遗传学：表观遗传学

1、表观遗传学 n14.1 表观遗传学概述表观遗传学概述 n14.1.1 表观遗传学的发展简史表观遗传学的发展简史 n1939年，生物学家年，生物学家Waddington CH首次提出了表观遗传学首次提出了表观遗传学 （epigenetics）的概念）的概念 n并于并于1942年将其定义为年将其定义为“基因与决定表型的基因产物之间基因与决定表型的基因产物之间 的因果关系的因果关系” n1961年年Mary Lyon提出的雌性哺乳动物提出的雌性哺乳动物X染色体失活假说染色体失活假说 备受关注备受关注 n最早解释最早解释X染色体失活机制的是染色体失活机制的是DNA甲基化理论，并提出甲基化理论，并提出

2、把甲基化作为表观遗传学标志把甲基化作为表观遗传学标志 n50-70年代，组蛋白修饰成为另一条重要研究线年代，组蛋白修饰成为另一条重要研究线 索索 ，组蛋白的甲基化、磷酸化、染色质重塑成为，组蛋白的甲基化、磷酸化、染色质重塑成为 表观遗传学范畴的一个重要内容表观遗传学范畴的一个重要内容 n1975年，年，Holliday R对表观遗传学进行了比较准对表观遗传学进行了比较准 确的描述，即表观遗传学是非确的描述，即表观遗传学是非DNA序列差异的核序列差异的核 遗传遗传 n14.1.2 表观遗传学的概念表观遗传学的概念 n表观遗传学（表观遗传学（epigenetics）是指不涉及）是指不涉及DNA序列

3、变化而在序列变化而在 细胞世代间传递的遗传现象的一门科学。表观遗传也可描细胞世代间传递的遗传现象的一门科学。表观遗传也可描 述为述为“不依赖不依赖DNA序列的核继承性序列的核继承性”。 n表观遗传学的含义包括：表观遗传学的含义包括： n无无DNA序列变化；序列变化； n可遗传性，即可通过可遗传性，即可通过 有丝分裂或减数分裂在有丝分裂或减数分裂在 细胞或世代间传递；细胞或世代间传递； n可逆性。可逆性。 n14.1.3 表观遗传学的研究内容表观遗传学的研究内容 nDNA甲基化甲基化（DNA methylation） n基因组印迹基因组印迹（genome imprinting） n基因沉默（基因

4、沉默（gene silencing） n染色质重塑（染色质重塑（chromatin remodeling） n假基因（假基因（pseudogene） nRNA编辑（编辑（RNA editing） nRNA干扰干扰（RNA interference） nX染色体失活染色体失活（X chromosome inactivation） n组蛋白的多种修饰组蛋白的多种修饰:如甲基化、乙酰化如甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化、磷酸化、泛素化、 SUMO化化 n组蛋白变体组蛋白变体 n14.2.1 DNA甲基化现象甲基化现象 n最常见的表观遗传现象最常见的表观遗传现象 n甲基化的甲基化的DNA主要分布于基因组

5、的非编码区主要分布于基因组的非编码区 nDNA甲基化是指在甲基化是指在DNA甲基转移酶（甲基转移酶（DNA methyltransferase, DNMTs）的作用下，将甲基添加在）的作用下，将甲基添加在 DNA分子的碱基上分子的碱基上 ,最常见的是添加于胞嘧啶的最常见的是添加于胞嘧啶的5位碳原子位碳原子 上而形成上而形成5甲基胞嘧啶（甲基胞嘧啶（5mC） n哺乳动物基因组哺乳动物基因组 70%的的5mC位于二核苷酸位于二核苷酸CpG上上, CpG岛岛 主要位于基因的启动子区，主要位于基因的启动子区， CpG岛的甲基化一般与基因岛的甲基化一般与基因 沉默相关联；而非甲基化一般与基因活化相关联沉

6、默相关联；而非甲基化一般与基因活化相关联 14.2 DNA甲基化甲基化 n14.2.2 DNA甲基化机制甲基化机制 n14.2.2.1 DNA甲基化的类型及机制甲基化的类型及机制 n维持性甲基化维持性甲基化 n从头合成甲基化从头合成甲基化 nDNA甲基化模式的可继承性曾被认为是一种细胞记忆机制甲基化模式的可继承性曾被认为是一种细胞记忆机制 n在个体发育过程中在个体发育过程中DNA的甲基化模式会发生动态的变化的甲基化模式会发生动态的变化 如：受精后几小时，受精卵中来自父本基因组的如：受精后几小时，受精卵中来自父本基因组的5-甲基甲基 胞嘧啶水平显著下降，即父本基因组发生了主动去甲胞嘧啶水平显著下

7、降，即父本基因组发生了主动去甲 基化过程基化过程 在胚胎早期，一条在胚胎早期，一条X染色体上的染色体上的CpG岛大量地发生从头岛大量地发生从头 甲基化过程，与失活甲基化过程，与失活X染色体上的基因沉默密切相关染色体上的基因沉默密切相关 n去甲基化即在去甲基化即在DNA 去甲基化酶的作用下，通过核苷酸切去甲基化酶的作用下，通过核苷酸切 除和连接而进行的胞嘧啶替代除和连接而进行的胞嘧啶替代5-甲基胞嘧啶的过程甲基胞嘧啶的过程 n14.2.3 DNA甲基化对基因表达及染色体的调控甲基化对基因表达及染色体的调控 n14.2.3.1 DNA甲基化抑制基因表达的两种机制甲基化抑制基因表达的两种机制 n有两

