ＤＮＡ甲基化與雜種優(yōu)勢_DNA甲基化

　　摘要：雜種優(yōu)勢是生物界的一種普遍現(xiàn)象，對農(nóng)業(yè)的發(fā)展有很大的促進(jìn)作用，為了更好地利用雜種優(yōu)勢，人們一直致力于雜種優(yōu)勢形成機(jī)理的研究，也取得了很大成就。本文主要從DNA甲基化與基因表達(dá)調(diào)控角度對雜種優(yōu)勢的遺傳機(jī)理作簡單介紹。
　　關(guān)鍵詞：雜種優(yōu)勢；DNA甲基化；基因表達(dá)調(diào)控
　　中圖分類號：Q523 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
　　
　　近年來，隨著分子遺傳學(xué)理論和分子生物學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，分子標(biāo)記技術(shù)為雜種優(yōu)勢的顯性、超顯性和上位性假說提供了分子水平上的證據(jù)，并研究發(fā)現(xiàn)基因表達(dá)差異與雜種優(yōu)勢有關(guān)。
　　基因型的雜合性是雜種優(yōu)勢的基礎(chǔ)，在雜合子中，來自雙親的染色體和主要來自母本的細(xì)胞質(zhì)構(gòu)成一個全新的胞內(nèi)環(huán)境和核質(zhì)關(guān)系，這種全新的胞內(nèi)環(huán)境對來自雙親的遺傳基礎(chǔ)構(gòu)成了一個新的調(diào)控系統(tǒng)。雜合子的生長發(fā)育就是在這種全新的調(diào)控系統(tǒng)下進(jìn)行的。因此，雜種優(yōu)勢現(xiàn)象實(shí)際上就是基因表達(dá)調(diào)控的外在表現(xiàn)，隨著近年來分子生物學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們除了在DNA水平探討位點(diǎn)雜合性及QTL互作方式與雜種優(yōu)勢的關(guān)系外，更需要從雜交種與親本在基因表達(dá)調(diào)控角度探討雜種優(yōu)勢的遺傳機(jī)理。
　　
　　1 基因表達(dá)差異與雜種優(yōu)勢的關(guān)系
　　
　　1.1 結(jié)構(gòu)基因表達(dá)與雜種優(yōu)勢
　　Romagnoli等（1990）首先研究了基因表達(dá)與玉米雜種優(yōu)勢的關(guān)系，結(jié)果表明：從雜交種cDNA文庫中選出的三個在雜交種和親本間差異表達(dá)的克隆中，有一個克隆在F1中的表達(dá)介于雙親之間，另外兩個克隆在F1中的表達(dá)接近高效表達(dá)的親本。對于雜交種的親本mRNA進(jìn)行離體翻譯的結(jié)果顯示，雜種優(yōu)勢的產(chǎn)生與雜交種中許多基因的差異表達(dá)有關(guān)，因?yàn)橛?3％的差異表達(dá)產(chǎn)物在雜交種中更豐富或特異表達(dá)。Tsaftaris等（2000）利用3個玉米自交系（B73，H108，H109）配組產(chǎn)生強(qiáng)優(yōu)勢組合H109×B73和弱優(yōu)勢組合H109×H108，對親本和雜種一代基因表達(dá)狀況進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示雜種與親本，以及不同優(yōu)勢的雜種之間在每個發(fā)育時期的基因表達(dá)均存在差異。強(qiáng)優(yōu)勢組合在第一個發(fā)育時期有30％檢測的基因表達(dá)量高于最好的親本，在第三個時期有63％的檢測基因表達(dá)水平高于最好的親本；而相比之下，弱優(yōu)勢組合在兩個時期分別有15％和57％的檢測基因表達(dá)水平高于最好的親本。此外，弱優(yōu)勢組合有28％的檢測基因表達(dá)量低于最差的親本。總體看來，強(qiáng)優(yōu)勢組合的總體基因表達(dá)平均水平要高于親本及弱優(yōu)勢組合。
