第十二章表观遗传学

遗传信息的传递：中心法则1.DNA自身通过复制传递遗传信息；2.DNA转录成RNA；3.RNA自身能够复制(RNA病毒)；4.RNA能够逆转录成DNA；5.RNA翻译成蛋白质。本文档共49页；当前第1页；编辑于星期六\12点35分本文档共49页；当前第2页；编辑于星期六\12点35分1939年，生物学家ConradHalWaddington首先在《现代遗传学导论》中提出了epigenetics这一术语，表观基因型（epigenotype）并于1942年定义表观遗传学为“生物学的分支，研究基因型产生表型的过程”。本文档共49页；当前第3页；编辑于星期六\12点35分1987年，HollidyR对表观遗传学进行了较为系统的描述。他认为表观遗传学是研究不涉及DNA序列改变的基因表达和调控的可遗传变化的学科，或者说是研究从基因型演绎为表型的过程中规律和机制的一门新兴的遗传学分支。概念：基因的DNA序列不发生改变的情况下，基因的表达水平与功能发生改变，并产生可遗传的表型。本文档共49页；当前第4页；编辑于星期六\12点35分遗传与表观遗传基因序列发生改变基因序列未发生改变；可遗传5本文档共49页；当前第5页；编辑于星期六\12点35分表观遗传学的特点：

1、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。

2、基因表达的可变性。

3、没有DNA序列的改变或不能用DNA序列变化来解释。本文档共49页；当前第6页；编辑于星期六\12点35分第一节表观遗传学的分子机制1.遗传编码信息：提供生命必需蛋白质的编码模板。2.表观遗传学信息：何时、何地、以何种方式去应用遗传编码信息。DNA和染色质上的表观遗传修饰：DNA甲基化；组蛋白修饰；RNA相关沉默（非编码RNA）；染色质重塑。7本文档共49页；当前第7页；编辑于星期六\12点35分一、DNA甲基化机制DNA甲基化(DNAmethylation)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，5mC)。DNA甲基转移酶：DNAmethyltransferases,DNMTsDNMT1；DNMT2；DNMT3A;DNMT3BS-腺苷甲硫氨酸:S-adenosylmethionine,SAMS-腺苷同型半胱氨酸:S-adenosylhomocysteine，SAH8本文档共49页；当前第8页；编辑于星期六\12点35分9本文档共49页；当前第9页；编辑于星期六\12点35分在结构基因的5’端调控区域,CpG二连核苷常常以成簇串联形式排列，这种富含CpG二连核苷的区域称为CpG岛(CpGislands)，其大小为500-1000bp，约56%的编码基因含该结构。基因调控元件(如启动子)所含CpG岛中的5mC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。10本文档共49页；当前第10页；编辑于星期六\12点35分DNA甲基化对基因表达的时空调控DNA甲基化状态的保持DNA主动去甲基化DNA全新甲基化11本文档共49页；当前第11页；编辑于星期六\12点35分（一）DNMTs(DNAmethyltransferases)DNA甲基转移酶结构特点：-NH2末端调节结构域，介导胞核定位，调节与其他蛋白相互作用。DNMT2无。-COOH末端催化结构域，参与DNA甲基转移反应。1.DNMT1维持甲基化。位于DNA复制叉中，主要复制时维持新生链的甲基化，也有重新甲基化作用。12本文档共49页；当前第12页；编辑于星期六\12点35分2.DNMT3（DNMT3A;DNMT3B；调控因子DNMT3L）重新（重头）甲基化。维持甲基化也有作用，重复序列甲基化。DNMT3L缺乏-COOH末端催化结构域。（二）DNMTs与细胞增殖和分化DNMTs参与大规模去甲基化、再甲基化实现胚胎发育中基因表达的重新编程，可遗传。DNA甲基化异常：甲基化增强、甲基化降低。与细胞增殖和分化有关的基因表达异常相关。（三）DNA去甲基化作用（不讲）13本文档共49页；当前第13页；编辑于星期六\12点35分二、组蛋白修饰14本文档共49页；当前第14页；编辑于星期六\12点35分15本文档共49页；当前第15页；编辑于星期六\12点35分组蛋白密码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（histonecode）。组蛋白通过乙酰化、甲基化和磷酸化等共价修饰，使染色质处于转录活性状态或非转录活性状态，为其他蛋白与DNA的结合产生协同或拮抗效应，属于一种动态的转录调控成分。类型：乙酰化，甲基化，磷酸化，泛素化，SUMO化，ADP核糖化，脱氨基化，脯氨酸异构化。16本文档共49页；当前第16页；编辑于星期六\12点35分(一）组蛋白乙酰化作用

