医学遗传学课件：表观遗传学

1、表观遗传学 表观遗传学的发现 表观遗传学的发现奥利维亚（左）与伊莎贝拉 表观遗传学的发现杰克阿姆斯壮和汤姆阿姆斯壮 表观遗传学的发现Ian WilmutDolly多莉：生于1996年7月5日，死于2003年2月14日 表观遗传学的发现Epigenetic differences：monozygotic twins 表观遗传学的发现 由于Agouti基因 (A)编码一种旁分泌的信号分子能使毛囊黑色素细胞从合成黑色素转为合成黄色素，因此在鼠毛生长的中间阶段，A基因的一过性短暂表达在每根鼠毛的毛尖下方形成黄色条带，使野生型Agouti小鼠呈现特征性的棕褐色。 Jirtle RWaterland RA

2、 表观遗传学的发现 在A基因5端上游插入了一个源自逆转座子的IAP (intracisternal A particle)序列后，使A基因受隐含在IAP中的启动子调控而持续异位表达，从而造成携有该突变的小鼠毛色变黄，插入了IAP的A基因称为AVY等位基因(Agouti viable yellow gene allele)。 表观遗传学的发现 以基因型为a/a的母鼠及其孕育的基因型为AVY/a的仔鼠作实验对象。孕鼠分为两组，试验组孕鼠除喂以标准饲料外，从受孕前两周起还增加富含甲基的叶酸、乙酰胆碱等补充饲料，而对照组孕鼠只喂饲标准饲料。结果实验组孕鼠产下的仔鼠大多数在身体的不同部位出现了大小不等的

3、棕色斑块，甚至出现了以棕褐色为主要毛色的小鼠。而对照组孕鼠的仔鼠大多数为黄色。 表观遗传学的发现 以基因型为a/a的母鼠及其孕育的基因型为AVY/a的仔鼠作实验对象。孕鼠分为两组，试验组孕鼠除喂以标准饲料外，从受孕前两周起还增加富含甲基的叶酸、乙酰胆碱等补充饲料，而对照组孕鼠只喂饲标准饲料。结果实验组孕鼠产下的仔鼠大多数在身体的不同部位出现了大小不等的棕色斑块，甚至出现了以棕褐色为主要毛色的小鼠。而对照组孕鼠的仔鼠大多数为黄色。 表观遗传学表观遗传(epigenetic inheritance)： 通过有丝分裂或减数分裂来传递非DNA序列信息的现象。表观遗传学(epigenetics)：则是研

4、究不涉及DNA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型的过程和机制的一门新兴的遗传学分支。 可遗传的，即这类改变通过有丝分裂或减数分裂，能在 细胞或个体世代间遗传； 可逆性的基因表达调节，也有较少的学者描述为基因活 性或功能的改变； 没有DNA序列的改变或不能用DNA序列变化来解释。 表观遗传学 1942 年沃丁顿 (Wadding ton) 在 Endeavour 杂志首次提出表观遗产学。 基因型的遗传(heredity)或传承(inheritance)是遗传学研究的主旨 ,而基因型产生表型的过程则是属于表观遗传学研究的范畴。表型基因型 表观遗传学基因表达模式一个

5、多细胞生物机体的不同类型细胞相同的基因型 不同的表型 表观遗传学基因表达模式 (gene expression pattern) 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。 基因表达模式在细胞世代之间的可遗传性并不完全依赖细胞内DNA的序列信息。 表观遗传学 1987 年 ,霍利德( Holliday) 指出可在两个层面上研究高等生物的基因属性。第一个层面是基因的世代间传递的规律 遗传学。第二个层面是生物从受精卵到成体的发育过程中基因活性变化的模式 表观遗传学。 表观遗传学遗传与表观遗

6、传 表观遗传学的机制组蛋白修饰2RNA 调 控3DNA 甲基化1 表观遗传学的机制DNA甲基化 DNA甲基化(DNA 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，5-mC)。S-腺苷蛋氨酸DNA甲基转移酶DNMT1（维持） DNMT3a和 DNMT3b （从头) 表观遗传学的机制DNA甲基化 表观遗传学的机制DNA甲基化 结构基因5端附近富含CpG二联核苷的区域称为CpG岛(CpG islands)。 表观遗传学的机制DNA甲基化CH3 D

