表观遗传的生化机理及应用前景

1、表观遗传的生化机理表观遗传的生化机理及应用前景及应用前景主要内容：主要内容： 表观遗传简介表观遗传简介 表观遗传调控机制表观遗传调控机制 理论研究意义及前景理论研究意义及前景 实际应用前景实际应用前景关键词：关键词：表观遗传表观遗传 DNA甲基化甲基化 组蛋白修饰组蛋白修饰 肿瘤肿瘤 衰老衰老Gregor Mendel (1822-1884）遗传学之父遗传学之父(The genetic factors )，发现了遗传学基本规律发现了遗传学基本规律（ Published in 1865 and 1866 and “re-discovered” in 1900 ）。遗传简史：遗传简史：遗传简史：遗

2、传简史：Thomas Hunt Morgan (1866-1945)发现基因连锁互换定律发现基因连锁互换定律（Published in 1915）。Discovered the 3rd basic genetic law, together with Mendels two laws, they form the basis of what is now known as classical genetics.遗传简史：遗传简史：James Watson & Francis Crick发现发现DNA双螺旋结构双螺旋结构（ Published in 1953 )，分子遗传学诞生。分子遗传学诞生。

3、 中心法则中心法则（central dogma）碱基序列（基因）决定性状，碱基序列（基因）决定性状，序列改变，引起性状的改变。序列改变，引起性状的改变。BUT从遗传学的角度来看， 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，从逻辑上说，俩人的气质和体质应该非常相似。但研究者发现， 一些孪生子的情况并不符合预期的理论。往往在长大成人后出现性格、健康方面的很大差异。这种反常现象长期困扰着遗传学家。现在科学家们发现。可以在不影响DNA序列的情况下改变基因组的修饰这种改变不仅可以影响个体的发育，而且还可以遗传下去。在“基因决定论”的背后隐藏着一个重要的长期以来争执不休的问

4、题： 环境的作用能否改变个体的遗传特性，并传递给下一代? 这种被称为“拉马克学说拉马克学说”(Lamarckism) 的观点一直被正统的生物学家拒之门外但现实的生命世界又一次次地把这个话题送到研究者的视线内。瑞典一个科学家小组曾在2002年11月发表了一项研究， 他们的统计结果表明， 对于生于1890- 1920年的瑞典男人的孙辈而言，如果其祖父在青少年期间吃得很好， 那么孙辈因糖尿病而死亡的概率就很高；如果其祖父是在饥饿中长大的那么孙辈死于心脏病的机会就很少。也就是说，祖父辈的饮食状态影响到了孙辈的健康状态。从这个例子可以得到这样一种结论：个体在发育和生长过程中获得的环境影响被遗传给了后代。

5、从这里可以引申出一个更根本的问题：什么决定基因。大自然(环境)如此丰富多彩、如此变化不停，很难想象，对于一个开放的复杂生命系统，不会打上它的烙印。也许这是一个“先有鸡还是先有蛋”的进化论问题，但不论怎样，基因不会代表一切，更不能决定一切Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829)获得性遗传获得性遗传（ Inheritance of acquired characteristics） 1942年，年，Waddington最早提出表观遗传学最早提出表观遗传学（epigentics）一词，认为是遗传学领域中）一词，认为是遗传学领域中探讨基因型与表现型之间相互关系的一个新探讨基因

6、型与表现型之间相互关系的一个新的研究方向。的研究方向。 近年来，现代分子生物学认为细胞中信息的近年来，现代分子生物学认为细胞中信息的表达受两种因素控制：一种是遗传调控，另表达受两种因素控制：一种是遗传调控，另一种是表观遗传调控。一种是表观遗传调控。 2003 年年10月正式宣布开始投资和实施人类表月正式宣布开始投资和实施人类表观基因组计划（观基因组计划（HGP） 。表观遗传学（表观遗传学（Epigenetics）？）？ 表观遗传学是指表观遗传学是指不需要核苷酸序列变异不需要核苷酸序列变异的基因表达的可遗传改变。的基因表达的可遗传改变。表观遗传变异是如何实现的？表观遗传变异是如何实现的？DNA

