基因组表观遗传

1、10. 基因组表观遗传基因组学概论基因组学概论2遗传学：研究遗传信息的组织、表达和传递的科学，也是揭示生命本质和遗传规律的科学。基因 (gene)：含有遗传信息的可遗传单位，是编码一条多肽链的特定DNA片段。基因型 (genotype)：个体的遗传结构。表型 (phenotype)：环境条件和基因型相互作用而使个体呈现的性状。性状遗传符合一定的规律。基因组学概论3同卵双生的双胞胎虽然具有相同的DNA序列，却存在表型的差异和疾病易感性的差异。基因组学概论4以基因型为a/a的母鼠及其孕育的基因型为AVY/a的仔鼠做实验对象。孕鼠分为两组：实验组孕鼠：除了喂以标准饲料外，从受孕前两周起还增加富含甲基

2、的叶酸、乙酰胆碱等补充饲料；对照组孕鼠：只喂食标准饲料。结果实验组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。对照组孕鼠的仔鼠大多数为黄色。分析表明喂以富甲基饲料的孕鼠所产仔鼠的IAP所含CpG岛的甲基化平均水平远高于对照组，转录调控区的高甲基化使原本异位表达的基因趋于沉默，毛色也趋于棕褐色。基因组学概论5相同的基因型不同的表型基因表达模式基因组学概论6表观遗传学概念表观遗传学 (epigenetics)：研究不涉及DNA序列变异的基因表达和调控, 并且引起可遗传的表型，即能通过有丝分裂和减数分裂将改变的基因表达模式传递给子细胞或下一代的过程。

3、从根本上讲，表观遗传是环境因素和细胞内的遗传物质之间发生交互作用的结果。特点：可遗传，可逆，DNA不变基因组学概论7表观遗传学发展历史1941年：Hermann J. Muller 发现位置效应第一种表观遗传现象1942年：Waddington首次提出 epigenetics 的概念1961年：Mary Lyon发现染色体失活现象1983年：DNA甲基化的发现基因组学概论8表观遗传学研究内容基因选择性转录表达的调控DNA甲基化基因印记组蛋白修饰染色体重塑基因转录后的调控基因组中非编码RNA微小RNA (miRNA)反义RNA内含子、核糖开关等基因组学概论9表观遗传学现象“橘生淮南则为橘，生于淮

4、北则为枳，叶徒相似，其实味不同。所以然者何？水土异也。” 说明基因型相同的生物在不同的环境条件下表型有很大的差别。玉米中有一种叶鞘花色素的表型变异不涉及基因突变，可以通过等位基因的互作来改变基因的表达模式并可以传递给下一代。 这种现象成为副突变 (paramutation)。基因组学概论10遗传表观学现象遗传印记，如 “马骡”和“驴骡”由公驴和母马所生称为马骡，力大无比公马和母驴所生的后代则称为驴骡，善于奔跑基因组学概论11遗传表观学机制DNA甲基化组蛋白修饰染色质重塑RNA调控其他表观遗传机制遗传印记位置效应X染色体失活虽然表观遗传现象不涉及基因或DNA序列的改变，但表观遗传仍然有物质基础，

5、它们同DNA的序列组成、基因的空间位置、染色质的构型变化和DNA的碱基修饰有关。基因组学概论12一、DNA甲基化DNA甲基化 (methylation) 是研究的最清楚、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 (C) 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)。基因组学概论13一、DNA甲基化脊椎动物基因组中约60%80%CpG双核苷酸 (dinucleotide) 的胞嘧啶被甲基化。被子植物中，甲基化位置主要出现在CpG和CpNpG回文对称序列（ 反向互补序列 与原来序列一致），大约20%30%的胞嘧啶

