表观遗传学机制总结

DNA甲基化的模式DNAmethylationpatternSymmetricCpG

对称CpNpGAsymmetric非对称5－氮胞苷药物处理甲基化敏感的同裂酶HpaII、MspI等亚硫酸氢盐处理Bisulphitesequencing广泛的去甲基化作用检测相同位点的不同的甲基化模式特异性的鉴定扩增序列中的甲基化位点表观遗传学的三大支柱之一

——DNA甲基化植物中DNA甲基化的研究DNA甲基化DMNT1

(DMNT2)(maintenance)DMNT3aDMNT3b(denovo)met1cmt3DEMETERDNAglycosylase(demethylation)dme诱导和筛选突变体ddm1、mom1不编码任何与甲基化相关的酶，但可以影响植物的甲基化水平，并进而影响植物的基因表达导致表型上的巨大变化。KYP:H3K9特意性组蛋白甲基化酶HDAC:组蛋白去乙酰化酶MET1:甲基化转移酶DDM1:与染色体重构相关的蛋白(T.Kakutanietal.,Genetics,1999;J.A.Jeddelohetal.,naturegenetics,1999;W.Soppeetal.,EMBOJ.,2002)表观遗传学的三大支柱之二

——组蛋白修饰与染色体重塑组蛋白修饰和染色体重塑SUVH是一类组蛋白甲基转移酶，这类物质的存在直接影响组蛋白的修饰，进而影响染色体的结构。组蛋白修饰和染色体重塑除组蛋白的甲基化修饰，还有其他的一些组蛋白修饰，如：乙酰化除了以上列出的这类组蛋白密码外，组蛋白本身存在空间异构体，这又使得对组蛋白密码的认识更加复杂。细胞分裂DNA甲基化组蛋白修饰识别蛋白、甲基化相关酶DNA甲基化甲基化相关酶？表观遗传学的三大支柱之三

——RNA世界神奇的RNA世界杜克大学的研究人员开发出了一种新方法，可以精确地控制基因开启及激活的时间。沉默CRISPR的DNA切割机制，仅利用它作为靶向系统传送一种乙酰转移酶到特异启动子和增强子处。

借助这一新技术研究人员可通过化学操控包装DNA的蛋白，来开启特异的基因启动子和增强子——控制基因活性的基因组片段。研究人员说，拥有操控表观基因组的能力将有助于他们探究特殊启动子和增强子在细胞命运或遗传病风险中所起的作用，并可能为基因治疗及引导干细胞分化提供一条新途径。这项研究在线发表在2015年4月6日的《自然生物技术》(NatureBiotechnology)杂志上。用CRISPR操控表观基因组最近，英国利物浦大学的科学家们，对小麦中调节基因活性的遗传性分子变化，进行了首次全基因组范围的调查，这可能成为提高作物育种技术的一种新工具。相关研究结果2015年12月10日发表在《GenomeBiology》(IF=13.5)。

表观遗传标记是一种化学标签，将自己附着在DNA上，并在不改变遗传密码的同时修改它的功能。DNA甲基化是一种这样的表观基因表达调控机制，可以传递给后代。现在，正在发展中的技术，已经使科学家们能够研究复杂的和具有挑战性的小麦基因组中的甲基化。AnthonyHall教授指导了这项研究，他说：“如果能够描述甲基化的全基因组模式，我们现在就可以解决小麦中的基本问题，如表观遗传学在农作物驯化、甲基化稳定性和长期功能中的作用。”

