第十一章 表观遗传学

着不同的影响，这种现象称基因组印迹。
两个亲本的等位基因差异性甲基化是基因组印
迹现象的基础。
疾病的基础： 15q11-13 微缺失
Prader-Willi syndrome, PWS（父源）：肥胖、矮 小, 中度智力低下
Angelman syndrome, AS （母源）：共济失调, 严重 智力低下
表观遗传修饰调控的复杂性
机体表观遗传模式的变化在整个发育过程中高度有序/ 严格受控: RNA干涉（影响组蛋白修饰） 组蛋白结构修饰 调控网络 DNA甲基化
动态而有序地调控组织细胞特异性的基因表达模式
RNA 干涉？
2006年10月2日，瑞典皇家卡罗林医学院宣 布，本年度诺贝尔生理学和医学奖的桂冠授 予两位美国人： A.Z. Fire （安德鲁· 法尔） C.C. Mello （克雷格· 梅洛） 他们获奖，是因为发现了RNA的干扰机制。 诺贝尔奖评委会的公报说， Fire 和 Mello 获奖是因为他们“发现了控制遗传信息流动 的基本机制。”
意外发现：导入双链RNA的产生功能干扰的有效
性远高于导入单链RNA, sense or antisense
RNA导入均如此。
仅需少数分子即可产生干扰效应，提示酶促反
应或分子扩增的存在。
上述现象提示： 1. 存在超越简单反义RNA作用的机理。 2. RNA靶向的作用也不能排除。
3. 同时可能存在RNA与染色质的直接作用，影
父源非甲基化
染色体上的ICs呈现差异甲基化 母源甲基化
人类基因组已发现ICs 50多个，分布于基因组的12 个区
域，大多成簇排列，与疾病发生相关。 Beckwith-Wiedemann syndrome, BWS：11p15.5
印迹调控区
父源等位基因表达 母源等位基因表达
I化区域 CTCF：锌指蛋白
用而使个体呈现的性状。
性状遗传符合一定的规律
机体是由多种不同类型的细胞组成;
机体不同的细胞具有相同的基因型；
机体不同的细胞：形态存在差异
执行不同的生理功能
基础：基因表达模式（expression pattern) 不同。 组织细胞特异性的表达模式通过细胞分裂来传 递并稳定维持。
第十一章
表观遗传学
（Epigenetics）
遗传学：是研究遗传信息的组织、表达和传递的科学,
也是揭示生命本质和遗传规律的科学
基因（gene）：含有遗传信息的可遗传单位,是编码一
条多肽链的特定DNA片段。
基因型（Genotype）：个体的遗传结构；
表现型（Phenotype）：环境条件与基因型相互作
表观遗传学（epigenetics）：是研究没 有DNA序列变化的、可以遗传的表达改变 （Wolffe,1999） 表观遗传（epigenetic inheritance)： 通过有丝分裂和减数分裂来传递非DNA序 列信息的现象。
人类基因组含有两类信息
1. 传统意义上的遗传学信息，
它提供生命所必需的所有蛋
Lin-4的分子特征
miRNA和siRNA 的生 物发生和调节特征 比较
siRNAs和miRNAs 在分子特征，生物发生和发挥功
能作用的机制均相似。
目前将两者割裂为两类分子，这更多体现了人为 因素的存在，可能与它们的发现过程不同有关。 事实上，今天有关miRNAs 认知，其中许多来源于 对siRNAs和 RNAi的认识途径。
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。
基因组印迹是性细胞系的一种表观遗传修饰， 是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
育过程中的维持和传递，导致亲本来源特异性
的优先表达两亲本等位基因中的一个。
印迹基因的特点
印迹基因的群集性：目前已知的印迹基因在基 因组中不是单一基因的分散分布，而是多基因
Imprints can modify long-range regulatory elements that act on multiple genes Imprinted genes play a role in mammalian development
个体发育过程中
表观基因组的重编程
A consequence of inheritance
Imprints are epigeneticental gamete
Imprinted genes are mostly clustered together with a noncoding RNA
所有结构和功能各不相同的细胞虽具有完全一样 的基因组，却有着很不一样的表达模式。
建立和维持细胞特异性表达模式的信息，必须可
以通过细胞分裂而遗传，同时应具备被删除和重建 的可能性。
早期原始生殖细胞（primordial germ cells,
PGC)携带体细胞样的表观遗传型。在PGC进入
性腺前后，这一表观基因组开始被删除。
生物中的非孟德尔遗传现象
果蝇中的杂色（眼）位置效应（position-
effect variegation）：
野生红眼基因W+（显性）
突变白眼基因w（隐性）
基因定位于X染色体长臂末端
W+
―W+/W+‖和“W+/w‖均表现正常红眼 意外情况： W+异位至着丝粒附近（异染 色质区）， “W+/w‖杂合体表现为花斑 眼（杂色），即：部分细胞正常红色， 部分少量红色，部分白色。
RITS: RNA-induced transcriptional silencing effector
Distinction between Euchromatic and Heterochromatic Domains
二、基因组印迹(genomic imprinting)
概念：依赖于父、母源性的等位基因的差异性 表达，即父亲和母亲的基因组在个体发育中有
P：启动之
E：增强子 ：非甲基化CpG
：甲基化CpG
