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1、第六章 表观遗传学（epigenetics）,x,x,马骡,驴骡,骡子更象谁？,表观遗传学,主要内容：,第一节 表观遗传概述第二节 表观遗传调控机制第三节 表观遗传研究的应用,第一节 表观遗传概述,一、表观遗传现象,分子生物学的中心法则（entral dogma）,碱基序列（基因）决定性状，序列改变，引起性状的改变。,影响基因表达的遗传变异因素基因突变（错义突变）基因缺失/倍增染色体结构及数目变异,问题：基因表达的变化（或性状的变化）一定是DNA序列变异的结果吗？,BUT,“Some authors use the term“variation”in a technical sense,as
2、implying a modification directly due to the physical conditions of life;and“variations”in this sense are supposed not to be inherited;but who can say that the dwarfed condition of shells in the brackish waters of the Baltic,or dwarfed plants on Alpine summits,or the thicker fur of an animal from far
3、 northwards,would not in some cases be inherited for at least a few generations(Darwin,1859)?”,Lamarck was the first man whose conclusions on the subject excited much attention.This justly celebrated naturalist first published his views in 1801.he first did the eminent service of arousing attention
4、to the probability of all changes in the organic,as well as in the inorganic world,being the result of law,and not of miraculous interposition.（Darwin,1861）,Jean-Baptiste Lamarck(1744-1829),获得性遗传（Inheritance of acquired characteristics）,问题 环境的作用能否改变个体的遗传特性，并传递给下一代?这种被称为“拉马克学说”(Lamarckism)的观点一直被正统的生物
5、学家拒之门外。,一种结论：个体在发育和生长过程中获得的环境影响，被遗传给了后代。什么决定基因？大自然(环境)如此丰富多彩、如此变化不停，很难想象，对于一个开放的复杂生命系统，不会打上它的烙印。,瑞典一个科学家小组的研究:对于生于1890-1920年的瑞典男人的孙辈而言，如果其祖父在青少年期间吃得很好，那么孙辈因糖尿病而死亡的概率就很高；如果其祖父是在饥饿中长大的那么孙辈死于心脏病的机会就很少。也就是说，祖父辈的饮食状态影响到了孙辈的健康状态。,人类同卵双生的孪生子：具有完全相同的基因组，在同样的环境下成长，俩人的气质和体质应该非常相似。实际情形：一些孪生子的情况并不符合预期的理论。往往在长大成
6、人后出现性格、健康方面的很大差异。这种反常现象长期困扰着遗传学家。现在科学家们发现：可以在不影响DNA序列的情况下改变基因组的修饰这种改变不仅可以影响个体的发育，而且还可以遗传下去。,Science 7 April 2000:Vol.288.no.5463,p.38,Was Lamarck Just a Little Bit Right?Michael Balter Although Jean-Baptiste Lamarck is remembered mostly for the discredited theory that acquired traits can be passed d
7、own to offspring,new findings in the field of epigenetics,the study of changes in genetic expression that are not linked to alterations in DNA sequences,are returning his name to the scientific literature.Although these new findings do not support Lamarcks overall concept,they raise the possibility