组蛋白N末端Lys上，组蛋白乙酰化能选择性的使某些染色质区域的结构从紧密变得松散，开放某些基因的转录，增强其表达水平。组蛋白乙酰化转移酶（histoneacetyltransferase,HAT）组蛋白去乙酰化酶（histonedeacetylase,HDAC）HAT促进基因的转录，松散的常染色质状态；HDAC抑制基因的转录，凝缩的异染色质状态。17本文档共49页；当前第17页；编辑于星期六\12点35分（二）组蛋白甲基化作用发生在H3、H4的Lys和Arg残基上，精氨酸残基上存在单甲基化、双甲基化；赖氨酸残基上的甲基化存在单甲基化、双甲基化和三甲基化3种状态。组蛋白甲基转移酶（histonemethyltransferase，HMT）赖氨酸特异性SET结构域HMT：H3K4;H3K9;H3K27;H4K20非SET结构域HMT：H3K79精氨酸甲基化酶：H3R2;H3R17;H3R26;H4R3组蛋白去甲基转移酶：H3K4;H3K9（LSD1,第一个发现的组蛋白去甲基转移酶）。18本文档共49页；当前第18页；编辑于星期六\12点35分组蛋白甲基化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氨基酸的位置和程度，引发不同的效应。转录始动及延伸：H3K4me1;H3K4me2;H3K4me3;H3K4甲基化存在活性基因启动子区域，位于松散常染色质。转录延伸：HK36me2/me3转录抑制：H3K9;H3K27;H4K20。H3K9甲基化位于凝缩异染色质——中心粒；端粒；失活X染色体，沉默基因启动子。19本文档共49页；当前第19页；编辑于星期六\12点35分H3-K9转录抑制；H3-K4转录活化20本文档共49页；当前第20页；编辑于星期六\12点35分三、其他表观遗传过程（一）非编码RNA的表观遗传学非编码RNA（non-protein-codingRNA,ncRNA)tRNA,rRNA;短链非编码RNA,长链非编码RNA。1.短链非编码RNA短链RNA(又称小RNA)，小干涉RNA(shortinterferingRNA,siRNA—双链)和微小RNA(microRNA,miRNA—单链)。RNA干扰（RNAi）：是通过小RNA分子在mRNA水平上介导mRNA的降解诱导特异性序列基因沉默的过程。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。21本文档共49页；当前第21页；编辑于星期六\12点35分2.长链非编码RNA(longnoncodingRNA,lncRNA)长度超过200bp；Xist基因17kb非编码RNA在DNA甲基化和组蛋白修饰的参与下共同导致并维持X染色体的失活；其他长链非编码RNA参与染色质修饰；基因组修饰；转录激活；转录干扰；核内复制等。位置结构分类：正义（sense);反义(antisense)；双向(bidirectional);内含子间(intronic);基因间(intergenic);5种lncRNA。（二）Polycomb蛋白表观遗传调控（不讲）（三）染色体位置效应（不讲）22本文档共49页；当前第22页；编辑于星期六\12点35分23本文档共49页；当前第23页；编辑于星期六\12点35分第二节表观遗传学的功能一、X染色体失活的表观遗传学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，X染色体基因的剂量补偿。XYXXX-染色体失活24本文档共49页；当前第24页；编辑于星期六\12点35分2023年6月23日（一）X失活中心1996年G.D.Penny等发现X染色体的Xq13.3区段有一个X失活中心(X-inactivationcenter，Xic)，X失活中心有“记数”和“选择”的功能。长1Mb,4个已知基因：Xist；Xce；Tsix；DXPas34X失活特异转录基因（X-inactivionspecifictranscript,Xist）17kb非编码RNAXistRNA锚钉样整体包裹X，异染色质化和失活25本文档共49页；当前第25页；编辑于星期六\12点35分2023年6月23日26X染色体失活过程模式图裂解26本文档共49页；当前第26页；编辑于星期六\12点35分X控制元件(Xcontrollingelement,Xce)导致了X失活的偏向，如果两个X染色体带有相同的Xce等位基因（纯合的），那么X失活是随机的；如果一个X染色体带有弱Xce等位基因，而另一个X染色体带有强Xce等位基因（杂合的），则X失活就会发生偏向，前者的X失活几率比后者的大。27本文档共49页；当前第27页；编辑于星期六\12点35分Tsix基因：Xist反义基因，瞬时调控元件，TsixRNA是XistRNA的反义RNA，对Xist起负调节作用。具染色体屏障调节蛋白CTCF结合位点，在增强子阻断中可以发挥功能。Tsix基因和CTCF共同组成了Xist的外源开关功能。DXPas34基因：靠近Tsix主要启动子的DXPas34富含CpG，15kb微卫星重复序列，通过对Tsix基因调控影响X染色体失活。28本文档共49页；当前第28页；编辑于星期六\12点35分2023年6月23日失活X染色体特点：组蛋白修饰----组蛋白H3、H4不被乙酰化是X失活染色体的一个重要特征甲基化----CpG岛的高度甲基化是维持失活的另一个重要因素。

