ＤＮＡ甲基化与杂种优势_DNA甲基化

　　摘要：杂种优势是生物界的一种普遍现象，对农业的发展有很大的促进作用，为了更好地利用杂种优势，人们一直致力于杂种优势形成机理的研究，也取得了很大成就。本文主要从DNA甲基化与基因表达调控角度对杂种优势的遗传机理作简单介绍。
　　关键词：杂种优势；DNA甲基化；基因表达调控
　　中图分类号：Q523 文献标识码：A
　　
　　近年来，随着分子遗传学理论和分子生物学技术突飞猛进的发展，分子标记技术为杂种优势的显性、超显性和上位性假说提供了分子水平上的证据，并研究发现基因表达差异与杂种优势有关。
　　基因型的杂合性是杂种优势的基础，在杂合子中，来自双亲的染色体和主要来自母本的细胞质构成一个全新的胞内环境和核质关系，这种全新的胞内环境对来自双亲的遗传基础构成了一个新的调控系统。杂合子的生长发育就是在这种全新的调控系统下进行的。因此，杂种优势现象实际上就是基因表达调控的外在表现，随着近年来分子生物学技术的飞速发展，人们除了在DNA水平探讨位点杂合性及QTL互作方式与杂种优势的关系外，更需要从杂交种与亲本在基因表达调控角度探讨杂种优势的遗传机理。
　　
　　1 基因表达差异与杂种优势的关系
　　
　　1.1 结构基因表达与杂种优势
　　Romagnoli等（1990）首先研究了基因表达与玉米杂种优势的关系，结果表明：从杂交种cDNA文库中选出的三个在杂交种和亲本间差异表达的克隆中，有一个克隆在F1中的表达介于双亲之间，另外两个克隆在F1中的表达接近高效表达的亲本。对于杂交种的亲本mRNA进行离体翻译的结果显示，杂种优势的产生与杂交种中许多基因的差异表达有关，因为有33％的差异表达产物在杂交种中更丰富或特异表达。Tsaftaris等（2000）利用3个玉米自交系（B73，H108，H109）配组产生强优势组合H109×B73和弱优势组合H109×H108，对亲本和杂种一代基因表达状况进行了研究，结果显示杂种与亲本，以及不同优势的杂种之间在每个发育时期的基因表达均存在差异。强优势组合在第一个发育时期有30％检测的基因表达量高于最好的亲本，在第三个时期有63％的检测基因表达水平高于最好的亲本；而相比之下，弱优势组合在两个时期分别有15％和57％的检测基因表达水平高于最好的亲本。此外，弱优势组合有28％的检测基因表达量低于最差的亲本。总体看来，强优势组合的总体基因表达平均水平要高于亲本及弱优势组合。
　　程宁辉等（1997）应用mRNA差异显示技术，对水稻杂种一代（珍汕97A×明恢63）与其亲本幼苗的基因表达差异进行研究，发现亲本基因和F1代基因表达虽然基本相似但仍有差异。他们认为F1代中基因表达的差异可能决定了杂种优势的形成，F1代和亲本基因表达差异存在着质与量的差别，表达量的差别主要表现在F1基因表达水平强或弱于父本和母本；基因表达质上的差异可以归纳为3种类型，第一类是F1代特异表达而在双亲中不表达；第二类是亲本基因在F1代中沉默，这一类又可分为双亲基因表达而在F1代中抑制和单亲基因表达而在F1代中沉默；第三类是单亲基因在F1代中表达。这一结果与他们1996年在玉米中的研究结果类似。熊立仲等（1999）以mRNA差异显示和cDNA点杂交技术为基础，以强优势杂交组合籼优63的两亲本和F1代剑叶为材料，分析其差异表达的基因。结果发现，杂种和亲本之间的基因表达差异呈现如下几个特点：（1）不同基因差异表达的方向不一样；（2）在不同的发育时期，基因表达差异的程度或方向也不一样。同时还指出，从基因表达水平上研究杂种优势的分子基础，不能仅仅着眼于杂种中表达增强的基因，而要同时考虑那些减弱或被抑制的基因。倪中福等（2001）在研究中则发现：（1）杂种基因表达与亲本之间存在明显差异，而表达的差异则可能决定了杂种一代正或负的优势；（2）杂种与亲本间基因的差异表达程度与发育时期有关；（3）强优势杂交组合和亲本间存在更明显的基因差异，这可能与其强优势的形成有关；（4）在强优势杂种组合中，增强型和沉默型所占比例均明显高于弱优势杂种组合，而单亲本表达减弱型则较弱优势组合低。
