表观遗传学 第六章 X染色体失活

1、Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 表观遗传学表观遗传学 第六章第六章 X染色体失活染色体失活 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC X Y XX 性染色体：人类、哺乳动物性染色体：人类、哺乳动物 性染色体：人类、哺乳动物性染色体：人类、哺乳动物性染色体：人类、哺乳动物性染色体：人类、哺乳动物 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC ZZZ W 性染色体：鸟类性染色体：鸟类 性染色体：鸟类性染色体：鸟类性染色体：鸟类性染色体：鸟类 生物秀

2、-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC X Y XX 性染色体：果蝇性染色体：果蝇 性染色体：果蝇性染色体：果蝇性染色体：果蝇性染色体：果蝇 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC XXX 性染色体：线虫性染色体：线虫 性染色体：线虫性染色体：线虫性染色体：线虫性染色体：线虫 雄性：单叶的性腺，输雄性：单叶的性腺，输 精管；精管； 雌雄同体：两个卵巢、雌雄同体：两个卵巢、 输卵管、藏精器，一个输卵管、藏精器，一个 子宫子宫 优先选择雄性的精子优先选择雄性的精子 Epigen

3、etics, 2008- 2009, Semester 1, USTC MATa MAT MATa MAT aa/ 性染色体：酵母性染色体：酵母 性染色体：酵母性染色体：酵母性染色体：酵母性染色体：酵母 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 无性染色体：海龟无性染色体：海龟 无性染色体：海龟无性染色体：海龟无性染色体：海龟无性染色体：海龟 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 无性染色体：海龟无性染色体：海龟 无性染色体：海龟无性染色体：海龟无性染色体：海龟无性染

4、色体：海龟 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC X Y XX 性染色体：剂量补偿性染色体：剂量补偿 性染色体：剂量补偿性染色体：剂量补偿性染色体：剂量补偿性染色体：剂量补偿 X- 染色体失活染色体失活 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC X Y XX 2x 性染色体：剂量补偿性染色体：剂量补偿 性染色体：剂量补偿性染色体：剂量补偿性染色体：剂量补偿性染色体：剂量补偿 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1,

5、USTC XXX 1/2x 性染色体：剂量补偿性染色体：剂量补偿 性染色体：剂量补偿性染色体：剂量补偿性染色体：剂量补偿性染色体：剂量补偿 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 剂量补偿剂量补偿 剂量补偿剂量补偿剂量补偿剂量补偿 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 剂量补偿：果蝇剂量补偿：果蝇 剂量补偿：果蝇剂量补偿：果蝇剂量补偿：果蝇剂量补偿：果蝇 ? 1. 雄性中，形成雄性中，形成MSL (male- specific lethal) 复复 合物合物: ms

6、l1, msl2, msl3, mle, and mof，并包含，并包含 roX RNAs ? 2. MLE：ATP依赖的依赖的RNA/DNA helicase ? 3. MOF: 组蛋白组蛋白H4K16的乙酰转移酶的乙酰转移酶 ? 4. 雌性中，雌性中，SXL阻止阻止msl2的转录的转录- 降低降低msl1的的 表达表达 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 剂量补偿：果蝇剂量补偿：果蝇 剂量补偿：果蝇剂量补偿：果蝇剂量补偿：果蝇剂量补偿：果蝇 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semest

7、er 1, USTC 剂量补偿：果蝇剂量补偿：果蝇 剂量补偿：果蝇剂量补偿：果蝇剂量补偿：果蝇剂量补偿：果蝇 ? MSL与雄性与雄性X染色体上许多特定的位点结合染色体上许多特定的位点结合 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 剂量补偿：线虫剂量补偿：线虫 剂量补偿：线虫剂量补偿：线虫剂量补偿：线虫剂量补偿：线虫 ? 剂量补偿复合物剂量补偿复合物 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 剂量补偿：线虫剂量补偿：线虫 剂量补偿：线虫剂量补偿：线虫剂量补偿：线虫剂量补偿：

8、线虫 ? 1. rex (recognition elements): 首先招首先招 募剂量补偿复合物募剂量补偿复合物 (DCC) ? 2. 接着扩展到整个接着扩展到整个 染色体上染色体上 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 剂量补偿：线虫剂量补偿：线虫 剂量补偿：线虫剂量补偿：线虫剂量补偿：线虫剂量补偿：线虫 ? 1. 雌性中，常染色体雌性中，常染色体 上的性别决定基因上的性别决定基因 her- 1被沉默到被沉默到5%的的 表达水平表达水平 ? 2. xol- 1: 性别决定的性别决定的 开关开关/转转换换基因基因 生物秀-

