動(dòng)物遺傳學(xué)：第十四章 表觀遺傳學(xué)-基因組印記

表觀遺傳學(xué)——基因組印記內(nèi)容綱要1.基因組印記2.那些基因是印記基因？3.印記是如何判讀的？4.印記基因的介紹5.配子發(fā)育過程中印記機(jī)制是如何啟動(dòng)的？6.印記的維持和修改基因印記1.由表觀遺傳修飾決定的，來源于雙親(Parent-of-origin)的特異性表達(dá)的基因。A.兩個(gè)等位基因中只有一個(gè)印記基因表達(dá)B.可遺傳的修飾，并且不改變基因序列的組成2.由雙親基因組功能的不對(duì)稱性所決定1.父系印記基因:來自父系的等位基因的表達(dá)被抑制來自母系的等位基因表達(dá)(mono-allelic)2.母系印記基因:來自母系的等位基因的表達(dá)被抑制來自父系的等位基因表達(dá)(mono-allelic)基因印記印記基因1.在小鼠中已發(fā)現(xiàn)>80個(gè)印記基因一般認(rèn)為在人中具有大致相等數(shù)量的印記基因基因表達(dá)譜的分析結(jié)果表明可能有更多的印記基因2.主要功能:出生前的生長發(fā)育;父系基因的表達(dá)

胚胎發(fā)育能力增強(qiáng)母系基因的表達(dá)

胚胎發(fā)育能力削弱3.在特定細(xì)胞系及神經(jīng)發(fā)育方面有重要功能基因組印記的相關(guān)理論1.兩性之戰(zhàn)(Kinship)，遺傳斗爭(GeneticConflict),雙親投資(ParentalInvestment)1.許多印記基因與胎兒(fetus)和胎盤(placenta)的生長和發(fā)育相關(guān)2.父系：希望后代健康，能夠延續(xù)基因的存在。父系表達(dá)的基因，例如

Igf2,Peg3能夠促進(jìn)胎兒的生長以及營養(yǎng)的攝取，可能會(huì)損害母系的健康3.母系：產(chǎn)生更多的后代，延續(xù)自己的基因。母系表達(dá)的基因，例如Igf2R,Mash2,Gnas等能夠抑制胎兒的生長，減少營養(yǎng)的開支，從而提高生育后代的數(shù)量。1.進(jìn)化能力模型(EvolvabilityModel):通過印記的方式，保護(hù)一些等位基因免受選擇壓力的影響，從而提高群體對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力生物體感知環(huán)境變化，決定等位基因是沉默還是表達(dá)例如，如果發(fā)育增強(qiáng)有好處，并且該等位基因已出現(xiàn)，則其印記狀態(tài)將被改變2.卵巢里的時(shí)間炸彈(Ovariantimebomb):避免卵巢滋養(yǎng)細(xì)胞疾病(ovarianTrophoblasticdisease)孤雌胚胎(parthenogeneticembryos)的生長和發(fā)育：葡萄胚，卵子不能成熟，持續(xù)生長以致形成癌癥等；如果改變孤雌胚胎的基因組，如刪除特定的母系印記基因，能夠存活并類似父系基因組的印記模式基因組印記的相關(guān)理論(2)印記基因的特征1.通常成簇出現(xiàn)