8、种解释：有两种解释： 认为许多转录活化的转录因子特异性识别包含认为许多转录活化的转录因子特异性识别包含CpG 岛的岛的GC富含序列，当富含序列，当 DNA大沟中的大沟中的CpG岛被甲基化岛被甲基化 时，将阻碍转录因子与时，将阻碍转录因子与DNA的结合，从而抑制了基因的结合，从而抑制了基因 表达表达 另一种模式认为甲基化的另一种模式认为甲基化的CpG结合了特异性蛋白质结合了特异性蛋白质 而抑制了基因表达。而抑制了基因表达。 n5-甲基胞嘧啶很容易发生突变甲基胞嘧啶很容易发生突变 n人类遗传病中约人类遗传病中约1/3的点突变为的点突变为CpG序列中的突变序列中的突变 nDNA甲基化有利于染色体的稳

9、定甲基化有利于染色体的稳定 n一些免疫缺陷、染色体着丝点不稳定患者一些免疫缺陷、染色体着丝点不稳定患者Dnmt3b 突变，表现出染色体断裂、染色体融合和非整倍突变，表现出染色体断裂、染色体融合和非整倍 体数目异常体数目异常 14.3 基因组印记基因组印记 n父源和母源的基因对个体发育有着不同影响。即父源和母父源和母源的基因对个体发育有着不同影响。即父源和母 源的等位基因在通过生殖细胞传递给子代过程中发生了某源的等位基因在通过生殖细胞传递给子代过程中发生了某 种修饰，使后代只表达父源或母源等位基因中的一种，又种修饰，使后代只表达父源或母源等位基因中的一种，又 称基因印记（称基因印记（gene i

10、mprinting）或遗传印记（）或遗传印记（hereditary imprinting）。）。 n印记发生于生殖细胞形成过程中和受精后大约印记发生于生殖细胞形成过程中和受精后大约12小时之内小时之内 n基因组印记能够防止哺乳动物的孤雌生殖基因组印记能够防止哺乳动物的孤雌生殖 n14.3.2 基因组印记的机制基因组印记的机制 n（1）顺式作用机制，即印记基因在一条染色体上沉默而）顺式作用机制，即印记基因在一条染色体上沉默而 在另一条染色体上活跃在另一条染色体上活跃 n（2）基因组印记遍布整个基因组，成簇聚集并受印记控）基因组印记遍布整个基因组，成簇聚集并受印记控 制元件调控制元件调控 n连锁的

11、印记基因可能有不同的印记效应连锁的印记基因可能有不同的印记效应 n（3）印记是一个亲本配子得到的表观遗传修饰，）印记是一个亲本配子得到的表观遗传修饰，DNA甲甲 基化已被证实在哺乳动物中具有可遗传的配子印记的作用。基化已被证实在哺乳动物中具有可遗传的配子印记的作用。 n（4）印记基因簇中至少含有一个非编码）印记基因簇中至少含有一个非编码RNA，ncRNA发发 挥着重要的基因调节功能挥着重要的基因调节功能 n（5）印记基因组织特异性表达）印记基因组织特异性表达 14.4 X染色体失活染色体失活 nX染色体剂量补偿效应染色体剂量补偿效应 n哺乳动物中的剂量补偿效应机制：两条雌性哺乳动物中的剂量补偿

12、效应机制：两条雌性X染色体中一染色体中一 条上的基因转录失活（条上的基因转录失活（Lyon假说）假说） n果蝇的剂量补偿效应机制：果蝇的剂量补偿效应机制：XY个体中单一个体中单一X染色体上基因染色体上基因 表达上调一倍表达上调一倍 n线虫的剂量补偿效应机制：线虫的剂量补偿效应机制：XX个体中两条个体中两条X染色体的基因染色体的基因 表达同时下调一半表达同时下调一半 n14.4.2 X染色体失活的过程 n14.4.3 X染色体失活的分子机制 n14.4.3. X染色体随机失活的调控染色体随机失活的调控 图图14-6 X染色体失活的封闭因子模型染色体失活的封闭因子模型 14.5 RNA调控调控 n

13、14.5.1 RNA干扰概述干扰概述 nRNA干扰（干扰（RNA interference, RNAi）是细胞内通）是细胞内通 过双链过双链RNA分子在分子在mRNA水平上诱导的特异性序水平上诱导的特异性序 列的基因沉默，又称之为转录后基因沉默列的基因沉默，又称之为转录后基因沉默 。 n于于1998年，在对线虫（年，在对线虫（C. elegans）研究的基础上，）研究的基础上， 提出了提出了RNAi的概念的概念 nRNAi的分子机制 nsiRNA的形成的形成 图图14-7 dsRNA的来源及降解的来源及降解 n14.5.2 siRNA及其作用机制及其作用机制 图图14-8 siRNA介导的介导