7、NA复制酶CH3CH3CH3DNA甲基转移酶CH3CH3CH3CH3DNA复制后甲基化型的维持 表观遗传学的机制DNA去甲基化 主动去甲基化 表观遗传学的机制DNA去甲基化 复制相关的去甲基化 表观遗传学的机制甲基化的转录调控 直接抑制基因表达 表观遗传学的机制甲基化的转录调控 直接抑制基因表达 表观遗传学的机制甲基化的转录调控 直接抑制基因表达 表观遗传学的机制甲基化的转录调控 间接抑制基因表达 MeCP1 and MeCP2能够与甲基化的DNA结合 MeCP2能够招募Sin3a, HDACs，形成复合物，阻遏转录 表观遗传学的机制DNA甲基化的转录调控 间接抑制基因表达 表观遗传学的机制组

8、蛋白的化学修饰核小体：DNA序列缠绕在核心组蛋白的八聚体上 表观遗传学的机制组蛋白的化学修饰染色质构型和基因转录的关系 表观遗传学的机制组蛋白的化学修饰组蛋白化学修饰 表观遗传学的机制组蛋白的化学修饰 表观遗传学的机制组蛋白的化学修饰 组蛋白密码（histone code）：组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型，为遗传密码的表观遗传学延伸，决定了基因表达调控的状态，并且可遗传。 表观遗传学的机制组蛋白的化学修饰 组蛋白修饰种类：1. 乙酰化- 一般与活化的染色质构型相关联，乙酰化修饰大多发生在H3、H4的 Lys 残基上。2. 甲基化- 发生在H3、H4的 Lys 和 Asp 残基上，可

9、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。3. 磷酸化- 发生与 Ser 残基，一般与基因活化相关。4. 泛素化- 一般是C端Lys修饰，启动基因表达。5. SUMO（一种类泛素蛋白）化- 可稳定异染色质。其他修饰 表观遗传学的机制组蛋白的化学修饰 表观遗传学的机制组蛋白的化学修饰 表观遗传学的机制组蛋白的化学修饰组蛋白乙酰化、甲基化以及DNA甲基化的关系 MBD结合甲基化的DNA, 招募HDAC, 组蛋白去乙酰化, 招募HMT, 甲基化组蛋白, 转录沉默； 组蛋白无乙酰化修饰, MBD结合甲基化的DNA, 再与SET结合，甲基化组蛋白 甲基化的组蛋白尾部招募D

10、NMT，对基因长期沉默。 表观遗传学的机制组蛋白的化学修饰转录状态向沉默状态转变 表观遗传学的机制组蛋白的化学修饰 表观遗传学的机制小RNA的调节作用shRNAs（short heterochromatic RNAs）调节异染色质形成 表观遗传学的现象基因组印迹 表观遗传学的现象基因组印迹案例1956年A.Prader 和H.Willi 父源染色体15q11-13区段缺失 表观遗传学的现象基因组印迹案例帕德维利综合症 常染色体显性遗传病 典型的帕德维利综合症的临床症状有胎儿期胎动减少，肥胖，肌张力低下，脑发育延迟，身材矮小，性腺发育延迟和手足短小。 分子遗传学基础是缺失一个或多个父源15p印迹

11、区的基因或母源单亲二倍体，因为母源该区域的基因被印迹后失活（通常是因为甲基化）。由于缺失突变所致的帕德维利综合症占全部病例的70-80%。 表观遗传学的现象基因组印迹案例 Angelman综合征(AS) 1968年H.Angelman发现，表现为快乐的木偶、极爱傻笑、蹦蹦跳跳、极跳极停、严重智力低下；经检查，母源染色体15q11-13区段缺失。 表观遗传学的现象基因组印迹 父亲和母亲的基因组在个体发育中有着不同的影响，这种现象被称为基因组印迹(genomic imprinting)。 近年研究表明，基因组印迹是两个亲本等位基因的差异性甲基化型造成了一个亲本等位基因的沉默，另一个亲本等位基因保持

