文摘
表观遗传机制构成的多能干细胞分化成不同的血统,包含相同的基因组,但表达不同的细胞类型的基因。由于同卵双生的冲突率高,表观遗传机制也涉及神经精神疾病如精神分裂症和孤独症的发展。支持这种想法,水平的提高DNA甲基转移酶(DNMTs) DNMT多态性,调节异常DNA甲基化的网络精神分裂症患者中被报道。这些结果指出,DNA甲基化的发展的重要性machinery-based模型研究神经发生异常的机制由于某些DNMT等位基因或DNMTs特异表达。实现这一目标强烈面对胚胎杀伤力与水平的表观遗传改变机械如DNMT1和昂贵的方法在发展中在活的有机体内模型。根据文献证据表明,胚胎干细胞(ESCs)容忍DNMT突变和基因打靶技术的发展,现在可以介绍所需DNMT位点的突变产生合适的ESC行可以帮助理解底层机制异常DNMTs水平或其特定突变等位基因导致异常的神经发生。在未来,这些模型可以方便开发适合治疗神经精神疾病的药物。
1。介绍
postblastocyst哺乳动物发展的阶段期间,胚胎进行移植的细胞内细胞群进行血统规范。因此,细胞不同的血统,尽管是基因完全相同,表达独特的基因lineage-specific同时保持非特异性基因沉默。这种差异表达模式的实现是由于胚胎的发展线索,但维护在形式的独特的基因组的表观遗传模式。传播这些表观遗传标记遗传,家族内的子细胞。
DNA甲基化、组蛋白修饰和监管非编码rna构成主要的哺乳动物基因组的表观遗传标记。这三个,DNA甲基化或共价的第五个碳的甲基胞核嘧啶在基因组DNA是最早的报告,大多数研究的建立,维护,和擦除(例如,见1])。大多数胞核嘧啶甲基化在CpG二核苷酸除了CpG岛,在大多数情况下unmethylated状态与基因表达呈正相关(2- - - - - -4]。由于这种逆与基因表达的关系,DNA甲基化和机械负责建立/维护分化中发挥重要作用。而新创甲基转移酶种能阻碍DNMT3B DNMT3A和可以传授新的unmethylated DNA甲基化标记,DNMT1负责维护一生中DNA甲基化的5]。这些对比的功能新创和维护DNMTs反映在他们的表达模式:种能阻碍DNMT3B DNMT3A和参与表观遗传重编程,主要表达在生殖系6,7)、多能和成人干细胞(8]而DNMT1各发育阶段表达,在终末分化组织。
因为在创建和维护的核心作用的DNA甲基化模式和DNA甲基化和基因表达之间的负相关,DNMTs受试者的研究。特别是DNMTs的作用和影响他们的失调的分异过程或维护在最近的过去变得瓦解分化状态。最近的研究也表明,DNMTs可能致病机制的失调患者精神分裂症和双相情感障碍。表观遗传机制提出了参与病理生理学精神分裂症和自闭症,因为同卵双胞胎之间的冲突率高(9]。虽然这些有缺陷的表观遗传机制包括机械负责建立和维护以及DNA甲基化、组蛋白修改迄今发表的文献表明更多的证据DNMTs失调的精神分裂症(10]。
在这里,我将描述DNMTs哺乳动物发展的核心作用,胚胎干细胞(ESC)的基础在体外和动物模型由不同的调查人员,帮助获得洞察DNMTs多能性和分化的关键作用(表1)。我将描述与开发合适的动物模型和相关的问题提出,转基因ESC模型可以帮助理解DNMTs机制失调或特定DNMT突变体/等位基因影响神经元分化。这些机制的理解会帮助确定病理生理学在精神分裂症患者有DNMTs失调。这些信息也是无价的识别合适的药物,帮助纠正神经异常表型,因为DNMTs的失调。
2。的基本功能新创和维护DNMTs
