14表观遗传学 课件

Chapter15EpigeneticsLeiHuang,DepartmentofMedicalGeneticsleihuang@Biologicalexamplesof

epigeneticphenotypesAllis,C.D.etal,EpigeneticsFig.3-1表观遗传的概念¾

不同类型的细胞之间存在着基因表达模式（geneexpressionpattern）的差异。也就是说，决定细胞类型的不是基因本身，而是基因表达模式。¾

基因表达模式在细胞世代之间的遗传并不完全依赖细胞内DNA的序列信息。¾

通过有丝分裂或减数分裂来传递非DNA序列信息的现象称为表观遗传（epigeneticinheritance）。¾

表观遗传学（epigenetics）则是研究不涉及DNA序列改变的基因表达和调控的可遗传变化,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。表观遗传的异常会引起表型的改变，机体结构和功能的异常，甚至导致疾病的发生。Outline¾

Mechanismofepigeneticmodification¾

Epigeneticinheritanceanddiseases¾

Epigeneticinheritanceandcancer¾

Epigeneticinheritanceandaging¾

Biologicalsignificantofepigeneticinheritance基因表达模式的信息标记，或表观遗传修饰（epigeneticmodification）主要有两类:¾DNA分子的特定碱基的结构修饰（如胞嘧啶的甲基化）；¾染色质构型重塑（chromatinremodeling）如组蛋白的磷酸化、乙酰化和甲基化。MechanismofepigeneticmodificationDNAMethylation

(DNA甲基化)ChromatinRemodeling

(染色质重朔)GenomicImprinting

（基因组印迹）GeneReprogramming

(基因表达的重编程)XInactivation

(X染色体失活)RNAinterference(RNA干扰)Mechanismofepigeneticmodification1.DNAMethylationDMT1SAM5-甲基胞嘧啶胞嘧啶(DMT-DNA(SAM-S-aden，DNA甲基化转移酶

)腺苷甲硫氨酸)Mechanismofepigeneticmodification结构基因中，5’端CpG岛中的5-mC会阻碍转录因子复合体与DNA结合，因此DNA甲基化一般与基因沉默相关；非甲基化(non-methylated)或去甲基化(demethylation)一般与基因的活化(geneactivation)相关联；MechanismofepigeneticmodificationMaintenanceofDNAmethylationCH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3DNA复制酶DNA甲基转移酶CH3DNA甲基化型在DNA复制中的维持机制是表观遗传学的重要基础Mechanismofepigeneticmodification人类基因组DNA甲基化型的建立、维持和改变还涉及到DNA去甲基化酶（DNAdemethylase）和不依赖半甲基化DNA分子中的甲基化模版链而从头开始合成5mC的从头甲基化酶（denovomethylase），如Dnmt3a和Dnmt3b。Mechanismofepigeneticmodification2.ChromatinRemodelingMechanismofepigeneticmodificationMechanismofepigeneticmodification2.ChromatinRemodelingHistonemotification：Phosphrylation、

AcetylationandMethylation；组蛋白的这类结构修饰可使染色质的构型发生改变，称为染色质构型重塑。乙酰化一般与活化的染色质构型常染色质（euchromatin）和有表达活性的基因相关联；甲基化则根据发生的不同位置将产生不同的效应。MechanismofepigeneticmodificationHP1:Heterochromatinprotein1MechanismofepigeneticmodificationDNA甲基化和组蛋白的修饰在DNA复制中的维持机制是表观遗传学的重要基础Allis,C.D.etal,EpigeneticsEpigeneticmodificationisregulatedbychromatingenesDNA甲基化修饰过程接受来自染色质的指令。对单细胞真核生物，如红色链孢霉Neurosporacrassa的研究表明，编码H3Lys9甲基转移酶的基因是DNA甲基化所必需的组蛋白的修饰又会受到RNA干扰（RNAinterference,RNAi）的指令。在裂殖酵母Schizosaccharomycepombe中，编码RNAi相关蛋白质的基因一旦被knockout，就会导致H3Lys9甲基化的丢失和位于染色体的异染色质区的着丝粒功能受损。Mechanismofepigeneticmodification3.GenomicImprintingPrader-willisyndromeAngelmansyndrome父源15q11-13缺失：肥胖，矮小，并伴有中度智力低下母源15q11-13缺失：儿童期共济失调，智力严重低下和失语3.GenomicImprintingpaternalmaternal3.GenomicImprinting1997年，T.Kishino等的研究证实位于该区段的泛素—蛋白连接酶（ubiqitin-proteinligase）的编码基因UBE3A突变或失表达（lossofexpression）可以引起AS。AS患者中该基因的失表达是由于母源染色体上包括IC在内的染色体片段缺失所致。而PWS患者是由于该区段的多个父源印迹基因的缺失或错误表达（misexpression）所致。这种错误表达的后果是邻近基因启动子的从头甲基化和随后产生的基因沉默。Mechanismofepigeneticmodification3.1PWS&AS印迹中心（ICs）：在染色体的某一区域,成簇排列的富含CpG岛的基因表达调控元件。差异甲基化（differentialmethylation）：在父源和母源染色体上，调控元件的CpG岛呈现甲基化型的明显差异，即父源和母源染色体上的ICs的甲基化呈现出分化状态的现象。3.GenomicImprintingGenomicImprinting（基因组印迹）：来自父亲和母亲的基因组在个体发育中有着不同影响的现象。基因组印迹是由于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，致使另一等位基因保持单等位基因活性（monoallelicactivity）。3.GenomicImprinting3.2Beckwith-WiedemannsyndromeOvergrowthsyndrome(过度生长综合征

