动物遗传学：第十四章 表观遗传学-基因组印记

表观遗传学——基因组印记内容纲要1.基因组印记2.那些基因是印记基因？3.印记是如何判读的？4.印记基因的介绍5.配子发育过程中印记机制是如何启动的？6.印记的维持和修改基因印记1.由表观遗传修饰决定的，来源于双亲(Parent-of-origin)的特异性表达的基因。A.两个等位基因中只有一个印记基因表达B.可遗传的修饰，并且不改变基因序列的组成2.由双亲基因组功能的不对称性所决定1.父系印记基因:来自父系的等位基因的表达被抑制来自母系的等位基因表达(mono-allelic)2.母系印记基因:来自母系的等位基因的表达被抑制来自父系的等位基因表达(mono-allelic)基因印记印记基因1.在小鼠中已发现>80个印记基因一般认为在人中具有大致相等数量的印记基因基因表达谱的分析结果表明可能有更多的印记基因2.主要功能:出生前的生长发育;父系基因的表达

胚胎发育能力增强母系基因的表达

胚胎发育能力削弱3.在特定细胞系及神经发育方面有重要功能基因组印记的相关理论1.两性之战(Kinship)，遗传斗争(GeneticConflict),双亲投资(ParentalInvestment)1.许多印记基因与胎儿(fetus)和胎盘(placenta)的生长和发育相关2.父系：希望后代健康，能够延续基因的存在。父系表达的基因，例如

Igf2,Peg3能够促进胎儿的生长以及营养的摄取，可能会损害母系的健康3.母系：产生更多的后代，延续自己的基因。母系表达的基因，例如Igf2R,Mash2,Gnas等能够抑制胎儿的生长，减少营养的开支，从而提高生育后代的数量。1.进化能力模型(EvolvabilityModel):通过印记的方式，保护一些等位基因免受选择压力的影响，从而提高群体对环境变化的适应能力生物体感知环境变化，决定等位基因是沉默还是表达例如，如果发育增强有好处，并且该等位基因已出现，则其印记状态将被改变2.卵巢里的时间炸弹(Ovariantimebomb):避免卵巢滋养细胞疾病(ovarianTrophoblasticdisease)孤雌胚胎(parthenogeneticembryos)的生长和发育：葡萄胚，卵子不能成熟，持续生长以致形成癌症等；如果改变孤雌胚胎的基因组，如删除特定的母系印记基因，能够存活并类似父系基因组的印记模式基因组印记的相关理论(2)印记基因的特征1.通常成簇出现

2.一个簇中一般有3~11个印记基因绝大多数多时编码可表达蛋白质的基因至少有一个起拮抗作用的ncRNA基因，具有双亲特异性的表达模式3.在染色体上的分布较为分散表达模式:母系父系双等位未知IGF2-H19PWS/ASSNURF-SNRPNUBE3A-UBE3A-ASKCNQ1OT1KCNQ1印记基因的特征1.每一个印记基因簇由一个印记控制元件(imprintcontrolelement,ICE)所调控2.也称为印记控制区域(imprintcontrolregion,ICR)或者印记中心(imprintingcentre,IC)3.绝大多数都有CpGislands，能够发生DNA甲基化4.在CpGislands内或附近通常有成簇的、有向的重复片段印记基因的特征1.具有等位基因不同的甲基化区域(differentiallymethylatedregions,DMRs)有些是在所有细胞里，有些具有组织特异性有些甲基化的DMR存在于激活的等位基因中，有些则存在于失活的等位基因中2.通常具有不同的组蛋白修饰，染色体结构等3.DNA复制不同步父系的拷贝较早发生复制印记基因的特征印记的判读机制1.IC/ICR/ICE较长的、顺式作用的序列调控多个基因2.等位基因特异性的甲基化在生殖系(germline)建立并维持通过印记机制双亲之一的等位基因的ICE活性3.通过表观遗传修饰相关的顺式调控因子来调控印记基因簇Differentiallymethylatedregions(DMRs)一般在双亲之一的等位染色体上发生甲基化DNA甲基化，组蛋白修饰以及polycomb蛋白质的协同作用基因组印记的建立1.通过CpG岛或者启动子的差异甲基化来实现Methyl-Cbindingproteins(MBPs)Dnmt1(maintenanceDMT)HDACs关闭染色体构像，形成异染色质印记的判读机制DNA甲基化