“我们也可以寻求了解甲基化是如何改变对农民重要的特征，如抗病性和产量变异性。这些都是利物浦大学未来研究的重要课题，将对世界农业产生重要的影响。”来自利物浦大学基因组研究中心的LauraGardiner博士表示：“由于小麦基因组的绝对尺寸，直到现在，进行这样的调查已经在技术上不可行，但是，理解基因何时以及如何被激活，是理解其复杂性的一个关键部分。”“这项工作打开了一个全新的遗传变异水平，可以被小麦育种者利用。在未来，我们看到，表观遗传标记正成为这个领域一种重要的新工具。”联合使用亚硫酸氢钠处理和靶基因富集，该研究团队发现，甲基化在所有三个六倍体小麦的基因组之间是高度保守的，而且发现了亚基因组特异性甲基化的证据。甲基化变化也被发现与基因表达的变化有关，虽然没有证明，但是这些变化很可能影响表型。在小麦基因组中甲基化的稳定性也显示，一些甲基化模式保存了50万年以上。来自中国科学院上海植物逆境生物学研究中心、美国普渡大学的研究人员，在拟南芥中揭示出了Dicer非依赖性的RNA介导的DNA甲基化机制（RdDM）。这一重要的研究发现发布在2015年12月8日的《细胞研究》（CellResearch,IF=12）杂志上。DNA甲基化作为一种高等生物中古老而保守的表观遗传修饰，参与了许多重要的生物学功能，包括转座子沉默、基因组印记、发育过程中的转录因子调控和环境反应，及跨代表观基因遗传等。RNA介导的DNA甲基化（RdDM）是植物从头建立DNA甲基化的重要途径。在许多的生物中都观察到有非编码RNA介导的转录基因沉默和异染色质形成。人们认为，在所有的情况下，都是由小干扰RNAs(siRNAs)为催化抑制性表观遗传修饰的酶提供了靶向特异性。RdDM代表了植物中一个重要的RNA介导的表观遗传沉默信号通路，有人提出其至少经过了两个连续的步骤：24-ntsiRNA生物合成及siRNA引导从头甲基化。在拟南芥关键的RdDM通路中，两种非典型的DNA依赖RNA聚合酶IV和V(PolIV和PolV)分别负责产生24-ntsiRNA和长非编码RNAs。PolIV可产生单链RNA，RNA引导的RNA聚合酶2（RDR2）将它们转化为双链RNA。双链RNA被Dicer样3（DCL3）裂解为24-ntsiRNAs，它们被装载到细胞质中的AGO4(Argonaute4)，随后运输到细胞核中以装配RdDM效应复合物。PolV可产生长非编码scaffoldRNAs，来招募RdDM效应复合物。PolIV和PolV是多亚基RNA聚合酶，NRPD1和NRPE1分别是最大的PolIV和PolV亚基。DMS3、DRD1和RDM1形成DDR复合物，是PolV在染色体上占位所必需的。最后，通过结合AGO4-siRNA复合物和介导从头DNA甲基化，DRM2被招募到RdDM靶位点。为了更深入地认识RdDM机制，在这篇文章中研究人员对一批拟南芥突变体，包括PolIV(nrpd1)或Dicer(dcl1/2/3/4)活性缺陷的植物进行了全基因组重亚硫酸盐测序。出乎意料地，他们发现在需要PolIV和/或PolV的RdDM靶向位点中，只有16%的完全依赖于Dicer的活性。在其余的PolIV和/或PolV依赖性位点DNA甲基化部分或完全不依赖Dicer活性。在Dicer突变植物中DNA甲基化水平与PolIV依赖性的25-50ntRNAs累积相关联。这些研究结果表明，植物中的RdDM很大程度上是由从前未知的一类Dicer非依赖性非编码RNA所引导，这类siRNAs是一部分位点维持DNA甲基化的必要条件。来自中科院昆明动物研究所的张亚平院士、谢海兵博士和中国农业科学院的王立贤研究员等人调查了来自3个猪品种脂肪和肌肉组织中全基因组范围长链基因间非编码RNA的DNA甲基化水平。

长链非编码RNAs(lncRNAs)是一类长度大于200nt，不编码蛋白质的RNA分子。与mRNAs相似，lncRNAs也是由RNA聚合酶II转录，经历剪接和多聚腺苷酸化。根据它们相对蛋白质编码基因的定位，LncRNAs可分为反义转录物、长链基因内非编码RNAs和长链基因间非编码RNAs(lincRNAs)。研究表明一些lincRNAs在各种生物学过程如剂量补偿、转录调控、表观遗传调控和多能性维持中起重要作用（延伸阅读：胡松年最新文章：利用转录组数据分析非编码RNA)。以往的研究证实一些lincRNAs在脂肪形成和肌肉发育中发挥了作用。率先开展了植物组蛋白去甲基化研究；发现了植物组蛋白甲基化调控转座子沉默的新机制；系统阐明了水稻小RNA合成途径及对生长发育的调控机制，首次在基因组水平上证实了转座子是调控元件。组蛋白甲基化和小RNA调控植物生长发育和转座子活性的机制研究荣获2019年度国家自然科学二等奖宋显伟曹晓风院士陆发隆刘春艳

转座子一度被视为基因组内的“垃坡DNA”

、“自私DNA”和“暗物质”，转座子的生物学功能以及它们是如何被沉默的，一直是科学界的未解之谜。该项目组紧密围绕这一关键科学问题，并针对农业生产上普遍关心的表现遗传是否能用于作物育种实践的需求，在国际上率先开展了高等模式植物的表现遗传调控机制研究，取得了具有重要理论意义和应用前景的系统性创新成果。1.系统鉴定了植物组蛋白甲基化和去甲基化的关键因子，揭示了组蛋白甲基化和去甲基化调控转座子跳跃和植物发育的分子机理;

2.首次在基因组水平上证实了转座子具有调控功能，发现水稻基因组中存在大量MITE类转座子可产生小RNA，精细调控旁邻基因的表达，从而控制重要性状