29本文档共49页；当前第29页；编辑于星期六\12点35分（二）与X染色体失活相关的疾病

不对称X染色体失活。Wiskott-Aldrich综合征：XR免疫缺陷、湿疹、伴血小板缺乏症。WASP基因突变，多男患；女患者由于携带正常WASP基因X染色体过多失活导致。

30本文档共49页；当前第30页；编辑于星期六\12点35分第二节遗传印记♀马×♂驴♀驴（31对）×♂马(32对）马骡驴骡31本文档共49页；当前第31页；编辑于星期六\12点35分(一)遗传印记是一种典型的非孟德尔遗传，是指不同亲本来源的一对等位基因之间存在功能上的差异。基因印记过程印记的去除（去甲基化）印记的去除过程是发生在原始生殖细胞的早期阶段。父源将甲基直接去除。印记的形成（重新甲基化）印记形成于成熟配子，并持续到出生后。印记的维持（甲基化维持）母源甲基化维持失败32本文档共49页；当前第32页；编辑于星期六\12点35分遗传印记的形成子代精子卵子印记基因印记基因父亲母亲印记去除印记去除印记形成配子基因印记过程来自父方和母方的等位基因具有不同的甲基化模式33本文档共49页；当前第33页；编辑于星期六\12点35分（二）遗传印记的特点①遗传印记基因遍布基因组，50多印记基因聚集成簇形成12个染色体印记区。②遗传印记基因的内含子小，雄性印记基因的重组率高于雌性印记基因。③印记基因组织特异性表达，如鼠在胰腺中Ins1和Ins2同时表达，在卵黄中Ins1表达。④遗传印记在世代传递中可以逆转。34本文档共49页；当前第34页；编辑于星期六\12点35分（三）印记基因及其可能的调控方式

遗传印记是生殖细胞系的一种表观遗传修饰；印记中心（imprintingcenter,ICs)直接介导了不同亲本来源的印记基因的DNA甲基化模式，并协调遗传印记在发育全过程中的维持和传递。胰岛素样生长因子2-----父源表达（insulin-likegrowthfactor,IGF2)H19（非编码RNA）------母源表达差异甲基化区域----富含CpG岛(differentiallymethylatedregion,DMR)5′-IGF2–DMR-H19-3′35本文档共49页；当前第35页；编辑于星期六\12点35分交互易换式印记调节（增强子/染色体屏障调节模式)methyl-CpGbindingproteins(MBDs)

