辅助生殖与表观遗传
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２２Ｏ 中国计划生育学杂志２０１７年４月第２５卷第４期Ｃｈｉｎ Ｊ Ｆａｍ Ｐｌａｎｎ，Ｖｏ１．２５，Ｎｏ．４，Ａｐｒｉｌ ２０１７ ・专家论坛・ 辅助生殖与表观遗传 黄荷凤 陈露婷 上海交通大学医学院附属国际和平妇幼保健院（２０００３０），上海交通大学医学院胚胎源性疾病研究所，生殖遗传教育部 重点实验室 表观遗传（Ｅｐｉｇｅｎｅｔｉｃｓ）是近年来生命科学的重 大发现和研究热点之一。大量用经典遗传学无法解 释的现象说明：相同的基因组完全可以具有不同的 表型。例如，已公认同卵双生的孪生子具有完全相 同的基因组，如果这两个孪生子在同样的环境下成 长，按照经典遗传学理论，两人的气质和体质应该非 常相似。但研究者发现，同卵孪生子随着年龄的增 长，会患有不同的成年性疾病，并不符合预期理论。 经典遗传学明确指出，遗传的分子基础是核酸，生命 的遗传信息储存在核酸的碱基序列上。但近年来研 究发现，在不影响ＤＮＡ序列的情况下改变基因组 的修饰，不仅可以影响个体发育，而且还可以遗传至 其子代，甚至子二代。这类遗传变异就被称为表观 遗传修饰，并被认为是导致遗传物质一致的孪生子 出现个体差异的主要原因。由此可见，生殖与表观 遗传密切相关。由于干预时间和措施的特殊性，辅 助生殖技术（ＡＲＴ）与生殖遗传，特别是表观遗传具 有密不可分的联系。本文将从表观遗传与基因印 记、ＡＲＴ与表观遗传以及ＡＲＴ子代安全性三方面 进行阐述。 １表观遗传与基因印记 生殖遗传是指通过两性生殖细胞内染色体上的 基因，将遗传信息一代一代传递下去，使子代具有亲 代的表型特征，生殖遗传遵循孟德尔定律。表观遗 传则是指ＤＮＡ序列不发生变化，但基因表达却发 生了可遗传的改变。表观遗传具有后成修饰、不遵 循孟德尔遗传定律、获得遗传改变表观遗传、可逆性 的基因调节４个特点，从ＤＮＡ修饰、蛋白修饰和非 编码ＲＮＡ调控３个层面调控基因的表达。表观遗 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｉ．ｉｓｓｎ．１００４—８１８９．２０１７．０４．００１ 收稿日期：２０１７－０３—１５ 传学研究主要包括ＤＮＡ甲基化、组蛋白修饰、Ｘ染 色体失活和基因印记等方面。ＤＮＡ甲基化是一种 主要的表观遗传修饰形式，调节染色质结构和基因 表达，目前表观遗传学领域的研究大多从甲基化状 态人手。组蛋白修饰指核小体游离在外的Ｎ一端可 以受到乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化和ＡＤＰ核 糖基化等各种各样的修饰。ｘ染色体失活使哺乳动 物保持了体内染色体的平衡和性别的平衡，即剂量 补偿效应，ｘ染色体失活中心（ＸＩＣ）是Ｘ染色体失 活的关键作用元件。 基因印记（ｇｅｎｏｍｉｃ ｉｍｐｒｉｎｔｉｎｇ）是表观遗传修 饰的一种特殊形式，是指某些基因不遵守孟德尔定 律（亲代来源不改变等位基因的行为），而根据来源 于亲代的不同，在等位基因上发生的差异性表达，一 般表现为某一等位基因不表达或表达极弱。