齊素文,涂植光△,戴 勇,睢維國(guó)
(1教育部臨床檢驗(yàn)診斷學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶醫(yī)科大學(xué)檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)院,重慶 400016;2中國(guó)人民解放軍181醫(yī)院全軍腎移植與透析治療中心,廣西 桂林 541002)
表觀遺傳機(jī)制對(duì)免疫系統(tǒng)的正常發(fā)育和功能發(fā)揮具有重要作用,外界因素的影響使表觀遺傳在免疫反應(yīng)中出現(xiàn)不平衡可致基因異常表達(dá),免疫功能紊亂,從而導(dǎo)致自身免疫性疾病的發(fā)生。表觀遺傳的兩個(gè)主要機(jī)制為DNA甲基化和組蛋白修飾,進(jìn)而對(duì)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變、基因轉(zhuǎn)錄和復(fù)制產(chǎn)生重要影響。DNA甲基化和組蛋白修飾之間也存在相互作用[1,2]。為此,我們采用染色質(zhì)免疫共沉淀聯(lián)合芯片(chromatin immunoprecipitation linked to microarrays,ChIP-chip)技術(shù)對(duì) IgA腎病(IgA nephropathy,IgAN)患者的組蛋白H3賴氨酸4三甲基化進(jìn)行研究,采用甲基化 DNA免疫共沉淀熒光定量 PCR(methylated DNA immunoprecipitation-quantitative PCR,MeDIP-qPCR)方法檢測(cè)陽(yáng)性基因的DNA甲基化水平,以探討IgAN中組蛋白H3K4三甲基化和DNA甲基化的相關(guān)性,從基因水平研究IgAN的發(fā)病機(jī)制。
收集2008年10月~2010年7月在中國(guó)人民解放軍181醫(yī)院腎病中心收治的IgA腎病患者40例,參考HAAS分級(jí)法[3]進(jìn)行診斷。其中女性25例,男性15 例,年齡(48.6 ±9.3)歲,HAAS III級(jí)20 例、IV級(jí)10例、V級(jí)10例。正常對(duì)照組40例,女性25例,男性15例,年齡(45.2 ±10.6)歲。本研究計(jì)劃經(jīng)重慶醫(yī)科大學(xué)倫理會(huì)批準(zhǔn),所有受試對(duì)象簽署了知情同意書(shū)。
淋巴細(xì)胞分離液(Cedarlane),12K CpG島芯片(UHN Microarray Centre),組蛋白H3賴氨酸4三甲基化抗體(Millipore);整個(gè)基因組擴(kuò)增試劑盒(Qiagen),蛋白酶 K(Epigentek),5-甲基胞嘧啶抗體(Upstate),磁珠偶聯(lián)Ⅱ抗(Upstate),QIA快速PCR純化試劑盒(Invitrogen),EpiQuikTMH3K4三甲基化定量試劑盒(Epigentek),Sss I甲基轉(zhuǎn)移酶(New England Biolabs);固體閃爍劑 MicroScint 20(Millipore);[3H]-S-腺苷甲硫氨酸([3H]-SAM)(Sigma)。
每例患者和健康者空腹抽取10 mL外周靜脈血,使用肝素鈉抗凝。外周血單個(gè)核細(xì)胞(peripheral blood mononuclear cells,PBMCs)的分離采用 Ficoll密度梯度離心法,按照淋巴細(xì)胞分離液試劑盒的產(chǎn)品說(shuō)明進(jìn)行操作。收集得到的單個(gè)核細(xì)胞分裝成3份,1份用于染色質(zhì)免疫共沉淀芯片實(shí)驗(yàn),1份加1 mL Trizol用于總RNA的提取,1份用于DNA甲基化實(shí)驗(yàn)。于-80℃保存?zhèn)溆谩?/p>
采用試劑盒對(duì)受試對(duì)象進(jìn)行總體H3K4三甲基化水平檢測(cè)。ChIP-chip步驟基本參照文獻(xiàn)[4]并略作修改。在室溫條件下,用1%甲醛處理PBMCs 10 min,使組蛋白和DNA發(fā)生交聯(lián),再用0.125 mol/L甘氨酸在室溫下處理5 min終止交聯(lián)反應(yīng)。用預(yù)冷1×PBS 10 mL清洗細(xì)胞2次后,300 μL溶解緩沖液(10 mmoL/L Tris-HCl pH 8.0;100 mmoL/L NaCl;1 mmoL/L乙二胺四乙酸pH 8.0;0.1%脫氧膽酸鈉和蛋白酶抑制劑)重懸細(xì)胞,并在冰上孵育30 min,超聲處理細(xì)胞懸液4 min。隨后在4℃下離心10 min,棄上清,獲得PBMCs片狀碎屑物溶解液,分裝為3份,第1份與H3K4三甲基化抗體進(jìn)行免疫沉淀反應(yīng);第2份和第3份分別作為內(nèi)參(input contro1)和陰性對(duì)照(negative control),在第1份溶解液和陰性對(duì)照中加入50 μL磁珠并在4℃孵育1 h,使用低鹽、高鹽、氯化鋰溶液和TE緩沖液洗滌,隨后加熱65℃,5 h解交聯(lián)、RNase A和proteinase K消化,酚氯仿抽提DNA。然后進(jìn)行DNA擴(kuò)增并對(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行純化。Cy3或Cy5熒光基團(tuán)標(biāo)記ChIP DNA和Input DNA,作為芯片雜交的熒光探針與12K CpG島芯片進(jìn)行雜交,使用GenePix 4000B芯片掃描儀(Axon Instruments)掃描芯片,使用Genespring分析軟件分析原始數(shù)據(jù)。