正如上面提到的,是种能阻碍DNMT3B DNMT3A和新创甲基转移酶而DNMT1是维护甲基转移酶。除了这些酶,DNMT3L是另一个DNMT催化地不活跃的家庭成员。种能阻碍DNMT3B DNMT3L DNMT3A和相互作用,对建立特定的甲基化是重要的生殖系的标志。一旦DNA甲基化是建立在unmethylated DNA,它们是由DNMT1 postreplicative方式(图1(11])。刚复制的DNA时,父母和女儿链含有甲基化和unmethylated胞核嘧啶hemimethylated。DNMT1提出“读”这些甲基化标记,建立在相反的胞核嘧啶甲基化新合成互补链。出于这个原因,CpG二核苷酸最适合于遗传的甲基化标记,因为互补链还包含相同的二核苷酸在完全相同的位置。由于缺乏这种对称性,non-CpG甲基化并不是有效的维护(图1)。
3所示。DNMTs在哺乳动物发展的重要作用
迹象表明DNMTs是绝对必要的发展来自老鼠转基因研究。ESCs的两个等位基因Dnmt1减少中断显示DNA甲基化水平和增长率和形态正常,但源自胚胎发育迟缓和发育迟缓和midgestation后没能活下来12]。然而,在老鼠携带条件等位基因导致亏损DNMT1的前体细胞hypomethylated神经元的中枢神经系统导致形成但这些神经元迅速退化(13]。在后续研究中DNMT1水平改变,水平的提高也DNMT1导致胚胎杀伤力midgestation因为基因异常甲基化调控的印迹基因(基因表达的类只有两个同源染色体中的一个基于他们的父母的起源)(14]。类似于DNMT1击倒胚胎的结果,没有种能阻碍DNMT3B DNMT3A或影响正常的开发/生存。而Dnmt3B空/空胚胎未能开发术语由于发育缺陷,Dnmt3A空/空胚胎存活期限但无法生存超过4周(15]。与杀伤力与种能阻碍DNMT3b DNMT1 DNMT3a或不足Dnm3L空/空老鼠生存,但他们的孕体DNA甲基化缺陷。Dnmt3L空/空女性显示随机印记模式在卵母细胞(16导致人口的胚胎,不词因为异常甲基化模式而发展Dnmt3L空/空男性显示亏损spermatogonia广泛DNA甲基化缺陷减少后代的生存机会的(17]。总的来说,这些结果表明,最优水平的DNMTs正常发展和生存至关重要。
4所示。DNMTs分化及其作用
DNMTs的功能角色的分化程序只是最近建立了。转基因研究在催化地活动DNMT1突变表达Dnmt1c / cESCs鼠标,不产生DNMT1表明,在缺乏DNMT1 ESCs不失去自我更新能力和他们开始分化的能力但突变细胞不生存分化(21]。例如,失去DNMT1活动已被证明是无能的唯一原因Dnmt1c / c派生的神经元生存(19]。在另一组研究中,老鼠的ESCs是转基因生产高水平的DNMT1内生Dnmt1启动子(18]。这些突变的ESCs显示正常形态和增长模式但产生神经元异常显示广泛的树突分枝,分支,NR1分子水平的提高N-methyl D-aspartate(门冬氨酸)受体(23]。这项研究也表明,期间严格监管DNMT1分化的水平,因此,DNMT1拟胚体保持在低水平,神经元。本研究的差别还表示,对这些DNMT1普遍现象与分化相关。符合这个指示,两个多能性因素OCT4和Nanog绑定到Dnmt1启动子和启用ESCs DNMT1的表达式(20.]。因此OCT4和Nanog差别合理的期望,对这些结果在降低DNMT1的水平分化。DNMT1损失函数的影响也被研究造血干细胞(hsc)在特定缺乏DNMT1肝星状细胞的造血系统导致贫穷潴留在他们的领域,缺乏自我更新,multilineage造血作用。这些异常是伴随着增强细胞循环和成熟的血统特异表达基因表达在骨髓祖细胞(24]。综上所述,它变得明显,DNMT1起着至关重要的作用在调节多能干细胞的分化潜能以及成体干细胞。
