第十一章-表觀遺傳學

第十一章-表觀遺傳學第一頁，共79頁。

遺傳學：是研究遺傳信息的組織、表達和傳遞的科學,

也是揭示生命本質和遺傳規(guī)律的科學

基因（gene）：含有遺傳信息的可遺傳單位,是編碼一條多肽鏈的特定DNA片段。

基因型（Genotype）：個體的遺傳結構；

表現(xiàn)型（Phenotype）：環(huán)境條件與基因型相互作用而使個體呈現(xiàn)的性狀。性狀遺傳符合一定的規(guī)律第二頁，共79頁。機體是由多種不同類型的細胞組成;機體不同的細胞具有相同的基因型；機體不同的細胞：形態(tài)存在差異執(zhí)行不同的生理功能基礎：基因表達模式（expressionpattern)

不同。組織細胞特異性的表達模式通過細胞分裂來傳遞并穩(wěn)定維持。第三頁，共79頁。生物中的非孟德爾遺傳現(xiàn)象果蠅中的雜色（眼）位置效應（position-effectvariegation）：野生紅眼基因W+（顯性）突變白眼基因w（隱性）基因定位于X染色體長臂末端第四頁，共79頁。“W+/W+”和“W+/w”均表現(xiàn)正常紅眼意外情況：W+異位至著絲粒附近（異染色質區(qū)），“W+/w”雜合體表現(xiàn)為花斑眼（雜色），即：部分細胞正常紅色，部分少量紅色，部分白色。W+第五頁，共79頁?！癢+/w”雜合體表現(xiàn)為花斑眼（雜色），即：部分細胞正常紅色，部分少量紅色，部分白色。第六頁，共79頁。表觀遺傳存在的現(xiàn)象第七頁，共79頁。遺傳印跡現(xiàn)象“馬騾”和“驢騾”有較大差異人胚胎三倍體的自然流產現(xiàn)象：多出的染色體父、母源性不同，則產生不同的病理特征。

第八頁，共79頁。遺傳印跡現(xiàn)象馬騾驢騾

差異較大第九頁，共79頁。Thehistoryofepigeneticsislinkedwiththestudyofevolutionanddevelopment.Themeaningoftheterm“epigenetics”hasitselfundergoneanevolution.Presentworkingdefinition:thestudyofmitoticallyand/ormeioticallyheritablechangesingenefunctionthatcannotbeexplainedbychangesinDNAsequence.(Riggsetal.1996)第十頁，共79頁。表觀遺傳學（epigenetics）：是研究沒有DNA序列變化的、可以遺傳的表達改變（Wolffe,1999）表觀遺傳（epigeneticinheritance)：通過有絲分裂和減數(shù)分裂來傳遞非DNA序列信息的現(xiàn)象。第十一頁，共79頁。人類基因組含有兩類信息傳統(tǒng)意義上的遺傳學信息，它提供生命所必需的所有蛋白質合成的藍圖；表遺傳（epigenetic）信息，提供何時、何地、如何應用遺傳學信息的指令，保證基因適時啟閉Onegenome--------multipleepigenome第十二頁，共79頁。表達模式的信息標記：

DNA特定堿基的修飾：胞嘧啶的甲基化；

染色質構型重塑：如，組蛋白的乙?；?、甲基化一、表觀遺傳修飾第十三頁，共79頁。表觀遺傳修飾機制1：DNA甲基化DNA甲基化：基因組DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基的共價結合—5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine,5-mC）。DNA甲基化通過DNA甲基轉移酶（DMTs）來完成，將S－腺苷甲硫氨酸上的甲基→胞嘧啶的第5位碳原子。5-mC主要發(fā)生在CpG二聯(lián)核苷。CpG二聯(lián)核苷常常以成簇串連的形式存在于結構基因的調控區(qū)段。CpG島（CpGislands）：結構基因5‘端富含CpG二聯(lián)核苷的區(qū)域。DNA甲基化→基因沉寂；DNA非甲基化→基因活化。第十四頁，共79頁。DNMT(denovomethylase)：從頭甲基化酶SAM(S-adenosylmethiomine)：S－腺苷甲硫氨酸第十五頁，共79頁。第十六頁，共79頁。第十七頁，共79頁。表觀遺傳修飾機制2：染色質重塑組蛋白的化學修飾：乙?；⒓谆?）組蛋白中不同氨基酸殘基的乙?；话闩c活化的染色質構型和有表達活性的基因相關聯(lián)；（2）組蛋白中氨基酸殘基的甲基化與濃縮的異染色質核基因表達受抑有關。也有例外:組蛋白甲基化抑制或激活基因表達取決于被修飾的賴氨酸的位置,如,H3Lys9甲基化→基因沉寂;H3Lys4甲基化→基因激活.第十八頁，共79頁。表觀遺傳修飾調控的復雜性機體表觀遺傳模式的變化在整個發(fā)育過程中高度有序/嚴格受控:RNA干涉（影響組蛋白修飾）組蛋白結構修飾調控網絡

