第十二章表觀遺傳學(xué)課件

1、遺傳信息的傳遞：中心法則1. DNA自身通過(guò)復(fù)制傳遞遺傳信息；2. DNA轉(zhuǎn)錄成RNA；3. RNA自身能夠復(fù)制 (RNA病毒)；4. RNA能夠逆轉(zhuǎn)錄成DNA；5. RNA翻譯成蛋白質(zhì)。1939年，生物學(xué)家 Conrad Hal Waddington首先在現(xiàn)代遺傳學(xué)導(dǎo)論中提出了epigenetics這一術(shù)語(yǔ)， 表觀基因型（epigenotype）并于1942年定義表觀遺傳學(xué)為“生物學(xué)的分支，研究基因型產(chǎn)生表型的過(guò)程”。1987年，Hollidy R 對(duì)表觀遺傳學(xué)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的描述。他認(rèn)為表觀遺傳學(xué)是研究不涉及DNA序列改變的基因表達(dá)和調(diào)控的可遺傳變化的學(xué)科，或者說(shuō)是研究從基因型演繹為表型的

2、過(guò)程中規(guī)律和機(jī)制的一門新興的遺傳學(xué)分支。概念：基因的DNA序列不發(fā)生改變的情況下，基因的表達(dá)水平與功能發(fā)生改變，并產(chǎn)生可遺傳的表型。遺傳與表觀遺傳基因序列發(fā)生改變基因序列未發(fā)生改變；可遺傳5表觀遺傳學(xué)的特點(diǎn)：1、可遺傳的，即這類改變通過(guò)有絲分裂或減數(shù)分裂，能在細(xì)胞或個(gè)體世代間遺傳。2、基因表達(dá)的可變性。3、沒有DNA序列的改變或不能用DNA序列變化來(lái)解釋。第一節(jié) 表觀遺傳學(xué)的分子機(jī)制1. 遺傳編碼信息：提供生命必需蛋白質(zhì)的編碼模板。2. 表觀遺傳學(xué)信息：何時(shí)、何地、以何種方式去應(yīng)用遺傳編碼信息。DNA和染色質(zhì)上的表觀遺傳修飾：DNA甲基化；組蛋白修飾；RNA相關(guān)沉默（非編碼RNA）；染色質(zhì)重塑

3、。7一、DNA甲基化機(jī)制 DNA甲基化(DNA methylation)是研究得最清楚、也是最重要的表觀遺傳修飾形式，主要是基因組 DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基間的共價(jià)結(jié)合，胞嘧啶由此被修飾為5甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5mC)。DNA甲基轉(zhuǎn)移酶：DNA methyltransferases,DNMTs DNMT1；DNMT2；DNMT3A; DNMT3BS-腺苷甲硫氨酸: S-adenosylmethionine,SAMS-腺苷同型半胱氨酸:S-adenosylhomocysteine，SAH89在結(jié)構(gòu)基因的5端調(diào)控區(qū)域, CpG二連核苷常常以成簇串聯(lián)形式排列，這種

4、富含CpG二連核苷的區(qū)域稱為CpG島(CpG islands)，其大小為500-1000bp，約56%的編碼基因含該結(jié)構(gòu)。基因調(diào)控元件(如啟動(dòng)子)所含CpG島中的5mC會(huì)阻礙轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合體與DNA的結(jié)合。DNA甲基化一般與基因沉默相關(guān)聯(lián)；非甲基化一般與基因的活化相關(guān)聯(lián)；而去甲基化往往與一個(gè)沉默基因的重新激活相關(guān)聯(lián)。10DNA甲基化對(duì)基因表達(dá)的時(shí)空調(diào)控DNA甲基化狀態(tài)的保持DNA主動(dòng)去甲基化DNA全新甲基化11（一）DNMTs(DNA methyltransferases) DNA甲基轉(zhuǎn)移酶 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： -NH2末端調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域，介導(dǎo)胞核定位，調(diào)節(jié)與其他蛋白相互作用。DNMT2無(wú)。 -COOH末端

5、催化結(jié)構(gòu)域，參與DNA甲基轉(zhuǎn)移反應(yīng)。1.DNMT1 維持甲基化。位于DNA復(fù)制叉中，主要復(fù)制時(shí)維持新生鏈的甲基化，也有重新甲基化作用。122. DNMT3 （DNMT3A; DNMT3B；調(diào)控因子DNMT3L） 重新（重頭）甲基化。維持甲基化也有作用， 重復(fù)序列甲基化。DNMT3L缺乏-COOH末端催化結(jié)構(gòu)域。（二）DNMTs與細(xì)胞增殖和分化 DNMTs參與大規(guī)模去甲基化、再甲基化實(shí)現(xiàn)胚胎發(fā)育中基因表達(dá)的重新編程，可遺傳。 DNA甲基化異常：甲基化增強(qiáng)、甲基化降低。與細(xì)胞增殖和分化有關(guān)的基因表達(dá)異常相關(guān)。 （三）DNA去甲基化作用（不講）13二、組蛋白修飾1415組蛋白密碼組蛋白中被修飾氨基酸