)肥胖和先天性脐疝等症状儿童期肿瘤易患倾向染色体11p15.5区段印迹基因表达失衡增强子-染色体屏障调控模式3.GenomicImprinting增强子-染色体屏障调控模式Imprintingcontrolregion1Imprintingcontrolregion211p15.51000kb12imprintedgenesCTCFMaternalPaternalIGF2IGF2DMRH19H19EEDMR3.GenomicImprinting在这个印迹调控区，相对增强子作用而言，DMR1起了一个染色质屏障作用，被称为隔离子(insulator)，在印迹中起关键调控作用。第2印迹调控区包括CDKNIC(p57KIP2),细胞分裂周期相关的基因KCNQ1甲离子通道基因，调控IGF2的印迹。3.GenomicImprintingThemolecularlesionsthatcauseBWS1.

PaternalduplicationsencompassingIGF2;2.

PaternalUPDfor11p15.5(UniparentalDisomy,单亲二倍体);3.

Loss-of-functionmutationsonthematernalalleleofCDKN1C;4.

TranslocationsonthematernalchromosomedisruptingKCNQ1whichaffectimprintingofIGF2;5.

Mostcommly,lossofimprintingforICR2/KCNQ1whichaltersimprintingofIGF2迄今发现的印迹基因已有50多个,分布于基因组的12个区域,其中许多是疾病基因；基因组印迹是生殖细胞系的一种表观遗传修饰，这种修饰有一整套分布于染色体不同部位的印迹中心来协调，印迹中心直接介导了印迹标记的建立及其在发育全过程中的维持和传递，并导致以亲本来源特异性方式优先表达两个亲本等位基因中的一个，而使另一个沉默。4.GeneReprogrammingAllis,C.D.etal,Epigeneticsfig3-4第一次是在受精卵细胞发育早期，第二次是发生在后来胚胎中分化成的早期原始生殖细胞上（PGC）。1997,I.Wilmut

&K.H.CampbellcreateDollybytransferringmammaryglanddonornucleustoenucleatedoocyte.2006，ShinyaYamanakaandcolleaguesgeneratesinducedpluripotentstem(iPS)cells，theproductofsomaticcellreprogrammingtoanembryonic-likestate.NATuREREvIEwS|molecularcellbiology2008Vol.94.GeneReprogramming只有经过重新编程的表观基因组才具有发育的全能性，满足胚胎所有细胞发育和专一性分化的需要，才能为胚胎发育和分化发出正确的指令

;表观遗传修饰的重新编程对环境变化非常敏感。1.在动物实验中，改变胚胎培养液不但会引起异常甲基化和印迹基因IGF2和H19的表达失调，甚至造成印迹性疾病。2.辅助生育是在配子生成和胚胎发育早期干预生殖，而这个时期正是表观遗传编程获得和维持的关键时期。K.H.Orstavik等曾报道经卵细胞胞质精子注射（intracytoplasmicsperminjection，ICSI）辅助后出生的儿童中，PWS/AS和BWS发生率增高现象，并在患儿中检测到包括H19，IGF2在内的多个印迹基因表达异常。这些结果提示有必要对经辅助生育技术孕育的孩子作表观遗传学监测。5.XInactivation1961年,M.F.Lyon提出了阐明哺乳动物剂量补偿效应的X染色体失活假设或称

