1表观遗传学

基因组印记的相关理论
1. 两性之战 (Kinship)，遗传斗争 (Genetic Conflict), 双亲投资 (Parental Investment)
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。
表达模式: 母系 父系 双等位 未知
KCNQ1OT1 KCNQ1
PWS/AS SNURF-SNRPN UBE3A-UBE3A-AS
IGF2-H19 Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC
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 (imprint control element, ICE) 所调控
2. 卵巢里的时间炸弹 (Ovarian time bomb): 避免卵 巢滋养细胞疾病 (ovarian Trophoblastic disease)
孤雌胚胎 (parthenogenetic embryos)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
印记基因的特征
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印记基因的特征
1. 具有等位基因不同的甲基化区域 (differentially methylated regions, 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
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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
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基因印记
1. 由表观遗传修饰决定的，来源于双亲 (Parentof-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
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基因印记
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)
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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
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Igf2R/Air
Air 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
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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H3K9 5. 进一步甲基化，保证基因 沉默状态
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
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转录依赖的沉默
抑制元件区域
P
活化元件区域
P
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2. 也称为印记控制区域 (imprint control region, ICR) 或者印记中心 (imprinting centre, IC) 3. 绝大多数都有CpG islands，能够发生DNA甲基化
4. 在CpG islands内或附近通常有成簇的、有向的重 复片段
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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
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
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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
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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
Differentially methylated regions (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
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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
ncRNA结合到靶位的DNA序列上
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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
(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
关闭染色体构像，形成异染色质
DNA甲基化 vs. 基因组印记
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CpG岛的差异甲基化
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印记的判读机制
2. 差异性的将沉默因子结合到顺式沉默元件上
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
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印记的判读机制
3. 差异性的甲基化边界元件/绝缘子
例如 CCCTC-binding factor (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
ncRNA介导的沉默机制
M P
M P
Leabharlann Baidu
Primary target
Silent gene
Active gene
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Igf2R/Air
ICE – 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
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基因组印记的相关理论 (2)
1. 进化能力模型 (Evolvability Model): 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
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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) promoter exclusion; (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
表观遗传学
第五章 基因组印记
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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
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两类印记基因簇
第一类: 父系印记簇
E.g. Igf2 and Dlk1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
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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
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
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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
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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 (germ line)建 立并维持
基因组印记的建立
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印记的判读机制
1. 通过CpG岛或者启动子的差异甲基化来实现
Methyl-C binding proteins (MBPs) Dnmt1 (maintenance DMT) HDACs
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