(分子生物学本科生课件)表观遗传学-2014

1、( (分子生物学本科分子生物学本科生课件生课件) )表观遗传表观遗传学学-2014-2014概 述n表观遗传学表观遗传学l研究不涉及研究不涉及DNADNA序列改变的基因表达和调控的序列改变的基因表达和调控的可遗传变化的，或者说是研究从基因演绎为表可遗传变化的，或者说是研究从基因演绎为表型的过程和机制的一门新兴的遗传学分支。型的过程和机制的一门新兴的遗传学分支。n表观遗传表观遗传l所谓表观遗传就是不基于所谓表观遗传就是不基于DNADNA差异的核酸遗传。差异的核酸遗传。即细胞分裂过程中，即细胞分裂过程中，DNA DNA 序列不变的前提下，序列不变的前提下，全基因组的基因表达调控所决定的表型遗传，全

2、基因组的基因表达调控所决定的表型遗传，涉及染色质重编程、整体的基因表达调控（如涉及染色质重编程、整体的基因表达调控（如隔离子，增强子，弱化子，隔离子，增强子，弱化子，DNADNA甲基化，组蛋甲基化，组蛋白修饰等功能白修饰等功能 ), ), 及基因型对表型的决定作用。及基因型对表型的决定作用。2021年年10月月12日日2021年年10月月12日日遗传与表观遗传遗传与表观遗传n基因表达模式基因表达模式n决定细胞类型的不是基因本身，而是基因表达模式，通过细胞分裂来传递和稳定地维持具有组织和细胞特异性的基因表达模式对于整个机体的结构和功能协调是至关重要的。n基因表达模式在细胞世代之间的可遗传性并不依

3、赖细胞内DNA的序列信息。n基因表达模式有表观遗传修饰决定。2021年年10月月12日日概 述n表观遗传学的研究内容：观遗传学的研究内容：l 基因转录后的调控基因转录后的调控u基因组中非编码RNAu微小RNA（miRNA）u反义RNAu内含子、核糖开关等l 基因选择性转录表达基因选择性转录表达的调控的调控uDNA甲基化u基因印记u组蛋白共价修饰u染色质重塑2021年年10月月12日日2021年年10月月12日日表观遗传学机制DNA DNA 甲基化甲基化1组蛋白修饰组蛋白修饰2染色质重塑染色质重塑3RNA RNA 调调 控控4DNA DNA 甲基化甲基化1一、DNA甲基化 DNA甲基化(DNA

4、methylation)是研究得最清楚、 也是最重要的表观遗传修饰形式，主要是基因组 DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基间的共价结合，胞嘧啶由此被修饰为5甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5mC)。DNMT1胞嘧啶胞嘧啶5-5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶胞嘧啶甲基化反应胞嘧啶甲基化反应 S-S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸 真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性： 一种被称为日常型（mainte-nance）甲基转移酶，另一种是 从头合成（denovo synthesis）甲基转移酶。前者主要在甲基化母链（模板链）指导下使处于半甲基化的DNA双链分子上与甲基胞嘧啶相对应的胞嘧啶甲基化。日常型甲基

5、转移酶常常与DNA内切酶活性相耦联，有3种类型: II类酶活性包括内切酶和甲基化酶两种成分，而I类和III类都是双功能酶，既能将半甲基化DNA甲基化，又能降解外源无甲基化DNA。 n在结构基因的调控区段，CpG二联核苷常常以成簇串联的形式排列。结构基因5端附近富含CpG二联核苷的区域称为CpG岛(CpG islands)。nCpG岛是CG二核苷酸含量大于50%的区域。CpG岛通常分布在基因的启动子区域。lDNADNA甲基化一般与基因沉默相关联；甲基化一般与基因沉默相关联；l非甲基化一般与基因的活化相关联非甲基化一般与基因的活化相关联；l而去甲基化往往与一个沉默基因的重新激活而去甲基化往往与一个

