表观遗传学2016课件

1、表观遗传学（Epigenetics）园艺学院遗传育种教研室王 平NA 双螺旋结构的发现和重组DNA 技术、PCR 技术的产生促进了分子遗传学的发展。几十年来,人们一直认为基因决定着生命过程中所需要的各种蛋白质,决定着生命体的表型。但一些问题一直困扰着：不同类型细胞是怎样决定的？我们知道，一个生物机体的每一个细胞都来源于受精卵，所以，机体的基因型是完全一样的。然而不同类型的细胞之间存在着基因表达模式的差异。也就是说，决定机体各种细胞类型差异的不是基因本身，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（比如保证肝细胞分裂产生的细胞都是

2、肝细胞），对于整个机体的结构和功能协调至关重要。 同卵双生的差异是怎样形成的？随着研究的不断深入,科研人员也发现一些无法解释的现象:马、驴正反交的后代差别较大;同卵双生的两人具有完全相同的基因组, 在同样的环境中长大后,他们在性格、健康等方面会有较大的差异,并不符合经典遗传学理论预期的情况。7表观遗传变异(epigenetic variation) 是指,在基因的DNA 序列没有发生改变的情况下,基因功能发生了可遗传的变化,并最终导致了表型的变化。如DNA甲基化和染色质构象变化等。它是不符合孟德尔遗传规律的核内遗传。两类遗传信息：由此可以认为,基因组含有两类遗传信息：一类是传统意义上的遗传信息

3、,即DNA 序列所提供的遗传信息；另一类是表观遗传学信息,它提供了何时、何地、以何种方式去应用遗传信息的指令。表观遗传学信息：本身不改变基因的序列，但可以通过基因修饰，蛋白质与蛋白质、DNA和其它分子的相互作用，而影响和调节遗传的基因的功能和特性，并且通过细胞分裂和增殖周期影响遗传的一门新兴学科。因此表观遗传学又称为化学遗传学、特异性遗传学、后遗传学和基因外调节系统，它是生命科学中一个普遍而又十分重要的新的研究领域。16161975年，Hollidy R 对表观遗传学进行了较为准确的描述。他认为表观遗传学不仅在发育过程，而且应在成体阶段研究可遗传的基因表达改变，这些信息能经过有丝分裂和减数分裂

4、在细胞和个体世代间传递，而不借助于DNA序列的改变，也就是说表观遗传是非DNA序列差异的核遗传。欧洲流行病学调查显示出人类的表观遗传学现象，才引起公众关注。最著名的一个研究来自瑞典，根据历史记录，研究发现，在青春期前曾遭遇饥荒的男性，比那些富裕家庭的男性，孙子辈发生心脏病和糖尿病的几率明显降低。所谓爷爷幼年挨饿，孙子不容易糖尿病。2005年英国的类似研究发现，父亲11岁以前吸烟，儿子容易超重。雄性大鼠父亲高脂饮食，可从其女儿胰腺组织的DNA上发现异常甲基化。雄性大鼠父亲低蛋白饮食（最近就有人发现低蛋白饮食可以长寿），其后代肝脏胆固醇基因表达发生改变。而糖尿病前期小鼠的精子细胞DNA存在异常甲基

5、化，后代发生糖尿病的危险性增加。瑞典隆德大学的研究人员进行的一项研究表明，2型糖尿病患者的DNA具有表观遗传学变化，而健康人群的DNA则没有这些变化。研究人员还发现，大量基因的表观遗传学改变，可引起胰岛素的分泌减少，从而导致2型糖尿病的发病。相关研究结果发表在2014年3月6日的PLOSGenetics杂志2022年9月11日232022年9月11日相同的基因型 不同的表现型 基因表达模式2324基因表达模式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

6、并不依赖细胞内DNA的序列信息。基因表达模式由表观遗传修饰决定。从目前的研究来看, DNA甲基化、染色质重塑、组蛋白修饰、基因组印记、X染色体剂量补偿、RNA干扰、非编码RNA、表观基因组学和人类表观基因组计划等问题都是表观遗传学研究的内容。表观遗传通过有丝分裂或减数分裂来传递。 26概 述表观遗传学的研究内容：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、核糖开关等基因选择性转录表达的调控DNA甲基化染色质重塑组蛋白共价修饰基因印记26Quiz, J. nature. 2006二、DNA甲基化DNA甲基化是生物关闭基因表达的一种有效手段，也是印迹遗传的主要机制

7、之一；基因的去甲基化可以使基因活化，但也有可能使得印迹丢失，基因过度表达，甚至引起肿瘤或癌症的发生，如促肿瘤生长因子IGF2基因过度表达引发大肠癌。甲基化是基因组DNA 的一种主要表观遗传修饰形式,是调节基因组功能的重要手段。在脊椎动物中, CpG二核苷酸是DNA 甲基化发生的主要位点。CpG常成簇存在,人们将基因组中富含CpG的一段DNA 称为CpG岛(CpG island) ,通常长度在1kb2kb 左右。正常情况下，人类基因组“ 垃圾”序列的CpG二核苷酸相对稀少，并且总是处于甲基化状态。与之相 反，人类基因组中大小为1001000 bp 左右且富含CpG二核苷酸的CpG岛则总是处于未甲

8、基化状态，并且与56% 的人类基因组编码基因相关。人类基因组序列草图分析结果表明， 人类基因组CpG岛约为28890个，大部分染色体每1 Mb（megabase ）就有515个CpG岛，平均值为每Mb含10.5个CpG岛，CpG岛的数目与基因密度有良好的对应关系。 由于DNA甲基化与人类发育和肿瘤疾病的密切关系， 特别是CpG岛甲基化所致抑癌基因转录失活问题，DNA甲基 化已经成为表观遗传学和表观基因组学的重要研究内容。20143434DNA甲基化状态的保持DNA主动去甲基化DNA全新甲基化353553CpG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