6、被甲基化。酵母与果蝇基因组中很少检测到甲基化CpG。这两种生物并不依赖DNA甲基化的方式来控制基因活性，他们采用其他的机制来达到同一目的。在结构基因的5端调控区域，CpG双核苷酸常常以成簇串联形式排列，这种富含CpG双核苷酸的区域成为CpG岛 (CpG islands)，其大小为500-1000bp，约56%的编码基因含有该结构。基因组学概论14CpG岛主要处于基因5端调控区域。启动子区域的CpG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。目前认为基因调控元件 (如启动子) 的CpG岛发生甲基化修饰会在空间上阻碍转录因子复合体与DNA的结合。因而DNA甲基化一般与基因沉默相

7、关联。基因组学概论15一、DNA甲基化基因组的甲基化模式可影响表型，并能通过体细胞遗传，但不改变细胞的基因型。基因调控元件 (如启动子)所含CpG岛中的甲基化会阻碍转录因子复合体与DNA的结合。DNA甲基化一般与基因沉默相关联；非甲基化一般与基因的活化相关联；而去甲基化往往与一个沉默基因的重新激活相关联。基因组学概论16DNA甲基化的转录抑制机制直接干扰特异转录因子与各自启动子结合的识别位置。转录抑制复合物干扰基因转录。通过改变染色质结构而抑制基因表达。染色质构型变化伴随着组氨酸的乙酰化和去乙酰化，许多乙酰化和去乙酰化本身就分别是转录增强子和转录阻遏物蛋白质。基因组学概论17DNA甲基化状态的

8、遗传和保持依赖于DNA甲基化的基因调控在多细胞生物的细胞分化与生长发育中起重要作用，当细胞进入下一发育阶段时，必须打开新的基因，关闭不再需要的基因。如果这些程序发生差错，将产生严重后果，如细胞癌变。DNA复制后，新合成链以旧链为模板进行甲基化。甲基化并非基因沉默的原因，而是基因沉默的结果；其以某种机制识别沉默基因，然后进行甲基化。教材：图10.11基因组学概论18表观遗传学机制DNA甲基化组蛋白修饰染色质重塑RNA调控其他表观遗传机制遗传印记位置效应X染色体失活基因组学概论19二、组蛋白修饰核小体是染色质的基本结构单位，其核心八聚体并非只是简单的结构成分，它们也参与基因的表达调控（与DNA结合

9、可以阻止转录因子的接触）。基因组学概论20核小体组蛋白修饰是表观遗传研究的另一个重要内容。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。基因组学概论21染色质某一区段自然状态下，组蛋白质的N端或C端肽链可以伸入DNA双螺旋分子的大小沟槽中，覆盖邻近的基因。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。基因组学概论22组蛋白修饰种类乙酰化 (acetylation)：一般与活化的染色

10、质构型相关联，乙酰化修饰大多发生在H3、H4的Lys赖氨酸残基上。甲基化 (methylation)：发生在H3、H4的Lys赖氨酸和Arg精氨酸残基上，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。磷酸化 (phosphorylation)：发生与Ser丝氨酸残基，一般与基因活化相关。泛素化 (ubiquitylation)：一般是C端Lys修饰，启动基因表达。其他修饰基因组学概论23基因组学概论24组蛋白密码 (histone code)组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型被称为组蛋白密码 (histone code)，是遗传密码的表观遗传学延伸，决定了

11、基因表达调控的状态，并且可以遗传。基因组学概论25表观遗传学机制DNA甲基化组蛋白修饰染色质重塑RNA调控其他表观遗传机制遗传印记位置效应X染色体失活基因组学概论26三、染色质重塑 (chromatin remodeling)染色质重塑是一种重要的表观遗传学机制。染色质重塑是由 染色质重塑复合体 介导的一系列以核小体变化为基本特征的生物学过程，染色质由收缩状态向伸展开放状态转变。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，使转录因子接触DNA或排除在核小体之外，从而控制邻近基因的表达。基因组学概论27染色质重塑分为共价修饰型和ATP依赖型基因组学概论28遗传表观学机