6、的種類、位置和修飾類型被稱為組蛋白密碼（histone code）。組蛋白通過(guò)乙?；⒓谆土姿峄裙矁r(jià)修飾，使染色質(zhì)處于轉(zhuǎn)錄活性狀態(tài)或非轉(zhuǎn)錄活性狀態(tài)，為其他蛋白與DNA的結(jié)合產(chǎn)生協(xié)同或拮抗效應(yīng)，屬于一種動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控成分。類型：乙?；?，甲基化，磷酸化，泛素化，SUMO化，ADP核糖化，脫氨基化，脯氨酸異構(gòu)化。16(一）組蛋白乙?；饔?組蛋白N末端 Lys 上，組蛋白乙?；苓x擇性的使某些染色質(zhì)區(qū)域的結(jié)構(gòu)從緊密變得松散，開放某些基因的轉(zhuǎn)錄，增強(qiáng)其表達(dá)水平 。組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶（histone acetyltransferase,HAT）組蛋白去乙?；福╤istone deacetylas

7、e,HDAC）HAT促進(jìn)基因的轉(zhuǎn)錄，松散的常染色質(zhì)狀態(tài)；HDAC抑制基因的轉(zhuǎn)錄，凝縮的異染色質(zhì)狀態(tài)。17（二）組蛋白甲基化作用發(fā)生在H3、H4的 Lys 和 Arg 殘基上，精氨酸殘基上存在單甲基化、雙甲基化；賴氨酸殘基上的甲基化存在單甲基化、雙甲基化和三甲基化3種狀態(tài)。組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶（histone methyltransferase，HMT）賴氨酸特異性SET結(jié)構(gòu)域HMT：H3K4;H3K9;H3K27;H4K20非SET結(jié)構(gòu)域HMT：H3K79精氨酸甲基化酶：H3R2;H3R17;H3R26;H4R3組蛋白去甲基轉(zhuǎn)移酶：H3K4;H3K9（LSD1,第一個(gè)發(fā)現(xiàn)的 組蛋白去甲基轉(zhuǎn)移酶）。

8、18組蛋白甲基化可以與基因抑制有關(guān)，也可以與基因的激活相關(guān)，這往往取決于被修飾氨基酸的位置和程度，引發(fā)不同的效應(yīng)。轉(zhuǎn)錄始動(dòng)及延伸： H3K4me1;H3K4me2;H3K4me3; H3K4甲基化存在活性基因啟動(dòng)子區(qū)域，位于松散常染色質(zhì)。轉(zhuǎn)錄延伸：HK36me2/me3轉(zhuǎn)錄抑制：H3K9;H3K27;H4K20。 H3K9甲基化位于凝縮異染色質(zhì)中心粒；端粒；失活X染色體，沉默基因啟動(dòng)子。19H3-K9轉(zhuǎn)錄抑制； H3-K4轉(zhuǎn)錄活化20三、其他表觀遺傳過(guò)程（一）非編碼RNA的表觀遺傳學(xué)非編碼RNA（non-protein-coding RNA,ncRNA)tRNA,rRNA;短鏈非編碼RNA,長(zhǎng)

9、鏈非編碼RNA。1.短鏈非編碼RNA短鏈RNA(又稱小RNA)，小干涉RNA(short interfering RNA ,siRNA雙鏈) 和 微小RNA(microRNA ,miRNA單鏈)。 RNA干擾（RNAi）：是通過(guò)小RNA分子在mRNA水平上介導(dǎo)mRNA的降解誘導(dǎo)特異性序列基因沉默的過(guò)程。誘導(dǎo)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變,決定著細(xì)胞的分化命運(yùn),還對(duì)外源的核酸序列有降解作用以保護(hù)本身的基因組。212.長(zhǎng)鏈非編碼RNA (long noncoding RNA, lncRNA) 長(zhǎng)度超過(guò)200bp； Xist基因17kb非編碼RNA在DNA甲基化和組蛋白修飾的參與下共同導(dǎo)致并維持X染色體的失活；