9、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岛中发生5mC修饰会在空间上阻碍转录因子复合物与DNA的结合。因而DNA甲基化一般与基因沉默相关联。Rb基因CpG 频率体内甲基化状态有三种:持续的低甲基化状态, 如持家基因;诱导的去甲基化状态,如发育阶段中的一些基因;高度甲基化状态,如女性的一条缢缩的X染色体。DNA 甲基化主要是通过DNA 甲基转移酶家族(DNA methyltransferase, Dnmt ) 来催化。37DNA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。37DNA 甲基转移酶分两种:一种是维持

10、甲基化酶，Dnmt 1 ;另一种是重新甲基化酶如 Dnmt 3a 和Dnmt 3b ，它们使去甲基化的 CpG 位点重新甲基化。在细胞分化的过程中,基因的甲基化状态将遗传给后代细胞。但在哺乳动物的生殖细胞发育时期和植入前胚胎期，其基因组范围内的甲基化模式通过大规模的去甲基化和接下来的再甲基化过程发生重编程，从而产生具有发育潜能的细胞。 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

11、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。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该呈异位表达的基因趋于沉默，毛色也趋于棕褐色。 甲基化功能：（一） 宿主防御模型：抑制转座子的活性1） 转座子的甲基化2） 人类基因组45% 的区域是转座子3） 高度甲基化，细胞中90% 的甲基化CpG 位于转座子中4） 转座子的活性：对机体非常有害（二）基因调控模型1. DNA 甲基化的主要功能：转录沉默 (silencing transcription) (1) 基因的启动子区域通常被甲基化修饰； (2) 建立

12、特定的基因表达模式：组织特异性、生殖特异性 (3) 基因印记、X 染色体失活。2. DNA 甲基化抑制基因转录的机制： (1) 干扰转录因子对DNA 元件的识别和结合； (2) 将转录因子的DNA 识别序列转变为阻抑物的识别序列； (3) DNA 甲基化有利于招募染色质重塑或修饰因子 3. DNA 甲基化：是转录沉默的结果和维持 ，而不是原因。DNA甲基化对植物生长发育的调节在植物正常生长发育过程中的不同时期、 不同组织， DNA 甲基化水平的差异是必然的。研究表明，造成植物异常发育的主要原因之一是 DNA 去甲基化。在转基因的拟南芥中，去甲基化可以引起表型的巨大变异; 人们在研究云兰属植物

13、inaria vulgaris 的过程中发现控制花形状的 lcyc 基因甲基化水平很高， 但是该基因不能表达，从而使得花的形状由左右对称变为辐射状。基于前人广泛对于植物 DNA 甲基化程度研究，发现其大致处在 4.1630 范围内。大量去甲基化的研究表明，在植物生长发育中，随着时间的增加，组织器官会发生组织特异性，为了保证这种组织特异性就需要与组织特异性相关的基因能正常表达，而与之不相关的基因失活。说明在植物中 DNA 甲基化发生可能与组织特异性有关，而去甲基化则可能与基因活化有关。总之，在植物基因组 DNA 甲基化与去甲基化共同作用保证植物正常生长发育。甲基化与体细胞无性系变异在对组织培养过

14、程中总甲基化的改变进行研究时，发现再生植株及其后代的 DNA 甲基化模式变异很大。在对组织培养诱发油椰子基因组表观遗传变异的研究中，比较正常植株、离体组织培养苗以及再生植株基因组范围的 DNA 甲基化分布和结构。结果表明，其表型是与基因组成分的甲基化模式的改变有关，暗示 DNA 甲基化变异在组织培养诱导的体细胞无性系变异中确实起重要作用。甲基化与植物春化作用及开花甲基化和春化与促进提早开花的机制密切相关 。在亚麻开花研究中发现，控制早花型的3个基因位点经常发生甲基化，在正常发育阶段，这些位点的去甲基化将导致相变的发生 。用 5- azaC 处理亚麻后，植株的株高明显降低，开花时间提早 713

15、d 。这说明低温春化促进开花可能是因为诱导开花有关的基因或其启动子发生去甲基化而进行表达，又使抑制开花的基因重新甲基化而关闭表达，从而诱导植物提早开花。例如冷处理通过 2个明显的甲基化事件抑制开花抑制基因 FLC 活性，从而促进开花。DNA甲基化与植物抗逆性植物在遭遇逆境(低温胁迫、干旱、重金属等)的情况下，基因组 DNA 甲基化可以维持植物基因组功能稳定，防御逆境对植物功能基因的表达造成影响。研究发现对水稻冷处理 48h 后甲基化模式和水平则发生明显改变，与之对应的基因组中一些 CG 位点有的发生了去甲基化、有的发生了重新甲基化;对豌豆进行干旱胁迫， 发现其基因组的 DNA 甲基化水平明显增

16、强;对小麦盐敏感品种、 耐盐品种幼苗进行相同浓度的盐胁迫处理， 发现耐盐品种根和叶片中 5mC 均高于盐敏感品种， 相应的甲基化程度前者也高于后者。这可能是在盐胁迫时能使得 DNA 甲基化水平改变， 从而诱导有关基因的表达， 植物增强抗盐性。甲基化与杂种优势Hepburn 等分析认为,自交能导致甲基化程度的逐渐积累而杂交能使甲基化程度得以解除或重新编排。水稻杂交种及其亲本基因组研究结果表明,虽然总体上甲基化程度与杂种优势不相关,但某些特异位点上甲基化程度的改变却对杂种优势有显著的效应。杂交种与亲本间不同的 DNA 甲基化模式可能是杂种优势表达的一个原因。对那些杂种优势有效应的甲基化片断(染色体

