基因组表观遗传

多细胞生物通常由许多形态和功能不同的组织和细胞组成,虽然具有相同的基因型,但不同细胞的基因表达模式却各不相同.多细胞生物个体不同组织细胞如何维持不同表达模式呢?已分化的同一类型细胞其表达模式是一致的，保留着相同的遗传“记忆”，这种遗传“记忆”是通过“表观遗传”(epigenetic）的方式实现的，表观遗传也是基因组程序化的主要表现形式。10.1什么是表观遗传第1页/共61页表观遗传学(epigenetics)：研究在不改变DNA顺序的情况下基因表达出现可遗传变化的学科.这种表达模式的改变可通过有丝分裂和减数分裂传递给子代.

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一.10.2表观遗传的定义第2页/共61页10.1.2表观遗传现象广义的表观遗传(epigenetic)包括以下内容:1)DNA的甲基化2)位置效应3)核小体和组蛋白的修饰(乙酰基化和甲基化)4)RNAi(siRNA和miRNA)5)染色质的动态异染色质化(如X-染色体的失活)6)基因组印记(genomic

imprinting)7)等位基因的副突变及同源抑制，颠换效应8)朊蛋白(Prion)第3页/共61页10.1.3表观遗传机制虽然表观遗传现象不涉及基因或DNA序列的改变,但表观遗传仍然具有物质基础,它们同DNA的序列组成、基因的空间位置、染色体的构型变化和DNA的碱基修饰有关。第4页/共61页染色质重建：染色质状态的改变SNF/SWIHistoneModificationAcetylationUbiquitinationSumoylationMethylationPhosphorylationDNAMethylationCpGdinucleotidesMeCP2HistoneSubstitutionH2AZH2AxH3.3TranscriptionFactorModificationAcetylationPhosphorylation染色质修饰第5页/共61页DNA去甲基化与肌肉细胞分化第6页/共61页基因的三维调控第7页/共61页10.2位置效应与表观遗传

位置效应:由于基因变换了在染色体上的位置而引起表现型改变的现象。位置效应表明基因的功能以及基因对生物表现型的影响可以在不改变遗传物质本身的情况下仅仅由于遗传物质在染色体上的位置差别而发生变化。位置效应实际上反映了基因组不同区域的特定的染色质结构。

第8页/共61页两种位置效应美国学者E.B.刘易斯把位置效应分为两大类型：稳定型和花斑型。稳定型位置效应简称S型位置效应，表型改变是稳定的。花斑型位置效应简称V型效应，其表型改变是不稳定的，从而导致显性和隐性性状嵌合的花斑现象。

第9页/共61页花斑型位置效应当某一基因由于染色体重排从原来的常染色质区移到异染色质区附近,因异染色质的扩散效应,造成基因表达的改变.这种抑制效应的差别使基因表达受抑程度不同,由此产生嵌合.第10页/共61页10.2.1座位控制区在基因本身的调控序列之外还有其他的位于5’上游区域的DNA序列对下游一组基因的表达进行调控,这些调控序列称之为座位控制区(locuscontrolregion,LCR).LCR与其下游的一个或一组基因共同组成独立的功能域.LCR的DNaseⅠ超敏位点随发育状态而改变,因此LCR区的染色质结构模式是动态的.第11页/共61页β-球蛋白质基因座位控制区第12页/共61页β

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球蛋白质基因座位控制区第13页/共61页10.2.2绝缘子1）1985年，Udvardy等在果蝇染色体87A7条带热激蛋白基因座的两侧发现了两段取名为scs和scs’(specializedchronatinstructures,特化染色质区)的顺序。scs和scs'长分别为350bp和200bp，对DNAaseI有高度抗性。这两个序列的两侧均有DNaseI超敏位点，各为100bp。2）将scs置于控制眼睛颜色的基因两侧然后导入果蝇，转化的果蝇品系不管转基因位于何处，均可产生类似的表型，说明scs可使转基因免受内源染色质的“位置影响”。这种可以阻止邻近位置激活或失活效应的顺序现在称之为绝缘子（insulator）。第14页/共61页

果蝇绝缘子（insulator）第15页/共61页

果蝇多线染色体横纹区SCS

专一性结合蛋白质InterbandScs,BEAF-32第16页/共61页绝缘子可阻止相邻基因之间

增强子的彼此干扰1)真核生物增强子具有双向作用,超长距离功能,从而带来位置相邻基因之间的彼此干扰问题.2)有些基因位与异染色质邻近,会受到抑制效应的干扰.绝缘子可以阻止上述因位置原因产生的对基因表达的抑制.第17页/共61页绝缘子的普遍性第18页/共61页绝缘子结合蛋白（CTCF）（1）第19页/共61页