7、甲基化甲基化 DNA methylation 组蛋白共价修饰组蛋白共价修饰 Covalent modifications in Histone染色体重塑染色体重塑 Chromatin remodeling非编码非编码RNA调控调控基因表达重新编程基因表达重新编程DNA 甲基化甲基化 DNA 甲基化是在DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase，Dnmt)的作用下，以s一腺苷甲硫氨酸(sAM)为甲基供体，将甲基基团转移到胞嘧啶第5位碳原子上。甲基化的胞嘧啶多位于CpG岛上，CpG 岛是CpG集中的区域，约1 kb长，人类及哺乳动物体内约90%发生在CpG 岛。启动子区域富含Cp

8、G序列，故易发生甲基化。DNA甲基化可以在转录水平抑制基因的表达。 DNA甲基化甲基化(DNA methylation)是研究得最清楚、是研究得最清楚、 也是最重要的表观遗传修饰形式。也是最重要的表观遗传修饰形式。 DNMT1SAM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 甲基转移酶 目前，有4种可能机制解释DNA 甲基化对转录的抑制： 直接干扰特异转录因子和各种启动子识别位点的结合； 甲基化的DNA结合转录抑制因子引起基因沉默； 通过影响核小体的位置或与其染色体蛋白质相互作用而改变染色体的结构，介导转录抑制； eCP2(甲基化的CG序列结合蛋白)的C端的转录抑

9、制区域(TRD)与Sin3A结合以及恢复组蛋白脱乙酰化酶(histone deacetylase，HDAC)活性去修饰染色质，使基因转录失活，MeCP2的TRD还可以与TFB结合抑制转录。Model for methylation-dependent gene silencing. The structural element of chromatin is the nucleosomal core, which consists of a 146-bp DNA sequence wrapped around core histones. Acetylation of the histones

10、 causes an open chromatin config-uration that is associated with transcriptional activity. Methylated cytosines are recognized by methyl-CpG-binding proteins (MBDs), which in turn recruit histone deacetylases (HDACs) to the site of methylation, convert-ing the chromatin into a closed structure that

11、can no longer be accessed by the transcriptional machinery. 甲基化也是一个可逆的过程甲基化也是一个可逆的过程 基因调控元件基因调控元件(如启动子如启动子)所含所含CpG岛中的岛中的5-mC会阻碍转录因子复合体与会阻碍转录因子复合体与DNA的结合，所以的结合，所以DNA甲基化甲基化一般与一般与基因沉默基因沉默(gene silence)相相关联；关联； 而而非甲基化非甲基化(non-methylated)一般与一般与基因的活化基因的活化(gene activation)相关联。而相关联。而去甲去甲基化基化(demethylation)往

12、往与一个沉默基因的往往与一个沉默基因的重新激活重新激活(reactivation)相关联。相关联。 DNA复制酶复制酶CH3CH3CH3CH3DNA甲基甲基转移酶转移酶CH3CH3CH3CH3DNADNA复制后甲基化型的维持复制后甲基化型的维持 DNA甲基化组蛋白的共价修饰组蛋白的共价修饰 乙酰化乙酰化/去乙酰化去乙酰化 acetylation/deacetylation 甲基化（ H3-Lys9） methylation 磷酸化 ADP核苷酸化 糖基化、泛素化、羰基化等组蛋白组蛋白Histone组蛋白乙酰化组蛋白乙酰化/去乙酰化去乙酰化 组蛋白乙酰化也是一可逆的动态过程。组蛋白乙酰基转移酶(

13、HAT) 将乙酰辅酶A 乙酰基部分转移到核心组蛋白氨基末端上特定赖氨酸残基的2氨基基团。这些赖氨酸的乙酰化导致电荷的中和以及DNA 与组蛋白的分离,使核小体DNA 易于接近转录因子。在此种情况下,其他因子就可乘虚而入结合于DNA 上。 染色质是由DNA双链缠绕组蛋白及非组蛋白形成。组蛋白乙酰化后染色体处于开放状态有利于转录，且与乙酰化的组蛋白相联的DNA 片段上的基因活化_4 ；反之，组蛋白脱乙酰化可使基因表达沉默 组蛋白乙酰化的影响组蛋白乙酰化的影响 研究表明，组蛋白甲基化可以与基因抑研究表明，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，这往往制有关，也可以与基因的激活相关，这往