8、that epimutations,as they are called,could play a role in evolution.,Epigenetics comes of age,“The major problem,I think,is chromatin you can inherit something beyond the DNA sequence.Thats where the real excitement of genetics is now”(Watson,2003).,概念：指基因的DNA序列不发生改变的情况下，基因的表达水平与功能发生改变，并产生可遗传表型的遗传学分
9、支学科。Epigenetics is the study of stable genetic modifications that result in changes in gene expression and function without a corresponding alteration in DNA sequence.,表观遗传学,表观基因组,The epigenome is a catalog of the epigenetic modifications that occur in the genome.,特征:可遗传；可逆性；DNA不变,表观遗传学,基因表达模式,相同的基因
10、型,不同的表型,一个多细胞生物机体的不同类型细胞,基因表达模式(gene expression pattern),决定细胞类型的不是基因本身，而是基因表达模式，通过细胞分裂来传递和稳定地维持具有组织和细胞特异性的基因表达模式对于整个机体的结构和功能协调是至关重要的。,基因表达模式在细胞世代之间的可遗传性并不依赖细胞内DNA的序列信息。,基因表达模式的信息标记,表观遗传修饰(epigenetic modification),DNA分子的特定碱基的结构修饰(如胞嘧啶的甲基化),染色质构型重塑(chromatinremodeling)(如组蛋白的构型变化),二、表观遗传学的发展历史,1941年，He
11、rmann J.Muller发现Position effect variegation(PEV)第一种表观遗传学现象。1942年，Waddington提出现代Epigenetics的概念，认为基因型通过一些“偶然的、不确定的机制”决定了不同的表型。1958年，R.A.Brink发现paramutation现象。1961年，Mary Lyon发现X染色体失活现象。1983年，DNA甲基化的发现。,副突变（paramutation）是指一个等位基因可以使其同源基因的转录产生稳定可遗传变化。也就是基因或DNA本身没有变化，属于一种后天的改变。即具有同一位点的两个等位基因之间的相互作用，它导致其中一个
12、等位基因发生一个可遗传的变化。,Paramutation,一个沉默的基因常常导致等位基因也发生沉默maize P-rr gene：Myb 转录因子,Paramutation,原因一：染色体发生交联，使得等位基因受到影响；,Paramutation,原因二：RNA参与调控,X-chromosome inactivation,雌性的一条X染色体完全失去活性,Rainbow,Copy Cat,Allie,X染色体失活,DNA甲基化,SAH,S-adenosylhomocysteine;SAM,S-adenosylmethionine,近年来，现代分子生物学认为细胞中信息的表达受两种因素控制：一种是传
13、统意义上的遗传调控，另一种是表观遗传调控何时、何地、以何种方式去应用遗传信息的指令。2003 年10月正式宣布开始投资和实施人类表观基因组计划（HGP）。表观遗传学（epigentics）被认为是遗传学领域中探讨基因型与表现型之间相互关系的一个新的研究方向。,人类基因组：22，000个基因vs.100,000个蛋白质可变剪切(Alternative Splicing),三、人类表观遗传学及表观基因组研究,全球最大表观遗传学项目启动 2010/09/07 南都讯记者刘凡通讯员王静思昨日，深圳华大基因研究院与伦敦国王学院的知名双胞胎研究团队TwinsUK共同发起一项专门针对双胞胎的遗传学项目Epi
14、twin。该项目为目前全球最大的表观遗传学项目，将对全球5000对双胞胎进行深入研究。据介绍，这个项目计划对双胞胎中的基因进行分别研究，并且在同卵双胞胎间进行比较。与以往研究不同的是，此次研究不是寻找相似之处，而是寻找那些能够解释为什么同卵双胞胎不得同样疾病的差异。这个项目首先将以肥胖、糖尿病、过敏反应、心脏病、骨质疏松症和长寿等为主要研究对象，但研究方法可应用于各种常见性状和疾病。,人类表观基因组和疾病联合会于2003 年10月正式宣布开始投资和实施旨在解析人类全基因组中表观遗传信息及其与疾病状态相关的特定表观遗传修饰的人类表观基因组计划(Human Epigenome Project,HE