2.一個(gè)簇中一般有3~11個(gè)印記基因絕大多數(shù)多時(shí)編碼可表達(dá)蛋白質(zhì)的基因至少有一個(gè)起拮抗作用的ncRNA基因，具有雙親特異性的表達(dá)模式3.在染色體上的分布較為分散表達(dá)模式:母系父系雙等位未知IGF2-H19PWS/ASSNURF-SNRPNUBE3A-UBE3A-ASKCNQ1OT1KCNQ1印記基因的特征1.每一個(gè)印記基因簇由一個(gè)印記控制元件(imprintcontrolelement,ICE)所調(diào)控2.也稱為印記控制區(qū)域(imprintcontrolregion,ICR)或者印記中心(imprintingcentre,IC)3.絕大多數(shù)都有CpGislands，能夠發(fā)生DNA甲基化4.在CpGislands內(nèi)或附近通常有成簇的、有向的重復(fù)片段印記基因的特征1.具有等位基因不同的甲基化區(qū)域(differentiallymethylatedregions,DMRs)有些是在所有細(xì)胞里，有些具有組織特異性有些甲基化的DMR存在于激活的等位基因中，有些則存在于失活的等位基因中2.通常具有不同的組蛋白修飾，染色體結(jié)構(gòu)等3.DNA復(fù)制不同步父系的拷貝較早發(fā)生復(fù)制印記基因的特征印記的判讀機(jī)制1.IC/ICR/ICE較長的、順式作用的序列調(diào)控多個(gè)基因2.等位基因特異性的甲基化在生殖系(germline)建立并維持通過印記機(jī)制雙親之一的等位基因的ICE活性3.通過表觀遺傳修飾相關(guān)的順式調(diào)控因子來調(diào)控印記基因簇Differentiallymethylatedregions(DMRs)一般在雙親之一的等位染色體上發(fā)生甲基化DNA甲基化，組蛋白修飾以及polycomb蛋白質(zhì)的協(xié)同作用基因組印記的建立1.通過CpG島或者啟動(dòng)子的差異甲基化來實(shí)現(xiàn)Methyl-Cbindingproteins(MBPs)Dnmt1(maintenanceDMT)HDACs關(guān)閉染色體構(gòu)像，形成異染色質(zhì)印記的判讀機(jī)制DNA甲基化

vs.基因組印記CpG島的差異甲基化抑制子與未被甲基化的沉默元件結(jié)合，沉默基因的表達(dá)。而當(dāng)沉默單元甲基化后，抑制子不再結(jié)合2.差異性的將沉默因子結(jié)合到順式沉默元件上印記的判讀機(jī)制例如CCCTC-bindingfactor(CTCF)能夠與未甲基化的等位基因結(jié)合，從而阻斷上游啟動(dòng)子與下游增強(qiáng)子之間的聯(lián)系，從而使得上游基因的轉(zhuǎn)錄被抑制3.

差異性的甲基化邊界元件/絕緣子印記的判讀機(jī)制4.反義轉(zhuǎn)錄本與CpG島或啟動(dòng)子的甲基化聯(lián)合作用機(jī)制反義轉(zhuǎn)錄本一般父系表達(dá)(母系中印記沉默)起源于正義基因內(nèi)的內(nèi)含子序列，啟動(dòng)子可能與正義的基因重疊調(diào)控正義基因的表達(dá):(1)promoterexclusion;(2)改變DNA甲基化或染色質(zhì)結(jié)構(gòu);(3)RNAi機(jī)制；(4)沉默不重疊的基因等印記的判讀機(jī)制反義轉(zhuǎn)錄本的調(diào)控1.SiRNA與RNAi效應(yīng)分子組成復(fù)合物，并招募組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶2.通過RNA-DNA結(jié)合到作用位點(diǎn)3.H3K9發(fā)生甲基化4.Chromodomain(CD)蛋白質(zhì)(HP1)結(jié)合H3K95.進(jìn)一步甲基化，保證基因沉默狀態(tài)轉(zhuǎn)錄依賴的沉默沉默不重疊的基因模型1#:RNA介導(dǎo)的靶向定位具有抑制性的染色質(zhì)修飾和DNA甲基化標(biāo)記，例如Xist

ncRNA

決定X-inactivation因ncRNA較小，很難驗(yàn)證其是否決定印記基因簇中所有基因的沉默ncRNA結(jié)合到靶位的DNA序列上沉默不重疊的基因模型2#:轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)的沉默(A)ncRNA的轉(zhuǎn)錄激活待轉(zhuǎn)錄單元中的抑制元件區(qū)域抑制元件區(qū)域順式的誘導(dǎo)沉默染色質(zhì)發(fā)生抑制性的修飾染色質(zhì)的修飾向兩邊擴(kuò)散受到限制:(1)邊界元件；(2)缺乏允許修飾向兩邊擴(kuò)散的DNA序列轉(zhuǎn)錄依賴的沉默沉默不重疊的基因模型2#:轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)的沉默(B)ncRNA的轉(zhuǎn)錄抑制待轉(zhuǎn)錄單元中的活化元件區(qū)域例如：Ig基因的染色體附近區(qū)域ncRNA的轉(zhuǎn)錄能夠替換活化元件區(qū)域的結(jié)合蛋白質(zhì)從而阻止增強(qiáng)子與啟動(dòng)子的結(jié)合阻止通過活化因子調(diào)控的基因表達(dá)ncRNA