具有印 记的等位基因称为印记基因。印记基因不遵循孟德 尔遗传定律的表达规律，而是亲缘性相关的差异性 表达或抑制，即单等位基因表达或抑制。若印记在 母源性等位基因位点，则该印记基因的母源性等位 基因位点多表现为抑制（不表达），而该印记基因对 应的父源性等位基因位点不抑制（多表达），这种印 记基因称为母系印记；反之则称为父系印记。如定 位于人类染色体１ｌｐ．１５．５上的胰岛素样生长因子２ （ＩＧＦ一２）为母源性印记基因，甲基化印记在母源性 等位基因位点上，表现为母源抑制，父源表达。印记 基因在有丝分裂中能稳定传递给子细胞，而在生殖 细胞中，配子形成过程中擦除上一代的印记，建立新 的印记并传递给子代；因此，在配子和胚胎发育过程 中，印记基因经历擦除、重建、维持三个阶段。母系 印记的建立始于出生后的卵母细胞生长期，直到受 精后才全部完成；父系印记的建立早于卵子，开始于 出生前，主要发生在减数分裂之前的精原细胞阶段， 到出生时基本结束。
中国计划生育学杂志２０１７年４月第２５卷第４期Ｃｈｉｎ Ｊ Ｆａｍ Ｐｌａｎｎ，Ｖｏ１．２５，Ｎｏ．４，Ａｐｒｉｌ ２０１７ ２２１ 印记基因多成群存在，功能上多相互关联。每 个子代个体的基因组印记在亲代配子发育成熟阶段 重新形成，形成的基因组印记在配子形成受精卵后 保持稳定，影响子代个体（含胎盘）的生殖发育和出 生后的生物学行为，与个体生长发育、胎盘发育、肿 瘤发生和神经缺陷疾病及其他人类遗传病的发生密 切相关。印记基因的存在反映了性别的竞争，从目 前发现的印记基因来看，父系表达基因促进子代生 长发育、增大胎儿的体型，而母系表达基因则是限制 子代的无限生长，避免消耗过多资源。因此沉默父 系表达基因导致胎儿宫内生长迟缓，而沉默母系表 达基因则引起胎儿过度生长、营养需求增多。父母 系基因在后代发育中相互拮抗，以维持发育的平衡， 即为“父母印记基因矛盾假说（Ｐａｒｅｎｔ Ｃｏｎｆｌｉｃｔ Ｈｙ— ｐｏｔｈｅｓｉｓ）”。 ２辅助生殖技术与表观遗传 ＡＲＴ包括体外受精一胚胎移植（ＩＶＦ—ＥＴ）、卵胞 浆内单精子注射（ＩＣＳＩ）、宫腔内人工授精（ＩＵＩ）以 及植人前遗传学诊断（ＰＧＤ）等。关于ＡＲＴ与印记 基因疾病的相关性随着表观遗传学的发展已成为生 殖安全研究的前沿和热点。大量研究显示，在患者 不孕不育影响下，超促排卵（ＣＯＳ）、卵子体外成熟 （ＩＶＭ）、体外受精（ＩＶＦ）、胚胎操作等非生理性干预 可从不同角度、不同程度对子代表观遗传造成干扰， 从而引发印记基因疾病。自２００２年Ｃｏｘ等［１ 报道 ＩＣＳＩ可增加Ａｎｇｅｌｍａｎ综合征（ＡＳ）风险以来，多项 研究指出，ＡＲＴ出生子代中由基因印记缺陷导致 Ｂｅｃｋｗｉｔｈ—Ｗｉｅｄｅｍａｎｎ综合征（ＢＷＳ）和ＡＳ患病率 明显升高。ＢＷＳ和ＡＳ是两种最常见的印记基因疾 病，在自然妊娠子代中罕见。ＡＳ与ＩＣＳＩ相关性明 显，已证实其与染色体１５ｑｌ１一ｑ１３上ＳＮＲＰＮ基因 印记异常有关，而非ＤＮＡ基因序列改变引起，而 ＢＷＳ与ＩＶＦ和ＩＣＳＩ都有相关性，部分患者存在 ＬＩＴ１和Ｈ１９基因印记异常，也有部分患者母源性 等位基因ＫｖＤＭＲ１区域存在甲基化丢失。 