　　
　　1.2 调控基因表达与杂种优势
　　基因网络调控系统认为：不同的生物其基因组都有一套保证正常生长与发育的遗传信息，包括全部的编码基因，控制基因表达的调控序列，以及协调不同基因之间相互作用的组分。基因组将这些看不见的信息编码在DNA上，组成了一个使基因有序表达的网络，通过遗传程序将各种基因的活动联系在一起。如果其中某些基因发生了突变，则会影响到网络中的其它成员，并通过网络系统进一步扩大其影响，而发展成为可见变异。对杂种优势的形成，基因网络系统认为：杂种一代是由两个不同的基因群组合在一起形成的网络系统，在这个新组建的网络系统内，等位基因成员处在最好的工作状态，使整个遗传体系发挥最佳效率，从而实现杂种优势。因此近年来对反式调控因子基因的表达与杂种优势的关系的探讨也逐渐成为热点。
　　Tsaftaris等（1998）研究发现玉米亲本自交系与杂交种之间转录因子的数量有明显差异，通过制备的一些转录因子的特异抗体，研究了转录合成数量的差异，发现ABA转录因子Rab21在一个亲本中合成数量明显高于杂种一代和另一亲本。赵相山（1997）研究发现MAD-box和GBFs两类转录调控因子在玉米和水稻杂种F1代与亲本苗期叶片中存在显著差异。倪中福（1999）的研究结果表明：编码MAD-box，GBFs两类转录因子的基因在小麦杂种和亲本苗期根系及叶片均存在显著的差异，而且编码转录因子的基因在杂种与亲本间的表达差异远高于用随机引物展示的基因表达差异；同时还研究了蛋白激酶Ser/Thr家族基因在杂种和亲本间的表达，结果差异显著，认为Ser/Thr蛋白激酶家族可能是小麦杂种和亲本基因差异表达的更高一级的调控者，因为蛋白激酶可通过改变转录因子的特性而调节基因表达。
　　
　　2 DNA甲基化与杂种优势
　　
　　几十年来，人们一直认为基因决定着生命中所需要的各种蛋白质，决定着生命体的表型。但随着研究的不断深入，人们也发现一些无法解释的现象：马和驴正反交的后代差别较大；同卵双生的两个人具有完全相同的基因组，但在同样的环境中长大后他们在性格、健康等方面会有较大的差异，这些并不符合经典的孟德尔遗传学理论。这说明，在相应的基因碱基序列没有发生变化的情况下，一些生物体的表型却发生了改变。表观遗传学（Epigenetics）这一研究表观遗传变异的遗传学分支学科也因此应运而生了。表观遗传变异（Epigenetic variation）是指，在基因的DNA序列没有发生改变的情况下，基因功能发生了可遗传的变化，并最终导致了表型的变化。表观遗传学的研究内容很多，包括DNA甲基化、X染色体剂量补偿、组蛋白乙酰化等，其中DNA甲基化的研究受到了人们极大的关注。
　　DNA甲基化是指生物体在DNA甲基转移酶的作用下，以S-腺苷甲硫氨酸为甲基供体，将甲基转移到胞嘧啶的5′位置上。DNA甲基化属于一种DNA修饰，它不改变分子的碱基顺序，只调控分子中基因的表达，因而称之为“外来修饰”。
　　对家畜和农作物的大量研究表明F1代基因表达的变化决定了杂种的性状表现，而且基因表达的差异主要表现在转录水平上，其原因可能在于等位基因调控区的结构不同，或是不同基因型转录装置的工作效率不同。表观遗传是通过染色体结构和基因组DNA甲基化状态的改变，从而改变基因的表达，产生基因印记、基因沉默的现象。这些认识促使人们从DNA甲基化水平与转录调控角度去探索杂种优势的遗传机理。
