基因組學(xué)第10章課件

第10章基因組表觀遺傳1)什么是表觀遺傳2)表觀遺傳現(xiàn)象3)表觀遺傳機(jī)制位置效應(yīng)副突變甲基化基因組印記染色質(zhì)重建劑量補(bǔ)償表觀遺傳學(xué)的例子

1)細(xì)胞的分化是一種典型的表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象,如人類眼睛細(xì)胞和肌肉細(xì)胞含有相同的基因組,但基因的表達(dá)差異很大.2)whileamutationintheaxingenecalledaxin-fusedproducesmicewithkinkytails(彎曲尾巴),thedegreeofkinkinessvariesamonggeneticallyidenticallittermates(同一窩老鼠)(Figure).Epigenetics的歷史1)上世紀(jì)40年代,Waddington首創(chuàng)“epigenetics〞一詞,用以概括研究基因及其產(chǎn)物如何轉(zhuǎn)變?yōu)楸憩F(xiàn)型的領(lǐng)域.用現(xiàn)在的話說,就是遺傳信息如何轉(zhuǎn)變?yōu)楸硇偷倪^程.2)就詞義而言,“epi〞是“其上〞(upon)或“超越〞(over)的意思.因此,在epigenetics的定義中,genetics只涉及基因的結(jié)構(gòu)層次,而epigenetics那么涉及基因如何發(fā)揮其功能以及基因之間的互作關(guān)系.3)在Waddington的“epigenetics〞定義中,epigenetics的位置處于遺傳學(xué),發(fā)育和生態(tài)學(xué)的交叉口.表觀遺傳的通俗解釋我國(guó)古代有“橘生淮南那么為橘，生于淮北那么為枳，葉徒相似，其實(shí)味不同〞的記載，說明相同基因型的生物在不同的環(huán)境條件下表型有很大的差異。同一種中藥材在不同產(chǎn)地生長(zhǎng)，其藥效相差甚遠(yuǎn)，這也是環(huán)境影響基因表達(dá)的突出例子。這種因環(huán)境影響而改變的基因表達(dá)模式并不涉及基因型的變異，但可以重復(fù)出現(xiàn)，穩(wěn)定遺傳，是一種典型的表觀遺傳現(xiàn)象。同卵孿生子的表型趨異也是一種表觀遺傳.最近的研究發(fā)現(xiàn),隨著年齡的增長(zhǎng)同卵孿生子的表型差異有擴(kuò)大的趨勢(shì).Epigenetics概念的變遷1)1982年“DictionaryofBiology〞的定義:epigenetics系指遺傳因子與發(fā)育過程之間的互作,通過這種互作使基因型轉(zhuǎn)變?yōu)楸硇?2)1992年,Hall在其所著的“EvolutionaryDevelopmentalBiology〞一書中,將epigenetics定義為:在發(fā)育過程中遺傳因子和非遺傳因子作用于細(xì)胞,選擇性控制基因的表達(dá),并逐步增加表型復(fù)雜性的過程.3)1996年,在“EpigenticMechanismsofGeneRegulation〞一書中將epigenetics定義為:不涉及DNA順序的改變而發(fā)生的基因功能的差異,這種差異能通過有絲分裂和減數(shù)分裂穩(wěn)定傳遞.4)2001年Science雜志對(duì)epigenetics的定義為:不涉及DNA順序的變異但能通過有絲分裂和減數(shù)分裂遺傳的基因表達(dá)模式的改變.表觀遺傳學(xué)表觀遺傳學(xué)(epigenetics):研究在不改變DNA順序的情況下基因表達(dá)出現(xiàn)可遺傳變化的分支學(xué)科.這種表達(dá)模式的改變可通過有絲分裂和減數(shù)分裂傳遞給子代細(xì)胞或個(gè)體.表觀遺傳學(xué)是功能基因組學(xué)研究的重要領(lǐng)域.表觀遺傳是基因組程序化的一種表現(xiàn)形式.表觀遺傳--位置效應(yīng)1)位置效應(yīng)是指由于基因在染色體上的位置發(fā)生改變而引起的表型改變的現(xiàn)象。2)位置效應(yīng)說明,基因的功能以及基因?qū)ι锉硇偷挠绊懣梢栽诓桓淖冞z傳物質(zhì)本身的順序組成情況下僅僅由于遺傳物質(zhì)在染色體上的位置差異而發(fā)生變化。3)位置效應(yīng)實(shí)際上反映了基因組不同區(qū)域特定染色質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)基因施加的影響。兩種位置效應(yīng)美國(guó)學(xué)者E.B.劉易斯把位置效應(yīng)分為兩大類型：穩(wěn)定型和花斑型。穩(wěn)定型位置效應(yīng)簡(jiǎn)稱S型位置效應(yīng)，表型改變是穩(wěn)定的?；ò咝臀恢眯?yīng)簡(jiǎn)稱V型效應(yīng)，其表型改變是不穩(wěn)定的，從而導(dǎo)致顯性和隱性性狀嵌合的花斑現(xiàn)象。

