动物遗传学：第10章 真核生物的遗传分析

第十章真核生物的遗传分析本章要掌握的主要内容第一节 真核生物基因组及其复杂性真核生物基因组的特点，重复序列的分类，DNA序列分析方法与结构基因组学第二节 基因家族基因家族的类型，基因家族的特点第三节 表观遗传学第四节 遗传标记第一节 真核生物基因组及其复杂性一、真核生物基因组的特点真核生物基因组（EukaryoticGenome,EG）与原核生物基因组（ProkaryoticGenome,PG）相比有很大差异：（1）EG位于细胞核中，由数条具有多级空间结构的染色体组成；（2）具有多个复制起点，基因内有内含子；（3）存在着大量的非编码DNA序列；（4）编码蛋白质的基因多位于单拷贝序列中，同时还有大量的重复序列；（5）具有基因簇和基因家族；（6）具有生命所必须的细胞器基因组二、重复序列的分类（一）单一序列（Uniquesequence）又称：非重复序列（nonrepetitivesequence）在基因组中只有一个或几个拷贝的DNA 序列，大多数结构基因都属于这一类（二）重复序列1、串联重复DNA序列只存在于真核基因组，由2~200bp的重复单位组成卫星DNA（SatelliteDNA）：在进行密度梯度离心时，某些高度重复DNA序列由于碱基组成和浮力密度与主体DNA有区别，会形成一系列的卫星带主带：多由单拷贝序列组成，GC含量接近于基因组均值隐蔽卫星DNA可变数目串联重复序列Variablenumberoftandemrepeat,VNTR卫星DNA中，有一类重复单位在11~60bp，总长度为几百到几千bp的重复序列，多位于近端粒处根据重复单位的大小又可分为：卫星DNA、小卫星DNA和微卫星DNA三类，这类DNA多不具备转录能力卫星DNA一般位于异染色质区，通常位于着丝粒在染色体中可能有某种结构功能长度为100kb~数Mb小卫星DNA核心重复序列由10~25bp组成总长度为0.1~30kb多位于靠近染色体末端的区域，也称端粒小卫星，微卫星DNA由1~6个核苷酸为核心序列分散于整个基因组总长度<150bp三、DNA序列分析方法DNA测序技术早在DNA双螺旋结构(WatsonandCrick,1953)发现后不久就有报导(Whitfeld,1954)，当时的测序的方法为降解法(sequencingbydegradation,SbD)，但由于操作复杂，并没有形成规模化的应用。1965，Cornall大学以S．W．Holle，为首的科学家小组，首次完成75个核苷酸的酵母丙氨酸tRNA的全序列测定。即利用各种RNA酶把tRNA降解成寡核苷酸，经分离纯化后，再分别测定短片段顺序。1968年华裔生物化学、生物学家吴瑞博士（Dr．RayWu）独创性地设计出一种崭新的引物一延伸测序策略，并于1971年首次成功地测定了λ噬菌体两个COS末端的完整序列；1977，F.Sanger在该策略的基础上，发展出了快速测定DNA序列的末端中止法；K.Mullis采纳他的方法，完善了PCR扩增DNA的方法；M．Smith发明了碱基定点突变技术。这三位科学家全都获得了诺贝尔奖。Sanger等(1977)：末端终止法，该技术引入了聚合酶和测序胶，使DNA测序走向了大规模实用化。经过Melamede,1985;Cheesman,1991;Metzkeretal.,1994等，改良后成为迄今为止应用最为广泛的测序技术。随着技术的改进和创新(Juetal.,2000;Church,2002;Barnesetal.,2002;Mitraetal.,2003)，聚合酶测序法又有了新的发展。另外，还有许多其他的测序策略：如连接酶测序法(sequencingbyligation,SbL)(Whiteleyetal.,1984;LandegrenandHood,1988;Drmanac,1992)、焦磷酸测序法(pyrosequencing)(Hyman,1988)杂交测序法(sequencingbyhybridization,SbH)(Drmanacetal.,1989;1998;2001)随着基因组计划和基因组学的进展，对原有技术的改造和新技术的发明，促使了新一代测序(nextgenerationsequencing,NGS)理念和测序仪的诞生，基因组学和功能基因组学进入了一个低成本、大规模、高通量测序的时代。1、Sanger测序法