vs.基因组印记CpG岛的差异甲基化抑制子与未被甲基化的沉默元件结合，沉默基因的表达。而当沉默单元甲基化后，抑制子不再结合2.差异性的将沉默因子结合到顺式沉默元件上印记的判读机制例如CCCTC-bindingfactor(CTCF)能够与未甲基化的等位基因结合，从而阻断上游启动子与下游增强子之间的联系，从而使得上游基因的转录被抑制3.

差异性的甲基化边界元件/绝缘子印记的判读机制4.反义转录本与CpG岛或启动子的甲基化联合作用机制反义转录本一般父系表达(母系中印记沉默)起源于正义基因内的内含子序列，启动子可能与正义的基因重叠调控正义基因的表达:(1)promoterexclusion;(2)改变DNA甲基化或染色质结构;(3)RNAi机制；(4)沉默不重叠的基因等印记的判读机制反义转录本的调控1.SiRNA与RNAi效应分子组成复合物，并招募组蛋白甲基转移酶2.通过RNA-DNA结合到作用位点3.H3K9发生甲基化4.Chromodomain(CD)蛋白质(HP1)结合H3K95.进一步甲基化，保证基因沉默状态转录依赖的沉默沉默不重叠的基因模型1#:RNA介导的靶向定位具有抑制性的染色质修饰和DNA甲基化标记，例如Xist

ncRNA

决定X-inactivation因ncRNA较小，很难验证其是否决定印记基因簇中所有基因的沉默ncRNA结合到靶位的DNA序列上沉默不重叠的基因模型2#:转录诱导的沉默(A)ncRNA的转录激活待转录单元中的抑制元件区域抑制元件区域顺式的诱导沉默染色质发生抑制性的修饰染色质的修饰向两边扩散受到限制:(1)边界元件；(2)缺乏允许修饰向两边扩散的DNA序列转录依赖的沉默沉默不重叠的基因模型2#:转录诱导的沉默(B)ncRNA的转录抑制待转录单元中的活化元件区域例如：Ig基因的染色体附近区域ncRNA的转录能够替换活化元件区域的结合蛋白质从而阻止增强子与启动子的结合阻止通过活化因子调控的基因表达ncRNA

不需要与靶位的DNA结合转录依赖的沉默PP转录依赖的沉默抑制元件区域活化元件区域两类印记基因簇第一类:母系印记簇E.g.Igf2R,Kcnq1,Pws,Gnas

的基因印记簇互补链上包含反义的ncRNA

在母系的等位ICE发生甲基化抑制ncRNA的表达表达编码蛋白质的基因在父系的等位ICE不发生甲基化ncRNA表达抑制编码蛋白质的基因表达Igf2R,Kcnq1:采用ncRNA介导的沉默机制第一类:父系印记簇E.g.Igf2andDlk1的基因印记簇在父系的等位ICE发生甲基化包含与正义基因不重叠的ncRNA

采用基于绝缘子的沉默机制两类印记基因簇ncRNA介导的沉默机制E.g.Igf2R/Air,Kcnq1/Kcnq1ot1印记基因簇印记调控ncRNA的表达由ncRNA顺式的沉默簇中的其他mRNA基因尽管ncRNA在互补链上，但是沉默机制并不需要与正义基因相重叠可通过扩散的方式沉默染色质MPMPPrimarytargetncRNA介导的沉默机制Silentgene ActivegeneICE–母系印记调控Air