17、区段) 测序分析并推测 , DNA 甲基化可能主要发生在非编码区 ,尤其是调控区 ,或启动子序列区段的 CpG 岛,它调控着一些可能与杂种优势有关的基因的表达。另外,有的位点甲基化降低对杂种优势有利,而有的位点上甲基化增强对杂种优势有利。说明杂种优势产生过程中,并不仅仅是一些基因表达增强是有利的 ,某些基因受到抑制也是有利的。甲基化与核仁显性在植物多倍化过程中有一个突出的表观遗传现象就是核仁显性 。种间杂种和(或) 新合成的异源多倍体中，源于一个亲本的核仁组织区(NOR) 形成核仁而另一个亲本的 NOR 无活性，这一现象称为核仁显性。例如，在芸苔属异源多倍体植物的营养器官中通常只有一个亲本的r

18、RNA 基因具有活性，另一个亲本的 rRNA 基因被抑制；但在花器官中，被抑制的 rRNA 基因却能正常表达。可见，这是不同发育阶段特殊的调控机制而引发的表观遗传性基因沉默，核仁显性与正反交、染色体倍性、rRNA 基因剂量无关。甲基化与衰老Baurens 等采用 HPLC 对马占相思幼嫩叶的微芽及成熟叶片微芽的基因组 DNA 进行全基因组甲基化水平检测，结果表明前者的基因组 DNA 甲基化程度为 22. 4 ，后者的基因组 DNA 甲基 化 程 度 则 为20.7 ;Fraga 等通过实验证明植株成年、幼年状态与植株基因组 DNA 甲基化水平的高低有着明显关系。通过对辐射松幼年个体和成年植株的

19、基因组 DNA 甲基化水平进行检测，发现幼年个体 DNA 甲基化水平为30 50，成年个体 DNA 甲基化水平为 60，这一结果与上述趋势相反，结合上述实验只能说明植物DNA 甲基化与植株衰老可能有某种关系，但并非呈正相关或负相关。DNA 甲基化影响到基因的表达,与肿瘤的发生密切相关。甲基化状态的改变是致癌作用的一个关键因素，它包括基因组整体甲基化水平降低和CpG岛局部甲基化程度的异常升高，这将导致基因组的不稳定(如染色体的不稳定、可移动遗传因子的激活、原癌基因的表达)。把癌基因组学与表观遗传学的研究结合起来，是癌症研究的发展趋势。人类的一些癌症常出现整个基因组DNA 的低甲基化，但人们并不清

20、楚这种表观遗传变化是肿瘤产生的诱因还是结果。研究者构建了携带低表达水平Dnmt 1 基因的小鼠,对它的研究结果显示，DNA 低甲基化可能通过提高染色体的不稳定性来促进肿瘤的形成。同时指出，通常使用DNA 甲基转移酶抑制剂来治疗人和小鼠的癌症，其疗效可能是由于这些抑制剂恢复了肿瘤抑制基因的活性。但是这种导致DNA 低甲基化的治疗方式，可能在防止一些癌症发生的同时，也会造成基因组的不稳定并增加其他组织罹患癌症的风险。这些都是需要继续深入研究的问题 。三、染色质重塑染色质重塑（chromatin remodeling）是一个重要的表观遗传学机制。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

21、小体变化为基本特征的生物学过程。58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。染色质结构重塑可以使启动子和转录因子等能够结合到染色质上，改变染色质对核酶的敏感性。染色质重组过程中，核小体滑动可能是一种重要机制，他不改变核小体结构，但改变核小体与DNA 的结合位置。在重组过程中，核小体的组蛋白核可能与DNA 分离，然后核小体经过重排，结构变化后，与DNA 重新组装，产生新的结构形式，整个过程是可逆的，受其他因子调节，某些因子可决定反应进行方向。2022年9月11日60核小体61核小体定位是核小体在DNA上特异性定位的现象。核小体核心DNA并不是随

22、机的，其具备一定的定向特性。核小体定位机制：内在定位机制：每个核小体被定位于特定的DNA片断。外在定位机制：内在定位结束后，核小体以确定的长度特性重复出现。核小体定位的意义：核小体定位是DNA正确包装的条件。核小体定位影响染色质功能。2022年9月11日63重塑因子调节基因表达机制的假设有两种: 机制1：一个转录因子独立地与核小体DNA 结合(DNA可以是核小体或核小体之间的), 然后, 这个转录因子再结合一个重塑因子, 导致附近核小体结构发生稳定性的变化, 又导致其他转录因子的结合, 这是一个串联反应的过程; （重建）机制2：由重塑因子首先独立地与核小体结合, 不改变其结构, 但使其松动并发

23、生滑动, 这将导致转录因子的结合, 从而使新形成的无核小体的区域稳定。 （滑动）2022年9月11日65染色质修饰与重塑（共价修饰型与ATP依赖型）依赖的染色质重塑与人类疾病染色质重塑复合物依靠水解ATP提供能量来完成染色质结构的改变，根据水解ATP的亚基不同，可将复合物分为SWI/SNF复合物、ISW复合物以及其它类型的复合物。这些复合物及相关的蛋白均与转录的激活和抑制、DNA的甲基化、DNA修复以及细胞周期相关。染色质重塑异常引发的人类疾病是由于重塑复合物中的关键蛋白发生突变，导致染色质重塑失败，即核小体不能正确定位，并使修复DNA损伤的复合物，基础转录装置等不能接近DNA，从而影响基因的

