1第十一章 表观遗传学

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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
• 在特定细胞系及神经发育方面有重要功能
3.印记过程
• 印记去除（去甲基化） • 印记形成（重新甲基化） • 印记维持（甲基化维持） • 父源基因组的去甲基化是将甲基直接去除；而母源基因组 的去甲基化则多数是因甲基转移酶DNMT1活性受阻而使甲 基化维持失败。
DNA甲基化是 产生遗传印记
的主要原因。
1.概念
• 遗传印记（gene imprinting)是指基因组在传递遗传信息 的过程中，通过基因组的化学修饰（DNA的甲基化；组蛋 白的甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等）而使基因或 DNA片段被标识的过程。 • 基因组印记依靠单亲传递某种性状的遗传信息，被印迹的 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。
• 功能：是RNAi 作用的重要 组分，是RNAi发生的中介 分子。内源性siRNA使细胞 • 特点：具有高度的保守性、 能够抵御转座子、转基因 时序性和组织特异性 。 和病毒的侵略。
siRNA介导的RNAi
3.组蛋白修饰
乙酰化-- 一般与活化的染色质构型相关联，乙酰化 修饰大多发生在H3、H4的 Lys 残基上。 甲基化-- 发生在H3、H4的 Lys 和 Asp 残基上， 可以与基因抑制有关，也可以与基因的激活相关，这 往往取决于被修饰的位置和程度。 磷酸化-- 发生与 Ser 残基，一般与基因活化相关。 泛素化-- 一般是C端Lys修饰，启动基因表达。 SUMO（一种类泛素蛋白）化-- 可稳定异染色质。 其他修饰
3.哺乳动物克隆过程中的基因重新编程
• 哺乳动物克隆过程中基因的重新编程有其显著的特殊性， 最主要在于它没有经过配子发生这一阶段，重新编程必须 在供核进入卵子和重构胚基因组开始转录这一短暂阶段发 生。
• 重新编程后有3种结果：(1)没有得到重新编程，克隆胚胎 立即死亡；(2)部分重新编程，将导致各种异常表型和(或) 死于发育的各个阶段；(3)正确重新编程，产生正常克隆 动物。
（1）RNAi的研究历程
（2）参与RNA干扰的主要分子
siRNA
• 结构：21-23nt的双链结构，• 序列与靶mRNA有同源性， 双链两端各有2个突出非配 对的3’碱基。
miRNA
结构：21-25nt长的单链小 分子RNA ，5′端有一个磷 酸基团，3′端为羟基，由 具有发夹结构的约70-90个 碱基大小的单链RNA前体经 过Dicer酶加工后生成。
1.配子发生和胚胎发育中的甲基化现象
甲基化状态在分化的体细胞上是稳定和可遗 传的，但在哺乳动物中至少有两个时期，一 个是配子发生期，另一个是胚胎期，基因组 的甲基化状态发生广泛的重新编程。
（1）配子发生中的甲基化现象
• 在小鼠，全局性的去甲基化发生在原始生殖细胞(PGC, primordial germ cells)发育早期。一旦PGC去甲基化， 雄性生殖细胞的有丝分裂和雌性生殖细胞的减数分裂都将 停止。 • 几天后，雄性生殖细胞开始再甲基化，再甲基化将有助于 生殖细胞有丝分裂的重新开始及随后的减数分裂 。 • 雌性生殖细胞的再甲基化则发生在出生后卵的生长期， Dnmt3A/3B是可能的参与者，但不确定。
2.配子发生和胚胎发育中的遗传印迹现象
• 印记基因的“印记”形成于配子发育晚期，并且独立于胚 胎发育中的全局性去甲基化作用和甲基化作用； • 在配子发生晚期，将建立印记基因亲本特异的甲基化标志， 若此标志一旦丢失，除非经过生殖系(germ line)的传递， 否则将不可能再次获得。
• 胚胎期，在精子进入卵子时发生的主动去甲基化中，一些 父系表达的印迹基因将受保护不被去甲基化。
• 。。。。。。。。。。。
DNA甲基化
RNA相关沉默
组蛋白修饰
1.DNA甲基化
• DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶（DNMTs）的作用下， 将一个甲基添加在DNA分子的碱基上，最常见的是加在 胞嘧啶上，形成5-甲基胞嘧啶（5mC)。5mC占胞嘧啶总 量的2%-7%，约70%的5mC存在于CpG二连核苷。
(1)组蛋白的乙酰化
位点： 通常发生在蛋白质的赖氨酸(K)上；
可逆的生化反应： 乙酰化和去乙酰化 分子效应： 中和赖氨酸上的正电荷，增加组蛋白与DNA的排斥力， 使DNA结构变得疏松，从而导致基因的转录活化。 生物学功能： A. 基因转录活化；B. DNA损伤修复
(2)组蛋白的甲基化
位点：
3
4 5 6
1.基本概念
基因的DNA序列不发生改变的情况下，基因的表达水平与 功能发生改变，并产生可遗传的表型。
表观遗传差异：同卵双生
2.表观遗传的特征
• 可遗传；
• 可逆性；
• DNA不变。
3.表观遗传学发展简史
• 1942年，Conrad Hal Waddington提出现代Epigenetics 的概念，认为基因型通过一些“偶然的、不确定的机制” 决定了不同的表型 • 1941年，Hermann J. Muller发现Positioneffect variegation (PEV)——第一种表观遗传学现象 • 1958年，R.A.Brink发现paramutation现象 • 1961年，Mary Lyon发现X染色体失活现象 • 1983年，DNA甲基化的发现