9、专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC X X 染色体失活染色体失活 X X X X 染色体失活染色体失活染色体失活染色体失活 ? 雌性的雌性的一条一条X染色体染色体完全完全 失失去去活性活性 Rainbow Copy Cat Allie X染色体失活染色体失活 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 哺乳动物的性别决定哺乳动物的性别决定 哺乳动物的性别决定哺乳动物的性别决定哺乳动物的性别决定哺乳动物的性别决定 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 200

10、9, Semester 1, USTC 哺乳动物的性别决定哺乳动物的性别决定 哺乳动物的性别决定哺乳动物的性别决定哺乳动物的性别决定哺乳动物的性别决定 ? 1. SRY：睾丸睾丸决定因决定因子子 ? 2. 定位定位于于Y染色体上染色体上: ? 极少数极少数的的XX雄性，雄性，SRY重重定位与定位与X染色体染色体 ? 极少数极少数的的XY雌性中雌性中缺乏缺乏SRY 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC ?1. 1961年年，The Lyon Hypothesis, 由英国由英国遗传遗传 学学家家Mary Lyon提出提出 ?2.

11、体体细胞细胞中的中的X染色体失活染色体失活发生在胚胎发育发生在胚胎发育的的早早 期期 ?3. 失活失活是随机是随机的：的：每一每一个个细胞细胞中，中，随机挑选父系随机挑选父系/ 母母系系的的X染色体失活染色体失活 ?4. 整整条条X染色体染色体都都失失去去活性活性 (有例外有例外) ?5. X染色体的失活染色体的失活是永久是永久性的，性的，克隆过程克隆过程中中保持保持 失活的失活的状态状态 ?6. 所有所有哺乳动物中哺乳动物中都存在都存在X染色体失活染色体失活现象现象 X X 染色体失活：染色体失活：LyonizationLyonization X X X X 染色体失活：染色体失活：染色体失

12、活：染色体失活：LyonizationLyonizationLyonizationLyonization 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC Barr bodyBarr body Barr bodyBarr bodyBarr bodyBarr body ? 失活的失活的X染色体被称为染色体被称为Barr body 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC Klinefelter SyndromeKlinefelter Syndrome KlinefelterKlin

13、efelterKlinefelterKlinefelter SyndromeSyndromeSyndromeSyndrome ?1. 雄性：雄性：46,XY ?2. Klinefelter Syndrome：47,XXY Mosaic; 48,XXXY; 49XXXXY ?3. 出现几率：出现几率：1/500 1/1,000 male births ?无无生育能力生育能力 ?骨质疏松症骨质疏松症 ?学学习习、情绪以及智力情绪以及智力的的紊乱紊乱 ?自身免疫疾病自身免疫疾病，例如红斑狼疮例如红斑狼疮 ?缺乏缺乏活活力力 ?沟通困难沟通困难 ?脾气暴躁脾气暴躁 ?发育迟缓发育迟缓 生物秀-专心做生

14、物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC TurnerTurners Syndromes Syndrome TurnerTurnerTurnerTurner s Syndromes Syndromes Syndromes Syndrome ?雌性雌性 45, X ?出现几出现几率率：1/2500 ?身身材不高材不高 ?不不育育 ?高血压高血压 ?1:4 会会发生自发发生自发流产流产 ?雌性雌性 47,XXX：正正常常 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC Barr bodyBarr

15、body Barr bodyBarr bodyBarr bodyBarr body 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC X X 染色体失活染色体失活 X X X X 染色体失活染色体失活染色体失活染色体失活 ?1. 雄性的雄性的X染色体基因染色体基因是是半半合合子子 (hemizygous) ?2. 雌性雌性通过通过失活失活一条一条X染色体，成染色体，成为功为功能能性的性的半半 合合子子 ?3. X染色体的部分区域不发生失活染色体的部分区域不发生失活 ?A. X和和Y染色体上，类染色体上，类似似常染色体的常染色体的区域区域 ?