24、正常表达。如果突变导致抑癌基因或调节细胞周期的蛋白出现异常将导致癌症的发生。ATRX、ERCC6、SMARCAL1均编码与SWI/SNF复合物相关的ATP酶。ATRX突变引起DNA甲基化异常导致数种遗传性的智力迟钝疾病。如：X连锁-地中海贫血综合征、Juberg-Marsidi综合征、Carpenter-Waziri综合征、Sutherland-Haan综合征和Smith-Fineman-Myers综合征，这些疾病与核小体重新定位的异常引起的基因表达抑制有关。ERCC6的突变将导致Cerebro-Oculo-Facio-Skeletal综合征和B型Cockayne综合征。前者表现为出生后发育异

25、常、神经退行性变、进行性关节挛缩、夭折；后者表现出紫外线敏感、骨骼畸形、侏儒、神经退行性变等症状。这两种病对紫外诱导的DNA损伤缺乏修复能力，表明ERCC6蛋白在DNA修复中有重要的作用。SMARCAL1的突变导致Schimke免疫性骨质发育异常，表现为多向性T细胞免疫缺陷，临床症状表明SMARCAL1蛋白可能调控和细胞增殖相关的基因的表达。BRG1、SMARCB1和BRM编码SWI/SNF复合物特异的ATP酶，这些酶通过改变染色质的结构使成细胞纤维瘤蛋白(Retinoblastoma protein, RB蛋白)顺利的行使调节细胞周期、抑制生长发育以及维持基因失活状态的功能，这三个基因的突变

26、可导致肿瘤形成。组蛋白的修饰可通过影响组蛋白与DNA双链的亲和性，从而改变染色质的疏松或凝集状态，或通过影响其它转录因子与结构基因启动子的亲和性来发挥基因调控作用。组蛋白修饰对基因表达的调控有类似DNA遗传密码的调控作用。四、组蛋白修饰染色体的多级折叠过程中,需要DNA 同组蛋白(H3、H4、H2A、H2B 和H1) 结合在一起。研究中,人们发现组蛋白在进化中是保守的,但它们并不是通常认为的静态结构。组蛋白在翻译后的修饰中会发生改变，从而提供一种识别的标志，为其它蛋白与DNA 的结合产生协同或拮抗效应，它是一种动态转录调控成分，称为组蛋白修饰。与DNA 调控不同的是,组蛋白修饰在动物、植物和真

27、菌类中是不同的。我们从植物细胞保留有发育成整个植株的全能性和去分化的特性中，就可以看出它们在建立和保持表观遗传信息方面与动物是不同的。75组蛋白修饰种类乙酰化- 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(赖氨酸) 残基上。甲基化- 发生在H3、H4的 Lys 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- 发生与 Ser（丝氨酸） 残基，一般与基因活化相关。泛素化- 一般是 C 端（羧基端）Lys修饰，启动基因表达。SUMO（小泛素样修饰蛋白 ）化- 可稳定异染色质。其他修饰：糖基化、ADP 核糖

28、基化、羰基化等。7777在组蛋白的修饰中,乙酰化、甲基化研究最多。乙酰化修饰大多在组蛋白H3 的Lys9、14、18、23 和H4 的Lys5、8、12、16 等位点。对这两种修饰结果的研究显示，它们既能激活基因也能使基因沉默。甲基化修饰主要在组蛋白 H3 和 H4 的赖氨酸和精氨酸两类残基上。研究也显示，在进化过程中组蛋白甲基化和DNA 甲基化两者在机能上被联系在一起。2022年9月11日802022年9月11日80Bryan M. Turner, nature cell biology, 2007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），遗传密

29、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。81组蛋白修饰是表观遗传研究的重要内容。组蛋白的 N 端(氨基端)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。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。81组蛋白乙酰化、去乙酰化与人类疾病组蛋白乙酰化与基因活化以及DNA复制相关，组蛋白的去乙酰化和基因的失活相关。乙酰化转移酶(HATs)主要是在组蛋白H3、H4的N端尾上的赖氨酸加

30、上乙酰基，去乙酰化酶(HDACs)则相反，不同位置的修饰均需要特定的酶来完成。乙酰化酶家族可作为辅激活因子调控转录，调节细胞周期，参与DNA损伤修复，还可作为DNA结合蛋白。去乙酰化酶家族则和染色体易位、转录调控、基因沉默、细胞周期、细胞分化和增殖以及细胞凋亡相关。CREB结合蛋白(CREB binding protein,CBP)、E1A结合蛋白p300(E1A binding protein p300,EP300)和锌指蛋白220(zinc finger 220, ZNF220)均为乙酰化转移酶。CBP是cAMP应答元件结合蛋白的辅激活蛋白，通过乙酰化组蛋白使和cAMP应答元件作用的启动子

31、开始转录，它的突变导致Rubinstein Taybi综合征，患者智力低下、面部畸形、拇指和拇趾粗大、身材矮小。CBP和EP300均可抑制肿瘤的形成，在小鼠瘤细胞中确定了CBP的突变，在结肠和乳房瘤细胞系中确定了EP300的突变，另外ZNF220异常和人的急性进行性髓性白血病相关。如果突变导致错误的激活去乙酰化酶或错误的和去乙酰化酶相互作用，将可能导致疾病的发生。甲基化CpG-结合蛋白-2(methyl cytosine binding protein-2,MeCP2)可募集去乙酰化酶到甲基化的DNA区域，使组蛋白去乙酰化导致染色质浓缩，MeCP2的突变导致Rett综合征，患者出生即发病、智力