种能阻碍DNMT3B实验使用转基因小鼠缺乏DNMT3A和/或表明,除了DNMT1,也种能阻碍DNMT3B DNMT3A和影响分化。例如,在种能阻碍DNMT3B缺乏DNMT3A和ESCs保留其增殖和自我更新能力但逐步失去DNA甲基化(15]。有趣的是,这些突变细胞也逐渐失去分化能力(22]。种能阻碍DNMT3B DNMT3A额外角色和自我更新和分化的造血干细胞(hsc)变得明显从患者DNMT3A突变。大约20%的患者DNMT3A突变与急性髓系白血病和骨髓增生异常综合征,表现为异常分化或缺乏造血血统。实验数据在突变小鼠中有一个亏损DNMT3A造血干细胞显示一块在分化和扩张的肝星状细胞在骨髓25]。的分子缺陷突变肝星状细胞是一种增加multipotency基因的表达和减少表达分化的因素。后续研究或两种能阻碍DNMT3B DNMT3A和有条件地击倒在肝星状细胞显示双突变体种能阻碍DNMT3B协同效应而突变体表现出温和的表型(26]。在另一组实验中,DNMT3A表达产后观察神经干细胞(nsc)导致基因间的身体和基因甲基化的几个地区,特别是在基因体近端神经源性基因的启动子。这种甲基化是证明这些基因的表达,使正常所需神经元分化(27]。从上面的讨论中,可以得出一个结论,DNMT水平及其表达模式确定增殖能力和分化潜能的多能成体干细胞。
5。DNMTs参与神经精神障碍
因为他们的核心作用性质的多能成体干细胞,及其分化潜力,异常的监管DNMTs或突变将导致广泛的人类疾病的条件。然而,他们的基本要求在胚胎发生使得许多突变DNMTs恢复由于胚胎杀伤力28]。突变是轻微或那些发生在特定的组织类型(体细胞突变)或组织失调DNMTs可能表现为临床表型。种能阻碍DNMT3B唯一的例外似乎损失函数导致免疫缺陷,着丝粒不稳定,和面部畸形(ICF)综合征(29日]。在近期调查疾病的表观遗传机制已经被牵连,DNMTs失调和精神分裂症之间的关系已被观察到。例如,高浓度的DNMT1观察额叶皮层中间神经元的精神分裂症和双相情感的精神病患者。这种过度的DNMT1的差别与甲基化有关,对这些GAD67和REELIN30.]。GAD67不足和缺REELIN已被证明导致精神分裂表型(31日]。因为DNMT1不能自行建立新的DNA甲基化标记,也期望失调是合理的新创与精神分裂症DNMTs大脑中的样本。符合期望,gaba ergic DNMT3A也观察到神经元的过度的精神分裂症患者(32]。从力学上看,DNMT1的过度表达和精神分裂症之间的关系是不完全清楚虽然最近的一项研究表明,DNMT1结合的倡导者脑源性神经营养因子和gaba ergic基因。这个发现支持这一假设DNMT1的过度会使特定的gaba ergic和glutamatergic基因(33]。重要的是要注意,DNMT1的机械的基础是专门针对促进剂等REELIN,脑源性神经营养因子,GAD67和压抑的gaba ergic glutamatergic基因是未知的。除了相关的报道,过度DNMT1的精神分裂症患者的大脑样本,特定的等位基因Dnmt1,Dnmt3A,Dnmt3L被发现与精神分裂症有关(34]。总之,上述调查结果表明,DNMTs DNMT表达的失调和特定的等位基因可能导致精神分裂症的发展。
6。干细胞模型探讨DNMTs在神经元发育异常的作用
目前,没有合适的在活的有机体内模型可用于研究的机械基础DNMTs或特定的等位基因的超表达DNMTs引起表型与精神分裂症有关。动物模型研究的机械作用DNMT缺陷是非常昂贵的,因为他们需要使用条件基因打靶实验等位基因影响神经元DNMTs的血统。此外,材料,如神经祖细胞和神经元分化的早期阶段是有限的可用性/动物,需要多个动物被用于研究。在体外模型帮助解决这些问题,因为它是可能的基因修改的ESCs或神经祖细胞,他们所需的数量,规模和诱导分化成特定类型的神经元,进而可以获得足够的量。这个日期,Dnmt春节和新年ESCs构成的唯一细胞系DNMT1超表达在神经元分化异常的ESCs的结果。这种转基因细胞系被插入了tet-off磁带到内生Dnmt1野生型的ESCs的倡导者。结果transactivation介导的tet-off磁带,DNMT1的水平Dnmt春节和新年ESCs五倍高于野生型细胞(18]。这些ESCs显示正常生长动力学和形态学特征,但显示不正常的神经元树突分枝,分枝在癫痫患者自发的边缘,和由于过度活跃的n -甲基- d受体NR1分子(23]。有趣的是,不正常的神经元不再过多表达DNMT1事实上DNMT1过度诱导分化后立即丢了。因此,Dnmt春节和新年神经元似乎“记住”DNMT1在ESC阶段中,该内存导致异常的神经发生。虽然有一个ESC模型探讨DNMT1的角色过度异常神经发生,Dnmt1春节和新年神经元没有高位DNMT1的神经元,因此并不代表精神分裂症的神经精神病患者。