　　程寧輝等（1997）應(yīng)用mRNA差異顯示技術(shù)，對水稻雜種一代（珍汕97A×明恢63）與其親本幼苗的基因表達(dá)差異進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)親本基因和F1代基因表達(dá)雖然基本相似但仍有差異。他們認(rèn)為F1代中基因表達(dá)的差異可能決定了雜種優(yōu)勢的形成，F(xiàn)1代和親本基因表達(dá)差異存在著質(zhì)與量的差別，表達(dá)量的差別主要表現(xiàn)在F1基因表達(dá)水平強(qiáng)或弱于父本和母本；基因表達(dá)質(zhì)上的差異可以歸納為3種類型，第一類是F1代特異表達(dá)而在雙親中不表達(dá)；第二類是親本基因在F1代中沉默，這一類又可分為雙親基因表達(dá)而在F1代中抑制和單親基因表達(dá)而在F1代中沉默；第三類是單親基因在F1代中表達(dá)。這一結(jié)果與他們1996年在玉米中的研究結(jié)果類似。熊立仲等（1999）以mRNA差異顯示和cDNA點(diǎn)雜交技術(shù)為基礎(chǔ)，以強(qiáng)優(yōu)勢雜交組合秈優(yōu)63的兩親本和F1代劍葉為材料，分析其差異表達(dá)的基因。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雜種和親本之間的基因表達(dá)差異呈現(xiàn)如下幾個特點(diǎn)：（1）不同基因差異表達(dá)的方向不一樣；（2）在不同的發(fā)育時期，基因表達(dá)差異的程度或方向也不一樣。同時還指出，從基因表達(dá)水平上研究雜種優(yōu)勢的分子基礎(chǔ)，不能僅僅著眼于雜種中表達(dá)增強(qiáng)的基因，而要同時考慮那些減弱或被抑制的基因。倪中福等（2001）在研究中則發(fā)現(xiàn)：（1）雜種基因表達(dá)與親本之間存在明顯差異，而表達(dá)的差異則可能決定了雜種一代正或負(fù)的優(yōu)勢；（2）雜種與親本間基因的差異表達(dá)程度與發(fā)育時期有關(guān)；（3）強(qiáng)優(yōu)勢雜交組合和親本間存在更明顯的基因差異，這可能與其強(qiáng)優(yōu)勢的形成有關(guān)；（4）在強(qiáng)優(yōu)勢雜種組合中，增強(qiáng)型和沉默型所占比例均明顯高于弱優(yōu)勢雜種組合，而單親本表達(dá)減弱型則較弱優(yōu)勢組合低。
　　
　　1.2 調(diào)控基因表達(dá)與雜種優(yōu)勢
　　基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控系統(tǒng)認(rèn)為：不同的生物其基因組都有一套保證正常生長與發(fā)育的遺傳信息，包括全部的編碼基因，控制基因表達(dá)的調(diào)控序列，以及協(xié)調(diào)不同基因之間相互作用的組分。基因組將這些看不見的信息編碼在DNA上，組成了一個使基因有序表達(dá)的網(wǎng)絡(luò)，通過遺傳程序?qū)⒏鞣N基因的活動聯(lián)系在一起。如果其中某些基因發(fā)生了突變，則會影響到網(wǎng)絡(luò)中的其它成員，并通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)大其影響，而發(fā)展成為可見變異。對雜種優(yōu)勢的形成，基因網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)認(rèn)為：雜種一代是由兩個不同的基因群組合在一起形成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在這個新組建的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)，等位基因成員處在最好的工作狀態(tài)，使整個遺傳體系發(fā)揮最佳效率，從而實(shí)現(xiàn)雜種優(yōu)勢。因此近年來對反式調(diào)控因子基因的表達(dá)與雜種優(yōu)勢的關(guān)系的探討也逐漸成為熱點(diǎn)。