ncRNA的表达Air

ncRNA对于抑制父系的Igf2R,Scl22a3和Slc22a2表达是必须的

父系的等位ICE不被甲基化

父系ncRNA(Air)表达抑制重叠的以及周围的正义基因的表达(父系)DMR在Igf2r的第二个内含子中，也在Air

的启动子中如果删除DMR

Air

不表达

印记丢失

在人中，虽然存在DMR，但没有差异的组蛋白修饰，因此Air

不表达

，因此IGF2R/M6PR

是双等位表达的Igf2R/AirIgf2R/AirAir

的转录本部分与Igf2R重叠不仅仅是简单的启动子竞争或RNAi机制能够顺式的沉默不重叠的Scl22a3和Slc22a2截短的Air转录本被印记但不能沉默其他基因，表明全长序列是必须的沉默可能是由染色质介导的在大脑中Igf2R无DMR,在灵长类生物中亦无Slc22a2/a3未发生甲基化修饰Air

ncRNA可能通过覆盖对应的序列来招募异染色质因子(HMTs,HDACs,repressors)Igf2R/Air1.母系染色体上的情况是怎样的？2.IGF2:具有促细胞分裂能力；IGF2R：IGF2的竞争因子母系印记Kcnq1/Kcnq1ot1Kcnq1:PotassiumchannelQ1其他基因：Cdkn1c,cyclin-dependentkinaseinhibitor1cKcnq1ot1:KCNQ1overlappingtranscript1

启动子在ICE中母系甲基化

Kcnq1ot1被抑制Kcnq1,Cdkn1cetc.等基因表达ICE–父系的等位ICE不发生甲基化

Kcnq1ot1

表达Kcnq1,Cdkn1cetc.等基因表达被抑制Kcnq1ot1

的启动子在Kcnq1的第十个内含子中转录本仅仅与Kcnq1相重叠因此，沉默机制并不是dsRNA/RNA干扰ncRNA的调控机理类似Air

截短的Kcnq1ot1

ncRNA能够父系表达，但是不能沉默两侧的基因ncRNA的表达对于沉默是不足够的Kcnq1的表达不干扰Kcnq1ot1的表达，因此沉默的机理不是启动子竞争母系的Kcnq1ot1截短没有任何影响Kcnq1/Kcnq1ot1Kcnq1/Kcnq1ot1Kcnq1ot1转录本的长度决定了对其两侧基因的沉默野生型中转录本长为9.2kb，能够有效地发挥沉默作用：较长的转录本能够依附在较长的染色质上

更好的传播染色质的沉默修饰较长的转录本增强组蛋白修饰的水平首先是重叠基因的启动子H3-K9me1，接着H3-K9me3，然后是非重叠的基因基于绝缘子的沉默机制Igf2-H19簇绝缘子在ICE/ICR中，当发生甲基化的时候被抑制活性的绝缘子抑制增强子的活性ncRNA(H19)与mRNAs(Igf2,Ins2)表达负相关，但在沉默中的机制未知未发生甲基化的ICE(母系)–染色质的绝缘子在内胚叶中与CTCF(CCCTC-bindingfactor)结合阻止增强子与Igf2的启动子发生作用允许增强子与H19的启动子发生作用CTCF与未甲基化的DNA结合，从而使之不发生甲基化甲基化的ICE(父系)H19的启动子沉默阻止CTCF的结合

DMR2Igf2-H19Chromatin-loopmodelDMR2在Igf2的最后一个外显子上在母系染色体上，未被甲基化的DMR与DMR1结合Igf2沉默在父系染色体上，甲基化的DMR与DMR2结合