15、P)。HEP 的提出和实施，标志着与人类发育和肿瘤疾病密切相关的表观遗传学(epigenetic)和表观基因组(epigenome)研究跨上了一个新的台阶。,Epigenetic changes have been associated with disease,but further progress requires the development of better methods to detect the modifications and a clearer understanding of factors that drive these changes.,192 million
16、 USD for 5 years(2008 to 2012),The international AHEAD scientific committee will discuss the issue of the global collaborative efforts in light of the recent launch of NIH routemap Epigenetics program,AHEAD(人类表观基因组与疾病联合会）（Alliance for the Human Epigenome and Disease）计划.,NIH-National Institutes of He
17、alth(美国),12.5 M euro 2004-2009,1.7 M euro 2005-2008,10.9 M euro 2005-2010,12 M euro 2005-2010,3.5 M euro 2006-2009,12 M euro 2006-2010,第二节 表观遗传修饰机制,DNA甲基化染色质重塑X染色体失活基因组印迹基因表达重新编程RNA编辑与RNA干扰（略）,（一）DNA 甲基化,DNA甲基化(DNA methylation)是研究得最清楚、最重要的表观遗传修饰形式。DNA 甲基化指在DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase，Dnmt)的作用下，以s
18、-腺苷甲硫氨酸(sAM)为甲基供体，将甲基基团转移到胞嘧啶第5位碳原子上。甲基化的胞嘧啶多位于CpG岛上。,Whats DNA methylation?,C5-methyl-cytosine,cytosine,DNA methyltransferase,DNMT,CG,m,CpG岛结构基因5端,DNA甲基化的特点,不改变DNA的碱基配对特性不改变DNA的编码属性增加额外的信息体细胞可遗传,维持甲基化（maintenance methylation),DNMT1,DNA甲基化的遗传机制,忠实度：9598%,DNA 双链,DNMT3,从头甲基化（de novo methylation),DNA 双
19、链,DNA甲基化导致基因沉默基因之“锁”,沉默,启动子区,转录,锁定“自私”基因,反转座子,反转座子,反转座子,反转座子,干扰转录因子结合,TF,TF,转录,沉默,DNA甲基化导致基因沉默的机制,（二）染色质重塑（Chromatin remodeling）,组成核小体的组蛋白可以被多种化学加合物所修饰，如磷酸化、乙酰化和甲基化等，组蛋白的这类结构修饰可使染色质的构型发生改变，称为染色质重塑。组蛋白的乙酰化一般与常染色质构型(euchromatin)和基因活化相关联。组蛋白的去乙酰化和甲基化则与浓缩的异染色质(hetero-chromatin)构型和基因表达受抑相关联。,染色质重塑过程涉到及几个
20、酶，包括：DNA甲基转移酶(DNMT)甲基胞嘧啶结合蛋白（MBD）组蛋白去乙酰化酶(HDAC)组蛋白甲基化酶（HMT）,染色质重塑,异染色质形成,转录,Pol II,HMT,甲基化酶,甲基化酶,HDAC,HDAC,HDAC,HDAC,HM,HMT,HMT,疏松开放,致密封闭,MBD:methyl-C binding protein，甲基C结合蛋白,HDAC:histone deactyltransferase,组蛋白去乙酰化酶,HMT:histone methyltransferase 组蛋白甲基化酶,AC:actyl group,乙酰基,（三）X染色体失活,雌性哺乳动物细胞中的两条X染色体中
21、会有一条发生随机失活。X染色体的Xq13.3区段有一个X失活中心(X-inaction center，Xic)，存在着X染色体失活相关的特异性转录基因Xist，这个基因转录一段17kb不翻译的RNA与X 染色体结合，引发失活。失活从Xic区段开始启动，然后扩展到整条染色体。,X染色体失活（X-chromosome inactivation）,XX,XY,X 染色体的失活状态需要表观遗传修饰如DNA 甲基化来维持。,X染色体失活障碍引发疾病,Wiskott-Aldrich Syndrome,免疫缺陷性疾病,Puck JM,et al.N Engl J Med.1998,（四）基因组印迹,二倍体细