绝缘子DNA结合蛋白一种DNA-结合蛋白CTCF(CCCTC-bindingfactor,CCCTC结合因子)可专一性与该42bp顺序结合。CTCF已在其它实验中被证明参与基因的转录激活与沉默，是一个含有11个锌指的分子量为82ku的蛋白质。人体T细胞受体α/δ座位及爪蟾（Xenopus）RO(repeatorganizer,重复顺序组织者)rRNA基因调控区绝缘子均有保守的CTCF结合位点(Bell,2001)。这些在进化上处于不同地位的物种中广泛存在绝缘子的现象表明，以绝缘子界定增强子的作用范围是真核基因组一种普遍的控制基因活性的机制

.第20页/共61页绝缘子的定向控制第21页/共61页

绝缘子效应方向性的说明绝缘子的效应具有方向性果蝇的yellow（y）座位有4个增强子元件，2个位于启动子上游，另2个位于外显子1和2之间，它们分别负责不同组织特异性的yellow基因的表达。将含有绝缘子的果蝇逆转录转座子gypsy依次分别插入每个增强子元件的附近，绝缘子对增强子的阻隔效应依位置不同而异:1)如果插入位置在启动子的5‘方向，将影响绝缘子上游增强子元件的作用。2)如果插入位置在启动子的3‘方向，只影响下游增强子元件的功能。3)如果插入位置不在增强子与启动子之间，绝缘子对增强子无阻隔效应。第22页/共61页

绝缘子的两种工作模型第23页/共61页10.2.3副突变副突变(paramutation):

在杂合子中某一等位基因影响同一座位上另一等位基因的表型,副突变在转基因表现型中也已发现,称为同源抑制.

产生原因:两个同源的等位基因之间存在反式互作,使其中一个等位基因的DNA甲基化状态发生改变从而导致染色质结构的变化,并进一步影响到基因的表达.第24页/共61页副突变副突变:最初在玉米中发现的.副突变不涉及基因结构的改变,只是等位基因的表达模式不同于原来的同源基因.第25页/共61页副突变遗传效应第26页/共61页10.3DNA甲基化与表观遗传

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.

A甲基转移酶主要存在于低等真核生物

C甲基转移酶主要存在于高等真核生物两者都以SAM(S腺苷甲硫氨酸)为底物.第27页/共61页高等生物基因组普遍存在甲基化

1）DNA分子的化学修饰主要是甲基化，脊椎动物基因

组中约60-80%双核苷酸CpG的胞嘧啶（C）被甲基化。被子植物基因组中，甲基化位置主要出现在

CpG和CpNpG回文对称顺序，大约20-30%的胞嘧啶（C）被甲基化。DNA的甲基化在基因的表达调控中起重要作用。2）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，基因组的甲基化是表观遗传的重要内容之一.第28页/共61页真核生物胞嘧啶DNA甲基化酶的结构第29页/共61页10.3.2甲基化与基因调控

DNA甲基化主要通过影响染色质的结构阻止转录因子与启动子或增强子的结合控制基因表达.第30页/共61页10.3.3DNA甲基化与转座子活性玉米转座子Spm的活性与DNA甲基化第31页/共61页DNA甲基化抑制转座第32页/共61页10.3.4基因组印记1)1991年TM.德切艾拉等报道,老鼠7号染色体上中有一个称为类胰岛素生长因子Igf2的基因(insulin-likegrowthfactorII),该基因的突变纯合子表现为侏儒症.在杂合子中,如果突变等位基因来自父亲,表型异常.如果来自母亲,表型正常,即母源Igf2基因在子代被抑制.2)这种因为亲本来源不同而使等位基因表达模式发生改变的现象称为印记(imprinting).它有两个特点:

1.子代的两个等位基因中有一个发生沉默,即不表达.2.哪一个等位基因沉默取决于等位基因的亲本来源.

这是在哺乳动物中最早发现的表观遗传现像.随后又在老鼠中发现另外一个基因,即7号染色体上与Igf2紧密连锁的H19也有类似的情况,只是表现相反,即父源的H19等位基因在子代中不表达,母源的H19基因在子代中正常表达.

第33页/共61页哺乳动物Igf2基因的印记循环第34页/共61页基因组印记的分子机制Igf2-H19座位印记控制区(ICR)DNA甲基化的确立与维持第35页/共61页

DNA甲基化与基因组表达程序化

第36页/共61页基因组印记的生物学意义1)基因组印记使两倍体体细胞中的一个等位基因沉默,这与两倍体生物学的意义是相悖的,

容易使突变等位基因暴露.2)目前已有三种理论用予解释基因组印记的生物学意义:

进化理论:一组各有缺陷的基因在相互组合时有优势,为了不被淘汰而暂时沉默.