激活Igf2，并使之接近增强子Insulators-通过相互作用形成chromatinloops

Igf2-H19DMR1–在中胚叶中为组织特异性的沉默子甲基化敏感的沉默子，在未发生甲基化的母系染色体上与抑制因子结合

抑制母系的Igf2表达在发生甲基化的父系染色体上，阻止与抑制因子的结合

促使父系Igf2的表达ICE上游的组织特异性的增强子(yellow)的调控作用使得Igf2在大脑的部分区域中，两个等位基因都可表达Igf2-H19H19–非编码的RNA，功能未知基因敲除不能观察到明显的表型Cleanknock-outhasnodiscernablephenotype高度的序列保守型(77%小鼠/人)Igf2–类胰岛素的生长因子突变引起的印记紊乱导致先天的生长失控——Beckwith-Wiedermannsyndrome(BWS)Igf2-H19Beckwith-Wiedemannsyndrome1.小头2.巨舌3.胎盘增生Beckwith-WiedemannsyndromePrader-Willi/AngelmanSyndromeIC具有双向的、长程的、顺式的作用机制：母系中，AS-IC通过抑制PWS-IC沉默两侧基因(甲基化)PWS-IC:阻止顺式基因的甲基化AS-IC对于PWS-IC的甲基化是必须的活性的AS-IC的能够激活Ube3a的表达AS-IC片段的缺失

AS

Ube3a沉默AS-IC在父系的染色体上无功能/失活PWS-IC活化

父系等位基因的表达PWS-IC定位于SNRPN的5’端附近母系中DNA发生甲基化；父系中由于PWS-IC的保护机制，避免了甲基化遗传/表观遗传的突变PWS，父系表达的基因沉默两边的等位基因都被沉默Prader-Willi/AngelmanSyndrome组织特异性：脑中父系等位基因Ube3a被沉默，在其他组织中都是双等位表达UBE3A

反义转录本的父系表达无调控功能PWS–持续的基因紊乱父系表达的基因簇沉默：SNURF/SNRPN,NECDIN,MKRN3,MAGEL2AS–母系表达的基因UBE3AorATP10C沉默母系的印记基因发生表达Prader-Willi/AngelmanSyndromePrader-Willi/AngelmanSyndromePrader-WillisyndromeandAngelmansyndrome:智力迟钝PWSpatients:前额窄,手足较小，生殖功能不全，多食易胖Angelman(AS):小头、枕骨较平，乐天，类似木偶的运动(HappyPuppetsyndrome).基因组印记的过程母系 父系原生殖细胞与体细胞中的印记原生殖细胞(PGCs)：起源于胚胎原始生殖期的一种具有多向分化潜能的干细胞体细胞：不具分化潜能的终端细胞胚胎发育早期：非印记的基因发生去甲基化，印记基因的甲基化模式保留原生殖细胞自E10.5~E12.5发生去甲基化去除遗传的印记模式体细胞的基因印记模式保留终生精子中的父系印记精原细胞中发生denovosex-specificmethylation起始于出生前的有丝分裂的精母细胞中，出生后基本结束，在减数分裂的粗线期完全结束DNA甲基转移酶Dnmt3a以及共作用因子Dnmt3L

自出生后的E12.5期开始表达，而Dnmt3b自出生后表达水平增加在青春期，由于有丝分裂的持续，Dnmt1s在精母细胞中的表达量升高，以维持甲基化模式Dnmt1s

在减数分裂的粗线期表达量降低：不能翻译的Dnmt1p可变剪切异构体的表达，竞争关系缺失Dnmt3a和Dnmt3L的小鼠精子发生过程严重受损，并出现父系印记的缺陷雄性特异性的模式建立所依赖的因子/因素：保护ICR不被甲基化的因子促使ICR被甲基化的因子精子中的父系印记BORIS=brotheroftheregulatorofimprintedsites仅在雄性精子细胞中表达的DNA结合蛋白质与Igf2-H19ICR相互作用与CTCF类似，都具有11个锌指结构域(同源物)可能参与甲基化标记的去除，有选择性的识别并结合母系印记的ICRs上的CTCF位点，并阻止这些ICRs的甲基化CTCF的沉默与BORIS的活化介导了父系印记基因的甲基化过程精子中的父系印记精子中的父系印记原生殖细胞：甲基化模式擦除精原细胞：开始建立新的甲基化模式精母细胞：建立新的甲基化模式