16、B. 少数少数基因基因不不发生发生失活：失活：ZFX,RPS4X,UBE1 ?C. 同源同源重重组组区域区域 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC ? 1. X染色体失活染色体失活发生在胚胎发育发生在胚胎发育的的 早期早期 24细胞期细胞期 ? 2. X染色体失活染色体失活具具有随机有随机性性 ? 3. 失活失活模式确模式确定定之后之后，其其子子代代的失的失 活活模式也模式也随随即固即固定定 ? 4. 因因此此，雌性，雌性是是“镶嵌镶嵌体体” (mosaics): 有有些部分些部分表达表达Xp，有有些些 部分部分表达表达Xm X

17、mXp XmXp XmXp XmXp XmXp XmXp XmXp XmXp XmXp X X 染色体失活染色体失活 X X X X 染色体失活染色体失活染色体失活染色体失活 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC X X 染色体失活染色体失活 X X X X 染色体失活染色体失活染色体失活染色体失活 ?1. 母母系系遗传的遗传的X染色体染色体 (Xm) 在在卵卵子子里里 呈呈活活化化状态状态，父系父系遗传的遗传的X染色体染色体 (Xp) 在在精精子子中中是是沉默的沉默的 ?2. 受精后受精后，在胚胎在胚胎植入前植入前，Xp被被重

18、重新新 激激活活 ?3. 滋养滋养外胚外胚层层 (trophectoderm)和初级和初级 内内胚胚层层 (primitive endoderm)，分分别别自自 着着床床的的3.5 and 4.5 dpc (days postcoitum), Xp更容易更容易失活失活 ?4. 外胚外胚叶叶细胞细胞，将将发育发育成成配配子细胞子细胞和和体体 细胞细胞， Xm和和Xp随机随机失活失活 ?5. 在在原原生生殖殖细胞细胞中，失活的中，失活的X染色体染色体 12.5 dpc左右左右重重新激新激活活 ?6. 当当雌性雌性配配子细胞子细胞进入减进入减数数分裂时分裂时，两两 条条X染色体染色体都重都重新新被被

19、激激活活 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC X X 染色体失活染色体失活 X X X X 染色体失活染色体失活染色体失活染色体失活 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC ? 两种不同两种不同的的调控调控机机制制: : ? 1. 计数：细胞感知X染色体的数目，并保证只有一个X染色体有活 性，其他的X染色体失活 ? 2. 选择：决定X染色体是失活还是保持活化 计数选择 非随机随机保证常染色体上的 基因/X染色体上的 基因= 2:1 X X 染色体失活染色体失活 X

20、 X X X 染色体失活染色体失活染色体失活染色体失活 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC X-inactivation centerX-inactivation center X X X X- - - -inactivation centerinactivation centerinactivation centerinactivation center ? XIC X chromosome Inactivation Center ? XICXIC调控调控XISTXIST基因的表达基因的表达 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 200

21、8- 2009, Semester 1, USTC X-inactivation centerX-inactivation center：小鼠小鼠 vs. vs. 人人 X X X X- - - -inactivation centerinactivation centerinactivation centerinactivation center：小鼠小鼠：小鼠小鼠 vs. vs. vs. vs. 人人人人 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC XicXic中的中的功功能能元件元件 XicXicXicXic中的中的功功能能元件

22、元件中的中的功功能能元件元件 ? 1. 计计数数功功能能元件元件: ? 20 kb的的区域区域 ? 每每个个细胞细胞里里存在一存在一个活性的个活性的X染色体染色体 ? # of 活活化化的的X染色体染色体= (# of X) -1 ? 2. 选选择功择功能能元件元件: 多个多个元件元件：Tsix (Xist antisense) 保保证证失活失活随机发生随机发生；DXPas34和和Xite -激激活活 Tsix；CTCF (TF) -调控调控Tsix regulation (染色染色质质的的 绝缘绝缘子子) ? 3. 其他元件其他元件：非编码非编码的的RNA 生物秀-专心做生物 Epigene

23、tics, 2008- 2009, Semester 1, USTC X X-i -inactive-snactive-specific tpecific transcriptranscript X X X X- - - -i i i inactivenactivenactivenactive- - - -s s s specific pecific pecific pecific t t t transcriptranscriptranscriptranscript ? 1. XIST: X- inactive- specific transcript ? 2. XIST: 产生一个产生一个