ChIP步驟與上述 ChIP-chip一樣。采用ABI7700 real-time PCR儀對(duì)免疫沉淀的DNA、input control和negative control進(jìn)行擴(kuò)增。設(shè)計(jì)陽(yáng)性基因擴(kuò)增引物序列(Primer 5.0軟件設(shè)計(jì))。FCRL4基因:5'-TTGGAGTAATAGTGCCCAGCA -3',5'-TAGTCCCCAGAAGCCTCAGT - 3',286bp;SERPINB7基因:5'-TACAAGCTAGTTTTACTTTTTTGTTAAGCA - 3',240 bp;5'- TCAAGTACTCAAAAGTGCCTCAT-3';PTPRN2基因:5'-GTGACATTACAGAGCCCCGT - 3',5' - TTATTCCCCAGAGCGCCTTT-3',180 bp;MBP 基因:5'-AAGCAAACAGCTTCACAAATTCTC -3',5'- ACTTAATTCTGAGTAAGCAAGACATACAAC - 3',240 bp。測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)曲線和熔解曲線,確保擴(kuò)增的準(zhǔn)確性和專一性,用Ct(threshold cycle)值表示樣品中模板的相對(duì)含量,采用 2-ΔΔCt法[5]進(jìn)行分析。
用Trizol試劑提取RNA并測(cè)定RNA濃度值,采用逆轉(zhuǎn)錄試劑盒合成cDNA。設(shè)計(jì)陽(yáng)性基因和內(nèi)參基因(GAPDH)擴(kuò)增引物序列。FCRL4基因:5'-CTCTGACTTGCAATGGATTTCAG - 3',5' - CCAAGTATATTTCACAGCAGTCAA - 3',139 bp;SERPINB7基因:5'-TCCATTTTGCAATGGCCT -3',5'- TATCAGAAAAAACTCTTTTCAGTTGAGAC - 3',270 bp;PTPRN2基因:5'- GCCAGAAGGTTCCGGCAAT -3',5'- CAGGTAGGTTTTCGGGAGGT -3',170 bp;MBP 基因:5'- CACACCAAGGGAGACCATGT - 3',5'-CCTTTTTGGCCCTTTGGTCC - 3',300 bp;GAPDH 基因:5'- CCATGGAGAAGGCTGGGG - 3',5'-CAAAGTTGTCATGGATGACC -3',250 bp。測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)曲線和熔解曲線,確保擴(kuò)增的準(zhǔn)確性和專一性,用Ct值表示樣品中模板的相對(duì)含量,采用 2-ΔΔCt法[5]進(jìn)行分析。
采用Sss I甲基轉(zhuǎn)移酶法(methyl accepting assay/methyl group acceptance assay)對(duì)受試對(duì)象進(jìn)行總體DNA甲基化水平分析[6]。具體操作步驟如下:基因組 DNA 1 μL,Sss I酶(4 ×106U/L)1 μL,10 × NE buffer 22 μL,[3H]- SAM(1.6 mmol/L)12 μL,三蒸水14 μL,混勻,37℃孵育 1 h。然后65℃孵育20 min終止反應(yīng)。將反應(yīng)混合液加到96孔板,洗去未結(jié)合DNA的[3H]-SAM;取出板底座,每孔加入閃爍液100 μL,在Microbeta液閃儀上檢測(cè)每個(gè)孔的每分鐘脈沖數(shù)(counts/min),計(jì)算整體基因組甲基化率。MeDIP-qPCR具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:吸取1.5 mL的裂解緩沖液至冷凍的細(xì)胞管中,用移液器吹打混勻,冰上放置10 min,800×g、4℃離心5 min,棄上清,用600 μL的裂解緩沖液重懸沉淀,混勻,加入20 g/L的蛋白酶K溶液5 μL,混勻,56℃消化至溶液呈澄清狀。冷卻至室溫,加入5 μL 5 g/L RNase消化30 min,轉(zhuǎn)入新的1.5 mL EP管。加入等體積的酚 -氯仿溶液(酚∶氯仿∶異戊醇 =25∶24∶1),劇烈振蕩15 s,室溫靜置 5 min,12000×g、4℃離心 10 min,將上清轉(zhuǎn)入新的1.5 mL EP管。