花斑型位置效應(yīng)當(dāng)某一基因由于染色體重排從原來的常染色質(zhì)區(qū)移到異染色質(zhì)區(qū)附近,因異染色質(zhì)的擴(kuò)散效應(yīng),造成基因表達(dá)的改變.這種抑制效應(yīng)的差異使基因表達(dá)受抑程度不同,由此產(chǎn)生嵌合.位置效應(yīng)--座位控制區(qū)1)什么是座位控制區(qū)(locuscontrolregion,LCR).Thelevelofactivityofaeuchromaticregionofachromosomeisregulatedbyacis-actingDNAelementdesignatedalocuscontrolregion.

可調(diào)控常染色質(zhì)區(qū)活性水平的一段順式DNA成分.2)LCR的功能:以順式(cis-)方式調(diào)控與其連鎖的基因表達(dá).3)第一個(gè)LCR首先在人類β-球蛋白基因座位區(qū)發(fā)現(xiàn).見:Blood,100:3077-3086,2002β

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球蛋白質(zhì)基因座位控制區(qū)β-球蛋白質(zhì)基因座位控制區(qū)的結(jié)構(gòu)LCR區(qū)ncRNA的調(diào)控作用副突變副突變:(paramuta-tion)最初在玉米中發(fā)現(xiàn)的在雜合子中某一基因影響同一座位上另一等位基因的表型.副突變?cè)谵D(zhuǎn)基因表現(xiàn)型中也已發(fā)現(xiàn),稱為同源抑制.副突變的分子機(jī)制控制玉米紫色基因b1副突變的成分位于該基因上游100kb，是一段含有多個(gè)拷貝的重復(fù)順序。雜合子中已發(fā)生副突變的b1基因可將其修飾模式〔B‘〕“拷貝〞到等位基因B-1，使后者轉(zhuǎn)變?yōu)楦蓖蛔儬?B＇〕B-I和B’都有7個(gè)串接重復(fù)順序，重復(fù)順序單位長(zhǎng)853bp。重復(fù)順序的多少涉及副突變和b1的轉(zhuǎn)錄水平。B-I和B‘的DNA順序完全相同，不同的只是表達(dá)水平。B-I狀態(tài)重復(fù)順序的甲基化程度高于B’.玉米的B-I和B’的副突變涉及siRNA路線〔AllemanM等，2006〕。小RNA與玉米

B-I基因的沉默染色質(zhì)位置阻隔效應(yīng)—絕緣子1〕1985年，Udvardy等在果蠅染色體87A7條帶熱激蛋白基因座的兩側(cè)發(fā)現(xiàn)了兩段取名為scs和scs’(specializedchronatinstructures,特化染色質(zhì)區(qū))的順序。scs和scs’長(zhǎng)分別為350bp和200bp，對(duì)DNAaseI有高度抗性。這兩個(gè)序列的兩側(cè)均有DNAaseI超敏位點(diǎn)，各為100bp。2〕將scs置于控制眼睛顏色的基因兩側(cè)然后導(dǎo)入果蠅，轉(zhuǎn)化的果蠅品系不管轉(zhuǎn)基因位于何處，均可產(chǎn)生類似表型，說明scs可使轉(zhuǎn)基因免受內(nèi)源染色質(zhì)“位置影響〞3)這種可以阻止鄰近位置激活或失活效應(yīng)的順序稱之為絕緣子〔insulator〕或隔離子。果蠅絕緣子〔insulator〕果蠅多線染色體橫紋區(qū)SCS

專一性結(jié)合蛋白質(zhì)絕緣子可阻止相鄰基因之間增強(qiáng)子的彼此干擾1)真核生物增強(qiáng)子具有雙向作用,超長(zhǎng)距離功能,從而帶來位置相鄰基因之間的彼此干擾問題.2)有些基因位于異染色質(zhì)鄰近,會(huì)受到抑制效應(yīng)的干擾.絕緣子可以阻止上述因位置原因產(chǎn)生的對(duì)基因表達(dá)的抑制效應(yīng).絕緣子的定向控制絕緣子效應(yīng)的方向性絕緣子的效應(yīng)具有方向性果蠅的yellow〔y〕座位有4個(gè)增強(qiáng)子元件，2個(gè)位于啟動(dòng)子上游，另2個(gè)位于外顯子1和2之間，它們分別負(fù)責(zé)不同組織特異性的yellow基因的表達(dá)。將含有絕緣子的果蠅逆轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子gypsy依次分別插入每個(gè)增強(qiáng)子元件的附近，絕緣子對(duì)增強(qiáng)子的阻隔效應(yīng)依位置不同而異:1)如果插入位置在啟動(dòng)子的5’方向，將影響絕緣子上游增強(qiáng)子元件的作用。2)如果插入位置在啟動(dòng)子的3’方向，只影響下游增強(qiáng)子元件的功能。3)如果插入位置不在增強(qiáng)子與啟動(dòng)子之間，絕緣子對(duì)增強(qiáng)子無阻隔效應(yīng)。絕緣子〔2〕絕緣子結(jié)合蛋白〔CTCF〕〔1〕