双脱氧末端终止法利用DNA聚合酶的两种酶催反应特性：1、利用单链DNA模板，合成DNA互补链；2、利用2’，3’双脱氧核苷三磷酸作底物，参入到寡核酸链的末端，从而终止DNA链的生长。有时也称引物合成法，或酶催引物合成法。反应：同时加入引物和模板、DNA聚合酶1、一种ddNTP、以及四种dNTP（有一种带放射性标记）。变性胶电泳分离反应混合物。放射自显影术，检测单链DNA片段的放射性带。结果判读，从放射性X光底片上，直接读出DNA的核酸顺序。GTACGTTGACGCCddATPddTTPddGTPddCTPddCTP

ddATP

ddGTP

ddTTPAGTCAGGATCACC在实际的DNA合成反应中，使用失去了5’→3’核酸外切酶活性的DNA聚合酶I的Klenow大片段。适当地调整ddNTP和dNTP的比例，便能够获得良好的电泳谱带模式。dNTP／ddNTP=1：100时，谱带分离效果较佳，可读出多于200个以上的核苷酸顺序。dNTP／ddNTP=1：100时，谱带分离效果较佳，可读出多于200个以上的核苷酸顺序。2、化学降解法1977年由美国哈佛大学的A．M．Maxam和W．Gilbert发明，于1980年获得诺贝尔化学奖原理1、利用末端标记使待测DNA带放射性，2、利用不同化学药品使DNA分别在特定碱基处断裂，3、变性聚丙烯酰胺凝胶电泳分离各组大小不同的DNA片段，根据特定的断裂位置读出DNA序列第二节 基因家族真核基因组中来源相同，结构相似，功能相关的一组基因。可能由某一共同祖先基因(ancestralgene)经重复(duplication)和突变产生。家族成员可以分布于不同染色体上可集中于一条染色体上，串联排列在一起，形成基因簇(genecluster)有些成员不产生有功能的基因产物，这种基因称为假基因(Pseudogene)根据分布形式分基因簇和散布的基因家族：A基因簇（genecluster）基因家族的各个成员紧密成簇排列成大段的串联重复单位，分布在某一条染色体的特殊区域；它们可同时发挥作用，合成某些蛋白质。如组蛋白基因家族聚集在第7号染色体长臂3区内Histonegenefamily

组蛋白基因家族假基因（pseudogene）：具有与功能基因相似的序列，但由于有许多突变以致失去了原有的功能，所以假基因是没有功能的基因，用ψ表示。来源：一般认为是由mRNA反转录成cDNA，然后整合在基因组中，假基因不含内含子。B散布的基因家族（interspersedgenefamily）概念：一个基因家族的不同成员成簇地分布不同染色体上，各成员在序列上有明显差异。这些不同成员编码一组功能上紧密相关的蛋白质，如珠蛋白基因家族。根据基因家族在基因组中的复杂程度分类1）简单基因家族◆特点：家族成员串联排列在一起组成一个转录单位◆代表:

rRNA基因家族

(重复单元28S、18S、5.8s-rRNA)2）复杂基因家族◆特点：相关基因家族排列在一起，之间有间隔序列，独立的转录单位◆代表:

组蛋白基因家族间隔区3）发育相关复杂基因家族◆特点：分布在不同的染色体上独立的转录单位基因顺序与表达顺序相关◆代表:珠蛋白基因家族根据基因家族成员序列的相似程度分类A经典的基因家族，家族成员序列有高度的同源性，序列一致，拷贝数高，非转录间隔区短而一致。B基因家族各成员的编码产物保守（大段的高度保守氨基酸序列）；只是DNA序列的相似性低。C基因家族各成员的编码产物之间只有很短的保守氨基酸序列，DNA序列的相似性更低。D超基因家族，各基因序列之间无同源性，但其基因产物的功能相似。编码产物之间也无明显的保守氨基酸序列，但也有一些共同特征。第三节表观遗传学Epigenetics——TheScienceOfChangeEpigenetics

