表观遗传学

第五章：哺乳动物基因 组印记
第六章：哺乳动物X染色 体失活
第七章：表观遗传学和 人类疾病
第一章：染色质修饰及其作用机理
1.核小体和染色质高级结构
染色质：DNA+组蛋白 组蛋白（Histone）：小分子强碱性蛋白。由球状结构域
和可变的（相对无结构域的）从核小体表面伸出的“组蛋 白尾部”组成，组蛋白序列相当保守 核小体（Nucleosome）：染色质重复单位，由核心组蛋 白（H2A、H2B、H3和H4）组成的一个蛋白八聚体和一 段147bp包绕在外周的DNA组成
组蛋白修饰因子和染色体重塑因子 染色体重塑时的修饰酶：ISWI家族和SWI家族
染色体重塑机制（共价修饰与ATP依赖）
2. 组蛋白变体和表观遗传学
因为巨大的DNA长度，演化出结构性蛋白进行包装 染色质因为组蛋白变体的装入和置换而多样化 组蛋白变体在基因表达、染色体分离、DNA修复和真核
赖氨酸甲基化酶
与着丝粒和端粒周围异染色质形成有关
通过chromo结构域与HP1因子结合介导异染色质形成 与DNA甲基化协同存在
H3K9与DNA甲基化互相依赖，缺失DNA甲基化酶的哺乳动物 癌细胞中H3K9甲基化水平下降 在常染色质基因抑制中也有功能
3.3.2 赖氨酸去甲基化
2004年，去甲基化酶LSD1的发现提供了细胞内可发生去 甲基化的证据
模型3中，一个组蛋白翻译 后修饰可以为一个染色质结 合因子提供特异性结合
3. 组蛋白翻译后修饰类型
3.1 乙酰化（acetylation）与去乙酰化 实验证据： 转录活跃区或准备转录的染色质区域倾向于开放构想，可被
核酸酶降解； 实验发现鸡红细胞中活跃球蛋白基因处核酸酶高敏位点和组
蛋白高乙酰化位点有高度的相关性 酿酒酵母中，转录沉默区域有降低的转录水平
研究的 一个重要问题：等位基因的选择性调控 “人绝不仅仅是基因的简单累加” “你可以继承DNA序列之外的一些东西，这正是现在遗
传学中让我们激动的地方”
4. 表观遗传学的界定
表观遗传学的共同线索：DNA不是“裸露的” DNA 与组蛋白构成一个动态的多聚体—染色质 通过调整染色质的状态来实现基因转录调节
单甲基化和双甲基化
参与转录正负调控
PRMT1，PRMT4和CARM1促进转录，PRMT5抑制转录
去精氨酸化具有很大的可能性?
D. 泛素化/去泛素化及sumo化 同属于大的多肽类修饰 泛素是一类广泛表达的低分子量蛋白质，标记需要水解的
蛋白质 泛素化：酶促的翻译后蛋白修饰 泛素化与甲基化类似，可以引起转录的激活或抑制 H2B的泛素化和去泛素化的顺序发生是建立适当水平的
4. 修饰中的旋律
4.1 组蛋白密码 假说一：存在一种密码把特定的修饰与各种生命进程相联系 假说二：不存在一种严格的针对特定进程的组蛋白密码，而
是通过众多蛋白结合模块对HPTM进行识别和结合 4.2 修饰模式 顺式模式：同一组蛋白尾巴上（H3S10ph和H3K14ac：乙酰化
酶与事先磷酸化的H3末端有更高的亲和性） 反式模式：不同组蛋白尾巴上 （H2BK123泛素化和H3K4甲基
中， 能抑制转录因子结合，并能抑制染色质重构复合物Swl／ SNF对染色质的作用 H2Av是在果蝇中发现的H2A．Z同源蛋白，它同时具有 H2A．Z和H2A．X的特征，定位于异染色质，参与常染色质的 沉 γ—H2A．X是性染色体失活的必需成分 D. 核小体包装 连接组蛋白H1变体通过调整与DNA相互作用，直接影响核小 体的包装的松紧程度和染色体的高级结
化：泛素化改变染色质结构，有利于甲基化酶的结合）

第二章 染色体重塑与组蛋白变体
1.染色体重塑（Chromatin Remodeling）
染色质重塑是由染色质重塑复合物介导的，一系列以染色 质上核小体变化为基本特征的生物学过程
指染色质位置和结构的变化，主要涉及核小体的置换或重 新排列，改变了核小体在基因启动序列区域的排列，增加 了基因转录装置和启动序列的可接近性
染色质的变化可随细胞类型的变化而不同，也可对外界信号发 生反应