6、沉默基因的重新激活相关联。相关联。v CpGCpG岛主要处于基因岛主要处于基因55端调控区域。端调控区域。v 启动子区域的启动子区域的CpGCpG岛一般是非甲基化状态的，其非甲基岛一般是非甲基化状态的，其非甲基化状态对相关基因的转录是必须的。化状态对相关基因的转录是必须的。v 目前认为基因调控元件（如启动子）的目前认为基因调控元件（如启动子）的CpGCpG岛中发生岛中发生5mC5mC修饰会在空间上阻碍转录因子复合物与修饰会在空间上阻碍转录因子复合物与DNADNA的结合。因的结合。因而而DNADNA甲基化一般与基因沉默相关联。甲基化一般与基因沉默相关联。nCpG岛的甲基化会稳定核小体之间的紧密结

7、合而抑制基因的表达。n当一个基因的启动子序列中的CpG岛被甲基化以后，尽管基因序列没有发生改变，但基因不能启动转录，也就不能发挥功能，导致生物表型的改变。nDNA甲基化抑制基因表达nDNA甲基化模式可以在DNA复制后被保持下来以基因型为以基因型为a/aa/a的母的母鼠及其孕育的基因型为鼠及其孕育的基因型为AVY/aAVY/a的仔鼠作实验对象。的仔鼠作实验对象。孕鼠分为两组，试验组孕孕鼠分为两组，试验组孕鼠除喂以标准饲料外，从鼠除喂以标准饲料外，从受孕前两周起还增加富含受孕前两周起还增加富含甲基的叶酸、乙酰胆碱等甲基的叶酸、乙酰胆碱等补充饲料，而对照组孕鼠补充饲料，而对照组孕鼠只喂饲标准饲料。只

8、喂饲标准饲料。 n迄今已发现的印迹基因已有150余个，大多成簇排列，其中许多是疾病基因。虽多数印迹基因的作用机制尚不清楚，然而几乎都与DNA甲基化型的异常相关联。1956年Prader-Willi综合征(Prader-Willi Syndrome,PWS)，患者肥胖、矮小、中度智力低下。染色体核型分析表明为 父源染色体15q11-13区段缺失。n肿瘤细胞的甲基化特点n总体甲基化水平低n局部甲基化水平高，即抑癌基因的甲基化水平高HBXIP upregulates s100a4 via stat4 and pten to promote growth and migration of breast

9、 cancer cellsSP Liu and Ye, L et al. J B C. 31;287(36):30228-39 2012. 287(36):30228-39. 二、组蛋白修饰组蛋白是真核生物染色体的基本结构蛋白，为碱性蛋白质，含精氨酸和赖氨酸等碱性氨基酸特别多，二者加起来约为所有氨基酸残基的1/4。组蛋白是一类小分子碱性蛋白质，有五种类型：H1、H2A、H2B、H3、H4，它们富含带正电荷的碱性氨基酸，能够同DNA中带负电荷的磷酸基团相互作用。n基因正常表达除了需要相应转录因子的诱导和启动子区处于低甲基化状态外，还需要具备另外一个表观遗传学条件，即组蛋白修饰处于激活状态。n组蛋

10、白对特定氨基酸的修饰可以间接提供某些蛋白的识别信息，然后通过蛋白质和染色质的相互作用改变染色质的结构，从而调控基因的表达。n组蛋白修饰是表观遗传研究的重要内容。n组蛋白的 N端是不稳定的、无一定组织的亚单位，其延伸至核小体以外，会受到不同的化学修饰，这种修饰往往与基因的表达调控密切相关。n被组蛋白覆盖的基因如果要表达，首先要改变组蛋白的修饰状态，使其与DNA的结合由紧变松，这样靶基因才能与转录复合物相互作用。因此，组蛋白是重要的染色体结构维持单元和基因表达的负控制因子。 组蛋白修饰种类 l乙酰化乙酰化- - 一般与活化的染色质构型相关联，一般与活化的染色质构型相关联，乙酰化修饰大多发生在乙酰化