Epigeneticsreferstoheritable

changesinphenotypeorgeneexpressioncausedbymechanismsotherthanchangesintheunderlyingDNAsequence。KouzaridesT.Cell.2007;128:693–705.Eccleston,A.,etal.,Epigenetics.Nature,2007.447(7143):p.395-395.表观遗传学表遗传主要研究非DNA序列变化引起的可遗传的基因表达调控变化。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。思考：动物性状与基因的关系？表遗传学的含义①可遗传，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基因表达的改变；③没有DNA序列的变化或不能用序列的变化来解释。SpermandeggAnepigeneticprogramiscrucialduringdevelopmentCamposEI,ReinbergD.AnnuRevGenet.2009;43:559–99.Epigeneticstabilityisessentialtomaintainallfunctionsofeachspecificcelltypeduringtheorganism’slifeCamposEI,ReinbergD.AnnuRevGenet.2009;43:559–99.NeuronCellsTheskincellsoftheepidermis.Adipocyte

MuscleCellsHaircellRodsCellsStemCellZygoteSpermandeggDNA甲基化与组蛋白修饰染色质结构对基因表达的调控主要是通过DNA甲基化修饰和组蛋白翻译后修饰进行的。这些组蛋白修饰是位点特异性的，一起构成了所谓的“组蛋白密码”

。Eccleston,A.,etal.,Epigenetics.Nature,2007.447(7143):p.395-395.Jenuwein,T.andC.D.Allis,Translatingthehistonecode.Science,2001.293(5532):p.1074-1080.表遗传机制染色质结构重塑剂量补偿效应（X染色体失活）基因组印迹HistoneMethylatedDNAEpigeneticRegulationofGeneExpressionAdaptedfromLundandLohuizenGenesDev2004HistoneModificationsHistoneModificationStatusCorrelateswithTranscriptionalActivityGeneactivationcorrelatedwithH3-K9acetylation

GenesilencingassociatedwithH3-K9methylation一、DNA甲基化DNMT1SAMS-腺苷甲硫氨酸胞嘧啶5-甲基胞嘧啶胞嘧啶甲基化反应

（一）CpG岛的甲基化CpGislands：GC含量应达到55%、富含CpG二核苷酸，DNA序列长度≥500bp，往往分布在基因的5’端区域，也可延伸到外显子区。人类基因组中70%的5mC发生在CpG岛（二）DNA甲基化与基因转录活性在原核生物中：甲基化与非甲基化基因的转录活性相差103倍在真核细胞中：特别是在高等生物体内可达106倍女性一条X染色体处于失活状态哺乳动物通过不同的甲基化水平调节不同发育节段的基因转录剂量补偿效应真核生物的异染色质高度凝聚，不具转录活性。在哺乳动物中，细胞质中的某些调节因子能使两条X染色体中的一条异染色质化。只有一条X染色体具有活性，这样就使得雌、雄动物之间虽然X染色体的数量不同，但X染色体上基因产物的剂量是平衡的，这个过程就称为剂量补偿。1949年，MurrayBarr首先在雌猫细胞核中观察到了高度凝聚的X染色体，而在雄猫中未发现这一现象。因此，将XX个体中失活的那条X染色体命名为巴氏小体（Barrbody)。XinactivationandthetortoiseshellcatCalicocatX连锁的B基因控制黑色毛斑，b基因控制橙色毛皮。三色猫大多数是B和b基因的嵌合的雌性猫。患病的雄猫不能生育，有多余的X染色体(XXY，XXXY等)（三）DNA甲基化状态维持哺乳动物中，有3种活性DNMTs（DNAmethyltransferase)DNMT1、DNMT3a、DNMT3bDNMT1是维持性甲基化酶DNMT3a和DNMT3b是构建性甲基化酶，主要催化全新甲基化。DNMT1维持复制过程中

