10-表观遗传与人类疾病-090926研究生

第10章表观遗传与人类疾病新乡医学院基础医学院杨保胜教授2009.09E-mail:ybs@Tel:3029960(O)http://www.epigenome.org/1杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@表观遗传学（epigenetics），主要研究在没有DNA序列变化的基础上，基因表达的可遗传性的改变。在基因组中除了DNA和RNA序列以外，还有许多调控基因的信息，它们虽然本身不改变基因的序列，但是可以通过基因修饰，蛋白质与蛋白质、DNA和其它分子的相互作用，而影响和调节基因的功能和特性，并且通过细胞分裂和增殖周期影响遗传。这一迅速发展的学科在分子水平揭示了复杂的临床现象，为解开生命奥秘及征服疾病带来希望。2杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@第一节

表观遗传学概述

通过DNA的甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和非编码RNA调控等方式来控制表观遗传的沉默。有人甚至形容：基因的DNA序列是木偶，而epigenetics

是牵线人；或DNA序列是琴键，而epigenetics

决定哪一个键何时、何处发声。表观遗传学不仅对基因表达、调控、遗传有重要作用，而且在肿瘤、免疫系统等疾病的发生和防治中亦具有十分重要意义。人类基因组含有两类遗传信息，遗传学信息提供了合成生命所必需蛋白质的模板，而表观遗传学信息提供了何时、何地和怎样地应用遗传学信息的指令；遗传学和表观遗传学的关系有如“阴阳”，它们既相区别又协同参与调节生命活动。表观遗传学现代的定义为:基因功能的改变，凡未牵涉到DNA的序列，又可通过有丝或减数分裂而遗传者，称为表观遗传。3杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@

人类表观基因组计划（HumanEpigenome

Project，HEP）：继人类基因组计划（HGP）完成之后，于2003年10月7日正式启动HEP。这是世界上首项针对控制人类基因“开”和“关”的主要化学变化进行的图谱绘制工作，它将帮助科学家建立人类遗传与疾病之间的关键联系。目标：确定DNA甲基化位点在人类基因组中的分布与频率。methylationvariablepositions(MVP)4杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@第二节表观遗传现象及其分子机制表观遗传学有如下三层含义：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是基因表达的改变；③没有DNA序列的变化或不能用序列变化来解释。它和DNA的改变所不同的是，许多表观遗传的改变是可逆的，这就为疾病的治疗提供了乐观的前景。表观遗传修饰是基因组信息精细的调节方式，在哺乳动物生长发育中有两次基因组重编程均与大规模的表观遗传修饰改变有关。表观遗传修饰方式主要包括:DNA甲基化和组蛋白乙酰化等,同时,非编码RNA也参与了表观遗传修饰的调节,在早期胚胎发育中表观遗传修饰起着重要的作用。5杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@一、DNA甲基化DNA甲基化是表观遗传学的重要研究内容之一。DNA甲基化现象广泛存在于细菌、植物和哺乳动物中，是DNA的一种天然的修饰方式。在哺乳动物中，由DNA甲基转移酶(DNAmethyltransferase,DNMT)

催化，通常发生在双核苷酸CpG中的胞嘧啶，形成5-甲基胞嘧啶（用mC来表示），构成甲基化的CpG（图12－1）。在整个基因组中，CpG岛通常位于基因的启动子区域，在正常情况下，CpG岛是以非甲基化形式存在于基因的启动子内。DNA甲基化及去甲基化，再加上组蛋白修饰，直接制约基因的活化状态。因此，DNA甲基化有其重要的生物学上的意义。6杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@图

DNA甲基化发生在双核苷酸CpG中的胞嘧啶7杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@图

正常情况下CpG岛是以非甲基化形式存在于启动子内8杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@DNA甲基化与基因的转录活性密切相关。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；而在真核细胞中，特别是在高等生物体内的甲基化和非甲基化基因的转录活性相差106倍。如果在基因的启动子区域的CpG

岛发生过度甲基化，那么该基因就可能失活。过低甲基化导致一些在正常情况下受到抑制的一些基因如癌基因，或相关因子得到大量表达。另外，DNA过低甲基化抑制了基因组中重复子的同源性重组，因而导致整个基因组的不稳定性增加。曾报道在细胞染色体的中心粒周围具有高度的甲基化区域,，如果这种甲基化DNA失去致密的甲基，就会导致基因的损伤。甲基化特征是通过保持甲基化酶活性来实现的。高度甲基化的基因，如女性两条X染色体中的一条X染色体上的基因处于失活状态。为细胞存活所需要而一直处于活动状态的持家基因，则一直处于保持低水平的甲基化。在生物发育的某一阶段或细胞分化的某种状态，原先处于甲基化状态的基因，也可以被诱导去除甲基化（demethylation）而出现转录活性。9杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@二、组蛋白修饰染色质的基本单位为核小体，核小体中部是由四种组蛋白(H2A、H2B、H3、H4)各两个分子构成的八聚体核心，N端尾部为单一的H1。组蛋白可以共价修饰而发生乙酰化、甲基化和磷酸化，由此构成多种多样的组蛋白密码（图）。组蛋白乙酰化与基因活化以及DNA复制相关，组蛋白的去乙酰化和基因的失活相关。组蛋白乙酰化转移酶(histone