某一个体不变的DNA序列
染色质的总体构成，会随 着细胞类型的不同而变化， 以及对其收到的内外界信 号发生反应
OUTLINE
第一章：染色质修饰及 其作用机理
第二章：染色体重塑与 组蛋白变体
第三章：DNA甲基化
第四章：RNA干扰和异 染色质组装
H3K4和H3K36所必须的
Sumo是一类广泛存在与真核生物中且高度保守的蛋白质家族， 哺乳动物中有sumo-1，sumo-2，sumo-3和sumo-4,
Sumo化：发生在赖氨酸残基上，防止激活性组蛋白翻译后修 饰的发生
两种机制：
封闭可以乙酰化的赖氨酸位点；
sumo化的组蛋白与DNA抑制因子结合，招募去乙酰化酶
2.3 组蛋白替换
核小体是动态的，组蛋白的替换不仅包括常规的组蛋白与 组蛋白变体问的替换，还包括变体之间的替换，修饰状态 不同的同种组蛋白的替换，这些过程是由相应的染色质重 构复合物来替换
组蛋白变体的组装独立于DNA复制之外，复制后被植入
转录激活时，组蛋白替换由RNA聚合酶ll和染色体重构复 合物协同完成
入小鼠胚胎中的DNA序列被甲基化 胚胎具有使DNA从头甲基化的能力 从头甲基转移酶：Dnmt3a，Dnmt3b，DNMT3B
模型二：引起HP-1蛋白与DNA结合的亲和性下降
模型三：14-3-3接头蛋白可识别基因启动子处磷酸化集团
3.3 甲基化（ Methylation ） 最复杂的修饰 可以发生在赖氨酸或精氨酸上； 每个甲基化状态多样性（单甲基化或 多甲基化） 目前已知24个甲基化位点 转录中的作用：激活或抑制
核小体结构 （左）核小体模型 （右）组蛋白核
心八聚体被DNA盘绕结构图
2.组蛋白翻译后修饰（HPTM）
分类：（1）小分子化学集团修饰：乙酰化，磷酸化和甲 基化；（2）肽类修饰：泛素化和sumo化
模型1：染色质结构改变
模型1提出染色质结构的改变是由 组蛋白乙酰化或磷酸化等顺式共 价修饰所介导
模型2描述了某种组蛋白翻译 后修饰对一个染色质结合因 子的抑制作用
B. DNA损伤修复 H2A.X是在DNA出现断裂时，替代H2A的H2A变体，它对
DNA修复有重要作用 C. 异染色质和染色体失活相关的变体 CenH3、MacroH2A、H2Av和y—H2A.X与异染色质和染色体
失活有关 CenH3在着丝粒的区域发现，是着丝粒遗传必需的变体 MacroH2A仅在脊椎动物体内存在，大量存在于失活的染色体
3.3.1 赖氨酸的甲基化
赖氨酸可以被单（me1）、双（me2）或三（me3）甲基化 6个甲基化位点较清楚：H3上的K4，K9，K27，K36，K79；
H4上的K20 H3K4， H3K36，H3K79与转录激活相关，其余的与转录抑
制相关 组蛋白赖氨酸甲基化酶: 除Dot1，都含有SET结构域 甲基化的赖氨酸可被含有 Chromo、tudor和PHD重复 结构域识别
哺乳动物中，甲基化主要发生在5’CpG3’二核苷酸序列 的胞嘧啶上
5-甲基胞嘧啶能自发脱氨基形成胸腺嘧啶（突变的热点） 哺乳动物中，1%的DNA序列发生甲基化
胞嘧啶
DNMT1
S-腺苷甲硫氨酸 （SAM）
5-甲基胞嘧啶
2.哺乳动物中DNA甲基化的开始和维持
2.1 早期胚胎中的从头甲基化 进入体细胞的非甲基化DNA在数代后保持非甲基化状态；导
基因表达过程中重要的调控方式 组蛋白的高乙酰化是转录活跃的标志，低乙酰化则与转录
抑制有关 多发生在H3和H4的赖氨酸上 组蛋白乙酰化水平是组蛋白乙酰转移酶（HATs）和组蛋
白去 乙酰化酶（HDACs）共同调控的过程
基因激活因子招募组蛋白乙酰化酶
乙酰化酶：GNAT—以H3为主要底物 MYST--以H4为主要底物 CBP/p300
表观遗传现象：非DNA突变引起的可继承的表型 变化
原则：开关型 和 可继承 定义：不基于DNA差异的核酸遗传。即细胞分裂
过程中，DNA 序列不变的前提下，全基因组的基 因表达调控所决定的表型遗传，涉及染色质重编 程、整体的基因表达调控（DNA甲基化，组蛋白 修饰、干扰RNA等)
3.研究对象