32、发育迟缓、伴孤独症。乙酰化酶的突变导致正常基因不能表达，去乙酰化酶的突变或一些和去乙酰化酶相关的蛋白的突变使去乙酰化酶错误募集将引发肿瘤等疾病。若阻碍去乙酰化酶的功能，则可抑制癌细胞的增殖和分化，可用于急性早幼粒细胞性白血病, 急性淋巴细胞性白血病和非何杰金氏淋巴瘤的治疗。五、基因组印记人们在研究中发现，来自双亲的某些等位基因，在子代的表达不同，有些只有父源的基因有转录活性，而母源的同一基因则始终处于沉默状态，另一些基因的情况则相反。这是由于源自某一亲本的等位基因或它所在染色体发生了表观遗传修饰，导致不同亲本来源的两个等位基因在子代细胞中表达不同。在基因组中的这类现象就是基因组印记(genom

33、ic imprinting) 。8888概念：或称亲本印迹（parent imprinting）是指来自父方和母方的等位基因在通过精子和卵子传递给子代时发生了修饰，使带有亲代印记的等位基因具有不同的表达特性，这种修饰常为DNA甲基化修饰，也包括组蛋白乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等修饰。即基因组在传递遗传信息的过程中，通过基因组的化学修饰而使基因或DNA片段被标识的过程。 在生殖细胞形成早期，来自父方和母方的印记将全部被消除，父方等位基因在精母细胞形成精子时产生新的甲基化模式，但在受精时这种甲基化模式还将发生改变； 母方等位基因甲基化模式在卵子发生时形成，因此在受精前来自父方和母方的等位基因具

34、有不同的甲基化模式。特点：基因组印迹依靠单亲传递某种性状的遗传信息，被印迹的基因会随着其来自父源或母源而表现不同，即源自双亲的两个等位基因中一个不表达或表达很弱。不遵循孟德尔定律，是一种典型的非孟德尔遗传，正反交结果不同。91遗 传 印 迹91正交Igf-2Igf-2Igf-2mIgf-2mIgf-2Igf-2Igf-2mIgf-2m反交正常小鼠矮小型小鼠矮小型小鼠矮小型小鼠正常小鼠正常小鼠Igf-2mIgf-2Igf-2Igf-2m2022年9月11日922022年9月11日92由正反交实验可以看出：印迹基因的正反交结果不一致、不符合孟德尔定律。小鼠 Igf-2 基因总是母本来源的等位基因被

35、印迹，父本来源的等位基因表达，因此是母本印迹。基因印迹使基因的表达受到抑制，导致被印迹的基因的生物功能的丧失。9393基因印迹过程印迹的形成 印迹形成于成熟配子，并持续到出生后。印记的维持印记的去除 印记的去除过程是发生在原始生殖细胞的早期阶段。基因组印迹的机制配子在形成过程中，DNA产生的甲基化、核组蛋白产生的乙酰化、磷酸化和泛素化等修饰，使基因的表达模式发生了改变。研究者在植物、昆虫和哺乳动物中都发现了基因组印记现象。印记基因在发育过程中扮演重要的角色,它们一般在染色体上成簇分布。在小鼠和人体中已知有八十多种印记基因。发现的印记基因大约80%成簇，这些成簇的基因被位于同一条链上的顺式作用位

36、点所调控，该位点被称做印记中心(imprinting center, IC)。该区域在双亲中的一个等位基因是甲基化的。IC 在不同区域中对印记的调控存在差异。在一些控制中心中，未甲基化的ICR 组成一个绝缘子阻止启动子和增强子间的相互作用;在其它控制中心中,可能有非编RNA(non - coding RNAs) 的参与，这种沉默机制与X染色体失活相似。在配子形成时期，非组蛋白和附近的序列单元可以影响到差异甲基化的建立。在基因印记维持的研究中，人们注意到表观印记的反常可能在人体中导致复杂的疾病;胚胎培养、体细胞核移植和体外繁殖过程都会影响到印记;一些环境因素，比如食物中的叶酸也会破坏印记。但人们

37、对于这些过程的机理知之甚少。基因组印记的研究促使人们去重新思考遗传学的“中心法则”。人们知道环境可以影响到由遗传因素所决定的表型,“中心法则”向人们阐述了遗传因素的作用原理,但无法说明环境因素作用于基因表达过程的分子机制。基因组印记给了研究者合理的解释:环境变化可以促成基因表观修饰，表观修饰也可能引起基因突变，这种变化可以发生在生殖细胞中，并传递给下一代。这样就很好地解释了环境因素对于遗传的影响过程。我们对“获得性”性状和“返祖”现象可以这样去认识:这些现象可能是因为一组基因，它们的活性已经被表观修饰所抑制了，后来由于一些因素的作用造成它们表观修饰的变化而恢复了活性。动物与植物印迹过程的一个显

38、著差异在于甲基化的过程。在哺乳动物中, 印迹位点的表观修饰会在原生殖细胞中被擦去, 并在形成配子的过程中通过特异从头 DNA 甲基转移酶重新建立。植物中，亲本染色体表观遗传的不对称性是基因印记的基础，并且此现象只在胚乳中发生。雌配子中央细胞中存在一种 DNA 糖激酶 Demeter(DME)，是中央细胞中负责 DNA 去甲基化的主要作用因子。中央细胞中甲基化的印迹基因通过 DME 的作用实现去甲基化， 而胚乳中的父源等位基因、营养组织及花粉中的等位基因则保持甲基化状态不改变 。不同亲源等位基因甲基化水平的差异由此建立。印记基因的异常表达引发伴有复杂突变和表型缺陷的多种人类疾病。研究发现许多印记

