第十二章 表观遗传学

1第十二章表观遗传学2023年9月28日遗传信息的传递：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。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”。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。6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。8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。9一、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，SAH1011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。12DNA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13（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。142.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）15二、组蛋白修饰1617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。18(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。19（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）。20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。21H3-K9转录抑制；H3-K4转录活化22三、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。232.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）2425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262023年9月28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272023年9月28日27X染色体失活过程模式图裂解28X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。29Tsix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。302023年9月28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。

31（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。

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