超促排卵阶段与配子发育阶段高度重合，这个 阶段正是印记基因的甲基化等表观遗传修饰的主要 阶段，因此更有可能干扰基因组印记的建立和维持。 母系印记基因较父系印记基因更易受到外界环境影 响。研究表明，ＡＲＴ引起的ＢＷＳ和ＡＳ都是母源 基因低表达或不表达引起的，而由于父源基因表达 受抑制引起的类ＡＳ疾病Ｐｒａｄｅｒ—Ｗｉｌｌｉ综合征 （ＰＷＳ）却未与ＡＲＴ显著相关，这印证了母源等位 基因印记异常时ＡＲＴ相关印记基因疾病的重要发 病机制。众多排除了不孕症背景干扰的动物促排卵 模型研究表明，体内授精的促排卵组小鼠在２细胞 胚胎时整体基因组甲基化异常概率更高［２］，在促排 卵小鼠不同时期的胚胎和胎盘中，Ｉｇｆ２／Ｈ１９、Ｋｃ— ｎｑｌｌｏｔｌ和Ｓｎｒｐｎ等多个重要的印记基因表达水平 与甲基化状态都有明显改变ｌＩ３ ］。 卵子体外成熟（ＩＶＭ）以及卵子或卵巢组织冷冻 技术，在保存生育力方面发挥了重要作用，为手术后、 化疗后卵巢功能损伤较大的女性患者提供了生育机 会。在ＡＲＴ中，为避免卵巢过度刺激，ＩＶＭ有时也 充当了替代促排卵以获得成熟卵子的手段。虽然由 于ＩＶＭ技术尚未广泛应用于临床，目前还未发现由 ＩＶＭ造成的ＡＲＴ相关印记基因疾病，但已有研究证 据表明，人和小鼠卵子经过ＩＶＭ后，Ｈ１９、Ｍｅｓｔ／Ｐｅｇｌ 等印记基因均出现异常甲基化ｌ６。］。但关于ＩＶＭ对 卵子基因印记的获得、擦除及重建是否有干扰及干扰 机制仍存在争议，有待进一步研究验证。 ＩＶＦ不仅使受精这一妊娠重要环节脱离了母体 环境，并伴随着大量对受精卵的体外操作，这两个因 素均可能引起印记异常。而ＩＣＳＩ更是绕过了人类 天然的优胜劣汰选择，让活力不足、质量低下的精子 获得使卵子受精的机会，更有可能引起表观遗传学 异常。与体内授精相比，ＩＶＦ的胎盘和脐带血中有 ７０００多个基因的平均甲基化程度发生明显改变，相 应的基因表达也随之出现差异Ｌ８］。也有证据提示， 到囊胚期为止，ＩＣＳＩ与常规ＩＶＦ的表观遗传学异常 改变，包括基因组总甲基化程度与染色质结构改变 是相似的＿ｇ］。不过，与ＩＣＳＩ相比，未成熟精子卵浆 内注射（ＲＯＳＩ）胚胎存在更多的表观遗传修饰异常， 可能导致胚胎发育异常。 胚胎培养与移植等胚胎体外操作应用甚广，因 此非自然环境下成长的胚胎能否保持正常的表观遗 传修饰，ＡＲＴ相关印记基因疾病是否与胚胎操作有 关，得到广大学者的密切关注。胚胎体外培养不仅 会引起印记基因甲基化异常＿１。。，更可能产生远期的 健康损害口 。由于临床中的胚胎体外培养必定伴 随着对胚胎的人工操作，所以单纯研究体外培养对 胚胎印记基因的影响较难实现。也有研究表明，仅 进行胚胎收集、胚胎移植而基本不进行胚胎培养也
