終生影響生理和疾病的基因體甲基化

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長庚大學 教授 林口長庚醫院 主治醫師 王子豪

基因表現的調控,除了受到基因DNA序列來編碼外,在DNA序列沒有改變的情況下,也可以根據DNA上是否受到甲基化而影響功能,這就是表觀基因體學(epigenomics)的硏究範疇。DNA甲基化如果發生在基因的啟動子(promoter),該基因的表現會受到抑制。細胞的正常發育、功能、和各種疾病,都受到DNA甲基化的調控,例如,基因體印記(imprinting)、單條X染色體去活化、老化、和癌症。最近發表的一些研究,更深刻闡述基因體甲基化對發育、疾病發生的重大影響,並能利用於確定診斷某些疾病。

 

一、著床前胚胎的基因體重新編程的甲基化細節

著床前胚胎發育會經歷基因體重新編程(genome-wide reprogramming),而詳細情形最近被北京大學研究人員利用單細胞DNA甲基體定序(single-cell DNA methylome sequencing),從分析50個人類卵子、23個精細胞、62個著床前胚胎的結果,來精確闡述。為早期胚胎發育的基因體表現的調控,提供了一個藍圖(延伸閱讀一)。

 

著床前胚胎發育的基因體重新編程特徵是:全面基因體去甲基化(demethylation)與局部基因體再甲基化(remethylation),兩者之間的動態平衡。受精後,在精核和卵核尚未融合前,有一段各自維持精前核(male pronucleus,♂PN)和卵前核(female pronucleus, ♀PN)的時期。著床前胚胎的全面基因體去甲基化可以看到三波特徵:第一波發生在受精到早期前核(early PN)的10到12個鐘頭,精前核的基因體甲基化從82%下降到53% ,而卵前核的基因體甲基化從55%下降到51%;第二波發生在後合子(late zygote)到雙細胞胚胎之間,基因體甲基化更下降到40%左右;第三波發生在八細胞胚胎到桑椹期(morula stage),基因體甲基化再下降到35%左右(下圖)。反之,局部基因體再甲基化出現兩波:第一波發生精前核的前合子(Early♂PN)到中合子(Mid♂PN)之間;第二波發生在四細胞胚胎到八細胞胚胎之間(下圖)。在受精卵中,父源基因體的新生(de novo)甲基化和非對稱的甲基化非常明顯,這種現象可能對早期發育有特別的功能,則有待更進一步釐清。

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二、胎兒基因體甲基化會影響成年疾病

孕婦的營養不良也會透過影響胎兒基因體甲基化,而增加胎兒成年後肥胖與代謝症候群的發生。荷蘭飢餓冬天家族研究(Dutch Hunger Winter Families Study)長期追蹤大約2400名在1945年2月到1946年3月間懷孕的胎兒。348名懷孕處在飢餓期中的胎兒,和他們沒有經過懷孕期饑荒的兄弟姐妹(對照組,n=463)比較起來,58年後有顯著的肥胖(body mass index, BMI較高)和血中三甘油酯(triglyceride, TG)濃度增高 (下表)。

 

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荷蘭Leiden大學研究人員分析了上述檢體中的342,596 CpGs,發現CPT1A、ABCG1基因的甲基化和肥胖與三甘油酯升高都有相關(下圖),其中CPT1A基因的甲基化已被報告過與代謝症候群相關(Das M et al. PLoS One, 2016),而ABCG1基因則掌管脂肪代謝。本研究發現和肥胖相關的甲基化基因,PIM3和能量代謝有關。

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以前的文獻顯示,早期妊娠的營養狀態最影響胎兒日後的表現型,因此這個研究更聚焦在硏究早期妊娠處於飢餓時期的基因體甲基化(下圖)。TXNIP基因調控胰臟的β細胞功能;PFKFB3基因作用於糖解作用;而METTL8基因參與脂肪形成作用。這個研究證實了:生命早期的不良環境會經由表觀基因體學,而影響日後的健康 (延伸閱讀二)。

 

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三、癌細胞的基因體甲基化影響病人的預後

少年型骨髓單核細胞性白血病(juvenile myelomonocytic leukemia, JMML) 是一個預後較差的白血病,即使接受了造血幹細胞移植(hematopoietic stem cell transplantation, HSCT)之後,五年內還是有一半以上的病人復發。JMML幾乎都有RAS signaling pathway的異常。德國癌症中心的研究人員在167個JMML檢體,使用全基因體甲基化分析,合併於基因突變、基因體拷貝數變化、和基因表現的分析,這些新的研究成果顯示:RAS signaling pathway造成不同程度的基因突變,再經由基因體甲基化的嚴重度,來影響到病人的預後(延伸閱讀三)。病人癌細胞有高度基因體甲基化的綜和存活率(overall survival)最差(下圖A) ,而五年的累積復發率(cumulative incidence of relapse, CIR)則最高,大於50% (下圖B)。

 

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四、不同神經發育症候群(neurodevelopmental syndromes)的甲基化標誌或表觀標誌 (methylation signature or epi-signature)

利用甲基化晶片分析了285位病人的血液,涵蓋14種遺傳性神經發育症候群,加拿大的研究人員發現基因體甲基化可用以辨識九種神經發育症候群,能當作這些疾病的甲基化標誌(延伸閱讀四)。 這個研究最大的困難處,在於找到合適的健康對照組,因為性別和年紀都已知會影響基因體DNA甲基化。在九種神經發育症候群中,雖然有些表觀標誌會互相重疊,但重疊的發生很少(下圖),顯示這些表觀標誌是獨特於各個疾病。這些表觀標誌有助於確認神經發育症候群的應用潛力,尤其當致病基因出現的突變點是屬於未知意義的變異(variants of unknown significance, VUS)時。

 

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延伸閱讀:

  1. Zhu P, et al. Single-cell DNA methylome sequencing of human preimplantation embryos. Nature Genetics (2018) 50: 12-19.
  2. Tobi EW, et al. DNA methylation as a mediator of the association between prenatal adversity and risk factors for metabolic disease in adulthood. Science Advances (2018) 4: eaao4363.
  3. Lipka DB, et al. RAS-pathway mutation patterns define epigenetic subclass in juvenile myelomonocytic meukemia. Nature Communications (2017) 8: 2126.
  4. Aref-Eshghi E, et al. Genomic DNA methylation signatures enable concurrent diagnosis and clinical genetic variant classification in neurodevelopmental syndromes. American Journal of Human Genetics (2018) 102: 156-174.

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