　　Tsaftaris等（1998）研究發(fā)現(xiàn)玉米親本自交系與雜交種之間轉(zhuǎn)錄因子的數(shù)量有明顯差異，通過制備的一些轉(zhuǎn)錄因子的特異抗體，研究了轉(zhuǎn)錄合成數(shù)量的差異，發(fā)現(xiàn)ABA轉(zhuǎn)錄因子Rab21在一個親本中合成數(shù)量明顯高于雜種一代和另一親本。趙相山（1997）研究發(fā)現(xiàn)MAD-box和GBFs兩類轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子在玉米和水稻雜種F1代與親本苗期葉片中存在顯著差異。倪中福（1999）的研究結(jié)果表明：編碼MAD-box，GBFs兩類轉(zhuǎn)錄因子的基因在小麥雜種和親本苗期根系及葉片均存在顯著的差異，而且編碼轉(zhuǎn)錄因子的基因在雜種與親本間的表達(dá)差異遠(yuǎn)高于用隨機(jī)引物展示的基因表達(dá)差異；同時還研究了蛋白激酶Ser/Thr家族基因在雜種和親本間的表達(dá)，結(jié)果差異顯著，認(rèn)為Ser/Thr蛋白激酶家族可能是小麥雜種和親本基因差異表達(dá)的更高一級的調(diào)控者，因?yàn)榈鞍准っ缚赏ㄟ^改變轉(zhuǎn)錄因子的特性而調(diào)節(jié)基因表達(dá)。
　　
　　2 DNA甲基化與雜種優(yōu)勢
　　
　　幾十年來，人們一直認(rèn)為基因決定著生命中所需要的各種蛋白質(zhì)，決定著生命體的表型。但隨著研究的不斷深入，人們也發(fā)現(xiàn)一些無法解釋的現(xiàn)象：馬和驢正反交的后代差別較大；同卵雙生的兩個人具有完全相同的基因組，但在同樣的環(huán)境中長大后他們在性格、健康等方面會有較大的差異，這些并不符合經(jīng)典的孟德爾遺傳學(xué)理論。這說明，在相應(yīng)的基因堿基序列沒有發(fā)生變化的情況下，一些生物體的表型卻發(fā)生了改變。表觀遺傳學(xué)（Epigenetics）這一研究表觀遺傳變異的遺傳學(xué)分支學(xué)科也因此應(yīng)運(yùn)而生了。表觀遺傳變異（Epigenetic variation）是指，在基因的DNA序列沒有發(fā)生改變的情況下，基因功能發(fā)生了可遺傳的變化，并最終導(dǎo)致了表型的變化。表觀遺傳學(xué)的研究內(nèi)容很多，包括DNA甲基化、X染色體劑量補(bǔ)償、組蛋白乙酰化等，其中DNA甲基化的研究受到了人們極大的關(guān)注。
　　DNA甲基化是指生物體在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的作用下，以S-腺苷甲硫氨酸為甲基供體，將甲基轉(zhuǎn)移到胞嘧啶的5′位置上。DNA甲基化屬于一種DNA修飾，它不改變分子的堿基順序，只調(diào)控分子中基因的表達(dá)，因而稱之為“外來修飾”。
　　對家畜和農(nóng)作物的大量研究表明F1代基因表達(dá)的變化決定了雜種的性狀表現(xiàn)，而且基因表達(dá)的差異主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)錄水平上，其原因可能在于等位基因調(diào)控區(qū)的結(jié)構(gòu)不同，或是不同基因型轉(zhuǎn)錄裝置的工作效率不同。表觀遺傳是通過染色體結(jié)構(gòu)和基因組DNA甲基化狀態(tài)的改變，從而改變基因的表達(dá)，產(chǎn)生基因印記、基因沉默的現(xiàn)象。這些認(rèn)識促使人們從DNA甲基化水平與轉(zhuǎn)錄調(diào)控角度去探索雜種優(yōu)勢的遺傳機(jī)理。
　　Cedar等（1988）的研究結(jié)果表明，基因組DNA甲基化程度及分布與基因表達(dá)率顯著相關(guān)。Hepburn（1991）對植物DNA甲基化進(jìn)行了研究，特別對DNA甲基化與基因的轉(zhuǎn)錄抑制表達(dá)進(jìn)行了分析，認(rèn)為自交能導(dǎo)致甲基化程度的逐漸積累，而雜交能使甲基化程度得以解除或重新編排。