免疫系统和表观遗传学调控：一个新的前沿领域

   表观遗传学（epigenetics）研究转录前基因在染色质水平的结构修饰对基因功能的影响，这种修饰可通过细胞分裂和增值周期进行传递。表观遗传学已成为生命科学中普遍关注的前沿，在功能基因组时代尤其如此。免疫系统被认为是一个解析表观遗传学调控机制的良好模型，而且免疫细胞伯分化及功能表达和表观遗传学的联系甚密，无疑使这一交叉领域的发展一开始就置身于一片沃土之中。为此，本文对表观遗传学的免疫学意义作一简介，侧面重于T细胞分化特别是Th1、Th2及相关细胞因子基因表达中的表观遗传学调控。

1  表观遗传学涉及的机制：DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质重塑

   DNA甲基化由DNA甲基转移酶Dnmtl催化，通常发生在双核苷酸CpG中的胞嘧啶，构成甲基化的CpG。DNA甲基化及去甲基化，再加上下面将要提到的组蛋白修饰，直接制约基因的活化状态。

   染色质的基本单位为核小体，核小体中部是由四种组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）各两个分子构成的八聚体核心，N端尾部为单一的H1。核小体周围绕着两圈长约166 hp的DNA，之间的连接DNA约10～80bp，并通过组蛋白H1缩成直径为30nm的纤丝。组蛋白可以共价修饰而发生乙酰化、甲基化和磷酸化，由此构成多种多样的组蛋白密码。

   染色质重塑（remodeling）指染色质位置和结构的变化。主要涉及密集的染色质丝在核小体连接处发生松解造成染色质解压缩，从而暴露基因转录启动子区中的顺式作用元件，为反式作用蛋白（转录因子）与之结合提供了一种称为可接近性（accesibility）的状态。这一过程由两类结构介导：ATP依赖型核小体重塑复合体和组蛋白修饰复合体。前者通过水解作用改变核小体构型；后者对核心组蛋白N端尾部的共价修饰进行催化其中还有I型DNA酶（DNase I）超敏性的改变。

    通常，DNA甲基化、组蛋白甲基化和染色质的压缩状态和DNA的不可接近性，以及基因处于抑制和静息状态相关；而DNA的去甲基化、组蛋白的乙酰化和染色质压缩状态的开启，则与转录的启动、基因活化和行使功能有关。这意味着，不用改变基因本身的结构，而是改变基因转录的微环境条件就可以左右基因的活性：或者令其静息（silencing），或者使其激活。

2  表观遗传学调控的免疫学意义：对免疫细胞分化和功能的影响

   免疫学中表观遗传学调控所发挥的影响，波及基因、细胞和应答等不同的水平。

   1）抗原受体基因的表达：TCR和BCR的表达需发生V-（D）-J基因片段的重排，重排有赖重组酶与基因座位两侧的DNA重组信号序列（RSS）相接合。因而染色质的可接近性及相应的核小体重塑等表观遗传学变化显得十分重要。而且核小体的装配和DNA甲基化如果危及编码重组酶的重组激活基因（Rag），也将影响基因重排，干扰抗原受体基因的表达。

   2）淋巴细胞的发育和分化：γδT细胞和αβT细胞的顺序分化、双阴性αβT细胞向CD4或CD8T细胞的分化，以及CD4阳性效应T亚群的分化皆涉及选择何种基因何时顺序转录的问题。通常，被选择出来先行表达的基因（如TCRβ早于TCRα）总是首先出现表观遗传学的改变，包括DNA去甲基化、组蛋白的乙酰化和DNase I超敏性的诱导。

   3）等位相斥和单一等位基因（monoallelic）的选择：等位基因重排可抑制同一座位另一个等位基因的重排，保证了淋巴细胞伯单一特异性，称为等位相斥。就表观遗传学机制而言，某一基因一旦去甲基化，即可诱导重排而使其成为细胞所表达的单一等位基因。已确定成熟B细胞启用这一机制使Igκ早于Igλ进行转录表达。现时，等位相斥及表观遗传学调控研究，已进一步扩展到呈现多态性的细胞因子编码基因，包括IL-2和IL-4。