絕緣子DNA結(jié)合蛋白一種DNA-結(jié)合蛋白CTCF(CCCTC-bindingfactor,CCCTC結(jié)合因子)可專一性與該42bp順序結(jié)合。CTCF已在其它實(shí)驗(yàn)中被證明參與基因的轉(zhuǎn)錄激活與沉默，是一個(gè)含有11個(gè)鋅指的分子量為82kD的蛋白質(zhì)。人體T細(xì)胞受體α/δ座位及爪蟾〔Xenopus〕RO(repeatorganizer,重復(fù)順序組織者)rRNA基因調(diào)控區(qū)絕緣子均有保守的CTCF結(jié)合位點(diǎn)(Bell,2001)。這些在進(jìn)化上處于不同地位的物種中廣泛存在絕緣子的現(xiàn)象說明，以絕緣子界定增強(qiáng)子的作用范圍是真核基因組一種普遍的控制基因活性的機(jī)制絕緣子與果蠅BX-C基因調(diào)控果蠅腹節(jié)模式?jīng)Q定區(qū)中的絕緣子染色質(zhì)修飾與重建

增強(qiáng)子作用的DNA環(huán)化模型與絕緣子的關(guān)系高等生物基因組普遍存在甲基化1)DNA分子的化學(xué)修飾主要是甲基化，脊椎動(dòng)物基因組中約60-80%雙核苷酸CpG的胞嘧啶(C)被甲基化。被子植物基因組中，甲基化位置主要出現(xiàn)在CpG和CpNpG回文對(duì)稱順序，大約20-30%的胞嘧啶(C)被甲基化。DNA的甲基化在基因的表達(dá)調(diào)控中起重要作用。2〕基因組的甲基化模式可影響表型并能通過體細(xì)胞遺傳，但不該變細(xì)胞的基因型.基因組的甲基化是表觀遺傳的重要內(nèi)容之一.3)基因組DNA甲基化是基因表達(dá)調(diào)控的重要方式,并與染色體重建(chromatinremodeling)有關(guān).DNA去甲基化與肌肉細(xì)胞分化基因組DNA甲基化的生物學(xué)1〕細(xì)胞命運(yùn)確實(shí)定與基因組DNA的甲基化狀態(tài)有關(guān)；2〕DNA甲基化是決定基因表達(dá)模式的重要因素；3〕DNA甲基化模式可以在上下代細(xì)胞之間傳遞；4〕DNA甲基化只限于堿基的修飾，并不改變DNA的順序組成。染色質(zhì)重建1)染色質(zhì)重建(chromatinremodeling)系指染色體結(jié)構(gòu)狀態(tài)的改變.染色質(zhì)重建可以是可逆的,也可以是不可逆的.2)染色質(zhì)重建涉及DNA的甲基化,組蛋白的乙?；腿ヒ阴；?3)染色質(zhì)重建的目的是使染色質(zhì)的物理狀態(tài)處于松弛或收縮,其結(jié)果使轉(zhuǎn)錄活化因子可接觸或不能接觸調(diào)控順序.DNA甲基化與染色質(zhì)重建siRNA可誘導(dǎo)異染色質(zhì)形成見:CurrentOpinioninCellBiology16:230-238,2004siRNA介導(dǎo)的染色質(zhì)沉默

DNA甲基化與轉(zhuǎn)座子活性染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的不可逆變化與基因沉默在個(gè)體發(fā)育與細(xì)胞分化過程中，當(dāng)某些基因已經(jīng)完成預(yù)定的表達(dá)程序后必需永久性關(guān)閉。這一任務(wù)可以通過DNA甲基化促使染色質(zhì)的重建完成。Polycome:多結(jié)蛋白.DNA甲基化抑制轉(zhuǎn)座等位基因成員的非對(duì)稱表達(dá)1)二倍體基因組中每個(gè)等位基因均有兩個(gè)等位基因成員.2)二倍體每個(gè)等位基因成員的表達(dá)模式有三種:

母源基因表達(dá),父源基因表達(dá),兩個(gè)成員均表達(dá)3)有三種機(jī)制決定等位基因成員的非對(duì)稱表達(dá):1.X-染色體失活;2.基因組印記;3.隨機(jī)選擇.基因組印記1)1991年TM.德切艾拉等報(bào)道,老鼠7號(hào)染色體上中有一個(gè)稱為類胰島素生長(zhǎng)因子Igf2的基因(insulin-likegrowthfactorII),該基因的突變純合子表現(xiàn)為侏儒癥.在雜合子中,如果突變等位基因來自父親,表型異常.如果來自母親,表型正常,即母源Igf2基因在子代被抑制.2)這種因?yàn)橛H本來源不同而使等位基因表達(dá)模式發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為印記(imprinting).它有兩個(gè)特點(diǎn):

1.子代的兩個(gè)等位基因中有一個(gè)發(fā)生沉默,即不表達(dá).2.哪一個(gè)等位基因沉默取決于等位基因的親本來源.