不需要與靶位的DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄依賴的沉默PP轉(zhuǎn)錄依賴的沉默抑制元件區(qū)域活化元件區(qū)域兩類印記基因簇第一類:母系印記簇E.g.Igf2R,Kcnq1,Pws,Gnas

的基因印記簇互補(bǔ)鏈上包含反義的ncRNA

在母系的等位ICE發(fā)生甲基化抑制ncRNA的表達(dá)表達(dá)編碼蛋白質(zhì)的基因在父系的等位ICE不發(fā)生甲基化ncRNA表達(dá)抑制編碼蛋白質(zhì)的基因表達(dá)Igf2R,Kcnq1:采用ncRNA介導(dǎo)的沉默機(jī)制第一類:父系印記簇E.g.Igf2andDlk1的基因印記簇在父系的等位ICE發(fā)生甲基化包含與正義基因不重疊的ncRNA

采用基于絕緣子的沉默機(jī)制兩類印記基因簇ncRNA介導(dǎo)的沉默機(jī)制E.g.Igf2R/Air,Kcnq1/Kcnq1ot1印記基因簇印記調(diào)控ncRNA的表達(dá)由ncRNA順式的沉默簇中的其他mRNA基因盡管ncRNA在互補(bǔ)鏈上，但是沉默機(jī)制并不需要與正義基因相重疊可通過擴(kuò)散的方式沉默染色質(zhì)MPMPPrimarytargetncRNA介導(dǎo)的沉默機(jī)制Silentgene ActivegeneICE–母系印記調(diào)控Air

ncRNA的表達(dá)Air

ncRNA對(duì)于抑制父系的Igf2R,Scl22a3和Slc22a2表達(dá)是必須的

父系的等位ICE不被甲基化

父系ncRNA(Air)表達(dá)抑制重疊的以及周圍的正義基因的表達(dá)(父系)DMR在Igf2r的第二個(gè)內(nèi)含子中，也在Air

的啟動(dòng)子中如果刪除DMR

Air

不表達(dá)

印記丟失

在人中，雖然存在DMR，但沒有差異的組蛋白修飾，因此Air

不表達(dá)

，因此IGF2R/M6PR

是雙等位表達(dá)的Igf2R/AirIgf2R/AirAir

的轉(zhuǎn)錄本部分與Igf2R重疊不僅僅是簡單的啟動(dòng)子競爭或RNAi機(jī)制能夠順式的沉默不重疊的Scl22a3和Slc22a2截短的Air轉(zhuǎn)錄本被印記但不能沉默其他基因，表明全長序列是必須的沉默可能是由染色質(zhì)介導(dǎo)的在大腦中Igf2R無DMR,在靈長類生物中亦無Slc22a2/a3未發(fā)生甲基化修飾Air

ncRNA可能通過覆蓋對(duì)應(yīng)的序列來招募異染色質(zhì)因子(HMTs,HDACs,repressors)Igf2R/Air1.母系染色體上的情況是怎樣的？2.IGF2:具有促細(xì)胞分裂能力；IGF2R：IGF2的競爭因子母系印記Kcnq1/Kcnq1ot1Kcnq1:PotassiumchannelQ1其他基因：Cdkn1c,cyclin-dependentkinaseinhibitor1cKcnq1ot1:KCNQ1overlappingtranscript1

