第十二章表觀遺傳學

遺傳信息的傳遞：中心法則1.DNA自身通過復制傳遞遺傳信息；2.DNA轉(zhuǎn)錄成RNA；3.RNA自身能夠復制(RNA病毒)；4.RNA能夠逆轉(zhuǎn)錄成DNA；5.RNA翻譯成蛋白質(zhì)。第一頁，共四十九頁。第二頁，共四十九頁。1939年，生物學家ConradHalWaddington首先在《現(xiàn)代遺傳學導論》中提出了epigenetics這一術語，表觀基因型（epigenotype）并于1942年定義表觀遺傳學為“生物學的分支，研究基因型產(chǎn)生表型的過程”。第三頁，共四十九頁。1987年，HollidyR對表觀遺傳學進行了較為系統(tǒng)的描述。他認為表觀遺傳學是研究不涉及DNA序列改變的基因表達和調(diào)控的可遺傳變化的學科，或者說是研究從基因型演繹為表型的過程中規(guī)律和機制的一門新興的遺傳學分支。概念：基因的DNA序列不發(fā)生改變的情況下，基因的表達水平與功能發(fā)生改變，并產(chǎn)生可遺傳的表型。第四頁，共四十九頁。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第五頁，共四十九頁。表觀遺傳學的特點：

1、可遺傳的，即這類改變通過有絲分裂或減數(shù)分裂，能在細胞或個體世代間遺傳。

2、基因表達的可變性。

3、沒有DNA序列的改變或不能用DNA序列變化來解釋。第六頁，共四十九頁。第一節(jié)表觀遺傳學的分子機制1.遺傳編碼信息：提供生命必需蛋白質(zhì)的編碼模板。2.表觀遺傳學信息：何時、何地、以何種方式去應用遺傳編碼信息。DNA和染色質(zhì)上的表觀遺傳修飾：DNA甲基化；組蛋白修飾；RNA相關沉默（非編碼RNA）；染色質(zhì)重塑。7第七頁，共四十九頁。一、DNA甲基化機制DNA甲基化(DNAmethylation)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：DNAmethyltransferases,DNMTsDNMT1；DNMT2；DNMT3A;DNMT3BS-腺苷甲硫氨酸:S-adenosylmethionine,SAMS-腺苷同型半胱氨酸:S-adenosylhomocysteine，SAH8第八頁，共四十九頁。9第九頁，共四十九頁。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，這種富含CpG二連核苷的區(qū)域稱為CpG島(CpGislands)，其大小為500-1000bp，約56%的編碼基因含該結(jié)構(gòu)?；蛘{(diào)控元件(如啟動子)所含CpG島中的5mC會阻礙轉(zhuǎn)錄因子復合體與DNA的結(jié)合。DNA甲基化一般與基因沉默相關聯(lián)；非甲基化一般與基因的活化相關聯(lián)；而去甲基化往往與一個沉默基因的重新激活相關聯(lián)。10第十頁，共四十九頁。DNA甲基化對基因表達的時空調(diào)控DNA甲基化狀態(tài)的保持DNA主動去甲基化DNA全新甲基化11第十一頁，共四十九頁。（一）DNMTs(DNAmethyltransferases)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶結(jié)構(gòu)特點：-NH2末端調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)域，介導胞核定位，調(diào)節(jié)與其他蛋白相互作用。DNMT2無。-COOH末端催化結(jié)構(gòu)域，參與DNA甲基轉(zhuǎn)移反應。1.DNMT1維持甲基化。位于DNA復制叉中，主要復制時維持新生鏈的甲基化，也有重新甲基化作用。12第十二頁，共四十九頁。2.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，重復序列甲基化。DNMT3L缺乏-COOH末端催化結(jié)構(gòu)域。（二）DNMTs與細胞增殖和分化DNMTs參與大規(guī)模去甲基化、再甲基化實現(xiàn)胚胎發(fā)育中基因表達的重新編程，可遺傳。DNA甲基化異常：甲基化增強、甲基化降低。與細胞增殖和分化有關的基因表達異常相關。（三）DNA去甲基化作用（不講）13第十三頁，共四十九頁。二、組蛋白修飾14第十四頁，共四十九頁。15第十五頁，共四十九頁。組蛋白密碼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（histonecode）。組蛋白通過乙酰化、甲基化和磷酸化等共價修飾，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，屬于一種動態(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第十六頁，共四十九頁。(一）組蛋白乙?；饔?/p>