24、17kb的非编的非编 码的码的RNA分子分子 ? 3. 将将150MB的的X染色体包裹染色体包裹 起来起来- 顺式作用，顺式作用， ? 4. LINE (Long INterspersed Elements)：协 助信号的传播：协 助信号的传播 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC XISTXIST在胚胎在胚胎干干细胞细胞中的转录中的转录模式模式 XISTXISTXISTXIST在胚胎在胚胎干干细胞细胞中的转录中的转录模式模式在胚胎在胚胎干干细胞细胞中的转录中的转录模式模式 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008

25、- 2009, Semester 1, USTC ? 1. XIST RNA表达并包表达并包裹裹X染染 色体色体； ? 2. 结合染色结合染色质质修饰修饰蛋白蛋白质质 ? 3. X染色体的基因的染色体的基因的5端端发生发生 DNA甲甲基基化化 ? 4. 组蛋白被组蛋白被甲甲基转移酶基转移酶修饰修饰 ? 5. 其他其他的染色的染色质质修饰修饰于重于重塑塑 因因子子的的参参与与 X X 染色体失活的染色体失活的步骤步骤 X X X X 染色体失活的染色体失活的步骤步骤染色体失活的染色体失活的步骤步骤 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, US

26、TC 小鼠小鼠的的胚胎胚胎干干细胞细胞：Knock Knock XIST outXIST out 小鼠小鼠的的胚胎胚胎干干细胞细胞：小鼠小鼠的的胚胎胚胎干干细胞细胞：Knock Knock Knock Knock XIST outXIST outXIST outXIST out or Dffr ES cell 50/50 ES cell Dffr 100/0 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC XIST X XIST 4848小时内具小时内具有有可逆可逆性性 48484848小时内具小时内具有有可逆可逆性性小时内具小时内具有有

27、可逆可逆性性 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 4848小时后不具小时后不具可逆可逆性性 48484848小时后不具小时后不具可逆可逆性性小时后不具小时后不具可逆可逆性性 XIST XIST X 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC XISTXIST在发育在发育的的早期发早期发挥挥不不可逆可逆的的作用作用 XISTXISTXISTXIST在发育在发育的的早期发早期发挥挥不不可逆可逆的的作用作用在发育在发育的的早期发早期发挥挥不不可逆可逆的的作用作用 生物秀-专

28、心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC X X染色体失活染色体失活过程过程中的中的事事件件 X X X X染色体失活染色体失活过程过程中的中的事事件件染色体失活染色体失活过程过程中的中的事事件件 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 阻阻遏遏因因子子调控调控XistXist 阻阻遏遏因因子子调控调控阻阻遏遏因因子子调控调控XistXistXistXist CE: Counting Element 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semes

29、ter 1, USTC Tsix: Tsix: 调控调控XISTXIST的表达的表达 TsixTsixTsixTsix: : : : 调控调控调控调控XISTXISTXISTXIST的表达的表达的表达的表达 ?TSIX的不对称表达决定了的不对称表达决定了X染色体失活的选择性染色体失活的选择性 ?在在将将要要失活的失活的X染色体上，染色体上，TSIX沉默沉默保保证证XIST的表达的表达 ?在在将将要要活活化化的的X染色体上，染色体上，TSIX激激活活保保证证XIST的沉默的沉默 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC Tsix: T

30、six: 调控调控XISTXIST的表达的表达 TsixTsixTsixTsix: : : : 调控调控调控调控XISTXISTXISTXIST的表达的表达的表达的表达 ? A. Tsix直直接接覆盖覆盖Xist; ? B. 干干扰扰：二者二者的的非编码非编码 RNA相互相互之之间间存在存在干干 扰扰，从而从而精确精确的决定的决定 Xist的表达水平的表达水平； ? C. Tsix表达，表达，3招募招募抑抑 制制因因子子； ? D. 打打开染色开染色质质构像构像，招，招 募募抑抑制制Xist的的抑抑制制因因子子 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semest

31、er 1, USTC TsixTsix：突变启突变启动动子子区域区域 TsixTsixTsixTsix：突变启突变启动动子子区域区域突变启突变启动动子子区域区域 ? 胚胎胚胎干干细胞细胞 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC TsixTsix：计计数数和和选选择择 TsixTsixTsixTsix：计计数数和和选选择择：计计数数和和选选择择 X 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC TsixTsix：计计数数和和选选择择 TsixTsixTsixTsix：计计数数和和选选择择：计计数数和和选选择择 ? 1. Pgk1 (3 cM t