DNA甲基化

動態(tài)而有序地調控組織細胞特異性的基因表達模式第十九頁，共79頁。2006年10月2日，瑞典皇家卡羅林醫(yī)學院宣布，本年度諾貝爾生理學和醫(yī)學獎的桂冠授予兩位美國人：

A.Z.Fire（安德魯·法爾）

C.C.Mello（克雷格·梅洛）他們獲獎，是因為發(fā)現(xiàn)了RNA的干擾機制。諾貝爾獎評委會的公報說，F(xiàn)ire和Mello獲獎是因為他們“發(fā)現(xiàn)了控制遺傳信息流動的基本機制?！盧NA干涉？第二十頁，共79頁。Fire和Mello(1998)提出雙鏈RNA（dsRNA）可以作為調控元件而觸發(fā)基因的沉寂當時普遍認為反義RNA誘導的相關基因沉寂是通過與互補mRNA結合，從而阻礙蛋白質的合成。Fire和Mello的工作推翻了這一定論。第二十一頁，共79頁。實驗性細胞內引入RNA以干擾內源性基因的功能。當時一般認為這種RNA干擾依賴于引入的RNA與mRNA雜交，以反義鏈封閉mRNA的翻譯。設計實驗擬解決：“RNA干擾”是否與轉入的RNA結構有關。第二十二頁，共79頁。意外發(fā)現(xiàn)：導入雙鏈RNA的產生功能干擾的有效性遠高于導入單鏈RNA,senseorantisenseRNA導入均如此。僅需少數(shù)分子即可產生干擾效應，提示酶促反應或分子擴增的存在。第二十三頁，共79頁。上述現(xiàn)象提示：1.存在超越簡單反義RNA作用的機理。2.RNA靶向的作用也不能排除。

3.同時可能存在RNA與染色質的直接作用，影響RNA的轉錄。第二十四頁，共79頁。第二十五頁，共79頁。miRNAs與siRNAs區(qū)別分子起源：miRNAs來源于特異性前體，在基因組內具有明確的編碼序列；

siRNAs可能更隨機的來源于較長的dsRNAs，它亦可由外源導入或內源基因的雙向轉錄來源。作用機制：多數(shù)情況下，miRNAs與靶mRNA3‘-UTRs區(qū)多位點非精確的互補結合；

siRNAs常與靶mRNA單個位點精確配對，導致靶mRNAs裂解。第二十六頁，共79頁。Lin-4的分子特征第二十七頁，共79頁。miRNA和siRNA的生物發(fā)生和調節(jié)特征比較第二十八頁，共79頁。siRNAs和miRNAs在分子特征，生物發(fā)生和發(fā)揮功能作用的機制均相似。目前將兩者割裂為兩類分子，這更多體現(xiàn)了人為因素的存在，可能與它們的發(fā)現(xiàn)過程不同有關。事實上，今天有關miRNAs認知，其中許多來源于對siRNAs和RNAi的認識途徑。第二十九頁，共79頁。DistinctionbetweenEuchromaticandHeterochromaticDomainsRITS:RNA-inducedtranscriptionalsilencingeffector第三十頁，共79頁。二、基因組印跡(genomicimprinting)概念：依賴于父、母源性的等位基因的差異性表達，即父親和母親的基因組在個體發(fā)育中有著不同的影響，這種現(xiàn)象稱基因組印跡。兩個親本的等位基因差異性甲基化是基因組印跡現(xiàn)象的基礎。第三十一頁，共79頁。Prader-Willisyndrome,PWS（父源）：肥胖、矮小,中度智力低下Angelmansyndrome,AS（母源）：共濟失調,嚴重智力低下

疾病的基礎：15q11-13微缺失第三十二頁，共79頁。Uni-parentaldisomyBothsyndromescanbecausedbygeneticorepigeneticdefects第三十三頁，共79頁。第三十四頁，共79頁?；蚪M改變：微缺失的關鍵區(qū)域有成簇排列的，富含CpG島的基因表達調控元件——