加入20 μL 5 mol/L 的 NaCl、1 mL 無(wú)水乙醇,冰上放置 10 min,12000×g、4℃離心10 min,棄上清。用75%乙醇清洗沉淀2次 ,室溫放置自然風(fēng)干,200 μL純水溶解沉淀得到DNA樣品。超聲處理DNA樣品,加入5'-甲基胞嘧啶抗體,4℃、垂直混勻器上孵育過(guò)夜;加入磁珠偶聯(lián)Ⅱ抗,4℃、垂直混勻器上孵育2 h;用1 mL預(yù)冷的溶液[2 mmol/L EDTA,20 mmol/L Tris(pH 8.0),1%Triton X - 100,0.1%SDS,150 mmol/L NaCl]洗滌3-5 min,然后將EP管放到磁力架上,放置10 min直至磁珠全部被吸附到管壁上,棄上清;洗脫的DNA純化后對(duì)各樣品的目的基因和對(duì)照(input)分別進(jìn)行real-time PCR反應(yīng)。設(shè)計(jì)陽(yáng)性基因擴(kuò)增引物序列如下,F(xiàn)CRL4基因:5'-AGTTTGATTAATATGGCGAAATTTC - 3',5'- TAACCAAAAAACTCCTAACCTCGTA -3',141 bp;SERPINB7 基因:5'-TTTGTTAGAAATGTAAATGTTGGTC - 3',5'- ATAATCTCGATCTCCTAACCTCGTA -3',107 bp;MBP 基因:5'-TTTGGTTATGAGGAAGAGAATTTAC -3',5'-TCTAAAACTACCACACATTACCGAT -3',200 bp;PTPRN2基因:5'-TGATTTAGATTATAAATTAATTATTCG - 3',5'- ATAATAAAAAACGAACGCGAA -3',137 bp。測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)曲線和熔解曲線,確保擴(kuò)增的準(zhǔn)確性和專一性,用Ct值表示樣品中模板的相對(duì)含量,采用 2-ΔΔCt法[5]進(jìn)行分析。
SPSS 13.0 統(tǒng)計(jì)軟件分析采用 2-ΔΔCt法處理得出的數(shù)據(jù)。每部分的熒光定量PCR均進(jìn)行3次實(shí)驗(yàn),相對(duì)定量數(shù)據(jù)采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差()表示,兩組數(shù)據(jù)比較采用t檢驗(yàn)。
與健康對(duì)照組相比,IgAN患者組總體的H3K4三甲基化水平升高,甲基化比率為0.626±0.050 vs 0.351 ±0.024(P <0.05),見(jiàn)圖 1。使用 GenePix 4000B芯片掃描儀配套軟件計(jì)算所有基因的Cy3/Cy5值(ratio值),篩選Ratio值>2的所有數(shù)據(jù)項(xiàng),獲得組蛋白H3K4三甲基化(H3K4me3)靶點(diǎn)圖譜。結(jié)果顯示321條探針H3K4me3出現(xiàn)顯著差異,其中154條探針顯示為H3K4me3水平升高,167條探針顯示H3K4me3水平下調(diào),共涉及到83個(gè)基因。表1中列舉了20個(gè)H3K4me3水平上調(diào)或下降的基因。比較IgAN患者與健康者之間組蛋白H3K4三甲基化的差異,根據(jù)ChIP-chip的結(jié)果,我們選擇2個(gè)H3K4三甲基化水平增高的基因(FCRL4和SERPINB7)和2個(gè)H3K4三甲基化水平降低的基因(PTPRN2和MBP)進(jìn)行下一步的研究。
Figure 1.The levels of histone H3 lysine 4 trimethylation and DNA methylation in IgAN patients.*P <0.05 vs control.圖1 IgAN患者總體H3K4三甲基化和DNA甲基化水平
表1 CpG島芯片IgA腎病患者與健康對(duì)照之間2倍以上和以下改變的H3K4me3基因Table 1.The 20 selected genes with H3K4me3 alterations between IgAN patients and healthy subjects
為了證實(shí)CpG島芯片結(jié)果的準(zhǔn)確性,我們運(yùn)用熒光定量PCR對(duì)免疫沉淀的DNA進(jìn)行分析。如表2所示,IgAN患者4個(gè)基因的熒光定量PCR結(jié)果與正常對(duì)照之間存在顯著差異(P<0.05),與芯片分析結(jié)果相一致。
表2 4個(gè)陽(yáng)性基因ChIP-qPCR驗(yàn)證結(jié)果Table 2.The validation results of ChIP-qPCR from the 4 selected genes(.n=40)
表2 4個(gè)陽(yáng)性基因ChIP-qPCR驗(yàn)證結(jié)果Table 2.The validation results of ChIP-qPCR from the 4 selected genes(.n=40)
*P <0.05 vs control.