甲基化位点的遗传稳定性DNA复制酶CH3CH3CH3CH3DNA甲基转移酶CH3CH3CH3CH3（四）DNA甲基化的抑制肿瘤细胞中存在着广泛的DNA低甲基化和局部的超甲基化超甲基化的基因往往是肿瘤抑制基因DNMT抑制剂恢复抑癌基因的功能→肿瘤的基因治疗新手段DNMT抑制剂核苷类：5-氮胞苷（5-azacytidine）5-氮-2’-脱氧核苷（5-aza-deoxycytidine）非核苷类复合物4-氨基苯酸的衍生物等（五）DNA甲基化与基因印记现象①概念基因组印记（Genomicimprinting）或称亲本印记（parentimprinting）是指来源于双亲的等位基因发生不对称表观遗传修饰，从而导致仅某一亲本来源的等位基因表达的现象。②基因组印记的特点基因组印记依靠单亲传递某种性状的遗传信息，被印记的基因会随着其来自父源或母源而表现不同，即源自双亲的两个等位基因中一个不表达或表达很弱。不遵循孟德尔定律，是一种典型的非孟德尔遗传，正反交结果不同。小鼠中发现的印记基因及遗传模式基因遗传模式基因功能Igf2H19Igf2rInsulin-2GnasRasgrf1Peg3/Pw1其他……父系遗传母系遗传母系遗传父系遗传父系遗传父系遗传父系遗传类胰岛素生长因子2不翻译的RNA类胰岛素生长因子2受体胰岛素Ga基因GTP交换蛋白NF-κB调节Igf2基因突变导致矮小型小鼠的遗传正交Igf-2Igf-2Igf-2mIgf-2mIgf-2Igf-2Igf-2mIgf-2m反交♂♂♀♀正常小鼠矮小型小鼠矮小型小鼠矮小型小鼠正常小鼠正常小鼠Igf-2mIgf-2Igf-2Igf-2m由正反交实验可以看出：①印记基因的正反交结果不一致、不符合孟德尔定律②小鼠Igf-2基因总是母本来源的等位基因被印记，父本来源的等位基因表达，因此是母本印记③基因印记使基因的表达受到抑制，导致被印迹的基因的生物功能的丧失。③基因印迹过程三个阶段：1、印记的形成印迹形成于成熟配子，并持续到出生后。2、印记的维持3、印记的去除印记的去除过程是发生在原始生殖细胞的早期阶段。印记维持基因印记过程的三个阶段Igf-2mIgf-2Igf-2mIgf-2合子囊胚受精印记去除印记形成ThemainepigeneticchangesoccurringduringcriticalstagesofdevelopmentSurani,M.A.,K.Hayashi,andP.Hajkova,Geneticandepigeneticregulatorsofpluripotency.Cell,2007.128(4):p.747-762.④基因组印迹的机制配子在形成过程中，DNA产生的甲基化、核组蛋白产生的乙酰化、磷酸化和泛素化等修饰，使基因的表达模式发生了改变。如：DNA甲基化修饰可阻止基因的转录。⑤基因组印记的其他实例或应用a.Igf-2基因调控区突变与猪的育种b.孤雌生殖的小鼠a.Igf-2基因调控区突变与猪的育种父源表达的印迹基因Igf-2等对肌肉量有显著影响，只有来自父本的Igf-2基因才能在子代中表达。

Carine

Nezer等发现在猪的Igf-2位点一个G→A（相应于人Igf-2

基因第2外显子）的点突变可以影响猪的生长性能、瘦肉率和脂肪沉积。

Anne-SophieVanLaere等发现，猪IGF2调节区的突变可以产生影响肌肉生长的QTL，并证明这个QTL是由IGF2第3内含子上的一个单碱基替代所形成的。由于这个突变出现在CpG岛（印迹基因的差异甲基化区域）上，会使印迹状态发生改变从而影响基因的表达调控。这个QTL对瘦肉率有15%~30%的影响，对背膘厚有10%~20%的影响b.孤雌生殖的小鼠Femininepedigree.Kaguya,namedforafairy-talegirlfoundinabambooshoot,isthefirstmammalbornwithoutageneticcontributionfromsperm.a,b,Parthenogeneticpupsatbirthwithnormalphenotypes.Ofthesethepupshowninagrewupanormaladultwithreproductivecompetence(seee),andthatinbwasusedforgeneexpressionanalysis.c,d,Growth-retardedparthenotesatday19.5ofgestation,whichdiedsoonafterthepupshownincandjustbeforethatind.i,SchematicrepresentationoftheH19–Igf2locusinH19wt,H19D13(ref.10)andH19D3(ref.18)mutants.Onlymaternalallelesofeachmutantareshown.TheH19D13mutantmicewereusedinthepresentstudyandtheH19D3mutantswereusedinourpreviousmanuscript.TheEcoRIfragment(210kbto250basepairs)containsthedifferentiallymethylatedregion.h,GenotypeanalysisbyPCRshowingtheparthenotescontaininganngalleleinwhichtheH19genewasdeletedwiththeneocassetteandanfgalleleofthewildtype.DNAmethylationInestablishingheterochromatin,whichisthedrivingforce–DNAmethylation?-Histonemodification?DNAmethylationVS/OR/ANDHistonemodification二、组蛋白修饰组蛋白的修饰状态决定着转录复合物能否靠近，从而影响基因的表达活性；这种修饰能有效地使染色质在激活与沉默间转换，并与其他反式作用因子产生协同或颉颃效应。组蛋白化学修饰发生在组蛋白N端尾部，尤其是组蛋白H3和H4的修饰起始了染色质结构的变化。组蛋白尾部由20个氨基酸组成，并且从DNA转弯处的核小体间延伸出来。组蛋白的化学修饰WolffeandHayes,NAR27,1999Bednaretal.,PNAS,95,1998Histone