啟動(dòng)子在ICE中母系甲基化

Kcnq1ot1被抑制Kcnq1,Cdkn1cetc.等基因表達(dá)ICE–父系的等位ICE不發(fā)生甲基化

Kcnq1ot1

表達(dá)Kcnq1,Cdkn1cetc.等基因表達(dá)被抑制Kcnq1ot1

的啟動(dòng)子在Kcnq1的第十個(gè)內(nèi)含子中轉(zhuǎn)錄本僅僅與Kcnq1相重疊因此，沉默機(jī)制并不是dsRNA/RNA干擾ncRNA的調(diào)控機(jī)理類似Air

截短的Kcnq1ot1

ncRNA能夠父系表達(dá)，但是不能沉默兩側(cè)的基因ncRNA的表達(dá)對(duì)于沉默是不足夠的Kcnq1的表達(dá)不干擾Kcnq1ot1的表達(dá)，因此沉默的機(jī)理不是啟動(dòng)子競爭母系的Kcnq1ot1截短沒有任何影響Kcnq1/Kcnq1ot1Kcnq1/Kcnq1ot1Kcnq1ot1轉(zhuǎn)錄本的長度決定了對(duì)其兩側(cè)基因的沉默野生型中轉(zhuǎn)錄本長為9.2kb，能夠有效地發(fā)揮沉默作用：較長的轉(zhuǎn)錄本能夠依附在較長的染色質(zhì)上

更好的傳播染色質(zhì)的沉默修飾較長的轉(zhuǎn)錄本增強(qiáng)組蛋白修飾的水平首先是重疊基因的啟動(dòng)子H3-K9me1，接著H3-K9me3，然后是非重疊的基因基于絕緣子的沉默機(jī)制Igf2-H19簇絕緣子在ICE/ICR中，當(dāng)發(fā)生甲基化的時(shí)候被抑制活性的絕緣子抑制增強(qiáng)子的活性ncRNA(H19)與mRNAs(Igf2,Ins2)表達(dá)負(fù)相關(guān)，但在沉默中的機(jī)制未知未發(fā)生甲基化的ICE(母系)–染色質(zhì)的絕緣子在內(nèi)胚葉中與CTCF(CCCTC-bindingfactor)結(jié)合阻止增強(qiáng)子與Igf2的啟動(dòng)子發(fā)生作用允許增強(qiáng)子與H19的啟動(dòng)子發(fā)生作用CTCF與未甲基化的DNA結(jié)合，從而使之不發(fā)生甲基化甲基化的ICE(父系)H19的啟動(dòng)子沉默阻止CTCF的結(jié)合

DMR2Igf2-H19Chromatin-loopmodelDMR2在Igf2的最后一個(gè)外顯子上在母系染色體上，未被甲基化的DMR與DMR1結(jié)合Igf2沉默在父系染色體上，甲基化的DMR與DMR2結(jié)合

激活I(lǐng)gf2，并使之接近增強(qiáng)子Insulators-通過相互作用形成chromatinloops

Igf2-H19DMR1–在中胚葉中為組織特異性的沉默子甲基化敏感的沉默子，在未發(fā)生甲基化的母系染色體上與抑制因子結(jié)合

抑制母系的Igf2表達(dá)在發(fā)生甲基化的父系染色體上，阻止與抑制因子的結(jié)合

促使父系Igf2的表達(dá)ICE上游的組織特異性的增強(qiáng)子(yellow)的調(diào)控作用使得Igf2在大腦的部分區(qū)域中，兩個(gè)等位基因都可表達(dá)Igf2-H19H19–非編碼的RNA，功能未知基因敲除不能觀察到明顯的表型Cleanknock-outhasnodiscernablephenotype高度的序列保守型(77%小鼠/人)Igf2–類胰島素的生長因子突變引起的印記紊亂導(dǎo)致先天的生長失控——Beckwith-Wiedermannsyndrome(BWS)Igf2-H19Beckwith-Wiedemannsyndrome1.小頭2.巨舌3.胎盤增生Beckwith-WiedemannsyndromePrader-Willi/AngelmanSyndromeIC具有雙向的、長程的、順式的作用機(jī)制：母系中，AS-IC通過抑制PWS-IC沉默兩側(cè)基因(甲基化)PWS-IC:阻止順式基因的甲基化AS-IC對(duì)于PWS-IC的甲基化是必須的活性的AS-IC的能夠激活Ube3a的表達(dá)AS-IC片段的缺失