Group FCRL4 SERPINB7 PTPRN2 MBP IgAN 1.72 ±0.03* 2.13 ±0.01* 0.52 ±0.01* 0.31 ±0.03*Control 1.00 ±0.00 1.00 ±0.00 1.00 ±0.00 1.00 ±0.00
IgAN患者4個(gè)陽(yáng)性基因的mRNA表達(dá)與正常對(duì)照之間存在顯著差異(P<0.05),見(jiàn)表3。H3K4三甲基化增高的2個(gè)基因mRNA表達(dá)增加;反之,H3K4三甲基化降低的基因mRNA表達(dá)也隨之下降。
表3 4個(gè)陽(yáng)性基因mRNA表達(dá)差異Table 3.The mRNA expression of the 4 selected genes(.n=40)
表3 4個(gè)陽(yáng)性基因mRNA表達(dá)差異Table 3.The mRNA expression of the 4 selected genes(.n=40)
*P <0.05 vs control.
Group FCRL4 SERPINB7 PTPRN2 MBP IgAN 2.04 ±0.05* 1.87 ±0.02* 0.23 ±0.01* 0.48 ±0.05*Control 1.00 ±0.00 1.00 ±0.00 1.00 ±0.00 1.00 ±0.00
與健康對(duì)照組相比,IgAN患者組總的DNA甲基化水平降低,甲基化比率為 0.326±0.016 vs 0.518±0.037(P<0.05),見(jiàn)圖1。IgAN 患者4個(gè)陽(yáng)性基因DNA甲基化水平與正常對(duì)照之間存在顯著差異(P<0.05),F(xiàn)CRL4基因DNA甲基化水平降低,另外3個(gè)基因DNA甲基化水平增高,見(jiàn)表4。
表4 4個(gè)陽(yáng)性基因DNA甲基化水平差異Table 4.The DNA methylation levels of the 4 selected genes(.n=40)
表4 4個(gè)陽(yáng)性基因DNA甲基化水平差異Table 4.The DNA methylation levels of the 4 selected genes(.n=40)
*P <0.05 vs control.
Group FCRL4 SERPINB7 PTPRN2 MBP IgAN 0.32 ±0.04* 1.96 ±0.04* 2.56 ±0.03* 2.04 ±0.02*0.00 Control 1.00 ±0.00 1.00 ±0.00 1.00 ±0.00 1.00 ±
DNA甲基化和組蛋白修飾是表觀遺傳的兩種主要修飾形式,在進(jìn)化過(guò)程中組蛋白甲基化和DNA甲基化兩者在機(jī)能上經(jīng)常聯(lián)系在一起。組蛋白H3K4甲基化可激活基因轉(zhuǎn)錄,而DNA甲基化則可抑制基因的轉(zhuǎn)錄[7,8]。
IgAN是以IgA為主的免疫球蛋白彌漫沉積于腎小球系膜區(qū)的一種自身免疫性疾病,我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示IgAN病人總體H3K4三甲基化水平升高,基因組DNA甲基化水平降低。我們選擇4個(gè)與IgAN致病可能存在關(guān)聯(lián)的基因,2個(gè)H3K4三甲基化水平增高的基因?yàn)镕CRL4和SERPINB7,2個(gè)H3K4三甲基化水平降低的基因PTPRN2和MBP,探討組蛋白H3K4三甲基化與DNA甲基化之間的關(guān)聯(lián)。
FCRL4(Fc receptor-like 4)基因編碼一種免疫球蛋白Fc段受體,它通過(guò)激活細(xì)胞因子,加劇IgAN的發(fā)展[9]。本研究發(fā)現(xiàn)PBMCs中FCRL4基因的組蛋白H3K4三甲基化水平有顯著增強(qiáng),DNA甲基化水平降低,mRNA表達(dá)水平增高。