CodeKKAcetylation=TranscriptionalCompetenceMethylation

=TranscriptionallySilencedSitesofpost-translationalmodificationsonthehistonetailsZhangY.,ReinbergD.GenesDev.2001;15:2343-2360ChromatinModifications

Chromatinmodificationsarecovalentmodificationsthatcaneffecttranscription.AcetylationMethylationPhosphorylationUbiquitinationSumoylationAdenosine-diphosphateribosylationPost-translationalModificationofHistoneN-terminalTailsWideRangeofHistoneModificationstoRegulatethe“STATE”ofChromatinProteinswithbromodomains(acetategroups)orchromodomains(CH3)ChromatinmodificationswithimpactongeneexpressionK9histoneH3andH4acetylationK9H3methylationK4H3methylationSer10phosphorylationUbiquitinationAssociationofchromatinremodelingcomplexes（一）组蛋白的乙酰化与去乙酰化Thehistoneswitch.TargetedmodificationsunderthecontrolofHMTs,HATsandHDACsalterthehistonecodeatgeneregulatoryregions.Thestructurecontainingbromo-andchromo-domainspermitsrecruitmentofATP-dependentchromatinremodellingfactorstoopenpromotersandallowfurtherrecruitmentofthebasaltranscriptionmachinery.HistoneAcetylationAssociatedwithtranscriptionactivation.Influencegeneexpressionin(atleast)twoways:NeutralizeLysine’spositivecharge,whichcanweakenDNA-histonecontacts,orhistone-histonecontacts.Acetyl-Lysineisboundbyaspecificproteindomainthatisfoundinmanytranscriptionfactorsandcallsbromodomain.Rapidlyreversible,andcanturnoverrapidlyinvivo.（二）组蛋白的甲基化修饰组蛋白甲基化是由组蛋白甲基化转移酶(histonemethyl

transferase，HMT)完成的。Characterizedmainlyforhistone3-lysin4(H3K4).组蛋白甲基化位点：TheLysinecanbemono-,di-ortri-methylated.甲基化可发生在组蛋白的赖氨酸和精氨酸残基上，而且赖氨酸残基能够发生单、双、三甲基化，而精氨酸残基能够单、双甲基化，这些不同程度的甲基化极大地增加了组蛋白修饰和调节基因表达的复杂性组蛋白甲基化位点：甲基化的作用位点在赖氨酸(Lys)、精氨酸(Arg)的侧链N原子上。组蛋白H3的第4、9、27和36位，H4的第20位Lys，H3的第2、l7、26位及H4的第3位Arg都是甲基化的常见位点。组蛋白甲基化作用机制Doesn’tchangetheLysinecharge(naturallypositive).methyl-Lysinecanbeboundbyamethyl-lysinbindingdomain,suchaschromodomain,WD40

domain,Tutordomain,etc.ModelforRoleofMethylationinHeterochromatinFormationHP1(heterochromatinprotein1)bindstoH3K9-Me3