39、基因对胚胎和胎儿出生后的生长发育有重要的调节作用，对行为和大脑的功能也有很大的影响，印记基因的异常同样可诱发癌症。巨舌-巨人症综合征(BWS )BWS患者表现为胚胎和胎盘过度增生，巨舌，巨大发育，儿童期易发生肿瘤。该病主要是由11号染色体上的IGF2和CDKN1C两个印记基因的错误表达引发，IGF2为父本表达的等位基因，CDKN1C为母本表达的等位基因。父本单亲二体型是引发BWS的主要原因，即IGF2基因双倍表达，CDKN1C基因不表达；次要原因是母本的CDKN1C等位基因发生突变；极少数病例是由于母本的染色体发生移位造成CDKN1C基因失活和(或)造成母本的IGF2基因表达。其它一些印记基因

40、在胚胎发育过程中的过量或缺失表达也可导致类似于BWS的综合征，如原来母本表达的IPL基因的不表达或ASCL2基因逃避印记都将导致胚胎的过度发育。这表明父本表达的等位基因对胚胎的生长有促进作用，而母本表达的等位基因对胚胎的发育起到限制作用。基因组印记与Prader-Willi/Angelman综合征(PWS/AS)PWS表现为肥胖、身材矮小和轻度智力发育迟缓；AS表现为共济失调、过度活跃、严重智障、少语、表情愉悦，这两种疾病都和神经功能失调相关。PWS是由于突变导致父本印记基因在大脑中高表达所致，如SNPNP基因高表达；AS是由于母本的UBE3A基因的缺失或受到抑制所致，该基因编码泛素蛋白连接酶

41、并在脑中表达。印记丢失不仅影响胚胎发育并可诱发出生后的发育异常，从而导致癌症发生。如果抑癌基因有活性的等位基因失活便提高了发生癌症的几率，例如IGF2基因印记丢失将导致多种肿瘤,如Wilms 瘤。和印记丢失相关的疾病还有成神经细胞瘤，急性早幼粒细胞性白血病，横纹肌肉瘤和散发的骨肉瘤等。与基因组印记相关的疾病常常是由于印记丢失导致两个等位基因同时表达，或突变导致有活性的等位基因失活所致。调控基因簇的印记中心发生突变将导致一系列基因不表达，引发复杂综合征。基因组印记的本质仍为DNA修饰和蛋白修饰，所以和印记相关的蛋白发生突变也将导致表观遗传疾病。六、非编码RNA非编码RNA（noncoding R

42、NA，ncRNA）是近年来发现的一类能转录但不编码蛋白质且具有特定功能的RNA小分子。功能基因组学的飞速发展将越来越多的目光引向了对非编码转录产物功能的研究。近年随着相关技术的发展进步及研究的深入，有研究表明，基因组约有50%的DNA转录为RNA，仅有约2%的RNA参与蛋白质的翻译，剩余的98%RNA不参与蛋白质的翻译。RNA不仅仅只承担遗传信息中间载体的辅助性角色，而是更多地承担了各种调控功能。ncRNA在发育和基因表达中发挥的复杂精确的调控功能极大地解释了基因组复杂性之难题，同时也为人们从基因表达调控网络的维度来认识生命体的复杂性开启新的天地功能性非编码RNA在基因表达中发挥重要的作用，按

43、照它们的大小可分为长链非编码RNA和短链非编码RNA。长链非编码RNA在基因簇以至于整个染色体水平发挥顺式调节作用。在果蝇中调节“剂量补偿”的是roX RNA，该RNA还具有反式调节的作用，它和其它的蛋白共同构成MSL复合物，在雄性果蝇中调节X染色体活性。短链RNA在基因组水平对基因表达进行调控，其可介导mRNA的降解，诱导染色质结构的改变，决定着细胞的分化命运，还对外源的核酸序列有降解作用以保护本身的基因组。常见的短链RNA为小干涉RNA(short interfering RNA, siRNA)和微小RNA(microRNA, miRNA)，前者是RNA干扰的主要执行者，后者也参与RNA干

44、扰但有自己独立的作用机制。研究背景在近十余年的生命科学研究中非编码调控RNA可谓是研究最火的领域之一，从06年诺奖的siRNA，到这几年异常火爆的microRNA，到即将登场并定能风靡的lncRNA，可谓如火如荼。现在大部分研究集中于短 RNA如 microRNA，siRNA等一些 ncRNA 生物生成机制和调控通路，甚至在一些人类复杂疾病中的功能，但是这都只是冰山一角。长链非编码RNA(long noncoding RNA, lncRNA)定义： 长度在200-100000 nt之间的RNA分子不编码蛋白 lncRNA参与细胞内多种过程调控种类、数量、功能都不明确RNA（一）长链非编码RNA

45、相比于小分子RNA,它们仍是目前基因组转录产物中较为陌生的部分。但其强大的生物学功能，例如在肿瘤发生发展中的作用、比较近缘物种及寻找雄性功能基因等方面的重要作用，已经引起了科学界的极大重视。分类Antisense lncRNA (反义长非编码RNA)Intronic transcript (内含子非编码RNA)Large intergenic noncoding RNA (lincRNA)Promoter-associated lncRNA(启动子相关lncRNA)UTR associated lncRNA (非翻译区lncRNA) 人们对lncRNA 的认识还处在初级阶段，lncRNA起初被