    4）NK细胞受体表达的多样性：同一克隆淋巴细胞表面抗原受体的特异性相同，但单一的NK细胞表面却可表达针对不同配体（MHC I类的分子）的多种受体组合。有研究发现，这种差异和NK细胞多个KR基因去甲基化有关。

    5）T细胞激活：细胞因子IL-2是T细胞激活的关键因素。初始T细胞中，IL-2基因因启动子区DNA甲基化而处于静息状态。当T细胞得到激活信号后20min，DNA开始去甲基化，并发生染色质重塑，IL-2基因激活，细胞进入分裂周期。

    细胞因子基因转录的表观遗传学调控，IL-2研究的最早，随后是IFN-γ和IL-4。不同的是，IL-2基因的表达是在细胞分裂之前，IFN-γ的产生则在细胞进入S期之后，而IL-4的最适表达需要细胞经历3～4次分裂。

3　　T亚群分化和相应细胞因子的表达调控

  Th1和Th2的分化受细胞外环境因素和细胞内遗传因素影响，包括APC特性、抗原的结构和剂量、共刺激分子、MHC背景、细胞因子等。当把内外因素整合起来，发现细胞因子的表达及其表观遗传学的调控起主要作用。

   3.1  细胞因子基因表达的三个时相   细胞因子受体、受体相关转录因子STAT、亚群特异性转录因子、抗原诱导的转录因子等要素，出现在基因表达的不同时期。

   1）起始期：主要事件是抗原和TCR的结合、共刺激信号的参与、细胞因子IL-12和IL-4与相应受体IL-12R和IL-4R的结合，以及受体相关转录因子 Stat4和Stat6的激活。

  2）定型期：下列亚群特异性转录因子开始激活并发挥作用。对Th1是T-bet(以及ERM)；对Th2是GATA3（以及c-maf）。结果，已分化的亚群表型特征通过细胞扩增得以稳定地保持和遗传。例如对Th1,一旦IFN-γ表达而IL-4基因处于静息状态，则新产生的Th1细胞和所有的子代细胞一直维持这一格局，形成一种细胞性记忆（cell memory）现象。需要提及的是，T细胞的定向分化需要亚群特异性转录因子持续地高表达，因而GATA3和T-bet都可形成自我激活的反馈调节环路。这一调节环路，不仅针对自身，还针对其它亚群特异性转录因子，由此构成一个动态的调节网络。

   3）急性转录期：特点是需要抗原对已分化的细胞再次进行激发。起关键作用的是抗原诱导的转录因子如NF-AT和AP-1。诱导表达后的NF-AT在各种细胞中含量相似，但它的结合往往采取细胞亚型专一的方式，即Th1中和IFN-γ基因启动子区结合，Th2中和IL-4启动子区结合。结果，对Th1和Th2细胞，IFN-γ和IL-4基因的转录分别再次被诱导。此时不再需要共刺激因子和相应细胞因子受体提供信号。

   3.2  IL-4基因表达的表观遗传学调控　伴随基因表达的三个时相，有多种表观遗传学的参数发生改变。下面以IL-4基因的表达和调控为例加以说明。

   DNA酶高敏性的诱导：从起始期到定向期，IL-4基因座位附近的DNase I高敏感性座位（称为DH座位）由3个增加到10个，特别出现在两个保守性非编码序列CNS-2和CNS-2中，这意味着DNA去甲基化区域扩大。由此引起启动子区另一个高敏感座位3’端VA的出现，其功能相当于一个IL-4基因的增强子，可以和进入急性转录期的GATA3和NF-AT结合，推动IL-4基因的转录。这里，没有表观遗传学关于DNA高敏感座位的调节，转录因子GATA-3和NFAT不能有效的发挥作用。

   组蛋白乙酰化和染色质重塑：在DNase I高敏性增加的同时，组蛋白发生乙酰化，由此引发两个变化，一是DNA的构型开始松解，转录因子得以和核小体中相应的顺式激活部位结合；二是转录因子NF-AT和Stat6可招募一类能与之结合的反式激活因子如CBP。后面将要提高，CBP不仅参与启动基因转录，还进一步引起组蛋白的乙酰化。这一切，推动了Th2的分化。