卵巢期理论:避免畸胎瘤,需要胎盘基因沉默.

冲突理论:血缘关系理论(kinshiptheory)第37页/共61页

体细胞克隆的问题1)是否发育正常---基因组印记

(genomicimprinting)问题2)体细胞基因组的重新程序化是否偏离正常轨道从而产生发育和生理生化活性异常的问题.第38页/共61页受精胚与体细胞胚的发育差异哺乳动物体细胞胚胎发育,受精卵胚胎发育存在许多异.这些差异主要表现在体细胚与受精胚基因组的程序化.受精胚的雄核与雌核在去甲化的程序上存在时间差.甲化程序的差异会导致胎发育异常.第39页/共61页猪的体细胞克隆

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巨型胎儿第40页/共61页双卵融合克隆小鼠

哺乳动物均有基因组印记,因此哺乳动物没有孤雌生殖.只有将野生型H19基因和突变型19基因的卵细胞融合才得到成体克隆鼠.见:Nature428:860-864,2004第41页/共61页10.4染色质重建与表观遗传染色质结构至少在2方面对基因表达施加影响:首先,染色体的某一区段包装程度决定于该区段的基因是否表达;其次,假如某一基因可以接触,基因所在的核小体位置及其周边环境会影响到该基因的表达.第42页/共61页核小体1)核小体是染色质结构的基本单位.2)核小体是连接DNA和染色体高级结构的中间环节.3)核小体核心8聚体与DNA的结合不是随机的.4)核小体核心8聚体与DNA的结合位置是动态的.第43页/共61页转录因子与组蛋白结构比较第44页/共61页核小体相位

(nucleosomephasing)1）核小体相位（nucleosomephasing）系指一段顺序确定的DNA与核小体核心8聚体的可变结合方式。例如缠绕在核心组蛋白8聚体上的DNA顺序可向前或朝后移动若干碱基对，从而改变双螺旋大小沟的朝向，也可称为核小体定位（nucleosomepositioning）。2）核小体的定位方式：

平移定位（translationalposition）

旋转定位（rotationalposiyion）第45页/共61页核小体平移定位平移定位（translationalposition）假定核小体与DNA的结合存在特异性，当移动10bp倍数的顺序时，缠绕核小体的序列将会改变位置，从而使核小体之间连接的顺序发生移位，但不改变DNA顺序原有的朝向。移位可使下一轮暴露的连接DNA顺序增加或减少。用微球菌核酸酶处理样品，可发现移位的顺序.第46页/共61页核小体旋转定位旋转定位（rotationalposition）

缠绕在核小体上的DNA分子总是一面朝外，一面朝内。当移动缠绕在核小体上的DNA时，若改变的顺序少于整圈螺旋碱基对数（≠10.2bp），原有的顺序朝向将发生变化。因朝外一侧比朝内一侧更易受到核酸酶的攻击，采用合适的酶处理可检测到这种变化。第47页/共61页染色质重建与转录基因基因转录时要以编码DNA为模板合成mRNA前体,但DNA分子缠绕在核小体上,因此必需使DNA离开核小体.第48页/共61页PolIII基因转录时如何通过核小体—实验1）一段长227bpDNA正好缠绕一个核小体，并覆盖了一个

HaeⅡ限制酶位点。该DNA有一段游离于核小体的顺序含有RNA多聚III识别的核心启动子，使多聚酶在遇上核小体前即可合成RNA。2）如果转录时核小体离开模板DNA，在加入限制酶HaeII

的样品反应液中将能检测到酶切产生的DNA片段。实验结果并未发现酶切DNA片断。3）将同位素标记的与核小体结合的DNA与过量的DNA分子混合，这些过量的DNA分子与核小体上的DNA相同，只是呈游离状态。如果转录过程中有任何核小体与DNA

分子脱离，那么当它们再与DNA分子结合时有可能选择未标记的DNA。实际结果是，这种情况并未发生。结论：PolIII基因转录时核小体从未离开DNA。第49页/共61页PolIII基因转录时如何通过核小体第50页/共61页PolII转录时组蛋白的代换与重定位PolII在转录时会促使所通过的核小体组蛋白H2A的代换,但核小体并不离开原来的位置.第51页/共61页核小体装配与表观遗传1)虽然有报道表明DNA复制时核小体也采取半保守装配,但更多的实验证据支持核小体核心8

聚体在DNA复制时是保守装配.2)由此产生一个问题,即染色质的表观遗传状态是如何传递的.现在的证据倾向于,染色质的表观遗传状态可以通过转录时的组蛋白二聚体正向的(开放)或反向的(关闭)代换保持.3)PolII基因在转录时可通过核小体,会破坏核小体的结构,使H2A-H2B组蛋白丢失,但核小体并没有离开原来DNA