46、认为是基因组转录的“噪音”，是RNA聚合酶II转录的副产物，不具有生物学功能。然而，lncRNA的调控作用开始引起人们广泛的关注 ：研究表明lncRNA 参与了X染色 体沉默，基因组印迹以及染色质修饰，转录激活、转录干扰、调节细胞周期、维持细胞结构的完整性、核内运输、干细胞重新编程和热休克反应等多种重要的调控过程。哺乳动物 基因组序列中4%9%的序列产生的转录本是lncRNA（相应的蛋白编码RNA的比例是1%），虽然近年来关于lncRNA的研究进展迅猛，但是绝大部分的lncRNA的功能仍然是不清楚的.随着研究的推进，各类 lncRNA 的大量发现，lncRNA 的研究将是 RNA 基因组研究非

47、常吸引人的一个方向，使人们逐渐认识到基因组存在人类知之甚少的“暗物质”。lncRNA来源于以下途径: 在早期进化时由蛋白质编码基因的开放阅读框发生突变而成;由染色质重排，导致两个原本距离较远的非转录片段串联到一起而成;非编码基因通过反转录转座作用形成; ncRNA 内部某段序列的重复复制，产生了具有相邻重复序列的 lncRNA; 转录元件插入形成新的 lncRNA特征lncRNAs通常较长，具有mRNA样结构，经过剪接，具有polyA尾巴与启动子结构，分化过程中有动态的表达与不同的剪接方式。 lncRNAs启动子同样可以结合转录因子，如Oct3/4，Nanog, CREB, Sp1, c-my

48、c, Sox2与p53，局部染色质组蛋白同样具有特征性的修饰方式与结构特征。大多数的lncRNAs在组织分化发育过程中，都具有明显的时空表达特异性，如有人针对小鼠的1300个lncRNAs进行研究，发现在脑组织中的不同部位，lncRNAs具有不同的表达模式。 在肿瘤与其他疾病中有特征性的表达方式。序列上保守性较低，只有约12%的lncRNA可在人类之外的其它生物中找到lncRNA 调控基因表达的机制lncRNA 具有特定的二级空间结构，可提供多个位点与蛋白质结合，或通过碱基互补配对原则与DNA、RNA 之间发生特异性、动态性相互作用，形成由 lncRNA 参与的复杂、精确而微妙的基因表达调控网

49、络。具体如下：1. 编码蛋白的基因上游启动子区转录，干扰下游基因的表达；lncRNA自身 转 录 时 可 干 扰 邻 近 基 因 的 表 达，这 有 赖 于lncRNA 基因与下游蛋白质编码基因间的相对位置或序列特征 上游 lncRNA 转录时，可穿过下游靶基因启动子区，干扰转录因子与启动子结合，从而抑制靶基 因 的 转 录。如: 酵 母 基 因 Ser3 上 游 的 一 种lncRNASer3 调控基因 1 ( Ser3 regulatory gene 1，Srg1) 在转录延伸时横跨 Ser3 启动子序列，占据启动子与 RNA P 结合的空间，干扰了 Ser3 的表达。2 抑制RNA聚合酶

50、II或者介导染色质重构以及组蛋白修饰，影响下游基因的表达；3 与编码蛋白基因的转录本形成互补双链，干扰mRNA的剪切，形成不同的剪切形式；4 与编码蛋白基因的转录本形成互补双链，在Dicer酶的作用下产生内源性siRNA；5 与特定蛋白质结合，lncRNA转录本可调节相应蛋白的活性；6 作为结构组分与蛋白质形成核酸蛋白质复合体；7 结合到特定蛋白质上，改变该蛋白质的细胞定位；8 作为小分子RNA（如miRNA、piRNA）的前体分子。RNA（即没有被翻译成蛋白质的RNA）在调控基因表达中扮演至关重要的角色已经成为一个清楚的事实。对包括microRNA，siRNA等的非编码RNA的研究更是研究的

51、焦点。这些领域研究的不断的深入也使我们对基础生命物质有了新的了解、认识。近年来，国内外在非编码RNA方面的研究取得了多项令人瞩目的成就。目前科学家已经掌握了数千个与人类疾病相关的RNA分子。这些发现将为生物学奠定新的基础，有助于开发出新手段来迅速识别与人类疾病相关的基因，并掌握其功能和作用，从而提高诊断和治疗水平。可以看出，不管是在医药上，还是在植物的抗逆性上，或者动物细胞的新陈代谢等方面都能见到非编码RNA的身影，它已经成为生物学研究上的一颗耀眼的“明星”。2022年9月11日139siRNA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。siR

52、NA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。2022年9月11日139（二）siRNARNAi是正常生物体内抑制特定基因表达的一种现象，它是指当细胞中导入与内源性mRNA编码区同源的双链RNA(double stranded RNA，dsRNA)时，该mRNA发生降解而导致基因表达沉默的现象，这种现象发生在转录后水平，又称为转录后基因沉默。RNA干扰(RNA interference，RNAi)2006年诺贝尔生理学或医学奖2006年10月2日，瑞典卡罗林斯卡医学院宣布，将2006年诺贝尔生理学或医学奖授予两名美国科

