表观遗传学

基因组印记与DNA甲基化密切相关
1956年Prader-Willi综合征(Prader-Willi Syndrome,PWS)，患者肥胖、矮小、中 度智力低下。染色体核型分析表明为 父源染色体15q11-13区段缺失。

1968年Angelman综合征 (Angelman Syndrome， AS)，共济失调、智力低 下和失语。母源染色体 15q11-13区段缺失
第一印迹调控区
Igf2 CTCF DMR1
H19
母源 P
E
父源
E
启动子（P）、差异甲基化区（DMR1）、锌指蛋白（CTCF）和 增强子（E）对Igf2和H19的交互易换式印迹调节模式示意图 （ 为非甲基化CpG岛， 为甲基化CpG岛）。
原始性细胞

涉及到不同亲本 来源的印迹基因 的DNA甲基化型 都是在生殖细胞 成熟过程中建立 的。

迄今已发现的印迹基因已有150余个，大多成 簇排列，其中许多是疾病基因。虽多数印迹基 因的作用机制尚不清楚，然而几乎都与DNA甲 基化型的异常相关联。
Cover Legend Just as the discovery of the Rosetta Stone in 1799 by Napoleon's troops enabled Egytian hieroglyphics to be deciphered, mathematical bioinformatic techniques have allowed the imprint status of a gene to be predicted from cis-acting genomic motifs. This resulted in the genome-wide identification of genes in the human with high probability of being imprinted, and permitted the identification of candidate imprinted genes for complex human disorders where parent-oforigin inheritance is involved. Cover design by James V. Jirtle (Webwiz Design)
陈润生院士


当一个基因的启动子序列中的CpG岛被甲基化 以后，尽管基因序列没有发生改变，但基因不 能启动转录，也就不能发挥功能，导致生物表 型的改变。 DNA甲基化抑制基因表达

DNA甲基化模式可以在DNA复制后被保持下来

肿瘤细胞的甲基化特点

总体甲基化水平低 局部甲基化水平高，即抑癌基因的甲基化水 平高

上述的H3 Lys9甲基化最终导致了基因的沉默；然 而，位于H3 Lys4的甲基化则与基因的活化相关联。



组蛋白修饰主要是氨基端的甲基化修饰和(或) 乙酰化修饰，特定组蛋白的氨基酸残基被甲基 化和(或)乙酰化可以最终激活基因的表达，反 之则抑制基因的表达。 特定组蛋白羧基端的泛素化同样影响蛋白质的 降解过程，从而也可调节基因的表达。 目前研究还发现组蛋白修饰与CpG岛的甲基化 密切相关。
组蛋白修饰


基因正常表达除了需要相应转录因子的诱导和 启动子区处于低甲基化状态外，还需要具备另 外一个表观遗传学条件，即组蛋白修饰处于激 活状态。 组蛋白对特定氨基酸的修饰可以间接提供某些 蛋白的识别信息，然后通过蛋白质和染色质的 相互作用改变染色质的结构，从而调控基因的 表达。

组成核小体的组蛋白可以被多种化合物 所修饰，如磷酸化、乙酰化和甲基化等， 组蛋白的这类结构修饰可使染色质的构 型发生改变，称为染色质构型重塑。



Xist：X染色体失活特异性转录因子，是X染色体上启动转录最早的基因。 Xce：在基因组中的组成与X-染色体随机失活中的选择有关，当Xce处于纯合 状态时，体细胞中的X-失活是完全随机的，而杂合态时，失活不是完全随机 的。 Tsix：位于Xist下游的瞬时调控元件， 与CTCF可能协同起着Xist的外源开关功 能。 DXPas34：富含CpG，包括一个15Kb的微卫星重复序列，对X-失活有一定调 控作用。

表观遗传学的研究已成为基因组测序后 的人类基因组重大研究方向之一。这一 飞速发展的科学领域从分子水平揭示了 复杂的生物学现象，为解开人类和其他 生物的生命奥秘、造福人类健康带来了 新希望。

从现在的研究情况来看，表观遗传学变 化主要集中在三大方面：



DNA甲基化修饰 组蛋白修饰 非编码RNA的调控作用。
Linking genome to proteome
Types
Classification of RNA
function component of ribosome template of protein synthesis transfer amino acid premature mRNA participate the splicing and transfer of hnRNA, includes spliceosomal RNA process and modify rRNA recognize the protein sorting signal catalytic RNA usually endogenous, induce degradation of targeted mRNA usually exogenous, induce degradation of targeted mRNA all RNA other than mRNA, priorly functional RNA longer than 200nt


X染色体失活就是长链非编码RNA所介导的一 个重要表观遗传学现象，可以说是表观遗传学 中由RNA引导的DNA甲基化和组蛋白修饰共同 参与的一个复杂的过程。 哺乳动物的雌性个体中仅有随机的一条X染色 体有活性，而失活的X染色体是由自身的一个 失活中心调控的。

Xic长约1Mb，包括4个已知基因：Xist、Xce、Tsix和DXPas34


这三个方面各自影响特有的表观遗传学 现象，而且它们还相互作用，共同决定 复杂的生物学过程。 因此，表观遗传学也可理解为环境和遗 传相互作用的一门学科。
DNA甲基化