PTPRN2(protein tyrosine phosphatase,receptor type,N polypeptide 2)是一種酪氨酸磷酸酶蛋白,可通過(guò)抑制酪氨酸激酶而降低腎臟足細(xì)胞表達(dá)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor,VEGF),避免腎臟排出過(guò)多的蛋白[10]。本研究發(fā)現(xiàn),PTPRN2基因H3K4三甲基化水平降低,DNA甲基化水平增高,mRNA表達(dá)也顯著降低,提示低濃度的PTPRN2不足以抑制酪氨酸激酶的活性。
甘露醇結(jié)合蛋白(mannose-binding protein,MBP)是一種屬于免疫系統(tǒng)的防御分子,是人體與外環(huán)境的首道防線,Zhang等[11]研究發(fā)現(xiàn),在反復(fù)發(fā)生感染、懷疑有免疫調(diào)理缺陷的動(dòng)物模型中,MBP血清水平顯著低于正常對(duì)照組。我們?cè)贗gAN病人中發(fā)現(xiàn),MBP基因H3K4三甲基化水平降低,DNA甲基化水平增高,同時(shí)mRNA表達(dá)也顯著降低,提示有可能因此導(dǎo)致IgAN病人體內(nèi)MBP蛋白含量減少,免疫功能紊亂。
上述3個(gè)基因中,組蛋白H3K4位點(diǎn)三甲基化修飾和DNA甲基化呈現(xiàn)協(xié)同作用。FCRL4基因H3K4位點(diǎn)三甲基化水平增高,DNA甲基化降低,均促進(jìn)基因mRNA表達(dá);而MBP和PTPRN2基因H3K4位點(diǎn)三甲基化水平降低,DNA甲基化增高,均抑制基因mRNA 表達(dá)。Irvine等[12]和 Okitsu等[13]的研究認(rèn)為組蛋白在H3K4位點(diǎn)的雙甲基化和DNA甲基化存在協(xié)同作用,從我們的研究結(jié)果來(lái)看,三甲基化的H3K4位點(diǎn)和DNA甲基化之間同樣存在協(xié)同作用。
然而,SERPINB7(serpin peptidase inhibitor,clade B,member 7)基因的H3K4位點(diǎn)三甲基化和DNA甲基化呈現(xiàn)出矛盾的結(jié)果。SERPINB7是絲氨酸蛋白酶抑制劑進(jìn)化枝B的第7位成員,為近年發(fā)現(xiàn)的特異性表達(dá)于腎臟的基因。研究表明,該基因表達(dá)產(chǎn)物可以與纖溶酶共價(jià)結(jié)合而抑制其活性,繼而抑制細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)降解,參與腎臟纖維化[14]。該基因在正常的腎小球系膜細(xì)胞有微弱的表達(dá),而在增殖性腎小球疾病表達(dá)明顯增強(qiáng),本研究結(jié)果顯示IgAN患者 SERPINB7基因H3K4三甲基化水平、mRNA表達(dá)均顯示為增高,與戴春等[15]的報(bào)道相符合。但是,SERPINB7基因DNA甲基化的結(jié)果也是明顯增高??梢?jiàn),SERPINB7基因mRNA表達(dá)與組蛋白H3K4me3甲基化修飾作用相同,而與DNA甲基化作用相反。我們推測(cè)在IgAN患者PBMCs內(nèi)組蛋白甲基化和DNA甲基化修飾的相互作用過(guò)程中,H3K4三甲基化修飾作用可能處于優(yōu)勢(shì)地位;也有可能有其它的后天因子參與了SERPINB7基因修飾。這也說(shuō)明了DNA和組蛋白甲基化修飾效應(yīng)結(jié)果的復(fù)雜性,在不同的基因中,甲基化和組蛋白甲基化在基因表達(dá)過(guò)程中所起的關(guān)鍵作用可能不同。
本研究選擇4個(gè)與IgAN發(fā)病密切相關(guān)的基因,研究組蛋白H3K4三甲基化水平和DNA甲基化水平,結(jié)果表明這2種共價(jià)修飾都可能參與了IgAN的發(fā)病機(jī)制,但其最終機(jī)制仍需要將來(lái)通過(guò)大量的基因檢測(cè)來(lái)證實(shí)。
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