12、制DNA甲基化组蛋白修饰染色质重塑RNA调控其他表观遗传机制遗传印记位置效应X染色体失活基因组学概论29四、RNA调控1995年， RNA干扰 (RNAi) 现象首次在线虫中发现。1998年，RNAi概念首次提出。2001年，RNAi技术成功诱导培养的哺乳动物细胞基因沉默现象。RNAi技术被Science评为2001年度的十大科技进展之一。至今，RNAi成为分子生物学领域最为热门的方向之一。基因组学概论30四、RNA调控RNA干扰 (RNAi) 作用是生物体内的一种以双链RNA分子为调控元件，在mRNA水平上诱导特异性序列基因沉默的过程。由于RNAi发生在转录后水平，所以又称为转录后基因沉默

13、(post-transcriptional gene silencing)。RNAi是一种重要而普遍的表观遗传现象，包含两种重要的RNA分子，siRNA和miRNA。基因组学概论31遗传表观学机制DNA甲基化组蛋白修饰染色质重塑RNA调控其他表观遗传机制遗传印记位置效应X染色体失活基因组学概论32五、其他表观遗传机制除DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和RNA调控以外，还有遗传印记、X染色体失活、转座、副突变等。遗传印记、X染色体失活的本质仍为DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质重塑。基因组学概论33遗传印记或基因组印记遗传印记，又称为基因组印记 (genomic impriting)：依赖于父

14、、母源性的等位基因的差异性表达，即父亲和母亲的基因组在个体发育中有着不同的影响。两个亲本的等位基因差异性甲基化是基因组印记现象的基础。基因组学概论34遗传表观学现象遗传印记，如 “马骡”和“驴骡”由公驴和母马所生称为马骡，力大无比公马和母驴所生的后代则称为驴骡，善于奔跑基因组学概论35普拉德-威利症候群天使人症候群 基因组学概论36表观遗传密码最主要的两个因素DNA甲基化修饰碱基，从而抑制基因活性组蛋白密码组蛋白是核小体的核心成分。组蛋白尾部的某些氨基酸的化学修饰，可作为一种标记被特别的蛋白质识别结合，导致核小体重排和染色质结构的改变，影响基因的表达。基因组学概论37表观遗传密码表观遗传密码

15、(epigenetic code) 是一种假说，表示每个真核细胞所具有的表观遗传修饰的总和，由所有组蛋白密码 (histone code) 和DNA甲基化修饰组成。就个体而言，所有细胞的遗传密码是相同的，但不同的组织细胞所含有的表观遗传密码是不同的。在个体生长与发育过程中，细胞的染色质状态总是处于不断变化中。因此，染色质表观遗传状态具有动态的可变的特性。这也意味着，组蛋白的修饰模式也应该是可逆的，以便适应染色质结构的动态变化。基因组学概论38遗传：DNA模板的突变表观遗传：通过组蛋白修饰 (mod)、染色质重塑 (remodeler)、DNA甲基化 (Me)和非编码RNA等方式在染色质结构上发

16、生的可遗传的变异。组蛋白的修饰模式应该是可逆的。总结：遗传和表观遗传作业中英互译epigenetics名词解释表观遗传表观遗传密码选择题等 （见下页）基因组学概论40作业 (续)单选题同卵双生的双胞胎虽然具有相同的DNA序列，却存在表型的差异和疾病易感性的差异。这种现象可用哪种机制来解释？ A. 遗传。 B. 表观遗传。 C. 物种进化。 D. DNA突变。“橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳，叶徒相似，其实味不同。所以然者何？水土异也”。这种现象可用哪种机制来解释？ A. 遗传。 B. 表观遗传。 C. 物种进化。 D. DNA突变。基因组学概论41作业 (续)判断题就个体而言，所有细胞的遗传密码是相同的，但不同的组织细胞所含有的表观遗传密码是不同的。（）DNA甲基化一般与基因沉默相关联。（）甲基化往往与一个沉默基因的重新激活相关联。（）染色质重塑是一种重要的表观