14、往取决于被修饰的赖氨酸处于什么位置。取决于被修饰的赖氨酸处于什么位置。 例如，组蛋白例如，组蛋白H3 Lys9H3 Lys9甲基化最终导致甲基化最终导致了基因的沉默；然而，位于了基因的沉默；然而，位于H3 Lys 4的甲基化的甲基化则与基因的活化相关联。则与基因的活化相关联。组蛋白甲基化组蛋白甲基化/去甲基化去甲基化磷酸化ATP-核苷酸化染色质重塑染色质重塑 指染色质位置和结构的变化。指染色质位置和结构的变化。主要涉及主要涉及密集的染色质丝在核小体连接处发生松解造成染密集的染色质丝在核小体连接处发生松解造成染色质解压缩，从而暴露基因转录启动子区中的顺色质解压缩，从而暴露基因转录启动子区中的顺式

15、作用元件，为反式作用蛋白（转录因子）与之式作用元件，为反式作用蛋白（转录因子）与之结合提供了一种称为可接近性（结合提供了一种称为可接近性（accesibility）的）的状态。这一过程由两类结构介导：状态。这一过程由两类结构介导：ATP依赖型核依赖型核小体重塑复合体和组蛋白修饰复合体。前者通过小体重塑复合体和组蛋白修饰复合体。前者通过水解作用改变核小体构型；后者对核心组蛋白水解作用改变核小体构型；后者对核心组蛋白N端尾部的共价修饰进行催化其中还有端尾部的共价修饰进行催化其中还有I型型DNA酶酶（DNase I）超敏性的改变。）超敏性的改变。 通常，通常，DNA甲基化、组蛋白甲基化和染色质的压缩

16、状甲基化、组蛋白甲基化和染色质的压缩状态和态和DNA的不可接近性，以及基因处于抑制和静息状的不可接近性，以及基因处于抑制和静息状态相关；而态相关；而DNA的去甲基化、组蛋白的乙酰化和染色的去甲基化、组蛋白的乙酰化和染色质压缩状态的开启，则与质压缩状态的开启，则与转录的启动、基因活化和行转录的启动、基因活化和行使功能使功能有关。这意味着，不用改变基因本身的结构，有关。这意味着，不用改变基因本身的结构，而是改变基因转录的微环境条件就可以左右基因的活而是改变基因转录的微环境条件就可以左右基因的活性：或者令其静息（性：或者令其静息（silencing），或者使其激活。），或者使其激活。其结果（表观遗传

17、现象）包括基因沉默、基因组印迹、DNA甲基化、X染色体失活（组蛋白H4不被乙酰化、 CpG岛的高度甲基化）、转座因子激活和基因组印记等多个方面。 Epigenetics is an advanced biological system that selectively utilizes genomic information and is involved in various fundamental phenomena. Specifically, it puts emphasis on the regulation of gene expression, through DNA methy

18、lation, chromatin, and post-translational modification of proteins such as histones. Arrows indicate possible functional interactions between them. DNA hypermethylation, histone hypoacetylation and inactive chromatin repress transcription. In contrast, a transcriptionally active condition may encour

19、age DNA hypomethylation, histone hyperacetylation and active chromatin. Also, a particular chromatin structure may be required for establishing DNA methylation .Too big! Apparently as a result of abnormal imprinting,the cloned lamb at left is bigger than the normal lamb at right. Cloned animals ofte