HP1oligomerizationSpreadsalongchromatinCondenseschromatinintoheterochromatin（三）组蛋白的磷酸化组蛋白H3第10位丝氨酸的磷酸化对基因转录的起始和有丝分裂期染色体凝集时形态结构的改变都有重要作用。其诱导基因转录活化的可能机制是：磷酸基团所带的负电荷中和了组蛋白上的正电荷，导致组蛋白与DNA之间的亲和力下降。（四）其他组蛋白修饰方式其他还包括：泛素化、腺苷酸化、ADP核糖基化等；这些修饰几乎都能改变组蛋白的电荷，改变组蛋白与DNA结合的特性，也可以招募专一蛋白复合物到它们的表面。Summaryofhistone

acetylation,histone

methylationandDNAmethylation三、染色质重塑Chromatinremodeling在基因表达的复制和重组等过程中，对应基因特别是基因的调控区染色质的包装状态，核小体和组蛋白及对应的DNA分子会发生一系列的改变，称之为染色质重塑。Ifnucleosomesformatapromoter,transcriptionfactors(andRNApolymerase)cannotbind.Iftranscriptionfactors(andRNApolymerase)bindtothepromotertoestablishastablecomplexforinitiation,histonesareexcluded.ThedynamicmodelfortranscriptionofchromatinreliesuponfactorsthatcanuseenergyprovidedbyhydrolysisofATPtodisplacenucleosomesfromspecificDNAsequences.ChromatinremodelingChromatinremodelingisundertakenbylargecomplexesthatuseATPhydrolysistoprovidetheenergyforremodeling.TheheartoftheremodelingcomplexisitsATPasesubunit.RemodelingcomplexesareusuallyclassifiedaccordingtothetypeofATPasesubunittwomajortypesofchromatinremodelingcomplex:SWI/SNFandISW(imitationSWI)RemodelingcomplexescancausenucleosomestoslidealongDNA,candisplacenucleosomesfromDNA,orcanreorganizethespacingbetweennucleosomes.Remodelingcomplexesarerecruitedtopromotersbysequence-specificactivators.Agenomicsurveysuggestedthatmostsitesthatbindtranscriptionfactorsarefreeofnucleosome.Aremodelingcomplexbindstochromatinviaanactivator(orrepressor)HormonereceptorandNF1cannotbindsimultaneouslytotheMMTVpromoterintheformoflinearDNA,butcanbindwhentheDNAispresentedonanucleosomalsurface.TheMMTVpromoterrequiresachangeinrotationalpositioningofanucleosometoallowanactivatortobindtoDNAonthenucleosome.四、基因沉默DNA序列信息没有改变，为一种表遗传效应。可分为：位置效应沉默转录水平沉默转录后水平沉默五、表观遗传修饰之间的关系参照前面几点的讲述六、表观遗传学的相关技术请阅读课本上该知识点内容。其他表观遗传研究实例Environment-organisminteractionManel

EstellerEvaluated40pairsofidenticaltwins,Ranginginagefrom3to74,Andfoundastrikingtrend,describedinthe26July2005issueofProceedingsoftheNationalAcademyofSciences.Epigeneticsand

DifferentAspectsofLifeYoungertwinpairsandthosewhosharedsimilarlifestylesandspentmoreyearstogetherhadverysimilarDNAmethylationandhistone

acetylationpatterns.Butoldertwins,especiallythosewhohaddifferentlifestylesandhadspentfeweryearsoftheirlivestogether,hadmuchdifferentpatternsinmanydifferenttissues,suchaslymphocytes,epithelialmouthcells,intra-abdominalfat,andselectedmuscles.哺乳动物的表型突变现象1999年11月澳大利亚悉尼大学的MorganHD等利用基因型完全相同的小鼠进行自交实验,这种小鼠它们的基因型虽然相同,但其毛色却差异很大,从黄色到不同组合的杂色不等。实验发现,新生小鼠的毛色基本上与雌鼠一致,而与雄鼠关系不大。黄色雌鼠后代的毛色多为黄色,杂色雌鼠的后代多为杂色,其表型分布完全不符合孟德尔遗传分离和自由组合规律。该研究小组发现,小鼠毛色的差异取决于一段调节基因片段的甲基化程度,该片段位于毛色控制基因agouti的上游。本实验结果表明,甲基化的DNA片段通过生殖细胞传给了后代,这一表型变化并没有改变DNA的序列。Apupofadifferentcolor.SupplementationofmaternaldietwithgenisteinandothercompoundsinducedalterationsinDNAmethylationthatwerereflectedinoffspringcoatcolorchanges.