从上面的描述中,很明显,是绝对需要开发合适的细胞模型研究水平升高的机制DNMT1 DNMT3A,或其他DNMT家庭成员、特定疾病有关的DNMT等位基因引起异常的神经元的发展。这些模型将给我们一个机会来测试是否合成神经元共享任何分子/表型特性的神经元从精神分裂症患者或其他精神疾病患者。基于单元的任务模型来生成DNMTs过表达或表达特定的神经元schizophrenia-associated DNMT变体可以相对轻松地完成,因为ESCs宽容DNMT水平甚至失去甲基化(35]。ESCs也适合目标基因改造,一个方法,可以允许调查人员介绍具体DNMT等位基因在野生型等位基因在不改变其他基因组(36]。技术实现这些目标在实践中多年,正在不断完善,尤其是在最近的五年。例如,CRISPR / Cas9系统是最近的一项技术,使高频替代野生型等位基因的突变等位基因(37]。使用该系统,可以生成纯合突变体,只能表达突变的蛋白质(图2)。也可以调查具体的功能作用特定DNMT突变通过DNMT-null ESCs生成转基因细胞系,只有表达突变的蛋白质(图2)。实现本构DNMTs的过度表达,新一代表达向量ESCs可用以合适的启动子编码记录,生产记录包含消息感兴趣的基因和选择标记,对抗生素产生了耐药性,如geneticin嘌呤霉素和潮霉素(例如,看到38])。
ESC的可能性发展模型的实用程序提供了一些优点和缺点理解DNMTs失调的机械基础与精神分裂症等疾病有关。在体外模型提供一个简单的平台探讨致病机制,因为转基因有定义良好的突变和ESC行,除非这些特定的变化,其余每个基因组的突变细胞系与野生型相同细胞。结果,genotype-phenotype相关性是清晰和明确的。确定确切的分子缺陷后,在体外对于大规模筛选模型也成为极具吸引力的工具使用正确潜在药物靶点神经异常表型。这样的高通量屏幕与动物模型难以执行。重要的是要注意的细节影响精神分裂症患者的大脑细胞类型不是完善的。在这种背景下,在体外ESCs转基因可能导致神经细胞的分化类型可能不是代表的细胞类型影响精神分裂症。虽然没有完整、文学证据显示gaba ergic和Glutamatergic神经元的功能障碍在精神分裂症39,40]。根据这种证据,可以“直接”分化的转基因的ESCs特别glutamatergic和gaba ergic血统41,42]。总之,转基因的ESCs可以帮助解决失调的后果DNMT1的gaba ergic或glutamatergic神经元的发育和功能,但可能不存在的整体画面异常与神经元和其他支持细胞的混合物在精神分裂症患者的大脑。
7所示。结论
不同群体在最近的过去的研究发现了DNMTs在精神分裂症的重要作用。也有可能,在未来,更DNMT等位基因与其他神经精神障碍有关。然而,调查DNMTs机制失调的结果在这些疾病使用动物模型可以非常昂贵的和艰苦的。合适的淘汰赛细胞系的可用性,有针对性的基因修改技术的进步,和互补的组成型表达干细胞提供一个可行的替代选择动物模型。使用这种方法,说明机械的基础上,改变DNMT水平或特定DNMT等位基因导致神经元分化异常可以在未来铺平道路对可能的治疗干预神经精神障碍。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
研究k·莫汉娜迦族的实验室支持由生物技术和科技部门。作者感谢Swaminathan关键论文的阅读和建议。