DNA甲基化是指在甲基化酶的作用下，将一个 甲基添加在DNA分子的碱基上。 DNA甲基化修饰决定基因表达的模式，即决定 从亲代到子代可遗传的基因表达状态。 DNA甲基化的部位通常在CpG岛的胞嘧啶
ribosomal RNA (rRNA) messenger RNA (mRNA) transfer RNA (tRNA) heterogeneous nuclear RNA (hnRNA) small nuclear RNA(snRNA) small nucleolar RNA (snoRNA) small cytoplasmic RNA ribozyme microRNA (miRNA) small interfering RNA (siRNA) non-coding RNA (ncRNA)

PWS和AS综合症表明，父亲和母亲的 基因组在个体发育中有着不同的影响， 这种现象称为基因组印迹(genomic imprinting)。

有些基因的功能受到双亲基因组的影响， 即来自父方和母方的等位基因在通过精子 和卵子传递给子代时发生了修饰，打上了 来源基因组的印记，使带有亲代印记的等 位基因具有不同的表达特性。

随着对实验动物特别是克隆动物生物学 性状的了解以及人们对众多疾病的深入 研究，科学家发现，除了基因组DNA外， 还有基因组之外的大量遗传学信息调控 着基因的表达，表观遗传学(epigenetics) 应运而生。


表观遗传是指在没有DNA序列变化的基 础上，基因表达状态的可遗传性的改变。 表观遗传学是研究基因组DNA序列未发 生变化、而基因表达及基因功能的诱导 和维持却发生可遗传变化的科学。

基因组印迹是两个亲本等位基因的差异性甲 基化型造成了一个亲本等位基因的沉默，另 一个亲本等位基因保持单等位基因活性 (monoallelic activity)。

在PWS和AS患者中发现，微小染色体缺 失集中的区域有成簇排列的富含CpG岛的 基因表达调控元件，称为印迹中心 (imprinting centers , ICs)。在父源和母源 染色体上，这些调控元件的CpG岛呈现甲 基化型的明显差异。
• Beckwith-Wiedemann综合征(BWS)是一种过度 生长综合征,常伴有肥胖和先天性脐疝等症状， 并有儿童期肿瘤易患倾向。


BWS起源于染色体11p15.5区段的多种能造成 该区段印迹基因表达失衡的遗传学和表观遗传 学调节机制异常。 在长约1Mb的该区段中至少有12个成簇排列的 印迹基因，其中有些呈父源等位基因表达模式， 另一些呈母源等位基因表达模式，这些基因分 属两个印迹域(imprinted domain)，它们的印迹 状态分别受控于两个印迹调控区(impriting control regions，ICR)。
表观遗传学 Epigenetics
不依赖于DNA序列的遗传现象


克隆动物未老先衰 同卵双生的双胞胎虽 然具有相同的DNA序 列，却存在表型的差 异和疾病易感性的差 异 组织特异性基因的表 达 复杂疾病的发生

单单从DNA序列上寻找众多疾病的病因 是片面的，往往事倍功半，对于某些疾 病甚至可能永远找不到答案。

组蛋白中不同氨基酸残基的乙酰化一般 与活化的染色质构型常染色质 (euchromatin)和有表达活性的基因相关 联；而组蛋白的甲基化则与浓缩的异染 色质(hetero-chromatin)和表达受抑的基 因相关联。

组蛋白甲基化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赖氨 酸处于什么位置。

X染色体失活过程

Xic失活基因编码出 对应的RNA，这些 RNA包裹在合成它 的X染色体上，当达 到某一水平后，在 DNA甲基化和组蛋 白修饰的参与下共 同导致并维持X染色 体的失活。

ห้องสมุดไป่ตู้
非编码RNA可依据大小分为长链非编码RNA和 短链非编码RNA，前者在基因簇以至整个染色 体水平发挥顺式调节作用，甚至可以介导单条 染色体的失活，后者主要是在转录后水平对基 因的表达进行调控。
Histone Code

染色质蛋白并非只是 一种包装蛋白，而是 在DNA和细胞其他组 分之间构筑了一个动 态的功能平台。
非编码RNA调节



无论是DNA修饰还是组蛋白修饰，都是基因活 性调节的中间参与者，而真正诱导基因活性改 变的最大可能者是功能性非编码RNA。 非编码RNA在调节基因表达、基因转录、调整 染色质结构、表观遗传记忆、RNA选择性剪接 以及蛋白质翻译中都发挥重要作用。 不仅如此，RNA在保护机体免受外来核酸的侵 扰中也扮演着重要的角色，被认为是最古老的 免疫体系。
（2n）
配子
（n）
合子
（2n）
印迹基因的DNA甲基化型在生殖细胞成熟过程中的建立



基因组印迹是性细胞系的一种表观遗传修饰， 这种修饰有一整套分布于染色体不同部位的印 迹中心来协调。 印迹中心直接介导了印迹标记的建立及其在发 育全过程中的维持和传递，并导致以亲本来源 特异性方式优先表达两个亲本等位基因中的一 个，而使另一个沉默。 研究表明，在哺乳动物中相当数量的印迹基因 是与胎儿的生长发育和胎盘的功能密切相关的。
DNMT1
S-腺苷 甲硫氨 酸SAM
胞嘧啶
5-甲基胞嘧啶


在结构基因的调控区段，CpG二联核苷常常以成簇串联的形式排 列。结构基因5’端附近富含CpG二联核苷的区域称为CpG岛(CpG islands)。 CpG岛是CG二核苷酸含量大于50%的区域。CpG岛通常分布在基 因的启动子区域。

CpG岛的甲基化会稳定核小体之间的紧密结合 而抑制基因的表达。