image:RandyJirtle

MaternalBehaviour

AfemaleratcarryingoneofherpupsAfemaleratsucklingpups

母性与表观遗传Thelicking,grooming,andnursingmethodsthatmotherratsusewiththeirpupscanaffectthelong-termbehavioroftheiroffspringAndthoseresultscanbetiedtochangesinDNAmethylationandhistone

acetylationataglucocorticoidreceptorgenepromoterinthepup’shippocampus.MosheSzyf,aprofessorinMcGillUniversity’sDepartmentofPharmacologyandTherapeuticsAugust2004issueofNatureNeuroscienceNeuroscienceMotheringstyleandmethylationSapolsky,R.M.,Motheringstyleandmethylation.NatNeurosci,2004.7(8):p.791-2.Sapolsky,R.M.,Motheringstyleandmethylation.NatNeurosci,2004.7(8):p.791-2.Figure1Acascadebywhichaconstellationoftraitsintheadultratisinducedbythemotheringstyletowhichtheratwasexposedasapup.Motheringcharacterizedbyhighlevelsoflickingandgroomingproducestwointeractingpathwaysofchangesinthepup.1、IncreasedserotonintoneinthehippocampusleadstoincreasedexpressionofthetranscriptionfactorNGF1-A.2、Thefirstexonoftheglucocorticoidreceptorgeneinthehippocampusisdemethylated,andthehistonessurroundingitareacetylated.3、TheresultisaglucocorticoidreceptorgenethatispermanentlymoreopentotranscriptionalactivationbyNGF1-A.Thisproduceshighernumbersofglucocorticoidreceptorsinthehippocampusoftheratasanadult,whichgivesrisetootherdistinctiveendocrineandbehavioralfeatures.药物与母性的变化Theresearchersfoundthattheeffectsweren’twritteninstoneGivingthedrugtrichostatinAtoolderpupscouldhelpreversetheeffectsofpoormaternalcarereceivedwhentheywereyounger.SzyfalsodemonstratedthatgivingtheaminoacidL-methioninetoolderpupscouldnegatethebenefitsofhigh-qualitymaternalcarereceivedwhentheywereyounger.6June2003JournalofBiologicalChemistryandthe23November2005JournalofNeuroscience镍的表观遗传学效应人与动物的强致癌剂（肺癌与鼻咽癌）未表现致突变性或仅存在弱诱变性（非遗传毒性致癌剂）可诱发DNA甲基化和组蛋白H4的普遍去乙酰化可在核内选择性地结合异染色质（与组蛋白和非组蛋白结合）砷暴露与表观遗传改变砷为常见污染物和人类致癌剂可诱发皮肤、肝脏、肺、膀胱和前列腺癌，其中肝脏是重要靶器官经典遗传毒性测试系统中不诱发点突变，但导致DNA大片段缺失其在体内代谢过程中被甲基化，使DNA甲基化的供体SAM（S-腺苷甲硫氨酸）含量降低，导致甲基化模式改变环境雌激素的表观遗传学效应一、HSP90与DES的表观遗传学效应1、HSP90可以修饰若干基因的染色质构象（如：增加甲基转移酶SMYD3的活性）可介导WNT信号系统的靶基因、雌激素受体（ER）靶基因的调控注：WNTs指导器官、组织的细胞行为和形成形成DES的表观遗传学效应DES（二乙基乙烯雌酚）20世纪40~70年代，在美国广泛用于孕妇防范流产1971年，发现0.1%的雌性后代在青春期出现阴道明细胞腺癌，95%出现良性生殖道（器官）形成与功能异常被暴露的妇女随年龄增长而进入生殖器官癌症高发期，其患其他疾病的概率也出现增加趋势DES被确认为：经胎盘直接对发育中的胚胎发挥作用的化学致癌物，跨代引起子宫癌、发育异常和肿瘤发生2005年，Ruden模型：正常：PGCs特异染色质区的CpG被甲基化，启动子宫癌的基因（e.g.c-fos的增强子区域）处于非活化状态DES暴露：低甲基化其他环境雌激素的表观遗传效应雌二醇可引起卵黄蛋白原基因启动子区CpG和雌二醇响应元件的去甲基化，提高产蛋母鸡肝脏的卵黄蛋白原基因的表达雌二醇类似物都可能具有类似作用（内分泌扰乱物）植物雌激素黄豆中的金雀异黄素（Genistein）在营养补充和医疗上都以超生理浓度使用其可通过维持DNA甲基化模式而降低若干癌症的危险度但围产期暴露则导致癌症危险度提高相同剂量的DES或genistein对1-5d雌性CD-1小鼠处理，18月龄时，子宫腺癌发病率分别达到31%和35%Genistein能显著改变小鼠某些特异基因的CpG岛的甲基化其他：DDT及其同类物，因含有甲氧氯而具有雌激素活性Epigenome第四节遗传标记TouseDNAyouneedaroadmap一、遗传标记的发展二、分子遗传标记三、分子遗传标记的应用一、遗传标记的发展1、形态学标记2、细胞遗传标记3、生化与免疫遗传标记4、分子遗传标记5、理想的分子遗传标记应具备的特点1、形态学标记形态学标记(morphologicalmarker)