X染色体莱昂化假设。①正常雌性哺乳动物体细胞中的两个

X染色体之一在遗传性状表达上是失活的；(XCS失活)②在同一个体的不同细胞中，失活的

X染色体可来源于雌性亲本，也可来源于雄性亲本；（随机性）③失活现象发生在胚胎发育的早期，一旦出现则从这一细胞分裂增殖而成的体细胞克隆中失活的都是同一来源的染色体。（终身性）5.XInactivation1996年，G.D.Penny等发现X染色体q13.3区段的失活中心。Xist(X-inactivespecifictranscript):产生包裹RNA；Xce(X-chromosomecontrollingelement):失活选择；Tsix:CTCF的结合位点；

DXPas34:富含CpG，调控作用。5.XInactivation6.RNAinterferencesiRNAmicroRNAEpigeneticinheritanceanddiseases表观遗传修饰异常引起的疾病主要可分为两大类：发育的重新编程中造成的特定基因表观修饰的异常，或称表观突变(epimutation)；与表观修饰相关的蛋白质编码基因的突变，如DNA甲基转移酶基因，CpG结合蛋白CTCF。EpigeneticinheritanceanddiseasesRettSyndrome1966年由

Rett报道;发病率为1/10000-1/15000女孩，又称头小综合征；遗传性进行性神经系统疾病,患者均为女性；出生后7-18个月出现发育停滞,

高级脑功能迅速恶化和严重痴呆等症状;X连锁的甲基结合蛋白MeCP2的基因突变。StructureofMeCP2gene.486AAinsize,MBD-methyl-CpGbindingdomain;TRD-transcriptionrepressiondomainBDNF(brainderivedneurotrophicfactor)EpigeneticinheritanceanddiseasesICFsyndrome（immunodeficiency，centromericregioninstabilityandfacialanomaliessyndrome）伴有免疫缺陷(immunodeficiency)，免疫球蛋白减少或缺失；着丝粒不稳定(centromeric

instability)；面容异常(facialanomalies)，智力低下；常染色体隐性遗传病；催化DNA从头甲基化的蛋白DNMT3B基因突变。FragileXsyndromeHeritancementalretardation(遗传性智力障碍)GenerelatednamedFMR1atXq27.3CCGoverrepeatsin5’UTRofFMR1causedisease6-50

normal52-200premutation(前突变)200-2000mutation（全突变）—FMR1silenceDiseaseSymptomAetiologyATR-Xsyndromentellectual

disabilities,_-thalassaemiaMutationsinATRXgene,hypomethylationofcertainrepeatandsatellitesequencesFragileX

syndromeICFsyndromeChromosomeinstability,ExpansionandmethylationofCGGrepeatinFMR15_UTR,intellectual

disabilitiespromotermethylationChromosomeinstability,immunodeficiencyDNMT3bmutations,DNAhypomethylationAngelman’sIntellectualdisabilitiesDeregulationofoneormoreimprintedgenesat15q11–13syndrome(maternal)Prader–WilliObesity,intellectualdisabilitiesDeregulationofoneormoreimprintedgenesat15q11–13syndrome(paternal)BWSOrganovergrowthIntellectualdisabilitiesAnaemiaDeregulationofimprintedgenesat11p15.5RettsyndromeMeCP2mutations_-Thalassaemia(onecase)Methylationof_2-globinCpGisland,deletionofHBA1andHBQ123VariouscancersMicrosatelliteinstabilityDenovomethylationofMLH129DisruptionofRb,p53pathwayDenovomethylationofvariousgenepromoters4MutationsinSNF5,BRG1,BRM36DisruptionofchromatinremodellingcomplexOverexpressionofIGF2,silencing

LossofimprintingofCDKN1CLeukaemiaDisturbedhaematopoiesisIntellectualdisabilitiesIntellectualdisabilitiesChromosomaltranslocationsinvolvingHATsandHMTs62Rubinstein–TaybisynMutationinCREB-bindingprotein(histoneacetylation)Coffin–LowryMutationin

Rsk-2(histonephosphorylation)syndromeEpigeneticinheritanceandcance