53、学家安德鲁法尔（Andrew Z. Fire）和克雷格梅洛（Craig C. Mello），以表彰他们发现了RNA干扰现象。菲尔和梅洛将分享一千万瑞典克朗的奖金(137万美元、107万欧元)。值得一提的是虽然奖项名目既涉及生理学，也涉及医学，但针对本年度两位获奖者及其成果，欧美媒体无不把这一奖项称为诺贝尔医学奖。 年轻的获奖者现年47岁的安德鲁法尔和45岁的克雷格梅洛获奖日期距其研究发表仅8年时间，获奖速度之快令人叹为观止。颁奖委员会评价：“他们发现了控制基因信息流通的基本机制， 解释了困惑这一研究者们许久的难题。 法尔1959年出生在美国加利福尼亚州圣克拉拉县，本科在加利福尼亚大学伯克利分校

54、主修数学，仅用3年时间就拿到学位。他是逐渐对涉及生命奥秘的遗传学产生兴趣，并将其作为自己终身的学术追求。法尔曾在美国和英国多所高校和研究机构求学和工作，1998年在美国卡内基学会工作期间，他与梅洛等合作发现了干扰机制。梅洛生于1960年的梅洛是被恐龙骨引入科学世界的。梅洛的父亲是一名古生物学家，梅洛童年时经常跟着父亲在美国西部寻找化石。从那时起，他就迷上了远古时代、地球历史和人类生命的起源等问题。高中时代，梅洛的兴趣逐渐转移到了基因工程方面。当时科学家克隆了人类胰岛素基因，并将其（脱氧核糖核酸）插入到细菌中，这样就可以人工合成无限多的胰岛素。这一成果为全球数百万糖尿病患者带来了福音。梅洛回忆说

55、：“科学研究能够真正地对人类健康产生影响，这个想法激起了我的兴趣。”RNAi的殊荣2001年，随着人类基因组测序的完成，针对其它多种生物的基因组测序计划也相继开展起来。在未来的一段时间内，科学界将不会出现比人类基因组测序更瞩目的技术。有人将人类基因组测序称为“21世纪科学发展史上的里程碑”、“生物学领域最重要的成就之一”。然而时隔不久，同一年在哺乳动物中发现的RNAi掀起了一场风暴，而且愈演愈烈。Science杂志将RNAi称为“2002年的重大突破”。然而，更加令人吃惊和兴奋的是，4年以后的今天，这项技术的始作俑者，Andrew Fire和Craig Mello就因此获得2006年诺贝尔医学

56、奖。一项全新的技术在提出后短短几年就得到诺贝尔奖的青睐和肯定，此前是绝无仅有的，这也足见RNAi在医学领域的开创性意义和极大的应用前景。RNAi的意义自1995年在线虫中发现RNAi以来，已发现RNAi存在于许多生物中。包括人类。2001年，RNAi被science评为是科学十大突破之一。由RNA介导的基因沉默现象是在过去的几十年中生物界最有价值的成就之一。可见，作为基因表达调控的重要机制， RNAi已得到科学界的认同和高度重视。现在， RNAi在基因表达调控和基因功能研究中发挥重要作用。在Web of Science所收录的期刊中最早发表有关RNAi的论文可追溯到1970年。年代分析显示，1

57、970年至1997年间每年发表的关于RNAi的文献量非常有限，但到了1998年之后（见图），也许是由于Andrew Fire和Craig Mello在1998年发现了控制基因信息流通的基本机制，相关的科研产出也得以迅速发展.从1998年的每年16篇文献，到2000年的126篇的年发表文献量，再到2003年的989篇文献，而在最近的两年中，该领域的文献数量成倍增长，2005年在Web of Science中的RNAi论文总量已高达2266篇，与上世纪九十年代相比，发生了巨大的变化。 RNAi与功能基因组学随着功能基因组学时代的到来，基因表达调控和功能研究已成为生命科学领域的研究热点。代表基因表达

58、调控的新概念“表观遗传学（Epigenetic）”也应运而生。表观遗传学研究在不改变DNA顺序的情况下基因表达现可遗传变化的学科. 表观遗传学是功能基因组学研究的重要领域, 是基因表达调控的重要方式之一.如DNA甲基化、近来发现的RNAi现象。RNA干扰是正常生物体内一些小的双链RNA可以抑制特定基因表达的一种现象。 RNAi 现象（RNA interference）它是指当细胞中导入与内源性mRNA编码区同源的小的双链RNA (double stranded RNA，dsRNA)时，可以通过促使该mRNA降解来高效、特异的阻断体内特定基因的表达，从而导致基因表达沉默的现象，这种现象发生在转录

59、后水平，又称为转录后基因沉默(post-transcriptional gene silencing，PTGS)。这些小的双链RNA称为siRNA （Small /short interfering RNA ，siRNA） 。一、 RNA干扰的发现科学家们最早在植物(Napoli等，1990)和脉孢菌(Neurospora crassa) (Cogoni和Macino，1997)中发现了dsRNA诱导的RNA沉默现象。当时，科学家给矮牵牛花插入一种催生红色素的基因，希望能够让花朵更鲜艳。但意想不到的事发生了：矮牵牛花完全褪色，花瓣变成了白色！科学界对此感到极度困惑。 首次发现dsRNA能够导致

60、基因沉默的线索来源于对线虫的研究。 1995年康乃尔大学的Guo和Kemphues尝试用反义RNA去阻断 par-1 基因的表达以探讨该基因的功能，结果反义RNA的确能够阻断par-1 基因的表达.但是奇怪的是，注入正义链RNA作为对照，也同样阻断了基因的表达。这与期待的结果正好相反。 该研究小组一直未能给这个意外以合理解释。 1998年，Andrew Fire和Craig Mello通过实验阐明了这一反常现象：将反义RNA和正义RNA同时注射到秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)比单独注射反义RNA诱导基因沉默的效率高10倍。由此推断，dsRNA触发了高效的基因沉默机