印跡中心（imprintingcenters,ICs）

父源母源染色體上的ICs呈現(xiàn)差異甲基化

父源非甲基化母源甲基化

人類基因組已發(fā)現(xiàn)ICs50多個，分布于基因組的12個區(qū)域，大多成簇排列，與疾病發(fā)生相關。

Beckwith-Wiedemannsyndrome,BWS：第三十五頁，共79頁。IGF2：胰島素樣生長因子2H19:胎肝文庫第19cDNA克隆DMR1:差異甲基化區(qū)域CTCF：鋅指蛋白P：啟動之E：增強子：非甲基化CpG

：甲基化CpG印跡調控區(qū)父源等位基因表達母源等位基因表達第三十六頁，共79頁。CTCF（CCCTC-bindingfactor）——TranscriptionalRepressorTranscriptionalinsulatorsareDNAelementsthatsetboundariesontheactionsofenhancerandsilencerelementsAllvertebrateinsulatorsappeartousetheversatileCTCFprotein.CTCFusesvariouscombinationsofits11zincfingerstorecognizeavarietyofunrelatedDNAsequences.OnceboundtoDNA,CTCFcanfunctionasatranscriptionalinsulator,repressor,oractivator,dependingonthecontextofthebindingsite第三十七頁，共79頁。印跡基因的DNA甲基化型都是在生殖細胞成熟過程中建立的?；蚪M印跡是性細胞系的一種表觀遺傳修飾，是一整套分布于染色體不同部位的印跡中心來協(xié)調。印跡中心直接介導了印跡標記的建立及其在發(fā)育過程中的維持和傳遞，導致親本來源特異性的優(yōu)先表達兩親本等位基因中的一個。第三十八頁，共79頁。印跡基因的特點印跡基因的群集性：目前已知的印跡基因在基因組中不是單一基因的分散分布，而是多基因簇集，其中部分父源表達、部分母源表達。印跡基因DNA復制的不同步性。第三十九頁，共79頁。雄性生殖系雌性生殖系父系染色體母系染色體父系配子母系配子合子親代基因組印跡在生殖系的重新編程第四十頁，共79頁。Keyfeaturesofgenomicimprintinginmammalscis-ActingmechanismAconsequenceofinheritanceImprintsareepigeneticmodificationacquiredbyoneparentalgameteImprintedgenesaremostlyclusteredtogetherwithanoncodingRNAImprintscanmodifylong-rangeregulatoryelementsthatactonmultiplegenesImprintedgenesplayaroleinmammaliandevelopment第四十一頁，共79頁。個體發(fā)育過程中表觀基因組的重編程所有結構和功能各不相同的細胞雖具有完全一樣的基因組，卻有著很不一樣的表達模式。建立和維持細胞特異性表達模式的信息，必須可以通過細胞分裂而遺傳，同時應具備被刪除和重建的可能性。第四十二頁，共79頁。早期原始生殖細胞（primordialgermcells,PGC)攜帶體細胞樣的表觀遺傳型。在PGC進入性腺前后，這一表觀基因組開始被刪除。

之后，性別特異性和序列特異性的表觀遺傳型在兩性生殖細胞中被建立。

受精后，合子基因組在卵細胞質的生理環(huán)境中，啟動與胚胎發(fā)育相關、有嚴格時空特異性的基因表達程序。第四十三頁，共79頁。

刪除生殖細胞成熟過程中建立的、除印跡基因以外的全部表觀遺傳修飾標記，重新建立胚胎發(fā)育特有的表觀基因組。表觀遺傳修飾的重新編程對環(huán)境變化非常敏感：輔助生育干預了配子形成和胚胎發(fā)育早期（表觀遺傳編程和維持的關鍵時期），注意條件的控制十分重要。第四十四頁，共79頁。三、X染色體失活—表觀遺傳修飾1.表觀遺傳證據：雌性哺乳動物細胞的一條X染色體失活，且呈異染色質狀態(tài)；不同的體細胞中失活的X染色體可以不同，但細胞中某條X染色體一旦失活狀態(tài)建立，即在細胞分裂中穩(wěn)定遺傳。2.可能機制：存在X染色體失活中心（X-inactioncenter,Xic），X染色體失活啟動區(qū)段。