22、胞中来自某一亲本的等位基因或它所在染色体发生了表观遗传修饰，导致不同亲本来源的两个等位基因只有一个可以表达，另一个因甲基化而沉默。,基因组印迹是两个亲本等位基因的差异性甲基化型造成了一个亲本等位基因的沉默，另一个亲本等位基因保持单等位基因活性(monoallelic activity)。,表达,沉默,表达,沉默,马骡（马驴）,驴骡（驴马）,不同亲本来源的印迹基因的DNA甲基化型都是在生殖细胞成熟过程中建立的。,原始性细胞（2n）,配子（n）,合子（2n）,基因组印迹是性细胞系的一种表观遗传修饰，这种修饰有一整套分布于染色体不同部位的印迹中心来协调，印迹中心直接介导了印迹标记的建立及其在发育全过
23、程中的维持和传递，并导致以亲本来源特异性方式优先表达两个亲本等位基因中的一个，而使另一个沉默。研究表明，在哺乳动物中相当数量的印迹基因是与胎儿的生长发育和胎盘的功能密切相关的。,（五）基因表达重新编程,同一生物体中，由于基因表达模式的不同，造成具有相同基因组的细胞执行的功能也各不相同。与组织和细胞特异性相关的基因表达模式的建立和细胞信息的维持，必需是可以通过细胞分裂而遗传的，同时也应该具备被删除和重建的潜在可能性。,“多莉”的诞生证明：一个来自成年的哺乳动物的高度分化的体细胞仍然保持发育成为完整个体的能力，也就是说细胞的分化并没有造成不可逆的遗传物质修饰。,已径完全分化的细胞，其基因组在特定条
24、件下经过表观遗传修饰重建，可以为胚胎发育中的基因表达重新编程(reprogramming)并赋予发育全能性。胚胎发育中表观基因组重新编程的差误将会导致多种表观遗传缺陷性疾病。,基因表达重新编程,发育过程中表观基因组的重编程,早期原始生殖细胞的表观遗传修饰(包括基因组印迹)会被删除。在生殖细胞发生与成熟过程中表观遗传标记重新建立。受精后会进行除印迹基因(由黑色虚线表示)以外的表观遗传修饰的删除与重建，重建后的表观基因组在组织特异性定型后被稳定地维持。,辅助生育是在配子生成和胚胎发育早期干预了生殖，而这个时期正是表观遗传编程获得和维持的关键时期，因此：,核移植克隆成功率极低的原因是由于基因组表观遗
25、传状态重新编程的失败。辅助生育是在配子生成和胚胎发育早期干预了生殖，而这个时期正是表观遗传编程获得和维持的关键时期。试管婴儿会出现遗传缺陷增高的现象，有必要对经辅助生育技术孕育的孩子作表观遗传学监测。,第三节 表观遗传研究的应用,（一）表观遗传与肿瘤 1、DNA甲基化整体与局部的悖论,癌基因组整体甲基化水平降低 Global hypomethylation抑癌基因特异性过度甲基化 gene specific hypermethylation,整体甲基化不足 在肿瘤发生中的作用,Holm TM,et al.Cancer Cell.2005,Sakatani T,et al.Science.200
26、5,基因特异性DNA过度甲基化（hypermethylation),Feinberg AP,et al.Nat Rev Genet.2006,被上锁的抑癌基因,抑癌基因沉默,2、肿瘤的抗甲基化治疗1）打开锁链 解救基因,TRENDS in Pharmacological Sciences 2004,.,(甲基化酶抑制剂）,抗甲基化治疗：解救英雄与释放恶魔,抑癌基因,2）靶向性DNA甲基化造一把专用之锁，锁定魔鬼,“锁”定病毒基因,ZIF,甲基化酶,沉默,ZIF:zinc finger protein,靶向性DNA甲基化锁定病毒基因,Nucleic Acids Research,2007,35：
27、100-112,靶向性DNA甲基化抑制HSV活病毒复制,B,A:靶向性DNA甲基化抑制病毒靶基因的表达,B:靶向性DNA甲基化抑制活病毒的复制,A,Nucleic Acids Research,2007,35：100-112,（二）表观遗传与疾病,表观遗传修饰异常引起的疾病主要可分为两大类：,一类是在发育的重新编程过程中造成的特定基因表观遗传修饰的异常，称为表观突变(epimutation)另一类是与表观遗传修饰的分子机器结构与功能相关的蛋白质编码基因有关，如DNA甲基转移酶基因或差异甲基化CpG岛结合蛋白CTCF基因的突变或表观突变。,与表观遗传修饰异常有关的人类疾病,Rett综合症：只见于
28、女孩的精神发育迟滞症，由X染色体上编码一种甲基结合蛋白的基因突变引起。ICF综合症：表现不同程度的免疫缺陷，由能催化DNA从头甲基化的DNMT3B编码基因的突变所致。ATR-X症：-地中海贫血/智力发育迟滞，由高度重复序列区域甲基化的严重减少所致。脆性X综合症：遗传性智力障碍，FMRI基因的(CCG)n重复序列扩展引起CCG中CpG二联核苷的甲基化。,脆性X综合症,无论DNA甲基化水平增高还是减低，都与人的衰老过程相关。启动子区域出现年龄相关的甲基化动脉粥样硬化，结肠，糖尿病。衰老细胞的甲基化水平降低，导致基因不稳定性增高，增加了肿瘤发生的危险。,（三）表观遗传与衰老,（四）表观遗传与作物遗传改良,远缘杂交/异缘染色质渐渗/多倍体化/环境因子或基因组胁迫诱导的表观遗传变异在作物遗传改良中蕴藏着尚未被发掘的巨大潜力！,