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，增強其表達水平。組蛋白乙酰化轉(zhuǎn)移酶（histoneacetyltransferase,HAT）組蛋白去乙?；福╤istonedeacetylase,HDAC）HAT促進基因的轉(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第十七頁，共四十九頁。（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（histonemethyltransferase，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,第一個發(fā)現(xiàn)的組蛋白去甲基轉(zhuǎn)移酶）。18第十八頁，共四十九頁。組蛋白甲基化可以與基因抑制有關，也可以與基因的激活相關，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。轉(zhuǎn)錄始動及延伸：H3K4me1;H3K4me2;H3K4me3;H3K4甲基化存在活性基因啟動子區(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，沉默基因啟動子。19第十九頁，共四十九頁。H3-K9轉(zhuǎn)錄抑制；H3-K4轉(zhuǎn)錄活化20第二十頁，共四十九頁。三、其他表觀遺傳過程（一）非編碼RNA的表觀遺傳學非編碼RNA（non-protein-codingRNA,ncRNA)tRNA,rRNA;短鏈非編碼RNA,長鏈非編碼RNA。1.短鏈非編碼RNA短鏈RNA(又稱小RNA)，小干涉RNA(shortinterferingRNA,siRNA—雙鏈)和微小RNA(microRNA,miRNA—單鏈)。RNA干擾（RNAi）：是通過小RNA分子在mRNA水平上介導mRNA的降解誘導特異性序列基因沉默的過程。誘導染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變,決定著細胞的分化命運,還對外源的核酸序列有降解作用以保護本身的基因組。21第二十一頁，共四十九頁。2.長鏈非編碼RNA(longnoncodingRNA,lncRNA)長度超過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致并維持X染色體的失活；其他長鏈非編碼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（不講）22第二十二頁，共四十九頁。23第二十三頁，共四十九頁。第二節(jié)表觀遺傳學的功能一、X染色體失活的表觀遺傳學1961年M.F.Lyon就提出了關于雌性哺乳動物體細胞的兩條X染色體中會有一條發(fā)生隨機失活的假說，X染色體基因的劑量補償。XYXXX-染色體失活24第二十四頁，共四十九頁。2023年2月14日（一）X失活中心1996年G.D.Penny等發(fā)現(xiàn)X染色體的Xq13.3區(qū)段有一個X失活中心(X-inactivationcenter，Xic)，X失活中心有“記數(shù)”和“選擇”的功能。長1Mb,4個已知基因：Xist；Xce；Tsix；DXPas34X失活特異轉(zhuǎn)錄基因（X-inactivionspecifictranscript,Xist）17kb非編碼RNAXistRNA錨釘樣整體包裹X，異染色質(zhì)化和失活25第二十五頁，共四十九頁。2023年2月14日26X染色體失活過程模式圖裂解26第二十六頁，共四十九頁。X控制元件(Xcontrollingelement,Xce)導致了X失活的偏向，如果兩個X染色體帶有相同的Xce等位基因（純合的），那么X失活是隨機的；如果一個X染色體帶有弱Xce等位基因，而另一個X染色體帶有強Xce等位基因（雜合的），則X失活就會發(fā)生偏向，前者的X失活幾率比后者的大。27第二十七頁，共四十九頁。Tsix基因：Xist反義基因，瞬時調(diào)控元件，TsixRNA是XistRNA的反義RNA，對Xist起負調(diào)節(jié)作用。具染色體屏障調(diào)節(jié)蛋白CTCF結(jié)合位點，在增強子阻斷中可以發(fā)揮功能。Tsix基因和CTCF共同組成了Xist的外源開關功能。DXPas34基因：靠近Tsix主要啟動子的DXPas34富含CpG，15kb微衛(wèi)星重復序列，通過對Tsix基因調(diào)控影響X染色體失活。28第二十八頁，共四十九頁。2023年2月14日失活X染色體特點：組蛋白修飾----組蛋白H3、H4不被乙?；荴失活染色體的一個重要特征甲基化----CpG島的高度甲基化是維持失活的另一個重要因素。

29第二十九頁，共四十九頁。（二）與X染色體失活相關的疾病

不對稱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染色體過多失活導致。

30第三十頁，共四十九頁。第二節(jié)遺傳印記♀馬×♂驢♀驢（31對）×♂馬(32對）馬騾驢騾31第三十一頁，共四十九頁。(一)遺傳印記是一種典型的非孟德爾遺傳，是指不同親本來源的一對等位基因之間存在功能上的差異。基因印記過程印記的去除（去甲基化）印記的去除過程是發(fā)生在原始生殖細胞的早期階段。父源將甲基直接去除。印記的形成（重新甲基化）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第三十二頁，共四十九頁。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程來自父方和母方的等位基因具有不同的甲基化模式33第三十三頁，共四十九頁。（二）遺傳印記的特點①遺傳印記基因遍布基因組，50多印記基因聚集成簇形成12個染色體印記區(qū)。②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。③印記基因組織特異性表達，如鼠在胰腺中Ins1和Ins2同時表達，在卵黃中Ins1表達。④遺傳印記在世代傳遞中可以逆轉(zhuǎn)。34第三十四頁，共四十九頁。（三）印記基因及其可能的調(diào)控方式