AS

Ube3a沉默AS-IC在父系的染色體上無功能/失活PWS-IC活化

父系等位基因的表達(dá)PWS-IC定位于SNRPN的5’端附近母系中DNA發(fā)生甲基化；父系中由于PWS-IC的保護(hù)機(jī)制，避免了甲基化遺傳/表觀遺傳的突變PWS，父系表達(dá)的基因沉默兩邊的等位基因都被沉默Prader-Willi/AngelmanSyndrome組織特異性：腦中父系等位基因Ube3a被沉默，在其他組織中都是雙等位表達(dá)UBE3A

反義轉(zhuǎn)錄本的父系表達(dá)無調(diào)控功能PWS–持續(xù)的基因紊亂父系表達(dá)的基因簇沉默：SNURF/SNRPN,NECDIN,MKRN3,MAGEL2AS–母系表達(dá)的基因UBE3AorATP10C沉默母系的印記基因發(fā)生表達(dá)Prader-Willi/AngelmanSyndromePrader-Willi/AngelmanSyndromePrader-WillisyndromeandAngelmansyndrome:智力遲鈍PWSpatients:前額窄,手足較小，生殖功能不全，多食易胖Angelman(AS):小頭、枕骨較平，樂天，類似木偶的運(yùn)動(dòng)(HappyPuppetsyndrome).基因組印記的過程母系 父系原生殖細(xì)胞與體細(xì)胞中的印記原生殖細(xì)胞(PGCs)：起源于胚胎原始生殖期的一種具有多向分化潛能的干細(xì)胞體細(xì)胞：不具分化潛能的終端細(xì)胞胚胎發(fā)育早期：非印記的基因發(fā)生去甲基化，印記基因的甲基化模式保留原生殖細(xì)胞自E10.5~E12.5發(fā)生去甲基化去除遺傳的印記模式體細(xì)胞的基因印記模式保留終生精子中的父系印記精原細(xì)胞中發(fā)生denovosex-specificmethylation起始于出生前的有絲分裂的精母細(xì)胞中，出生后基本結(jié)束，在減數(shù)分裂的粗線期完全結(jié)束DNA甲基轉(zhuǎn)移酶Dnmt3a以及共作用因子Dnmt3L

自出生后的E12.5期開始表達(dá)，而Dnmt3b自出生后表達(dá)水平增加在青春期，由于有絲分裂的持續(xù)，Dnmt1s在精母細(xì)胞中的表達(dá)量升高，以維持甲基化模式Dnmt1s

在減數(shù)分裂的粗線期表達(dá)量降低：不能翻譯的Dnmt1p可變剪切異構(gòu)體的表達(dá)，競爭關(guān)系缺失Dnmt3a和Dnmt3L的小鼠精子發(fā)生過程嚴(yán)重受損，并出現(xiàn)父系印記的缺陷雄性特異性的模式建立所依賴的因子/因素：保護(hù)ICR不被甲基化的因子促使ICR被甲基化的因子精子中的父系印記BORIS=brotheroftheregulatorofimprintedsites僅在雄性精子細(xì)胞中表達(dá)的DNA結(jié)合蛋白質(zhì)與Igf2-H19ICR相互作用與CTCF類似，都具有11個(gè)鋅指結(jié)構(gòu)域(同源物)可能參與甲基化標(biāo)記的去除，有選擇性的識(shí)別并結(jié)合母系印記的ICRs上的CTCF位點(diǎn)，并阻止這些ICRs的甲基化CTCF的沉默與BORIS的活化介導(dǎo)了父系印記基因的甲基化過程精子中的父系印記精子中的父系印記原生殖細(xì)胞：甲基化模式擦除精原細(xì)胞：開始建立新的甲基化模式精母細(xì)胞：建立新的甲基化模式