    DNA去甲基化：静息基因往往坐落在高度甲基化的DNA异染色质区段，因为DNA甲基化招募甲基化CpG结合蛋白如McCP2，后者的作用是聚集抑制因子SIN3-HDAC复合体。因而，Th2的分化往往伴有IL-4基因的去甲基化。去甲基化主要发生在定型期而非起始期。

4　表观遗传学调控和转录辅助激活因子：MHC基因的表达和自身免疫病

   DNA、核小体和组蛋白的修饰和重塑对于基因静息和激活的影响，最终需依赖转录因子（反式作用蛋白）与顺式作用元件即分布于启动子区结构保守的众多DNA框相结合。当然，如前所说，DNA框的“开放”是发生染色质重塑的结果。与顺式作用元件结合的还有通用转录复合体（GTC）。GTC由Ⅱ型RNA聚合酶、TATA结合蛋白（TBP）和TBP相关因子（TAFⅡ）组成。一旦TBP和启动子区TATA框相结合，基因即开始转录。

    如果把这些要素称为基因转录和表观遗传调控的基线，则在基线之上，还有其他的调节成份，重要者为前面提到的辅助激活因子（coactivator）。这些因子通常不和DNA结合，而是连接转录因子和GTC；或是一端连接转录因子，另一端和其他的辅助激活因子结合。不仅如此，有的辅助激活因子如CBP还作为组蛋白乙酰基转移酶（HAT）直接参与对组蛋白的乙酰化修饰。此类因子作为表观遗传学调控的重要成份，在免疫学中的意义至少在以下方面得到了证实。

   1）TCR重组基因的选择：众多TCR基因中TCR基因中TCRγ基因可先发生重组，其中有IL-7的参与。IL-7受体可激活Stat5,Stat5再结合辅助激活因子CBP等，由后者连接Jγ基因启动子，开启TCRγ的重排和表达。

   2）MHC基因的表达：MHC Ⅱ类基因以及其他参与抗原加工递呈的基因如TAP、LMP和DM的转录，受控于Ⅱ类反式激活蛋白（CⅡTA）参与Ⅱ类基因染色质重塑，该基因的突变往往导致Ⅱ类分子表达失效，引起裸淋巴细胞综合症。有意义的是，CⅡTA基因本身的转录涉及四个独立的启动子区（PI～PⅣ），这些区段中DNA的甲基化程度又直接制约CⅡTA基因的活性。例如树突状细胞和滋养层细胞Ⅱ类分子的表达由CⅡTA基因启动子DNA的甲基化状态所决定。另外，新近发现与CⅡTA相近处还有一个称为座位调控区（LCR）的结构，可诱导组蛋白乙酰化并招募RNA聚合酶，从表观遗传学的角度制约Ⅱ类基因的表达。

   3）细胞因子基因的表达：CⅡTA虽以调控Ⅱ类基因而得名，它作为辅助激活因子尚有多种功能，其中之一是调控Th1/Th2相关细胞因子基因的转录表达。Sisk等曾报告，IL-4基因转录中NF-AT需要和辅助激活因子CBP结合需用发挥作用。但CⅡTA可以竞争性地和CBP结合，造成没有足够的CBP通过NF-AT参与IL-4的转录，抑制了Th2的分化。

   4）自身免疫病：该类疾病涉及自身反应性淋巴细胞的激活，并可伴有某些功能性亚群（如Th1）的极化，由此开启各种基因表达的表观遗传学调控，包括辅助激活因子的参与。一个典型的例子是B细胞的OBF-1，这是前B细胞向未成熟B细胞发育中参与基因转录的辅助激活因子，一旦缺失，可以使Aiolos小鼠SLE样症状发生逆转，不再出现抗双链DNA抗体和免疫复合物介导的肾小球肾炎。这种戏剧性的效果，凸现表观遗传学在自身免疫发病机制研究中的意义。甚至有人提出SLE是一类抗原驱动的表观遗传学疾病。

5　结    语

    表观遗传学推出了许多新的概念，如组蛋白密码、细胞性记忆、表观型的可遗传性，以及基因的条件性静息和激活等，并为免疫学研究开拓了新的领域。应该说，表观遗传学调控并不具有抗原特异性，但其作用的靶点，却可以是特定细胞类型的特定基因座位，及其在特定时空下的表现，这反映了另一种层次的调节途径，也许会有助于发展新型免疫干预手段。