研究与经典孟德尔定律不相符的许多遗传现象过程中逐步 发展起来的
模型三：ATP依赖 的重 塑复合物置换组蛋白 变体，使基因处于激 活准备状态
模型四：FACT因子促进RNA pol 2越过核小体进行转录延 伸，并促进H2A/H2B二聚体 的置换
第三章 DNA甲基化
1. 甲基化概念
DNA甲基化(DNA methylation)是研究得最清楚、也是最 重要的表观遗传修饰形式，主要是基因组DNA上的胞嘧 啶第5位碳原子和甲基间的共价结合，胞嘧啶由此被修饰 为5 甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5mC)
去乙酰化酶：分为3类，期中第Ⅲ类为需要 NAD作为辅酶
模型一：乙酰化中和了带正电的赖氨酸，降低了组蛋白与 带负电DNA的结合，开放了DNA结合位点，使得转录因 子易于与DNA结合而促进转录
模型三：提供转录因子给某些染色质结合蛋白
3.2 磷酸化（ Phosphorylation ）
最著名的翻译后修饰，组蛋白是最早被发现具有磷酸化的蛋白 之一
H3K4 富集于常染色体质，H3K4me3出现于活跃的转录过程中
与其他修饰有交流信息：H3K4与H3S10同时发生，H3K9无法 进行，以阻断H3K9对转录活跃的抑制
在人体中，SMYD3催化的甲基化还与细胞增殖的诱导相关
H3K9 目前为止研究最多的甲基化，SUV39H1是最早发现的组蛋白
转录中的作用：激活转录
1991年，Mahadeevan研究发现，促进细胞周期的基因表达的 上升与组蛋白H3磷酸化具有相关性，四膜虫的研究也证实了连 接组蛋白H1的磷酸化也可能影响转录调控
磷酸化重要位点：H3第十位丝氨酸（H3S10）
精确机理：所知甚少！有证据支持3个经典模型
模型一：四膜虫中，连接组蛋白H1和若干相邻残疾的磷酸化 影响组蛋白与DNA结合的亲和性，增加周围染色质的转录潜力
组蛋白的替换有两大作用：第一，去掉组蛋白上的表观遗 传的标记，利于所需基因的再程序化；第二，换上细胞发 挥特定功能所需的组蛋白变体
与转录激活和延伸相关的染色质结构变化
模型一：乙酰化的赖氨酸 识别具有bromo结构域的 Swi/Snf,移动核小体或改变 核小体结构
模型二：八聚体选择性丢 失，机制不明确
H2A-Bbd与组蛋白H4的乙酰化同时出现，标志着染色的 转录激活；而失活的染色体中缺乏H2A-Bbd
H3.3与H3仅有4个氨基酸的不同，仅在转录活跃的区域替 换H3
H2A.Z广泛分布于真核生物的染色体中， 偏好组装在启动 子附近区域，其功能主要是调节基因的转录，它可以稳定 核小体结构，防止基因沉默异常地蔓延到相邻的常染色体 上
表观遗传学 （ Epigenetics ）
1.现象的出现
1930年，著名的果蝇遗传学家H.J.Muller描述了“位置效 应花斑”（position effect variegation, PEV）
所有染色质剂量正常，只是排列异常，表型大不相同
H.J.Muller
2.概念演化
1939，Waddington 在对基因型决定表型过程中 的偶然性机制研究中最先使用了这一名词
LSD1特异性去除H3K4甲基化，参与抑制作用
2005年以后，另有4种新的去甲基化酶被发现：JHDM1 （H3K36me1）、JHDM2A（H3K9me1和me2）、 JHDM3A和JMJD2A（H3K36me3和H3K9me3）、 JMJD2C
3.3.3. 精氨酸甲基化
1999年，精氨酸甲基化酶CARM被鉴定出来后才认识到 精氨酸甲基化在转录调控中的重要性
生物中其它基本的染色体有关进程中起着多种作用 2.1 组蛋白变体：相对于染色体中常规的组蛋白而言，特
殊状态的染色体所需要的组蛋白类型，不同的组蛋白变体 使染色体具有不同的构型
组蛋白变体
转录激活 DNA损伤修复 异染色质和染色体失活 核小体包装
2.2 组蛋白变体参与的调节
A. 转录激活
与转录激活相关的变体：H2A-Bbd，H3.3，H2A.Z