（2）胚胎发育中的甲基化现象
• 在胚胎期，同样发生全局性的去甲基化和再甲基化过程。 当精子进入卵子，在精子DNA未复制之前，精子基因组就 已发生广泛的去甲基化。 • 因为细胞核中没有Dnmtl，卵子的基因组则经过一个被动 去甲基化过程，直至桑椹胚。 • 当囊胚植入子宫后，立即发生由Dnmt3A/3B介导的从头甲 基化，但仅作用在内细胞团(inner cellmass)，滋养外胚 层不被从头合成甲基化 ，此时需别的外遗传标记使基因 组序列被甲基化或不被甲基化。
• 近几年，哺乳动物克隆取得较大进展，体细胞克隆已在 多种哺乳动物获得成功，但成功率仍很低，面临着许多 问题：重构胚难以植入子宫、流产率高、胎盘过大、出 生个体体重过重、许多个体有呼吸循环系统疾病等。 • 这些异常表型的高发性和穿越种间的相似性说明：这些 问题主要不是由遗传信息的改变引起的而是由外遗传信 息的改变导致的，其主要原因就是基因没有获得正确的 重新编程。
• 1961年M.F.Lyon就提出了关于雌性哺乳动物体细胞的两 条X染色体中会有一条发生随机失活的假说，并认为这是 一种基因剂量补偿的机制。
• 1996年G.D.Penny等发现X染色体的Xq13.3区段有一个X 失活中心( X-inaction center，Xic)，X-失活从Xic区段开 始启动，然后扩展到整条染色体。
基因调控模型 •DNA甲基化的主要功能 是转录沉默 •建立特定的基因表达模 式：组织特异性、生殖 特异性… •基因印记、X染色体失 活
2.RNA相关沉默
RNA干扰（RNAi）作用是生物体内的一种通过双链RNA 分子在mRNA水平上诱导特异性序列基因沉默的过程。
由于RNAi发生在转录后水平，所以又称为转录后基因 沉默（post-transcriptional gene silencing, PTGS ）。
表观遗传学
非基因突变导致的可遗传的变异
医学遗传学教研室 徐朝阳
受困于经典的分子生物学理论，现代遗传学 的发展曾经受到极大的阻碍
表观遗传学的出现修补了经典理论，开 创了遗传学研究的新局面
当前，表观遗传学研究的强度大大增强
但是，繁杂多变的表观遗传学因素、表 象让很多入门者迷惑
内容
1 2 概述 表观遗传修饰 遗传印记 X染色体失活 基因表达的重新编程 表观遗传与疾病
正 Igf-2 Igf-2 正常小鼠
交 Igf-2m Igf-2m 矮小型小鼠
反
交 Igf-2 Igf-2 正常小鼠
♀
♂
Igf-2m Igf-2m 矮小型小鼠
Igf-2 Igf-2m 正常小鼠
Igf-2m Igf-2
矮小型小鼠
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• 由正反交实验可以看出：
印迹基因的正反交结果不一致、不符合孟德尔定律。 小鼠 Igf-2 基因总是母本来源的等位基因被印迹， 父本来源的等位基因表达，因此是母本印迹。 基因印迹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。
• 结构基因含有很多CpG 结构，基因组中60%～ 90% 的 CpG 都被甲基化, 未甲基化的CpG 成簇地组成CpG 岛, 位于结构基因启动子的核心序列和转录起始点。
（1）DNA甲基转移酶的类型及功能
• DNMTl在细胞分裂过程中维持DNA复制时新生链的甲基化 状态与方式；
• DNMT2与DNA特异位点结合，但其作用还不清楚，从结构 上说DNMT2仅仅含有催化区域，而缺失整个调节区域。 • • DNMT3A和DNMT3B催化DNA甲基化新生位点，DNMT3A/ DNMT3B对着丝粒卫星DNA重复序列甲基化。
主要发生在赖氨酸(K)或精氨酸(R)上；
分子效应：
增加赖氨酸上的疏水力
生物学功能：
A. 基因转录活化（H3-K4)；B. 基因转录沉默 （H3-K9）；C. X染色体失活
(3)组蛋白的磷酸化
位点： 主要发生在丝氨酸(S)/苏氨酸(T)
功能： A.转录调控：H3K10被Rsk-2磷酸化 B.异染色质的形成： H4S1的磷酸化 C.DNA repair ： H2AX磷酸化
1.失活X染色体特点：
组蛋白H4不被乙酰化 CpG岛的高度甲基化
2.X染色体失活过程（起始阶段）
两条染色体都表达不稳定的Xist RNA
X染色体失活过程（进展阶段）
其中一条X染色体表达的Xist RNA包裹自身并 启动异染色质化过程
X染色体失活过程（终末阶段）
活性X染色体停止表达不稳定的Xist RNA，已 有的Xist RNA很快降解。
4.遗传印记的特点
• 遗传印记遍布基因组 • 印记基因的内含子小，雄性印记基因重组率高于雌性印记 基因 • 印记基因表达具有组织特异性 • 印记基因在世代传递中可以逆转
5.印记基因的调控方式
• 母源等位基因簇
• E.g. H19 的基因印记簇 • 采用ncRNA介导的沉默机制
• 父源等位基因簇
• E.g. Igf2 的基因印记簇 • 采用基于绝缘子的沉默机制
（2）DNA甲基化的功能
DNA甲基化可引起基因组中相应区域的染色质结构变 化, 使DNA失去DNA酶的敏感位点和限制性内切酶的切割
位点；
DNA 甲基化可使染色质高度螺旋化, 凝缩成团, 失
去转录活性。
（3）wk.baidu.comNA甲基化的意义
宿主防御模型 •转座子的活性对机体非 常有害 •甲基化抑制转座子的活 性