　　Cedar等（1988）的研究结果表明，基因组DNA甲基化程度及分布与基因表达率显著相关。Hepburn（1991）对植物DNA甲基化进行了研究，特别对DNA甲基化与基因的转录抑制表达进行了分析，认为自交能导致甲基化程度的逐渐积累，而杂交能使甲基化程度得以解除或重新编排。Tsaftaris等（1998）对一个玉米杂交种及其亲本DNA甲基化胞嘧啶占总胞嘧啶的比例进行了分析，发现两个亲本胞嘧啶甲基化比例分别为31.4％和28.3％，杂种则为27.4％，基因组表达活性与DNA甲基化存在显著负相关，由此认为：杂交种DNA甲基化降低与基因表达增强有关，可能与杂种优势表达有关。对玉米自交系、改良系和杂交种的基因组DNA甲基化程度及分布与基因表达的关系进行分析表明：DNA甲基化程度具有基因型、组织和发育时期特异性，且与环境互作显著；杂交种DNA甲基化程度低于自交系；改良系DNA甲基化程度低于自交系；在密植条件下自交系DNA甲基化状态的改变较杂交种更明显。Xiong等（1999）对水稻杂交种及其双亲的DNA甲基化进行了研究，结果表明两个亲本具有相同的甲基化（均为16.3％），而在杂交种中甲基化比例为18％，结论与Tsaftaris恰恰相反，但他们认为在水稻杂种中虽然总体上甲基化程度与杂种优势不相关，但某些特异位点上甲基化程度的改变却对杂种优势有显著效应，有的位点上甲基化降低对杂种优势有利，而有的位点甲基化增强对杂种优势有利。这说明，杂种优势产生过程中并不仅仅是一些基因表达增强是有利的，而同时某些基因受到抑制也是有利的；同时，其研究组以一套双列杂交组合的剑叶为材料进行研究也得出了相同的结论。
　　蒋曹德（2004）研究了猪DNA甲基化与杂种优势的关系。他应用甲基敏感扩增多态性（MSAP）和甲基化敏感随机引物PCR（MS-AP-PCR）对48头纯种梅山猪、42头纯种大白猪、118头大白×梅山F1代和46头梅山×大白F1代三月龄血液样和六月龄肌肉样进行了分析研究，结果发现梅山猪、大白猪及其正反交一代间基因组整体甲基化程度差别不大，但单个位点甲基化状况存在着四种类型的差异：亲子代甲基化水平相同；单亲与子代甲基化水平相同；同亲代相比，F1代的某些位点去甲基化；同亲代相比，F1代的某些位点发生特异甲基化。其中前三种差异类型均与杂种表现相关，但它们对杂种表现影响的程度和方向不同。正反交F1代有特异甲基化现象，认为DNA甲基化具有母体效应。个体间甲基化差异也对杂种表现产生显著影响，杂种性状对甲基化差异的增加而表现提高、降低和上下波动三种变化趋势，认为它们之间的关系复杂。另外，他对序列分析研究表明，显著影响杂种表现的甲基化位点位于CpG岛，而且可能位于基因启动子中。Xiong等（1999）也曾对那些杂种优势有效应的甲基化片段进行序列分析并推测DNA甲基化可能主要发生在非编码区，特别是调控区，显然这对调控有关杂种优势的基因更有效，和蒋曹德的结论基本一致。
　　有关DNA甲基化与杂种优势关系的研究还处于起步阶段，目前还无法确定由于DNA甲基化造成的差异表达基因与F1代表型变化之间的直接关系，杂种优势的形成是不是这些差异表达基因作用的结果，还没有明确的答案，因此能否通过基因表达来达到了解杂种优势形成的遗传基础和预测杂种优势的目的仍有待进一步研究。
　　
　　参考文献
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