遺傳印記是生殖細胞系的一種表觀遺傳修飾；印記中心（imprintingcenter,ICs)直接介導了不同親本來源的印記基因的DNA甲基化模式，并協(xié)調(diào)遺傳印記在發(fā)育全過程中的維持和傳遞。胰島素樣生長因子2-----父源表達（insulin-likegrowthfactor,IGF2)H19（非編碼RNA）------母源表達差異甲基化區(qū)域----富含CpG島(differentiallymethylatedregion,DMR)5′-IGF2–DMR-H19-3′35第三十五頁，共四十九頁。交互易換式印記調(diào)節(jié)（增強子/染色體屏障調(diào)節(jié)模式)methyl-CpGbindingproteins(MBDs)

DMR隔離子（insulator)----染色質(zhì)屏障作用MBDsIGF2DMRH19組織特異性增強子父源等位基因IGF2DMRH19母源等位基因CTCFCTCF三、衰老的表觀遺傳學（不講）36第三十六頁，共四十九頁。第三節(jié)表觀遺傳學與人類疾病一、癌癥的表觀遺傳學低甲基化甲基化37第三十七頁，共四十九頁。腫瘤生成中的DNA甲基化改變模式：異常甲基化的兩個方面：腫瘤局部相關基因的高甲基化（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修復基因的高甲基化侵襲抑制基因的高甲基化38第三十八頁，共四十九頁。CpG甲基化導致腫瘤抑制基因轉(zhuǎn)錄失活是腫瘤發(fā)生的重要機制之一。高甲基化導致結(jié)腸癌、胃癌中hMLH1和Tp53基因沉默。CpG島異常甲基化關閉p15、p16基因轉(zhuǎn)錄表達與肝癌發(fā)生相關。抑癌基因突變Knudson“二次突變假說”LOH三條途徑CpG島高甲基化lossofheterozygosity(LOH)39第三十九頁，共四十九頁。二、免疫疾病的表觀遺傳學（不講）三、腦部疾病的表觀遺傳學與表觀遺傳修飾相關蛋白質(zhì)編碼基因的異常。Rett綜合征——遺傳性進行性神經(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（methylbindingproteins,MBPs)，識別甲基化CpG島并與之結(jié)合以阻遏基因的轉(zhuǎn)錄。推測：甲基結(jié)合蛋白基因突變會嚴重干擾表觀遺傳修飾的正常功能，應當轉(zhuǎn)錄靜止的基因繼續(xù)轉(zhuǎn)錄。40第四十頁，共四十九頁。四、人類的印記異常類疾病某個印記基因來自父本時是沉默的，來自母本時是激活的，稱為父源印記基因；某個印記基因來自母本時是沉默的，來自父本時是激活的，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（lossofimprinting,LOI);二是印記基因?qū)恼＾D(zhuǎn)錄表達的等位基因異常造成該基因失活。41第四十一頁，共四十九頁。（一）染色體不穩(wěn)定脆性X染色體綜合癥：患者CGG重復序列拷貝數(shù)發(fā)生超過320次的全突變時，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。（二）智力發(fā)育障礙42第四十二頁，共四十九頁。Prader-Willisyndrome,PWS15q11-13；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肽N基因(smallnuclearribonucleo-proteinpolypeptideN,SNRPN)等數(shù)個印記基因（250kbIC)，而且，這些印記基因都是父源等位基因表達，母源等位基因受抑制。母源印記基因（甲基化）。43第四十三頁，共四十九頁。PWS的大部分患者（約75%）的致病原因為父源染色體15q11-13缺失。其余患者（25%）的染色體核型可見母源單親二體（2條染色體都來自母本）。由此可見，PWS是由于15q11-13父源基因表達的欠缺所引起，與基因組印記的調(diào)節(jié)有重要關系。44第四十四頁，共四十九頁。Angelmansyndrome,AS15q11-13；AS有兒童期共濟失調(diào)、智力嚴重低下和失語等主要臨床癥狀。受250kbIC調(diào)控。這些基因都是母源等位基因表達，父源等位基因受抑制。父源印記基因（甲基化）。已經(jīng)知道，其致病因素為與PWS幾乎相同的染色體區(qū)域缺失。AS與PWS不同，大部分患者（75%）為母源染色體缺失，父源單親二體（2條染色體都來自父本）占2%，23%的患者為散發(fā)病例。45第四十五