10、其他長(zhǎng)鏈非編碼RNA參與染色質(zhì)修飾；基因組修飾；轉(zhuǎn)錄激活；轉(zhuǎn)錄干擾；核內(nèi)復(fù)制等。 位置結(jié)構(gòu)分類：正義（sense);反義(antisense)； 雙向(bidirectional);內(nèi)含子間(intronic); 基因間(intergenic);5種lncRNA。（二）Polycomb蛋白表觀遺傳調(diào)控（不講）（三）染色體位置效應(yīng)（不講）2223第二節(jié) 表觀遺傳學(xué)的功能 一、X染色體失活的表觀遺傳學(xué)1961年M.F.Lyon就提出了關(guān)于雌性哺乳動(dòng)物體細(xì)胞的兩條X染色體中會(huì)有一條發(fā)生隨機(jī)失活的假說(shuō)，X染色體基因的劑量補(bǔ)償。XYXXX-染色體失活242022年7月25日（一）X失活中心1996年G.

11、D.Penny等發(fā)現(xiàn)X染色體的Xq13.3區(qū)段有一個(gè)X失活中心( X-inactivation center，Xic)，X失活中心有“記數(shù)”和“選擇”的功能。長(zhǎng)1Mb,4個(gè)已知基因：Xist；Xce；Tsix； DXPas34X失活特異轉(zhuǎn)錄基因（X-inactivion specific transcript, Xist） 17kb非編碼RNA XistRNA錨釘樣整體包裹X， 異染色質(zhì)化和失活252022年7月25日26X染色體失活過(guò)程模式圖裂解26X控制元件(X controlling element,Xce) 導(dǎo)致了X失活的偏向 ，如果兩個(gè)X染色體帶有相同的Xce等位基因（純合的），那么

12、X失活是隨機(jī)的；如果一個(gè)X染色體帶有弱Xce等位基因，而另一個(gè)X染色體帶有強(qiáng)Xce等位基因（雜合的），則X失活就會(huì)發(fā)生偏向，前者的X失活幾率比后者的大。 27Tsix基因： Xist反義基因，瞬時(shí)調(diào)控元件，Tsix RNA是Xist RNA的反義RNA，對(duì)Xist起負(fù)調(diào)節(jié)作用。具染色體屏障調(diào)節(jié)蛋白CTCF結(jié)合位點(diǎn)，在增強(qiáng)子阻斷中可以發(fā)揮功能。Tsix基因和CTCF共同組成了Xist的外源開關(guān)功能。DXPas34基因：靠近Tsix主要啟動(dòng)子的DXPas34富含CpG，15kb微衛(wèi)星重復(fù)序列，通過(guò)對(duì)Tsix基因調(diào)控影響X染色體失活。282022年7月25日失活X染色體特點(diǎn)： 組蛋白修飾-組蛋白H3

13、、H4不被乙?；荴失活染色體的一個(gè)重要特征 甲基化-CpG島的高度甲基化是維持失活的另一個(gè)重要因素。 29（二）與X染色體失活相關(guān)的疾病 不對(duì)稱X染色體失活。 Wiskott-Aldrich綜合征：XR 免疫缺陷、濕疹、伴血小板缺乏癥。 WASP基因突變，多男患；女患者由于攜帶正常WASP基因X染色體過(guò)多失活導(dǎo)致。 30第二節(jié) 遺傳印記馬驢驢（31對(duì)）馬(32對(duì)）馬騾驢騾31(一)遺傳印記是一種典型的非孟德爾遺傳，是指不同親本來(lái)源的一對(duì)等位基因之間存在功能上的差異。基因印記過(guò)程印記的去除（去甲基化） 印記的去除過(guò)程是發(fā)生在原始生殖細(xì)胞的早期階段。 父源將甲基直接去除。印記的形成（重新甲基化）

14、 印記形成于成熟配子，并持續(xù)到出生后。印記的維持（甲基化維持） 母源甲基化維持失敗32遺傳印記的形成子代精子卵子印記基因印記基因父親母親印記去除印記去除印記形成配子基因印記過(guò)程來(lái)自父方和母方的等位基因具有不同的甲基化模式33（二）遺傳印記的特點(diǎn)遺傳印記基因遍布基因組，50多印記基因聚集成簇形成12個(gè)染色體印記區(qū)。遺傳印記基因的內(nèi)含子小，雄性印記基因的重組率高于雌性印記基因。印記基因組織特異性表達(dá)，如鼠在胰腺中Ins1和Ins2同時(shí)表達(dá)，在卵黃中Ins1表達(dá)。遺傳印記在世代傳遞中可以逆轉(zhuǎn)。34（三）印記基因及其可能的調(diào)控方式 遺傳印記是生殖細(xì)胞系的一種表觀遺傳修飾；印記中心（imprinting

15、 center,ICs)直接介導(dǎo)了不同親本來(lái)源的印記基因的DNA甲基化模式，并協(xié)調(diào)遺傳印記在發(fā)育全過(guò)程中的維持和傳遞。胰島素樣生長(zhǎng)因子2-父源表達(dá) （insulin-like growth factor,IGF2)H19（非編碼RNA）-母源表達(dá)差異甲基化區(qū)域-富含CpG島 (differentially methylated region,DMR)5- IGF2 DMR - H19 - 335交互易換式印記調(diào)節(jié)（增強(qiáng)子/染色體屏障調(diào)節(jié)模式)methyl-CpG binding proteins (MBDs) DMR 隔離子（insulator)-染色質(zhì)屏障作用MBDsIGF2DMRH19組織

16、特異性增強(qiáng)子父源等位基因IGF2DMRH19母源等位基因CTCFCTCF三、衰老的表觀遺傳學(xué)（不講）36第三節(jié) 表觀遺傳學(xué)與人類疾病一、癌癥的表觀遺傳學(xué)低甲基化甲基化37腫瘤生成中的DNA甲基化改變模式：異常甲基化的兩個(gè)方面：腫瘤局部相關(guān)基因的高甲基化（抑癌基因失活）和腫瘤整體基因組的低甲基化（原癌基因去甲基化激活）。DNA修復(fù)基因的高甲基化侵襲抑制基因的高甲基化38CpG甲基化導(dǎo)致腫瘤抑制基因轉(zhuǎn)錄失活是腫瘤發(fā)生的重要機(jī)制之一。高甲基化導(dǎo)致結(jié)腸癌、胃癌中hMLH1和Tp53基因沉默。CpG島異常甲基化關(guān)閉p15、p16基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)與肝癌發(fā)生相關(guān)。 抑癌基因突變Knudson“二次突變假說(shuō)” L

17、OH 三條途徑 CpG島高甲基化loss of heterozygosity (LOH) 39二、免疫疾病的表觀遺傳學(xué)（不講）三、腦部疾病的表觀遺傳學(xué)與表觀遺傳修飾相關(guān)蛋白質(zhì)編碼基因的異常。Rett綜合征遺傳性進(jìn)行性神經(jīng)系統(tǒng)疾病 現(xiàn)在Rett綜合征的致病基因已經(jīng)明確，為染色體Xq28區(qū)域的MeCP2基因甲基結(jié)合蛋白（methylbinding proteins,MBPs)，識(shí)別甲基化CpG島并與之結(jié)合以阻遏基因的轉(zhuǎn)錄。推測(cè)： 甲基結(jié)合蛋白基因突變會(huì)嚴(yán)重干擾表觀遺傳修飾的正常功能，應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)錄靜止的基因繼續(xù)轉(zhuǎn)錄 。 40四、 人類的印記異常類疾病某個(gè)印記基因來(lái)自父本時(shí)是沉默的，來(lái)自母本時(shí)是激活的，稱

18、為父源印記基因；某個(gè)印記基因來(lái)自母本時(shí)是沉默的，來(lái)自父本時(shí)是激活的，稱為母源印記基因。印記基因?qū)е录膊〉脑颍阂皇怯∮浀任换虻脑倩罨?，即印記丟失（loss of imprinting,LOI);二是印記基因?qū)?yīng)的正常轉(zhuǎn)錄表達(dá)的等位基因異常造成該基因失活。41（一）染色體不穩(wěn)定脆性X染色體綜合癥：患者CGG重復(fù)序列拷貝數(shù)發(fā)生超過(guò)320次的全突變時(shí)，發(fā)生相鄰的CpG的異常甲基化，抑制了FMR-1基因的正常表達(dá)。（二）智力發(fā)育障礙42Prader-Willi syndrome, PWS 15q11-13 ； PWS的臨床癥狀主要有肥胖、矮小、輕度智力低下等。15q11-13區(qū)域存在小核核糖核蛋白多

19、肽N基因(small nuclear ribonucleo-protein polypeptide N,SNRPN)等數(shù)個(gè)印記基因（250kb IC)，而且，這些印記基因都是父源等位基因表達(dá)，母源等位基因受抑制。母源印記基因（甲基化）。43PWS的大部分患者（約75%）的致病原因?yàn)楦冈慈旧w15q11-13缺失。其余患者（25%）的染色體核型可見母源單親二體（2條染色體都來(lái)自母本）。由此可見，PWS是由于15q11-13父源基因表達(dá)的欠缺所引起，與基因組印記的調(diào)節(jié)有重要關(guān)系。44Angelman syndrome, AS 15q11-13；AS有兒童期共濟(jì)失調(diào)、智力嚴(yán)重低下和失語(yǔ)等主要臨床癥狀。受250kb IC調(diào)控。這些基因都是母源等位基因表達(dá)，父源等位基因受抑制