這是在哺乳動(dòng)物中最早發(fā)現(xiàn)的表觀遺傳現(xiàn)像.隨后又在老鼠中發(fā)現(xiàn)另外一個(gè)基因,即7號(hào)染色體上與Igf2緊密連鎖的H19也有類似的情況,只是表現(xiàn)相反,即父源的H19等位基因在子代中不表達(dá),母源的H19基因在子代中正常表達(dá).

基因組印記的分子機(jī)制綿羊肥臀突變的遺傳符合典型的基因組印記模式In1996,ateamledbyCockettandGeorgesexplainedwhatwasgoingon:Onlylambsthatinheritthecallipygemutationfromtheirfather

butnottheirmotherdevelopthetrait.Allothercombinationsofnormalandcallipygechromosomesresultinnormalsheep.Theresearchersnamedtheeffectpolaroverdominance(極性超顯性效應(yīng)).見:TrendsinGenetics19:248-252,2003.基因組印記的其它例子DNA甲基化與基因組程序化

雙卵融合克隆小鼠

哺乳動(dòng)物均有基因組印記,因此哺乳動(dòng)物沒有孤雌生殖.只有將野生型H19基因和突變型H19基因的卵細(xì)胞融合才得到成體克隆鼠.見:Nature428:860-864,2004劑量效應(yīng)1)劑量效應(yīng)系指具有兩份基因拷貝的個(gè)體和一份基因拷貝的個(gè)體在表現(xiàn)型上保持一致的機(jī)理.

2)多細(xì)胞生物中性別染色體在雌性和雄性細(xì)胞中的拷貝數(shù)不同,為平衡基因表達(dá)產(chǎn)物的數(shù)量,出現(xiàn)整條染色體被抑止或超激活現(xiàn)象.染色體劑量效應(yīng)染色體劑量效應(yīng)可通過基因的上調(diào)或下調(diào)形式到達(dá):1)哺乳動(dòng)物雌性一條X-染色體失活,形成Barr小體;2)果蠅雄性X-染色體超表達(dá)以到達(dá)平衡;3)線蟲雌性一條X-染色體低表達(dá).X

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染色體失活機(jī)制干細(xì)胞與表觀遺傳俞君英在湯姆森實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行

有關(guān)干細(xì)胞的試驗(yàn)

人類iPS細(xì)胞的培育過程全能性干細(xì)胞所應(yīng)具有的特征幾個(gè)關(guān)鍵的步驟1)基因組重新程序化基因的篩選2)基因組重新程序化基因的轉(zhuǎn)化3)轉(zhuǎn)化細(xì)胞的篩選與鑒定4)iPS細(xì)胞的功能驗(yàn)證iPS細(xì)胞功能的驗(yàn)證iPS-MEF具多向分化潛能將iPS-MEF轉(zhuǎn)化細(xì)胞注入到裸鼠皮下組織后可產(chǎn)生的畸胎瘤含有不同的組織細(xì)胞,具多向分化潛能.Nanog更適合iPS細(xì)胞篩選Nanog

更適合iPS

細(xì)胞篩選畸胎瘤的分化iPS細(xì)胞具有癌癥傾向產(chǎn)生iPS

細(xì)胞的多種方法NatureBiotechnology,26:1246,2021干細(xì)胞重新程序化方法比較染色質(zhì)重建與基因轉(zhuǎn)錄基因轉(zhuǎn)錄時(shí)要以編碼DNA為模板合成mRNA前體,但DNA分子纏繞在核小體上,因此必需使DNA離開核小體.染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)染色質(zhì)重建依賴于組蛋白的修飾1)核小體的修飾是染色質(zhì)水平進(jìn)行基因表達(dá)調(diào)控的中心環(huán)節(jié).2)核小體修飾的目的是促使核小體核心8聚體與DNA分子的結(jié)合或者松弛或者強(qiáng)化,便于核小體移動(dòng)或固定,使轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子結(jié)合或排斥.組蛋白的修飾目前已發(fā)現(xiàn)的組蛋白修飾:1)乙?；?可逆)2)甲基化(不可逆)3)類泛素化(可逆)4)Sumoylation