CTCF（CCCTC-binding factor）—— Transcriptional Repressor
Transcriptional insulators are DNA elements that set boundaries on the actions of enhancer and silencer elements All vertebrate insulators appear to use the versatile CTCF protein. CTCF uses various combinations of its 11 zinc fingers to recognize a variety of unrelated DNA sequences. Once bound to DNA, CTCF can function as a transcriptional insulator, repressor, or activator, depending on the context of the binding site
Present working definition: the study of mitotically and/or meiotically heritable changes in gene function that cannot be explained by changes in DNA sequence. (Riggs et al.1996)
响RNA的转录。
miRNAs与siRNAs区别
分子起源： miRNAs来源于特异性前体，在基因组内具有明确的 编码序列； siRNAs 可能更随机的来源于较长的dsRNAs ，它亦 可由外源导入或内源基因的双向转录来源。
作用机制：
多数情况下，miRNAs 与靶mRNA 3‗-UTRs 区多位点 非精确的互补结合； siRNAs常与靶mRNA单个位点精确配对，导致靶 mRNAs 裂解。
Fire 和 Mello (1998) 提出双链RNA（ dsRNA ）可以作为调控元件而触发基因的 沉寂 当时普遍认为反义RNA诱导的相关基因沉 寂是通过与互补mRNA结合，从而阻碍蛋白 质的合成。 Fire 和 Mello 的工作推翻了这一定论。
实验性细胞内引入RNA 以干扰内源性基因的功能 。 当时一般认为这种 RNA 干扰依赖于引入的RNA与 mRNA杂交，以反义链封闭mRNA的翻译。 设计实验拟解决：“RNA 干扰”是否与转入的RNA 结构有关。
“W+/w‖杂合体表现 为花斑眼（杂色）， 即：部分细胞正常红 色，部分少量红色， 部分白色。
表观遗传存在 的现象
遗传印迹现象
―马骡”和“驴骡”有较大差异 人胚胎三倍体的自然流产现象：多出的染色 体父、母源性不同，则产生不同的病理特征。
遗传印迹现象
马骡
差异较大
驴骡
The history of epigenetics is linked with the study of evolution and development. The meaning of the term ―epigenetics‖ has itself undergone an evolution.
白质合成的蓝图； 2. 表遗传（epigenetic）信息 ，提供何时、何地、如何应 用遗传学信息的指令，保证 基因适时启闭
One genome--------multiple epigenome
一、表观遗传修饰
表达模式的信息标记：
DNA特定碱基的修饰：胞嘧啶的甲基化；
染色质构型重塑：如，组蛋白的乙酰化、
Uni-parental disomy
Both syndromes can be caused by genetic or epigenetic defects
基因组改变：
微缺失的关键区域有成簇排列的，富含CpG岛的基因表 达调控元件—— 印迹中心（imprinting centers, ICs） 父源 母源
之后，性别特异性和序列特异性的表观遗传 型在两性生殖细胞中被建立。 受精后，合子基因组在卵细胞质的生理环境 中，启动与胚胎发育相关、有严格时空特异性
甲基化
表观遗传修饰机制1：DNA甲基化
DNA甲基化：基因组DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基 的共价结合—5-甲基胞嘧啶（ 5-methylcytosine, 5mC）。 DNA甲基化通过DNA甲基转移酶（DMTs）来完成，将S－ 腺苷甲硫氨酸上的甲基→胞嘧啶的第5位碳原子。 5-mC主要发生在CpG二联核苷。 CpG二联核苷常常以成簇串连的形式存在于结构基因的 调控区段。 CpG岛（CpG islands）：结构基因5‗端富含CpG二联核 苷的区域。 DNA甲基化→基因沉寂； DNA非甲基化→基因活化。
DNMT (de novo methylase)：从头甲基化酶
SAM (S-adenosylmethiomine)： S－腺苷甲硫氨酸
表观遗传修饰机制2：染色质重塑
组蛋白的化学修饰：乙酰化、甲基化 （1）组蛋白中不同氨基酸残基的乙酰化一般与活化的 染色质构型和有表达活性的基因相关联； （2）组蛋白中氨基酸残基的甲基化与浓缩的异染色质 核基因表达受抑有关。 也有例外: 组蛋白甲基化抑制或激活基因表达取决于 被修饰的赖氨酸的位置, 如, H3 Lys9甲基化→基因沉寂; H3 Lys4甲基化→基因激活.
簇集，其中部分父源表达、部分母源表达。
印迹基因DNA复制的不同步性。
雄性生殖系
雌性生殖系
父系染色体
母系染色体
合子
亲代基因组印迹在生殖系的重新编程
父系配子 母系配子
Key features of genomic imprinting in mammals
cis-Acting mechanism