能够用肉眼识别和观察、明确显示遗传多样性的外观性状。特点

简单直观，但标记数目少，多态性低，易受外界条件的影响；依据它进行选择的准确性差，所需时间较长，选择效率也较低。古代形态学标记公元前4000年，伊拉克的古代巴比伦石刻上记载了马头部性状在５个世代的遗传。伯乐相马按图索骥2、细胞遗传标记细胞遗传标记(cytologicalgeneticmarker)主要是指染色体核型（染色体数目、大小、随体、着丝粒位置、核仁组织区等）、带型（Q、G、C、R带型）和数量特征的变异等，它们分别反映了染色体在结构上和数量上的遗传多态性。家猪X、Y染色体G带示意图细胞遗传标记的特点不易环境影响，呈孟德尔方式遗传。多态性集中表现在染色体高度重复DNA结构的异染色质所在的部位。细胞遗传标记经常伴有对生物有害的表型效应，难以获得相应的标记材料，或者观测和鉴定比较困难，从而限制了细胞遗传标记的应用。3、生化与免疫遗传标记免疫遗传学标记(immunogeneticalmarker)以动物的免疫学特性为标记，包括红细胞抗原多态性和白细胞抗原多态性。生化遗传标记(biochemicalgeneticmarker)主要是指在同一动物个体中具有相同功能的蛋白质存在两种以上的变异体。生化与免疫遗传标记的特点与形态学标识和细胞遗传标记相比，数量更丰富，受环境影响更小，检测手段简便，是一种较好的遗传标记。血液型和蛋白质型都是基因表达的产物，局限于反映基因组编码区的遗传信息，且标记的数量还比较有限，不能很好地覆盖整个基因组。4、分子遗传标记分子遗传标记(moleculargeneticmarker)是一种新的以DNA多态性为基础的遗传标记.随着分子生物学的发展，相继建立了RFLP、VNTR、RAPD、AFLP、SNP等多种分子遗传标记检测技术，开创了遗传标记研究的新阶段。分子遗传标记的特点无表型效应不受环境的限制和影响普遍存在于所有生物数量丰富等特殊优势5、理想的分子遗传标记应具备的特点遗传多态性高;检测手段简单快捷，易于实现自动化;遗传共显性，即在分离群中能够分离出等位基因的3种基因型。标记遍布整个基因组；准确性，能正确反映动物的真实遗传，即标记是经济性状基因，还是与影响重要性的性状连锁。实验重复性好（便于数据交换）；开发成本和使用成本尽量低廉；

二、分子遗传标记1、RFLP：限制性片段长度多态性2、TRS：串联重复序列标记3、SNP：单核苷酸多态性1、限制性片段长度多态性RFLPrestrictionfragmentlengthpolymorphism最早应用于动植物遗传学研究的分子标记技术RFLP的原理利用限制性内切酶消化基因组DNA，形成大小不等、数量不同的分子片段，经电泳分离，通过Southern印迹将DNA片段转移至支持膜(尼龙膜或硝酸纤维素膜)上，然后用放射性同位素(32P)或非同位素(如地高辛，荧光素)标记的探针与支持膜上的DNA片段进行杂交。不同基因组DNA酶切位点的改变，会使得RFLP谱带表现出不同程度的多态性.RFLP示意图限制性片段的制备电泳Southern印迹与放射性探针杂交放射性自显影RFLP的特点呈共显性遗传、无表型效应、不受年龄性别的影响等优点。分析一次只能检测1个位点，多态信息含量较低