２２２ 中国计划生育学杂志２０１７年４月第２５卷第４期Ｃｈｉ会引起多个印记基因的表达水平异常和甲基化异 常，甚至“大胎综合征”（Ｌａｒｇｅ Ｏｆｆｓｐｒｉｎｇ Ｓｙｎｄｒｏｍｅ， ＬＯＳ）等印记基因疾病。 ３辅助生殖技术子代安全性 ＡＲＴ解决了大量不孕夫妇的生育问题，且其中 很多技术都与优生密切相关，特别是ＰＧＤ和胚胎植 入前遗传学筛查（ＰＧＳ）技术，可以从根本上阻止某 些遗传病和先天性疾病的发生，但大量流行病学调 查研究显示，ＡＲＴ子代不良健康风险增加，且罕见 遗传病和表观遗传疾病发生率增加。因此ＡＲＴ的 子代安全性问题已经日益引起人们的广泛关注。 ＡＲＴ子代健康风险，又称为胚胎源性疾病 （ＥＦＯＤ）＿】 ，是指配子发生和胚胎发育异常引发的 子代出生后不良健康状态，既可表现为发育迟缓和 出生缺陷，也可表现为儿童和成人期糖尿病、心血管 病等慢性疾病，甚至可能影响生育及出现隔代不良 遗传风险。胚胎源性成人疾病主要包括四大类：① 代谢性疾病，如糖尿病；②心血管疾病，如高血压、冠 心病；③精神类疾病，如自闭症、脑瘫；④肿瘤性疾 病。胚胎源性成人疾病具有传代效应，甚至隔代传 代效应，如宫内高糖环境能引起雄性子代生殖细胞 Ｉｇｆ２／Ｈ１９基因印记异常，并通过父系遗传引起子二 代的出生体重增加［１ 。 ＡＲＴ的遗传风险是ＡＲＴ子代安全性研究的 主要内容。ＡＲＴ子代安全性主要受到以下两方面 的威胁：一是ＡＲＴ技术实施过程中发生的突变基 因和ＤＮＡ修饰异常通过生殖细胞直接影响子代， 二是通过ＩＶＦ和胚胎移植技术将父母生殖障碍相 关致病因子或将家族性遗传病基因传递给子代。所 以，对不孕遗传背景的深入分析、对ＡＲＴ操作安全 性的全面评估均是我们关注的重点问题。在遗传学 背景方面，生育年龄（特别是女性高龄）、生殖系统疾 病、遗传病等均为子代遗传安全性的关键影响因素。 研究表明，女性妊娠前高雄激素症可增加子代糖代 谢异常的风险，而表观遗传改变的传代效应可能是 其分子机制之一ｌ１ 。中重度少精症患者精子印记 基因ＤＮＡ发生差异甲基化区域（ＤＭＲ）甲基化异 常，精子发生异常患者存在ＤＮＡ甲基转移酶１ （ＤＮＭＴ１）表达异常和ＭＥＳＴ基因甲基化异常，少 精症患者Ｈ１９甲基化水平下降。在ＡＲＴ本身操作 安全性方面，超促排卵、配子体外成熟、胚胎体外培 ｎ Ｊ Ｆａｍ Ｐｌａｎｎ，Ｖｏ１．２５，Ｎｏ．４，Ａｐｒｉｌ ２０１７ 养、显微操作、胚胎冻融等干预都有可能对配子和胚 胎的发育造成影响。对ＡＲＴ子代胎盘的蛋白表达 谱的全面筛查结果显示，ＡＲＴ子代胎盘中存在差异 表达蛋白，这些蛋白涉及胎盘功能的多个方面；对 ＡＲＴ子代的Ｙ染色体微缺失的筛查结果显示， ＡＲＴ子代Ｙ染色体的新发微缺失发生率增高；对 ＡＲＴ子代的基因组学研究结果显示，ＡＲＴ子代存 在差异表达基因，且部分为印记基因，并伴随基因印 记修饰的改变。因此，ＡＲＴ可能会增加子代不良健 康的风险，其影响涉及到基因、蛋白表达等多个层 次，从而影响子代表型。在临床上，可以从以下几方 面不断改进ＡＲＴ技术，以减少可能产生的ＡＲＴ子 代风险：①个体化的促排卵方案；②接近人类正常体 液和宫内环境的培养基；③克服体外操作损伤；④适 时的胚胎移植策略。 综上所述，ＡＲＴ技术与生殖遗传密切相关，学 习和掌握现代遗传、表观遗传学知识是每个生殖医 学工作者所必需的。遗传异常往往是导致不孕症的 一个重要原因，对不孕症患者治疗前进行遗传学分 析，可有效防止遗传缺陷的垂直传递。生殖医学工 作者需密切关注ＡＲＴ子代状态，采取适当措施控 制不良风险发生。同时，我们也必须认识到，ＡＲＴ 子代中遗传与表观遗传异常风险尚需进一步研究， 并分析其与ＡＲＴ操作的具体关系，不断提高技术 水平，在利用ＡＲＴ为人类解决不孕问题的同时，重 视生殖健康和生殖安全，提高人口素质。 参考文献 一一 一