11、修饰大多发生在H3H3、H4H4的的 Lys Lys 残基上。残基上。l甲基化甲基化- - 发生在发生在H3H3、H4H4的的 Lys Lys 和和 Asp Asp 残基残基上，可以与基因抑制有关，也可以与基因的激上，可以与基因抑制有关，也可以与基因的激活相关，这往往取决于被修饰的位置和程度。活相关，这往往取决于被修饰的位置和程度。l磷酸化磷酸化- - 发生与发生与 Ser Ser 残基，一般与基因活化残基，一般与基因活化相关。相关。l泛素化泛素化- - 一般是一般是C C端端LysLys修饰，启动基因表达。修饰，启动基因表达。lSUMOSUMO（一种类泛素蛋白）化（一种类泛素蛋白）化- -

12、可稳定异染色可稳定异染色质。质。l其他修饰其他修饰n组蛋白中不同氨基酸残基的乙酰化一般与活化的染色质构型常染色质(euchromatin)和有表达活性的基因相关联；而组蛋白的甲基化则与浓缩的异染色质(hetero-chromatin)和表达受抑的基因相关联。n组蛋白甲基化可以与基因抑制有关，也可以与基因的激活相关，这往往取决于被修饰的赖氨酸处于什么位置。n组蛋白修饰主要是氨基端的甲基化修饰和(或)乙酰化修饰，特定组蛋白的氨基酸残基被甲基化和(或)乙酰化可以最终激活基因的表达，反之则抑制基因的表达。n特定组蛋白羧基端的泛素化同样影响蛋白质的降解过程，从而也可调节基因的表达。n目前研究还发现组蛋白

13、修饰与CpG岛的甲基化密切相关。三、染色质重塑核小体n染色质重塑（chromatin remodeling）是一个重要的表观遗传学机制。n染色质重塑是由染色质重塑复合物介导的一系列以染色质上核小体变化为基本特征的生物学过程。n组蛋白尾巴的化学修饰（乙酰化、甲基化及磷酸化等）可以改变染色质结构，从而影响邻近基因的活性。染色质修饰与重塑（共价修饰型与染色质修饰与重塑（共价修饰型与ATPATP依赖型）依赖型）（A A）结合）结合（B B）松链）松链（C C）重塑）重塑八聚体转移八聚体转移八聚体滑动八聚体滑动+ ATP+ ATP重塑重塑复合物复合物ATPATP依赖的染色质重构机制依赖的染色质重构机制n

14、边界子( boundary elements)：相邻基因间的物理隔离元件。也可称为隔离子( insulator elements)。n边界子和隔离子的隔离功能 ：l封阻末梢增强子对启动子的作用。封阻末梢增强子对启动子的作用。 l防止染色质位置效应（防止染色质位置效应（CPECPE）。）。n由边界子所确定的染色质片断是基因组调节的基本单位，其构成染色质的功能与或区室，这即是染色质区室化。四、RNA 调控nRNA干扰（RNAi）作用是生物体内的一种通过双链RNA分子在mRNA水平上诱导特异性序列基因沉默的过程。n由于RNAi发生在转录后水平，所以又称为转录后基因沉默（post-transcriptional gene silencing, PTGS ）。nRNA干扰是一种重要而普遍表观遗传的现象。 siRNAnsiRNA结构：21-23nt的双链结构，序列与靶mRNA有同源性，双链两端各有2个突出非配对的3碱基。nsiRNA功能：是RNAi 作用的重要组分，是RNAi发生的中介分子。内源性siRNA是细胞能够抵御转座子、转基因和病毒的侵略。siRNA介导的介导的RNAi非编码RNA调节n无论是DNA修饰还是组蛋白修饰，都是基因活性调节的中