DMR隔离子（insulator)----染色质屏障作用MBDsIGF2DMRH19组织特异性增强子父源等位基因IGF2DMRH19母源等位基因CTCFCTCF三、衰老的表观遗传学（不讲）36本文档共49页；当前第36页；编辑于星期六\12点35分第三节表观遗传学与人类疾病一、癌症的表观遗传学低甲基化甲基化37本文档共49页；当前第37页；编辑于星期六\12点35分肿瘤生成中的DNA甲基化改变模式：异常甲基化的两个方面：肿瘤局部相关基因的高甲基化（抑癌基因失活）和肿瘤整体基因组的低甲基化（原癌基因去甲基化激活）。DNA修复基因的高甲基化侵袭抑制基因的高甲基化38本文档共49页；当前第38页；编辑于星期六\12点35分CpG甲基化导致肿瘤抑制基因转录失活是肿瘤发生的重要机制之一。高甲基化导致结肠癌、胃癌中hMLH1和Tp53基因沉默。CpG岛异常甲基化关闭p15、p16基因转录表达与肝癌发生相关。抑癌基因突变Knudson“二次突变假说”LOH三条途径CpG岛高甲基化lossofheterozygosity(LOH)39本文档共49页；当前第39页；编辑于星期六\12点35分二、免疫疾病的表观遗传学（不讲）三、脑部疾病的表观遗传学与表观遗传修饰相关蛋白质编码基因的异常。Rett综合征——遗传性进行性神经系统疾病现在Rett综合征的致病基因已经明确，为染色体Xq28区域的MeCP2基因——甲基结合蛋白（methylbindingproteins,MBPs)，识别甲基化CpG岛并与之结合以阻遏基因的转录。推测：甲基结合蛋白基因突变会严重干扰表观遗传修饰的正常功能，应当转录静止的基因继续转录。40本文档共49页；当前第40页；编辑于星期六\12点35分四、人类的印记异常类疾病某个印记基因来自父本时是沉默的，来自母本时是激活的，称为父源印记基因；某个印记基因来自母本时是沉默的，来自父本时是激活的，称为母源印记基因。印记基因导致疾病的原因：一是印记等位基因的再活化，即印记丢失（lossofimprinting,LOI);二是印记基因对应的正常转录表达的等位基因异常造成该基因失活。41本文档共49页；当前第41页；编辑于星期六\12点35分（一）染色体不稳定脆性X染色体综合症：患者CGG重复序列拷贝数发生超过320次的全突变时，发生相邻的CpG的异常甲基化，抑制了FMR-1基因的正常表达。（二）智力发育障碍42本文档共49页；当前第42页；编辑于星期六\12点35分Prader-Willisyndrome,PWS15q11-13；PWS的临床症状主要有肥胖、矮小、轻度智力低下等。15q11-13区域存在小核核糖核蛋白多肽N基因(smallnuclearribonucleo-proteinpolypeptideN,SNRPN)等数个印记基因（250kbIC)，而且，这些印记基因都是父源等位基因表达，母源等位基因受抑制。母源印记基因（甲基化）。43本文档共49页；当前第43页；编辑于星期六\12点35分PWS的大部分患者（约75%）的致病原因为父源染色体15q11-13缺失。其余患者（25%）的染色体核型可见母源单亲二体（2条染色体都来自母本）。由此可见，PWS是由于15q11-13父源基因表达的欠缺所引起，与基因组印记的调节有重要关系。44本文档共49页；当前第44页；编辑于星期六\12点35分Angelmansyndrome,AS15q11-13；AS有儿童期共济失调、智力严重低下和失语等主要临床症状。受250kbIC调控。这些基因都是母源等位基因表达，父源等位基因受抑制。父源印记基因（甲基化）。已经知道，其致病因素为与PWS几乎相同的染色体区域缺失。AS与PWS不同，大部分患者（75%）为母源染色体缺失，父源单亲二体（2条染色体都来自父本）占2%，23%的患者为散发病例。45本文档