２３４ 中国计划生育学杂志２０１７年４月第２５卷第４期Ｃｈｉｎ Ｊ Ｆａｍ ＰｌａｎｎＶｏ１．２５，Ｎｏ．４，Ａｐｒｉｌ ２０１７ ，ｉｎ ｗｏｍｅｎ：ａ ｈａｐｌｏｔｙｐｅ—ｂａｓｅｄ ｃａｓｅ—ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｕｄｙ［Ｊ］．Ｈｅｒｅｄｉ— ｔａｓ，２００８，１４５（６）：２８３—２９２． ［２７］ Ｋａｐｐｏｕ Ｄ，Ｓｉｆａｋｉｓ Ｓ，Ａｎｄｒ０ｕｔｓ０ｐｏｕｌ０ｓ Ｖ，ｅｔ ａ１．Ｐｌａｃｅｎｔａｌ ｍＲＮＡ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ａｎｇｉｏｐｏｉｅｔｉｎｓ（Ａｎｇ）一１，Ａｎｇ一２ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｒｅｃｅｐｔｏｒ Ｔｉｅ—。２ ｉｓ ａｌｔｅｒｅｄ ｉｎ ｐｒｅｇｎａｎｃｉｅｓ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｐｒｅ—＿ ［２ｏ］ Ｎａｇａｎｕｍａ Ｔ，Ｎａｋａｙａｍａ Ｔ，Ｓａｔｏ Ｎ，ｅｔ ａ１．Ａ ｈａｐｌｏｔｙｐｅ— ｂａｓｅｄ ｃａｓｅ ・ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｕｄｙ ｅｘａｍｉｎｉｎｇ ｈｕｍａｎ ｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒ ｓｕ—－ ｅｅｌａｍｐｓｉａ［Ｊ］．Ｐｌａｃｅｎｔａ，２０１４，３５（９）：７１８—７２３． Ｘ，Ｎｉｕ ｊ，Ｄｉｎｇ Ｗ，ｅｔ ａ１．Ａｎｇｉｏｐｏｉｅｔｉｎ一１ ａｔｔｅｎｕａｔｅｓ ａｎｇｌｏ— ［２８３ Ｂｉｔｅｎｓｉｎ ＩＩ—ｉｎｄｕｃｅｄ ＥＲ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ｇｌｏｍｅｒｕｌａｒ ｅｎｄｏｔｈｅｌｉａｌ ｃｅｌｌｓ ｖｉａ ｐｅｒｏｘｉｄｅ ｄｉｓｍｕｔａｓｅ ｇｅｎｅ ａｎｄ ｅｓｓｅｎｔｉａｌ ｈｙｐｅｒｔｅｎｓｉｏｎ［Ｊ］．Ｈｙ— ｐｅｒｔｅｎｓ Ｒｅｓ，２００８，３１（８）：１５３３—１５４０． ａｎ Ｗ，Ｚｈａｏ Ｌ，Ｗａｎｇ Ｊ，ｅｔ ａ１．Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ［２１］ ＴｉＨＯＸＤ９ ｇｅｎｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ 