表觀遺傳學(xué)-Epigenetics課件

1、表觀遺傳學(xué)Epigenetics閔 捷21014007概 念表觀遺傳學(xué)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，或者說是研究從基因演繹為表型的過程和機(jī)制的一門新興的遺傳學(xué)分支。表觀遺傳所謂表觀遺傳就是不基于DNA差異的核酸遺傳。即細(xì)胞分裂過程中，DNA 序列不變的前提下，全基因組的基因表達(dá)調(diào)控所決定的表型遺傳，涉及染色質(zhì)重編程、整體的基因表達(dá)調(diào)控（如隔離子，增強(qiáng)子，弱化子，DNA甲基化，組蛋白修飾等功能 ), 及基因型對表型的決定作用。表觀遺傳學(xué)的特點(diǎn)：可遺傳的，即這類改變通過有絲分裂或減數(shù)分裂，能在細(xì)胞或個(gè)體世代間遺傳；可逆性的基因表達(dá)調(diào)節(jié)，也有較少的學(xué)者描述為基因活性或功能的

2、改變；沒有DNA序列的改變或不能用DNA序列變化來解釋。表觀遺傳學(xué)的研究內(nèi)容：基因選擇性轉(zhuǎn)錄表達(dá)的調(diào)控DNA甲基化基因印記組蛋白共價(jià)修飾染色質(zhì)重塑基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控基因組中非編碼RNA微小RNA（miRNA）反義RNA內(nèi)含子、核糖開關(guān)等表觀遺傳學(xué)機(jī)制DNA甲基化組蛋白修飾染色質(zhì)重塑RNA調(diào)控其他表觀遺傳機(jī)制遺傳印記X染色體失活一、DNA甲基化DNMT1SAM胞嘧啶5-甲基胞嘧啶胞嘧啶甲基化反應(yīng) S-腺苷甲硫氨酸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(

3、5-methylcytosine，5mC)。DNA甲基化的轉(zhuǎn)錄抑制機(jī)制：（1）直接干擾特異轉(zhuǎn)錄因子與各自啟動(dòng)子結(jié)合的識別位置。DNA的大溝是許多蛋白因子與DNA結(jié)合的部位，胞嘧啶的甲基化干擾轉(zhuǎn)錄因子與DNA的結(jié)合。（2）轉(zhuǎn)錄抑制復(fù)合物干擾基因轉(zhuǎn)錄。甲基化DNA結(jié)合蛋白與啟動(dòng)子區(qū)內(nèi)的甲基化CpG島結(jié)合，再與其他一些蛋白共同形成轉(zhuǎn)錄抑制復(fù)合物（TRC），阻止轉(zhuǎn)錄因子與啟動(dòng)子區(qū)靶序列的結(jié)合，從而影響基因的轉(zhuǎn)錄。（3）通過改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)而抑制基因表達(dá)。染色質(zhì)構(gòu)型變化伴隨著組氨酸的乙?；腿ヒ阴；?，許多乙酰化和去乙?；旧砭头謩e是轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子和轉(zhuǎn)錄阻遏物蛋白。DNA甲基化狀態(tài)的遺傳和保持：DNA復(fù)制后，新

4、合成鏈在DNMT1的作用下，以舊鏈為模板進(jìn)行甲基化。（缺乏嚴(yán)格的精確性，95%）甲基化并非基因沉默的原因而是基因沉默的結(jié)果，其以某種機(jī)制識別沉默基因，后進(jìn)行甲基化。DNA全新甲基化。引發(fā)因素可能包括：DNA本身的序列、成分和次級結(jié)構(gòu)。RNA根據(jù)序列同源性可能靶定的區(qū)域。特定染色質(zhì)蛋白、組蛋白修飾或相當(dāng)有序的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。DNA去甲基化主動(dòng)去甲基化復(fù)制相關(guān)的去甲基化在復(fù)制過程中維持甲基化酶活性被關(guān)閉或維持甲基化酶活性被抵制。組蛋白修飾是表觀遺傳研究的重要內(nèi)容。組蛋白的 N端是不穩(wěn)定的、無一定組織的亞單位，其延伸至核小體以外，會受到不同的化學(xué)修飾，這種修飾往往與基因的表達(dá)調(diào)控密切相關(guān)。被組蛋白覆蓋的

5、基因如果要表達(dá)，首先要改變組蛋白的修飾狀態(tài)，使其與DNA的結(jié)合由緊變松，這樣靶基因才能與轉(zhuǎn)錄復(fù)合物相互作用。因此，組蛋白是重要的染色體結(jié)構(gòu)維持單元和基因表達(dá)的負(fù)控制因子。組蛋白修飾種類乙?；? 一般與活化的染色質(zhì)構(gòu)型相關(guān)聯(lián)，乙?；揎棿蠖喟l(fā)生在H3、H4的 Lys 殘基上。甲基化- 發(fā)生在H3、H4的 Lys 和 Arg殘基上，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的位置和程度。磷酸化- 發(fā)生與 Ser 殘基，一般與基因活化相關(guān)。泛素化- 一般是C端Lys修飾，啟動(dòng)基因表達(dá)。SUMO（一種類泛素蛋白）化- 可穩(wěn)定異染色質(zhì)。其他修飾（如ADP的核糖基化）Bryan M.

6、Turner, nature cell biology, 2007組蛋白中被修飾氨基酸的種類、位置和修飾類型被稱為組蛋白密碼（histone code），遺傳密碼的表觀遺傳學(xué)延伸，決定了基因表達(dá)調(diào)控的狀態(tài)，并且可遺傳。重塑因子調(diào)節(jié)基因表達(dá)機(jī)制的假設(shè)有兩種: 機(jī)制1：一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子獨(dú)立地與核小體DNA 結(jié)合(DNA可以是核小體或核小體之間的), 然后, 這個(gè)轉(zhuǎn)錄因子再結(jié)合一個(gè)重塑因子, 導(dǎo)致附近核小體結(jié)構(gòu)發(fā)生穩(wěn)定性的變化, 又導(dǎo)致其他轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合, 這是一個(gè)串聯(lián)反應(yīng)的過程; （重建）機(jī)制2：由重塑因子首先獨(dú)立地與核小體結(jié)合, 不改變其結(jié)構(gòu), 但使其松動(dòng)并發(fā)生滑動(dòng), 這將導(dǎo) 致轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合, 從

7、而使新形成的無核小體的區(qū)域穩(wěn)定。 （滑動(dòng)）染色質(zhì)修飾與重塑（共價(jià)修飾型與ATP依賴型）（A）結(jié)合（B）松鏈（C）重塑八聚體轉(zhuǎn)移八聚體滑動(dòng)+ ATP重塑復(fù)合物ATP依賴的染色質(zhì)重構(gòu)機(jī)制邊界子( boundary elements)：相鄰基因間的物理隔離元件。也可稱為隔離子( insulator elements)。邊界子和隔離子的隔離功能 ：封阻末梢增強(qiáng)子對啟動(dòng)子的作用。 防止染色質(zhì)位置效應(yīng)（CPE）。由邊界子所確定的染色質(zhì)片斷是基因組調(diào)節(jié)的基本單位，其構(gòu)成染色質(zhì)的功能與或區(qū)室，這即是染色質(zhì)區(qū)室化。四、RNA調(diào)控1995，RNAi現(xiàn)象首次在線蟲中發(fā)現(xiàn)。1998，RNAi概念的首次提出。1999，

8、RNAi作用機(jī)制模型的提出。在線蟲、果蠅、擬南芥及斑馬魚等多種生物內(nèi)發(fā)現(xiàn)RNAi現(xiàn)象。2001，RNAi技術(shù)成功誘導(dǎo)培養(yǎng)的哺乳動(dòng)物細(xì)胞基因沉默現(xiàn)象。RNAi 技術(shù)被Science評為2001年度的十大科技進(jìn)展之一。至今，蓬勃發(fā)展，成為分子生物學(xué)領(lǐng)域最為熱門的方向之一。RNA干擾（RNAi）作用是生物體內(nèi)的一種通過雙鏈RNA分子在mRNA水平上誘導(dǎo)特異性序列基因沉默的過程。由于RNAi發(fā)生在轉(zhuǎn)錄后水平，所以又稱為轉(zhuǎn)錄后基因沉默（post-transcriptional gene silencing, PTGS ）。RNA干擾是一種重要而普遍表觀遺傳的現(xiàn)象。 siRNAsiRNA結(jié)構(gòu)：21-23n

9、t的雙鏈結(jié)構(gòu)，序列與靶mRNA有同源性，雙鏈兩端各有2個(gè)突出非配對的3堿基。siRNA功能：是RNAi 作用的重要組分，是RNAi發(fā)生的中介分子。內(nèi)源性siRNA是細(xì)胞能夠抵御轉(zhuǎn)座子、轉(zhuǎn)基因和病毒的侵略。siRNA介導(dǎo)的RNAisiRNAi 的特點(diǎn)：高效性和濃度依賴性特異性位置效應(yīng)時(shí)間效應(yīng)細(xì)胞間RNAi的可傳播性多基因參與及ATP依賴性 相同點(diǎn)/聯(lián)系點(diǎn)siRNAmiRNA長度及特征都約在22nt左右，5端是磷酸基，3端是羥基合成的底物miRNA和siRNA合成都是由雙鏈的RNA或RNA前體形成的Dicer酶依賴Dicer酶的加工，是Dicer的產(chǎn)物，所以具有Dicer產(chǎn)物的特點(diǎn)Argonaut

10、e家族蛋白都需要Argonaute家族蛋白參與RISC組分二者都是RISC組分，所以其功能界限變得不清晰，如二者在介導(dǎo)沉默機(jī)制上有重疊；產(chǎn)生了on target和off target的問題作用方式都可以阻遏靶標(biāo)基因的翻譯，也可以導(dǎo)致mRNA降解，即在轉(zhuǎn)錄水平后和翻譯水平起作用進(jìn)化關(guān)系可能的兩種推論：siRNA是miRNA的補(bǔ)充，miRNA在進(jìn)化過程中替代了siRNA不同點(diǎn)/分歧點(diǎn)siRNAmiRNA機(jī)制性質(zhì)往往是外源引起的，如病毒感染和人工插入dsRNA之后誘導(dǎo)而產(chǎn)生，屬于異常情況是生物體自身的一套正常的調(diào)控機(jī)制直接來源長鏈dsRNA發(fā)夾狀pre-miRNA分子結(jié)構(gòu)siRNA是雙鏈RNA，3端

11、有2個(gè)非配對堿基，通常為UUmiRNA是單鏈RNA對靶RNA特異性較高，一個(gè)突變?nèi)菀滓餜NAi沉默效應(yīng)的改變相對較低，一個(gè)突變不影響miRNA的效應(yīng)作用方式RNAi途徑miRNA途徑生物合成，成熟過程由dsDNA在Dicer酶切割下產(chǎn)生;發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)中pri-miRNA在核內(nèi)由一種稱為Drosha酶處理后成為60nt的帶有莖環(huán)結(jié)構(gòu)的Precursor miRNAs (pre-miRNAs)；這些pre-miRNAs在轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞核外之后再由Dicer酶進(jìn)行處理，酶切后成為成熟的miRNAs；發(fā)生在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中Argonaute (AGO) 蛋白質(zhì)各有不同的AGO蛋白質(zhì)各有不同的AGO蛋白質(zhì)

12、互補(bǔ)性（complementarity）一般要求完全互補(bǔ)不完全互補(bǔ)，存在錯(cuò)配現(xiàn)象RISCs的分子量不同(Martinez and Tuschl, 2004; Martinez et al., 2002; Nykanen et al., 2001; Pham et al., 2004)siRISCsmiRISCs/miRNP各自的生物學(xué)功能不同抵抗病毒的防御機(jī)制(Pfeffer et al., 2004; Ding et al., 2004)；沉默那些過分表達(dá)的mRNA；保護(hù)基因組免受轉(zhuǎn)座子的破壞(Mello and Conte, Jr., 2004; Hannon, 2002; Tabara

13、et al., 1999)-9；對有機(jī)體的生長發(fā)育有重要作用(Rhoades et al., 2002)重要特性高度特異性高度的保守性、時(shí)序性和組織特異性作用機(jī)制單鏈的siRNA結(jié)合到RISC復(fù)合物中，引導(dǎo)復(fù)合物與mRNA完全互補(bǔ)，通過其自身的解旋酶活性，解開siRNAs，通過反義siRNA鏈識別目的mRNA片段，通過內(nèi)切酶活性切割目的片段，接著再通過細(xì)胞外切酶進(jìn)一步降解目的片段。同時(shí)，siRNA也可以阻遏3UTR具有短片斷互補(bǔ)的mRNA的翻譯（off target）。成熟的miRNAs則是通過與miRNP核蛋白體復(fù)合物結(jié)合，識別靶mRNA，并與之發(fā)生部分互補(bǔ)，從而阻遏靶mRNA的翻譯。在動(dòng)物

14、中，成熟的單鏈miRNAs與蛋白質(zhì)復(fù)合物miRNP結(jié)合，引導(dǎo)這種復(fù)合物通過部分互補(bǔ)結(jié)合到mRNA的3UTR（非編碼區(qū)域），從而阻遏翻譯。除此之外，miRNA也可以切割完全互補(bǔ)的mRNA。加工過程siRNA對稱地來源于雙鏈RNA的前體的兩側(cè)臂miRNA是不對稱加工，miRNA僅是剪切pre-miRNA的一個(gè)側(cè)臂，其他部分降解。對RNA的影響降解目標(biāo)mRNA；影響mRNA的穩(wěn)定性在RNA代謝的各個(gè)層面進(jìn)行調(diào)控；與mRNA的穩(wěn)定性無關(guān)作用位置siRNA可作用于mRNA的任何部位miRNA主要作用于靶標(biāo)基因3-UTR區(qū)生物學(xué)意義siRNA不參與生物生長，是RNAi的產(chǎn)物，原始作用是抑制轉(zhuǎn)座子活性和病毒

15、感染miRNA主要在發(fā)育過程中起作用，調(diào)節(jié)內(nèi)源基因表達(dá)不同點(diǎn)/分歧點(diǎn)siRNAmiRNA五、其他表觀遺傳機(jī)制除DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑、和RNA調(diào)控以外，還有遺傳印跡、X染色體失活、轉(zhuǎn)座、負(fù)突變等。遺傳印跡、X染色體失活的本質(zhì)仍為DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑。遺 傳 印 跡概念：或稱親本印跡（parent imprinting）是指基因組在傳遞遺傳信息的過程中，通過基因組的化學(xué)修飾（DNA的甲基化；組蛋白的甲基化、乙?；⒘姿峄?、泛素化等）而使基因或DNA片段被標(biāo)識的過程。特點(diǎn)：基因組印跡依靠單親傳遞某種性狀的遺傳信息，被印跡的基因會隨著其來自父源或母源而表現(xiàn)不同，即源自雙

16、親的兩個(gè)等位基因中一個(gè)不表達(dá)或表達(dá)很弱。不遵循孟德爾定律，是一種典型的非孟德爾遺傳，正反交結(jié)果不同。正交Igf-2Igf-2Igf-2mIgf-2mIgf-2Igf-2Igf-2mIgf-2m反交正常小鼠矮小型小鼠矮小型小鼠矮小型小鼠正常小鼠正常小鼠Igf-2mIgf-2Igf-2Igf-2m由正反交實(shí)驗(yàn)可以看出：印跡基因的正反交結(jié)果不一致、不符合孟德爾定律。小鼠 Igf-2 基因總是母本來源的等位基因被印跡，父本來源的等位基因表達(dá)，因此是母本印跡?；蛴≯E使基因的表達(dá)受到抑制，導(dǎo)致被印跡的基因的生物功能的喪失?；蛴≯E過程印跡的形成 印跡形成于成熟配子，并持續(xù)到出生后。印記的維持印記的去除

17、印記的去除過程是發(fā)生在原始生殖細(xì)胞的早期階段?；蚪M印跡的機(jī)制配子在形成過程中，DNA產(chǎn)生的甲基化、核組蛋白產(chǎn)生的乙?；?、磷酸化和泛素化等修飾，使基因的表達(dá)模式發(fā)生了改變。X染色體失活 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染色體中會有一條發(fā)生隨機(jī)失活的假說，并認(rèn)為這是一種基因劑量補(bǔ)償?shù)臋C(jī)制。以后的研究表明在給定的體細(xì)胞有絲分裂譜系中，有一條X染色體是完全失活并呈異染色質(zhì)狀態(tài)，而在另一個(gè)細(xì)胞譜系中同一條X染色體又可以是活化的且呈常染色質(zhì)狀態(tài)。 1996年G.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-inaction center，Xic)，X-失活從Xic區(qū)段開始啟動(dòng)，然后擴(kuò)展到整條染色體。X染色體失活過程模式圖失活X染色體即為巴氏小體。失活X染色體特點(diǎn)：組蛋白H4不被乙酰化CpG島的高度甲基化巴氏小體參考文獻(xiàn)1 張永彪,褚嘉祜.表觀遺傳學(xué)與人類基因組.科學(xué)