acetyltransferase，HATs)主要是在组蛋白H3、H4的N端尾上的赖氨酸加上乙酰基，去乙酰化酶(histone

deacetylase，HDACs)则相反,不同位置的修饰均需要特定的酶来完成（图）。乙酰化酶家族可作为辅激活因子调控转录，调节细胞周期，参与DNA损伤修复，还可作为DNA结合蛋白。去乙酰化酶家族则和染色体易位、转录调控、基因沉默、细胞周期、细胞分化和增殖以及细胞凋亡相关。10杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@11杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@CREB结合蛋白(CREBbindingprotein,CBP)、E1A结合蛋白p300(E1Abindingproteinp300,EP300)和锌指蛋白220(zincfinger220,ZNF220)均为乙酰化转移酶。组蛋白的乙酰化和甲基化12杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@组蛋白赖氨酸的甲基化在表观遗传调控中起着关键作用。组蛋白H3的K4、K9、K27、K36、K79和H4的K20均可被甲基化。组蛋白H3第9位赖氨酸的甲基化与基因的失活相关连；组蛋白H3第4位赖氨酸和第36位赖氨酸的甲基化与基因的激活相关连；组蛋白H3第27位赖氨酸的甲基化与同源盒基因沉默、X染色体失活、基因印记等基因沉默现象有关；组蛋白H3第79位赖氨酸的甲基化与防止基因失活和DNA修复有关（图）。与此同时，组蛋白的去甲基化也受到更为广泛的关注。13杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@组蛋白赖氨酸的甲基化在表观遗传调控中的作用

14杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@三、染色质重塑染色质重塑指染色质位置和结构的变化，即在能量驱动下核小体的置换或重新排列。它改变了核小体在基因启动子区的排列，增加了基础转录装置和启动子的可接近性。主要涉及密集的染色质丝在核小体连接处发生松解造成染色质解压缩，从而暴露基因转录启动子区中的顺式作用元件，为反式作用因子(转录因子)与之结合提供了一种称为可接近性状态（图）。染色体重塑过程由两类结构介导：ATP依赖型核小体重塑复合体和组蛋白修饰复合体。前者通过水解作用改变核小体构型；后者对核心组蛋白N端尾部共价修饰进行催化。修饰直接影响核小体的结构，并为其他蛋白提供了和DNA作用的结合位点。染色质重塑的发生和组蛋白N端尾巴修饰密切相关，尤其是对组蛋白H3和H4的修饰。修饰直接影响核小体的结构，并为其他蛋白提供了和DNA作用的结合位点。染色质重塑和组蛋白修饰均由各自特异的复合物来完成，两者发生的先后顺序与启动子序列的特异性有关；后与启动子结合的复合物有助于维持两个复合物与启动子的稳定结合，且两复合物又可相互加强对方的功能。15杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@染色质重塑16杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@17杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@染色质的重塑与基因转录表达18杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@四、基因组印记一个个体的同源染色体或相应的一对等位基因，由于分别来自父方或母方而在功能上表现出一定的差异，即同一个基因由于来源亲代的性别不同在子代有完全不同的表达，产生不同的表型，这种现象称为遗传印迹(geneticimprinting)或称为基因组印迹，也称为亲代(parental)印迹。这类疾病或性状的遗传不符合孟德尔遗传。19杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@遗传印迹20杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@转录起始：1,Structuralpreparation:chromatinmodulation >30nm10nm(beads-on-a-string);2,Formationofpre-initiationcomplex.染色质调整chromatinmodulation启动子“暴露”promoterclearance转录起始复合体形成pre-initiationcomplexformation转录起始transcription核心组蛋白修饰核小体重塑转录因子、组蛋白、DNA相互作用激活21杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@T-淋巴细胞经ConA活化后染色质结构的变化a,静止淋巴细胞；b,c,d,激活后1,4,16小时。acdHCECNHC22杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@依赖ATP的染色质重塑复合体－作用方式23杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@24杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@核心组蛋白N-末端尾部修饰位点。绿箭头标记的位点是在完整核小体中容易被胰蛋白酶切割的位点。acK:乙酰化的赖氨酸；meK:甲基化的赖氨酸；meR:甲基化的精氨酸；PS:磷酸化的丝氨酸；uK:泛素化的赖氨酸。组蛋白共价修饰和相互作用区的类型和方式。(a)修饰的类型；BrD:与乙酰化的赖氨酸相互作用的溴区；ChrD:与甲基化的赖氨酸相互作用的染色质区。(b)修饰的方式；成对的修饰、改变的顺序与转录激活或抑制有关。组蛋白共价修饰的语言—组蛋白密码(histonecode)25杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@核心组蛋白N-尾部的共价修饰。A：乙酰化；M：甲基化；P：磷酸化26杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@27杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@

思考与练习

1．比较表观遗传学与遗传学概念的异同。2．解释并区分下列各组名词:(1)表观遗传学与表观基因组学(2)人类表观基因组计划与人类后基因组计划

(3)染色质重塑与X染色体失活(4)DNA甲基化与遗传印记

(5)组蛋白修饰与DNA修饰(6)非编码RNA与RNA干扰

3．归纳表观遗传现象的分子机制。

4．概述表观遗传学与人类疾病的关系，并举例说明。28杨保胜新乡医学院基础医学院ybs@参考文献与网站1张永彪，褚嘉祐.表观遗传学与人类疾病的研究进展［J］.遗传,2005,27(3):466-4722张春燕,邹平.表观遗传学及其研究进展［J］.四川生理科学杂志,2006,28(2):72-743????表观遗传学－原理、技术与实践。上海，上海科学技术出版社，20064Eckh