Tsaftaris等（1998）對一個玉米雜交種及其親本DNA甲基化胞嘧啶占總胞嘧啶的比例進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)兩個親本胞嘧啶甲基化比例分別為31.4％和28.3％，雜種則為27.4％，基因組表達(dá)活性與DNA甲基化存在顯著負(fù)相關(guān)，由此認(rèn)為：雜交種DNA甲基化降低與基因表達(dá)增強(qiáng)有關(guān)，可能與雜種優(yōu)勢表達(dá)有關(guān)。對玉米自交系、改良系和雜交種的基因組DNA甲基化程度及分布與基因表達(dá)的關(guān)系進(jìn)行分析表明：DNA甲基化程度具有基因型、組織和發(fā)育時期特異性，且與環(huán)境互作顯著；雜交種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；在密植條件下自交系DNA甲基化狀態(tài)的改變較雜交種更明顯。Xiong等（1999）對水稻雜交種及其雙親的DNA甲基化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明兩個親本具有相同的甲基化（均為16.3％），而在雜交種中甲基化比例為18％，結(jié)論與Tsaftaris恰恰相反，但他們認(rèn)為在水稻雜種中雖然總體上甲基化程度與雜種優(yōu)勢不相關(guān)，但某些特異位點(diǎn)上甲基化程度的改變卻對雜種優(yōu)勢有顯著效應(yīng)，有的位點(diǎn)上甲基化降低對雜種優(yōu)勢有利，而有的位點(diǎn)甲基化增強(qiáng)對雜種優(yōu)勢有利。這說明，雜種優(yōu)勢產(chǎn)生過程中并不僅僅是一些基因表達(dá)增強(qiáng)是有利的，而同時某些基因受到抑制也是有利的；同時，其研究組以一套雙列雜交組合的劍葉為材料進(jìn)行研究也得出了相同的結(jié)論。
　　蔣曹德（2004）研究了豬DNA甲基化與雜種優(yōu)勢的關(guān)系。他應(yīng)用甲基敏感擴(kuò)增多態(tài)性（MSAP）和甲基化敏感隨機(jī)引物PCR（MS-AP-PCR）對48頭純種梅山豬、42頭純種大白豬、118頭大白×梅山F1代和46頭梅山×大白F1代三月齡血液樣和六月齡肌肉樣進(jìn)行了分析研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)梅山豬、大白豬及其正反交一代間基因組整體甲基化程度差別不大，但單個位點(diǎn)甲基化狀況存在著四種類型的差異：親子代甲基化水平相同；單親與子代甲基化水平相同；同親代相比，F(xiàn)1代的某些位點(diǎn)去甲基化；同親代相比，F(xiàn)1代的某些位點(diǎn)發(fā)生特異甲基化。其中前三種差異類型均與雜種表現(xiàn)相關(guān)，但它們對雜種表現(xiàn)影響的程度和方向不同。正反交F1代有特異甲基化現(xiàn)象，認(rèn)為DNA甲基化具有母體效應(yīng)。個體間甲基化差異也對雜種表現(xiàn)產(chǎn)生顯著影響，雜種性狀對甲基化差異的增加而表現(xiàn)提高、降低和上下波動三種變化趨勢，認(rèn)為它們之間的關(guān)系復(fù)雜。另外，他對序列分析研究表明，顯著影響雜種表現(xiàn)的甲基化位點(diǎn)位于CpG島，而且可能位于基因啟動子中。Xiong等（1999）也曾對那些雜種優(yōu)勢有效應(yīng)的甲基化片段進(jìn)行序列分析并推測DNA甲基化可能主要發(fā)生在非編碼區(qū)，特別是調(diào)控區(qū)，顯然這對調(diào)控有關(guān)雜種優(yōu)勢的基因更有效，和蔣曹德的結(jié)論基本一致。
　　有關(guān)DNA甲基化與雜種優(yōu)勢關(guān)系的研究還處于起步階段，目前還無法確定由于DNA甲基化造成的差異表達(dá)基因與F1代表型變化之間的直接關(guān)系，雜種優(yōu)勢的形成是不是這些差異表達(dá)基因作用的結(jié)果，還沒有明確的答案，因此能否通過基因表達(dá)來達(dá)到了解雜種優(yōu)勢形成的遺傳基礎(chǔ)和預(yù)測雜種優(yōu)勢的目的仍有待進(jìn)一步研究。
　　
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