第四十五頁，共79頁。Xic區(qū)段含4個基因，約1Mb大小Xist(X-inactivespecifictranscript）:X染色體啟動轉錄最早的基因，沒有“開讀框架”（ORF），約17Kb大小。轉錄后只有一條染色體的XistRNA將這條染色體包裹，并啟動異染色質化。Xce（Xchromosomecontrollingelement）:與X染色體“隨機”失活的選擇有關，Xce純合時，隨機失活；雜合時，非隨機。Xsix(瞬時調控元件）：CTCF結合位點，表達僅在X染色體失活發(fā)生前，可能起到Xist的外源開關功能。DXPas34：富含CpG.第四十六頁，共79頁?；钚訶染色體失活X染色體X染色體失活過程兩條X染色體表達不穩(wěn)定的Xist基因RNA:第四十七頁，共79頁。Polycomb第四十八頁，共79頁。四、表觀遺傳與疾病表觀遺傳修飾異常引起的疾病可分為兩類：（1）表觀突變（epi-mutation）:發(fā)育的重新編程過程中造成的特定基因表觀遺傳修飾的異常。（2）表觀遺傳修飾的分子構件與功能相關蛋白質編碼基因的突變。DNA甲基轉移酶基因突變或表觀突變差異甲基化CpG島結合蛋白CTCF的突變或表觀突變第四十九頁，共79頁。染色體病單基因遺傳病多基因遺傳病線粒體遺傳病表觀遺傳病:由表觀遺傳修飾異常而導致的疾病。第五十頁，共79頁。B.Hagberg(1983)報道Rett綜合征表現(xiàn)為一種進行性神經系統(tǒng)病變，腦功能的迅速惡化和嚴重癡呆。病因：X染色體編碼MeCP2蛋白質的基因發(fā)生突變。機制：MeCP2是一種甲基結合蛋白，能專一性地識別甲基化CpG島并與之結合，作為一種分子“榫頭”將染色質修飾復合物和DNA甲基化域連接在一起，發(fā)揮阻遏基因轉錄的功能。第五十一頁，共79頁。ARettsyndromepatientillustratestheunusualstereotypedhandmovements,teethgrinding,andabnormalposture.第五十二頁，共79頁。ICF（immunodeficiency,centromericregioninstabilityandfacialanomaliessyndrome）綜合征表現(xiàn)：不同程度的免疫缺陷，伴有面部畸形和智力低下。（常染色體隱性遺傳）病因：催化DNA從頭甲基化的DNMT3B編碼基因的突變，造成隨體序列的低甲基化，以及環(huán)著絲粒序列的不穩(wěn)定。機制：DNMT3B基因的突變通過降低轉甲基化活性而減少了對基因轉錄的阻遏作用，從而間接影響了淋巴細胞部分基因的表達模式。第五十三頁，共79頁。脆性X綜合征（FragileXsyndrome)病因：X染色體智障基因（fragileXmentalretardation-1,FMR1）5‘非翻譯區(qū)CCG重復序列的擴展。機制：（CGG）n重復序列的擴展會引起CGG中二聯(lián)核苷的甲基化，使FMR1基因沉默，并使染色質構型發(fā)生改變。表觀遺傳?。╡pigeneticdiseases）:包括復雜的遺傳綜合征、印跡綜合征、免疫性疾病、神經發(fā)育性疾病、衰老和癌癥等。第五十四頁，共79頁。FragileXSyndrome(FRAXA)第五十五頁，共79頁。五、表觀遺傳與腫瘤1979年Holliday提出DNA甲基化可能在癌癥過程中起重要作用。1983年發(fā)現(xiàn)，癌細胞中DNA在總體上屬低甲基化水平：（1）低甲基化發(fā)生于重復序列和進化中的外來DNA，造成細胞基因組不穩(wěn)定；（2）人類基因組的內源性轉座子等可移動因子的激活可與細胞的遺傳不穩(wěn)定相關聯(lián)：肺癌細胞DNA總體甲基化水平的降低與K-ras等基因的激活。第五十六頁，共79頁。DNA甲基化與癌癥第五十七頁，共79頁。