCG）對于MeCP2募集還需要進一步量化，并可通過分析MeCP2結合條件性減少mCH的特定神經細胞來完成。如果mCA就是靶向MeCP2和/或其它效應因子的主要標志，那么mCH靶向長基因，并被排除在活躍表達的神經細胞基因之外的機制是什么？盡管沒有對于前一個問題有說服力的解釋，但對于后一個問題，答案可能是甲基轉移酶3a被排除在延伸的RNA聚合酶II或與轉錄延伸相關的特定組蛋白修飾之外。一個相反的機制近期被發現——DNA甲基轉移酶3b與組蛋白標志H3K36me3相作用，這是轉錄延長進而導致mC優先沉積于胚胎干細胞和原生殖細胞中活躍轉錄的基因上的典型標志。

　　推測這種表觀遺傳機制在正常腦功能或神經系統疾病，如Rett綜合征方面的重要作用是非常誘人的。mCH在成熟個體的大腦能提供一個對接的平臺去引導各種因子的結合（如MeCP2），因而可以介導成熟個體相較幼稚個體大腦所具有的獨特功能。Chen等人已經開始通過尋找成熟而非幼年小鼠大腦中腦衍生神經營養因子（Bdnf）基因座上增加結合的MeCP2來研究這一聯系。與增強的MeCP2募集一致，當MeCP2被破壞后，在成熟而非幼年個體的大腦中出現對Bdnf表達的錯誤調節。作者假設，從出生至青少年這一過程中逐步累積的mCA可能是Rett綜合征遲發的原因。

　　在成熟個體大腦中以及多潛能干細胞中普遍存在的mCH的累積提示，除了MeCP2，可能有還未被識別的蛋白結合mCAC和mCAG，進而介導其它調控作用。尋找富含非CG甲基化的組織細胞中別的效應因子或mCH的“識讀器”將擴展我們對于這一獨特的表觀遺傳標志的認識。我們期望通過表觀遺傳機制的進一步研究，能使大腦中基因調控可能的例外機制得到更為全面的展現。