12、单等位基因活性(monoallelic activity)。 表观遗传学的现象基因组印迹印迹基因特征1.通常成簇出现，由一个印记控制元件 (imprint control element, ICE) 所调控， 也称为印记控制区域 (imprint control region, ICR) 或者印记中心(imprinting centre, IC)。2.一个簇中一般有3-11个印记基因，绝大多数编码可表达蛋白质的基因，至少有一个起拮抗作用的ncRNA基因，具有双亲特异性的表达模式。 3.绝大多数都有能够发生DNA甲基化的CpG islands，在其内或附近通常有成簇的、有向的重复片段。4.具有等

13、位基因差异甲基化区域 (differentially methylated regions, DMRs)。父系的拷贝较早发生复制。 表观遗传学的现象基因组印迹KCNQ1OT1KCNQ1IGF2-H19PWS/ASSNURF-SNRPNUBE3A-UBE3A-AS表达模式:母系父系双等位未知 表观遗传学的现象基因组印迹表观遗传案例未发生甲基化的ICE (母系) 染色质的绝缘子 在内胚叶中与CTCF (CCCTC-binding factor)结合阻止增强子与Igf2的启动子发生作用允许增强子与H19的启动子发生作用CTCF与未甲基化的DNA结合，从而使之不发生甲基化甲基化的ICE (父系)H19

14、的启动子沉默阻止CTCF的结合 表观遗传学的现象基因组印迹印迹基因的DNA甲基化型在生殖细胞成熟过程中的建立原始性细胞（2n）配子（n）合子（2n） 表观遗传学的现象X染色体失活 1961年M.F.Lyon就提出了关于雌性哺乳动物体细胞的两条X染色体中会有一条发生随机失活的假说，并认为这是一种基因剂量补偿的机制。以后的研究表明在给定的体细胞有丝分裂谱系中，有一条X染色体是完全失活并呈异染色质状态，而在另一个细胞谱系中同一条X染色体又可以是活化的且呈常染色质状态。 表观遗传学的现象X染色体失活雌性的一条X染色体完全失去活性RainbowCopy CatAllieX染色体失活 表观遗传学的现象X染

15、色体失活失活X染色体特点组蛋白H4不被乙酰化CpG岛的高度甲基化 表观遗传学的现象X染色体失活X染色体失活过程模式图 表观遗传学的现象染色质重塑1. 常染色质：基因表达活跃的区域，染色体结构较为疏松2. 异染色质：基因表达沉默的区域，染色体结构致密核小体常染色质异染色质 表观遗传学的现象染色质重塑1. 常染色质：基因表达活跃的区域，染色体结构较为疏松2. 异染色质：基因表达沉默的区域，染色体结构致密核小体常染色质异染色质 表观遗传学的现象染色质重塑染色质重塑的假设步骤1. 两类酶调控染色质重塑的过程：组蛋白修饰因子 (histone modifiers) 以及ATP依赖的染色质重塑因子 (chromatin remodelers)2.组蛋白修饰因子并不改变核小体的位置，而是在DNA上作标记，以招募其他的活性成分 (组蛋白密码) 3.染色质重塑因子：水解ATP释放能量，从而改变染色质的结构4.染色质重塑因子复合物 表观遗传学的现象染色质重塑染色质重塑因子核小体 表观遗传学的现象染色质重塑组蛋白的乙酰转移酶的结合活化相应区域去凝聚状态的染色质 表观遗传学的现象染色质重塑组蛋白乙酰化酶染色质重塑复合物组蛋白去乙酰化酶染色质重塑复合物 表观遗传学的现象染色质重塑组蛋白乙酰化酶染色质重塑复合物组蛋白去乙酰化酶染色质重塑复合物 表观遗传学的现象染色质重塑 表观遗传学我们在想Str