20、n have other health problems as well. 前景展望前景展望 了解人类发育机制本质了解人类发育机制本质, 影响免疫细胞分化和功能。影响免疫细胞分化和功能。免疫学中表观遗传学调控所发免疫学中表观遗传学调控所发挥的影响，波及基因、细胞和应答等不同的水平。挥的影响，波及基因、细胞和应答等不同的水平。 基因组进化基因组进化 表观遗传修饰的环境因子敏感性也许可以用来解释遗传学表观遗传修饰的环境因子敏感性也许可以用来解释遗传学上完全一样的个体（如双生子）在不同的环境中可以产生上完全一样的个体（如双生子）在不同的环境中可以产生明显的表型差异，也提示表观遗传修饰的可遗传性在基因

21、明显的表型差异，也提示表观遗传修饰的可遗传性在基因和环境的相互作用中起着重要的作用。和环境的相互作用中起着重要的作用。 表观遗传研究过程中还形成了表观遗传修饰，表观遗传突表观遗传研究过程中还形成了表观遗传修饰，表观遗传突变，表观等位基因变，表观等位基因(epialleles)，表观基因组，表观基因组，表观基因组，表观基因组学学(epigenomics)， 表观遗传病和表观基因治疗表观遗传病和表观基因治疗(epigenetic therapy)等一系列科学概念。这些概念和思等一系列科学概念。这些概念和思想已经成为哺乳动物克隆技术的进步和干细胞移植技术用想已经成为哺乳动物克隆技术的进步和干细胞移植

22、技术用于临床等应用性研究的理论先导于临床等应用性研究的理论先导前景展望前景展望 人类表观基因组协会人类表观基因组协会(Human Epigenome Consortium , HEC)于于2003 年年10月正式宣布开始投资和月正式宣布开始投资和实施了旨在解析人类全基因组中表实施了旨在解析人类全基因组中表观遗传信息及其与疾病状态相关的观遗传信息及其与疾病状态相关的特定表观遗传修饰的特定表观遗传修饰的人类表观基因人类表观基因组计划组计划(Human Epigenome Project , HEP) 。HEP 的提出和实的提出和实施施,标志着与人类发育和肿瘤疾病密标志着与人类发育和肿瘤疾病密切相关

23、的表观遗传学切相关的表观遗传学(epigenetic) 和表观基因组和表观基因组(epigenome) 研究又研究又跨上了一个新的台阶。跨上了一个新的台阶。 前景展望前景展望 表观遗传与疾病表观遗传修饰异常引起表观遗传修饰异常引起 DNA异常甲基化阻遏正常基因的转录等。异常甲基化阻遏正常基因的转录等。有两种机制：有两种机制： 1.在发育的重新编程过程中造成的特定基因表观遗传修在发育的重新编程过程中造成的特定基因表观遗传修 饰的异常，有人称之为表观突变饰的异常，有人称之为表观突变(epimutation)； 2.与表观遗传修饰的分子机器结构与功能相关与表观遗传修饰的分子机器结构与功能相关 的蛋白

24、质编的蛋白质编码基因有关的，如码基因有关的，如DNA甲基转移酶基因或差甲基转移酶基因或差 异甲基化异甲基化CpG岛结合蛋白岛结合蛋白CTCF基因的突变或表观突变。基因的突变或表观突变。Prader-Willi综合征综合征父源染色体父源染色体15q11-13区段缺失区段缺失脆性脆性X综合征综合征 (fragile-X syndrome)是一种以智力低是一种以智力低下为主要症状的遗传性智力下为主要症状的遗传性智力障碍综合征。障碍综合征。(CCG)n重复序列扩展会引起重复序列扩展会引起CCG中中CpG二联核苷的甲基二联核苷的甲基化，从而使化，从而使FMRI基因沉默。基因沉默。Beckwith-Wiedemann综合征综合征遗传学和表观遗传学调节机制异遗传学和表观遗传学调节机制异常同时作用常同时作用前景展望前景展望 表观遗传与肿瘤研究治疗 启动子序列的甲基化和组蛋白的乙酰化使基因静默。这个过程影响抑癌基因时对癌的发生也起作用 。CpG岛甲基化异常机制参与的肿瘤细胞与正常细胞相比,DNA 甲基化状态与方式存在很大差异,表