14、的RNAi（引自薛京伦（引自薛京伦, 2006） 14.6组蛋白修饰组蛋白修饰 n组蛋白修饰状态对被其所覆盖的基因的表达起着组蛋白修饰状态对被其所覆盖的基因的表达起着 非常重要的调节作用非常重要的调节作用 n组蛋白修饰的多样性及其时空组合与相应生物学组蛋白修饰的多样性及其时空组合与相应生物学 功能的关系可作为一种重要的表观标志，被称为功能的关系可作为一种重要的表观标志，被称为 组蛋白密码组蛋白密码 n常见的组蛋白修饰方式有乙酰化、甲基化、磷酸常见的组蛋白修饰方式有乙酰化、甲基化、磷酸 化、泛素化、瓜氨酸化、化、泛素化、瓜氨酸化、ADP核糖基化、生物素核糖基化、生物素 化、糖基化及化、糖基化及S

15、umo化等化等 n14.6.1组蛋白的乙酰化和去乙酰化组蛋白的乙酰化和去乙酰化 n乙酰化常发生在核心蛋白（尤其是乙酰化常发生在核心蛋白（尤其是H3、H4）的）的N 端碱性氨基酸富集区的特定赖氨酸残基端碱性氨基酸富集区的特定赖氨酸残基 n组蛋白的乙酰化修饰大多在组蛋白的乙酰化修饰大多在H3的的Lys9、Lys14、 Lys18、Lys23、Lys56和和H4的的Lys5、Lys8、Lys12、 Lys16等位点，是等位点，是非随机的非随机的 n n组蛋白的乙酰化是由组蛋白乙酰基转移酶（组蛋白的乙酰化是由组蛋白乙酰基转移酶（HATs）和组）和组 蛋白去乙酰化酶（蛋白去乙酰化酶（HDACs）协调作用

16、的）协调作用的 图图14-10DNA结合的转录因子募集组蛋白修饰酶到启动子结合的转录因子募集组蛋白修饰酶到启动子 n14.6.1.2组蛋白乙酰化的生物学功能组蛋白乙酰化的生物学功能 n（1）参与转录调控）参与转录调控 n（2）组蛋白乙酰化与）组蛋白乙酰化与DNA甲基化甲基化 nDNA甲基化与组蛋白去乙酰化在调节基因表达方面有密甲基化与组蛋白去乙酰化在调节基因表达方面有密 切的关系切的关系 n（3）组蛋白乙酰化与染色质的重塑有着直接的）组蛋白乙酰化与染色质的重塑有着直接的 关系关系 n（4）组蛋白乙酰化与肿瘤）组蛋白乙酰化与肿瘤 nHAT基因的突变会导致正常基因不能表达，基因的突变会导致正常基因

17、不能表达，HDAC基因基因 的突变或的突变或HDAC相关蛋白异常，将导致相关蛋白异常，将导致HAT错误募集蛋错误募集蛋 白从而引发肿瘤白从而引发肿瘤 n14.6.2 组蛋白的甲基化组蛋白的甲基化 n组蛋白甲基化是由组蛋白甲基转移酶（组蛋白甲基化是由组蛋白甲基转移酶（HMTs） 催化的，包括组蛋白赖氨酸甲基转移酶和组蛋白催化的，包括组蛋白赖氨酸甲基转移酶和组蛋白 精氨酸甲基转移酶精氨酸甲基转移酶 n组蛋白甲基化修饰主要在组蛋白甲基化修饰主要在H3和和H4的赖氨酸和精氨的赖氨酸和精氨 酸残基上酸残基上 n组蛋白甲基化修饰可能激活基因的转录，也可能组蛋白甲基化修饰可能激活基因的转录，也可能 抑制基因

18、的转录抑制基因的转录 n14.6.2.3 组蛋白去甲基化酶组蛋白去甲基化酶 n14.6.2.4 组蛋白甲基化的功能组蛋白甲基化的功能 n（1）与组蛋白乙酰化修饰的暂时性相比，组蛋白）与组蛋白乙酰化修饰的暂时性相比，组蛋白 甲基化修饰较稳定，尤其是三甲基化修饰，能够甲基化修饰较稳定，尤其是三甲基化修饰，能够 影响长期表观遗传学记忆影响长期表观遗传学记忆 n（2）组蛋白甲基化和）组蛋白甲基化和DNA甲基化相互促进甲基化相互促进 n（3）多种组蛋白甲基化酶和去甲基化酶的异常与）多种组蛋白甲基化酶和去甲基化酶的异常与 肿瘤发生有关肿瘤发生有关 14.7染色质重塑染色质重塑 n基因在复制、转录、修复和重组过程中，染色质基因在复制、转录、修复和重组过程中，染色质 的包装状态，核小体中的组蛋白及相应的的包装状态，核小体中的组蛋白及相应的DNA分分 子发生的一系列改变就称为染色质重塑子发生的一系列改变就称为染色质重塑 n染色质重塑过程是由染色质重塑复合物介导的，染色质重塑过程是由染色质重塑