癌細胞局部序列的高甲基化抑癌基因啟動子區(qū)的高甲基化：如APC基因、VHL基因等細胞周期相關基因、DNA損傷修復基因可呈現(xiàn)腫瘤特異性甲基化（基因啟動子等調控元件的CpG島）——腫瘤的極早期事件。表觀遺傳病與腫瘤相關：BWS患者的Wilm發(fā)病率是常人的1000倍。IGF2等基因的印跡丟失可提高個體肺癌、神經膠質瘤、乳腺癌的發(fā)病風險。第五十八頁，共79頁。癌細胞局部序列的高甲基化的原因抑癌基因的甲基化可能漸進發(fā)展：特定CpG島從頭甲基化更多CpG島甲基化基因沉寂。實驗提示：最初的甲基化可能源自在DNA自發(fā)損傷中產生的5－甲基脫氧單磷酸胞嘧啶（5mdCMP）錯誤摻入。5mdCMP由專項酶脫氨后轉變?yōu)槊撗鯁瘟姿嵝叵汆奏ぃ╠TMP）。分析表明：癌細胞中5mdCMP脫氨酶活性降低，導致5mdCMP衍生為5mdCDP、5mdCTP形式摻入。第五十九頁，共79頁。第六十頁，共79頁。第六十一頁，共79頁。TheearlyroleforabnormalDNAmethylationintumorprogression第六十二頁，共79頁。六、表觀遺傳與衰老年齡相關（衰老）性疾病多表現(xiàn)為局灶性病變。衰老過程中某些細胞會發(fā)生年齡相關性變化，如某個基因CpG島的從頭甲基化，從而關閉相關基因，喪失該基因的生理功能。另一方面，個別基因甲基化的丟失也會激活正常情況下的沉寂基因，造成相關基因不恰當?shù)摹爱愇槐磉_”。第六十三頁，共79頁。例：動脈粥樣硬化是一種局灶性增生性疾病，存在表遺傳因素，平滑肌細胞增值可使血管變窄。曾觀察到年齡相關的基因（ERα）啟動子區(qū)甲基化。異常甲基化的細胞可使組織或器官呈現(xiàn)表觀遺傳上的異質性和鑲嵌性。這種年齡相關的表遺傳鑲嵌性可能是血管上皮細胞、平滑肌細胞局灶性病變的重要病因。胰島素抵抗性糖尿?。阂葝u素受體信號傳導相關系列基因的表觀遺傳異常。第六十四頁，共79頁。表觀遺傳分析在醫(yī)學中的潛在應用表觀基因組在發(fā)育、生長和衰老過程中存在一個動態(tài)變化過程，體細胞的表觀基因組存在重新編程的可能性，這有助于將表觀遺傳分析應用于診斷、風險評估和治療。需要解決的問題：（1）確定表觀遺傳修飾與特定生理和病理指標的關系（抑癌基因啟動子區(qū)甲基化）；（2）技術分析的可行性；（3）確定表觀遺傳修飾——病理指標——個體臨床表現(xiàn)之間的關系亞硫酸氫鹽選擇性地使胞嘧啶脫氨，但不作用于5-mC第六十五頁，共79頁。DNA經亞硫酸氫鹽處理后，甲基化的胞嘧啶不變，未甲基化的胞嘧啶轉變?yōu)槟蜞奏さ诹?，?9頁。亞硫酸氫鹽處理后DNA作為模板，加入甲基化特異性的引物（primerⅠ）或非甲基化的引物（primerⅡ），進行特異性的擴增甲基特異性的PCR擴增（MS-PCR）:第六十七頁，共79頁。七、表觀遺傳的生物學意義Jirtle和Waterland的實驗（2003）：Agouti小鼠實驗Agouti（A）基因編碼一種信號分子，合成黃色素。在鼠發(fā)育過程中一般短暫表達，鼠毛一段呈現(xiàn)黃色，使野生型Agouti鼠呈棕褐色。在A基因上游插入一個IAP（intracisternalAparticle，源自逆轉座子LTR序列),使A基因受IAP中的啟動子調控而持續(xù)表達，毛色呈黃色。插入了IAP的“A”基因稱“AVY”(Agoutiviableyellowgeneallele)第六十八頁，共79頁。IAP啟動子CpG島的甲基化又會使有些細胞中的AVY

表達受抑。胚胎發(fā)育早期的表觀遺傳差異可使近交系同窩AVY基因型仔鼠中出現(xiàn)不同的表型：黃色皮毛→雜以大小不同的棕褐色斑塊。第六十九頁，共79頁。Agouti小鼠實驗隱性純合型a/a母鼠孕AVY/a雜合型仔鼠。孕鼠分為兩組：（1）僅喂食標準飼料（2）標準飼料＋富含甲基的食物結果：

第一組