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1、上次复习,染色体结构变异 缺失、重复、到位、易位 定义、分类、细胞学效应、遗传学效应染色体数目变异 整倍体 单倍体 三倍体 同源四倍体 异源多倍体 自然界产生，人工培养；一对矛盾 非整倍体 单体 缺体 三体 细胞质基因的遗传与变异 线粒体、叶绿体、三系法杂交水稻 母体贡献大、多个作用单元的随机分配、有一即可或 缺一不可,第九讲 表观遗传与变异一，概念二，表观遗传的基本机理三，表观遗传的重要例子四，表观遗传学与疾病,基因表达模式,一个多细胞生物机体的不同类型细胞,一、概 念,相同的基因型,不同的表型,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。,对于同一个个体，决定细胞
2、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(gene expression pattern),表观遗传(epigenetic inheritance)：通过有丝分裂或减数分裂来传递非DNA序列信息的现象。,表观遗传学(epigenetics)：则是研究不涉及DNA序列改变的基因表达和调控的可遗传变化的。或者说是研究从基因演绎为表型的过程和机制的一门新兴的遗传学分支。,二，表观遗传修饰的基本机制（基因表达的序列以外的信息标记）,表观遗传修饰(epigenetic modificat
3、ion)基本机制,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(chromatin remodeling)(如组蛋白的构型变化),DNA甲基化(DNA methylation)是研究得最清楚、也是最重要的表观遗传修饰形式，主要是基因组 DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基间的共价结合，胞嘧啶由此被修饰为5甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5-mC)。,DNA甲基化,A、DNA甲基化和染色质重塑,DNA甲基化,DNA复制酶,DNA甲基转移酶,DNA复制后甲基化型的维持,DNA甲基化,结构基因5端附近富含CpG二联核苷的区域称为CpG岛(CpG islands)。,
4、DNA甲基化,哺乳动物基因组DNA中5-mC约占胞嘧啶总量的2%-7%，绝大多数5-mC存在于CpG二联核苷(CpG doublets)。,基因调控元件(如启动子)所含CpG岛中的5-mC会阻碍转录因子复合体与DNA的结合，所以DNA甲基化一般与基因沉默(gene silence)相关联；而非甲基化(non-methylated)一般与基因的活化(gene activation)相关联。而去甲基化(demethylation)往往与一个沉默基因的重新激活(reactivation)相关联。,DNA甲基化,B、组蛋白的调节,核小体,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
5、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，称为染色质构型重塑。组蛋白中不同氨基酸残基的乙酰化一般与活化的染色质构型常染色质(euchromatin)和有表达活性的基因相关联；而组蛋白的甲基化则与浓缩的异染色质(hetero-chromatin)和表达受抑的基因相关联。,染色质重塑,Model for methylation-dependent gene silencing.The structural element of chromatin is the nucleosomal core,which consists of a 146-bp DNA sequence wrapp
6、ed around core histones.Acetylation of the histones causes an open chromatin config-uration that is associated with transcriptional activity.Methylated cytosines are recognized by methyl-CpG-binding proteins(MBDs),which in turn recruit histone deacetylases(HDACs)to the site of methylation,convert-in
7、g the chromatin into a closed structure that can no longer be accessed by the transcriptional machinery.,研究还表明，组蛋白甲基化可以与基因抑制有关，也可以与基因的激活相关，这往往取决于被修饰的赖氨酸处于什么位置。例如，上述的H3 Lys9甲基化最终导致了基因的沉默；然而，位于H3 Lys4的甲基化则与基因的活化相关联。,染色质蛋白并非只是一种包装蛋白，而是在DNA和细胞其他组分之间构筑了一个动态的功能界面。,表观遗传修饰的例子,基因组印迹,X染色体失活基因表达重新编程,三，表观遗传的重要例
8、子,A、基因组印迹,(Prader-Willi Syndrome,PWS),1956年A.Prader 和H.Willi 父源染色体15q11-13区段缺失,Prader-Willi综合征,Angelman综合征 1968年H.Angelman 母源染色体15q11-13区段缺失(Angelman Syndrome，AS),PWS和AS这一对综合征表明父亲和母亲的基因组在个体发育中有着不同的影响，这种现象被称为基因组印迹(genomic imprinting)。,近年研究表明，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(mon
9、oallelic activity)。,在父源和母源染色体上，这些调控元件的CpG岛呈现甲基化型的明显差异。,在PWS和AS患者中发现，微小染色体缺失集中的区域有成簇排列的富含CpG岛的基因表达调控元件，称为印迹中心(imprinting centers,ICs)。,差异甲基化(differential methylation)：父源和母源染色体上的ICs的甲基化呈现出分化状态。,Beckwith-Wiedemann综合征(BWS)是一种过度生长综合征,常伴有肥胖和先天性脐疝等症状，并有儿童期肿瘤易患倾向。,在长约1Mb的该区段中至少有12个成簇排列的印迹基因，其中有些呈父源等位基因表达模式，
10、另一些呈母源等位基因表达模式，这些基因分属两个印迹域(imprinted domain)，它们的印迹状态分别受控于两个印迹调控区(impriting control regions，ICR)。,它起源于染色体11p15.5区段的多种能造成该区段印迹基因表达失衡的遗传学和表观遗传学调节机制异常。,迄今已发现的印迹基因已有100多个，分布于基因组的12个区域，大多成簇排列，其中许多是疾病基因。虽多数印迹基因的作用机制尚不清楚，然而几乎都与DNA甲基化型的异常相关联。值得注意的是涉及到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。,印迹基因的DNA甲基化型在生殖细胞成熟过程中
11、的建立,原始性细胞（2n）,配子（n）,合子（2n）,1961年就提出了关于雌性哺乳动物体细胞的两条X染色体中会有一条发生随机失活的假说，并认为这是一种基因剂量补偿的机制。以后的研究表明在给定的体细胞有丝分裂谱系中，有一条X染色体是完全失活并呈异染色质状态，而在另一个细胞谱系中同一条X染色体又可以是活化的且呈常染色质状态。,B、X染色体失活,1996年等发现X染色体的Xq13.3区段有一个X失活中心(X-inaction center，Xic)，X-失活从Xic区段开始启动，然后扩展到整条染色体。,X染色体失活过程模式图,失活X染色体特点,组蛋白H4不被乙酰化,CpG岛的高度甲基化,基因组印迹
12、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。,二，X染色体失活作为基因剂量补偿机制,1961年,Lyon提出Lyon假说，认为异固缩的X染色体是功能失活的，可能来源于父亲或母亲。证据：雌鼠的镶嵌型表型和某些性连锁突变的杂合性有关。,LYON 假说：X染色体失活,正常女性的体细胞染色，有一个染色较深的异固缩点，被成为巴氏小体。这是女性一条
13、失活的X染色体。Lyon假说 受精卵发育到胚胎早期，女性的两条X染色体在分化的各类细胞中其中的一条X染色体随机失活。,失活中心(X-chromosome inactivation centre,XIC),Xq13,产生失活信号，关闭X染色体 上基因，在XIC区内有一个失活特异转录子(XIST)，编码不是蛋白，而是许多终止信号的RNA，调控了X染色体失活。,逃避失活基因,失活的X染色体上RPS4 X基因仍在表达。正常女性有双份产物。被称为逃避失活基因。X染色体上逃避失活的基因还有 MIC2 Xg STS X 抗原 血型 酯酶 Xp22.32,发育是一个高度有序的生物学过程，是从一个全能的受精卵开
14、始到建成一个由200多种具有组织和细胞特异性的、结构和功能各异的细胞组成的整体的过程。组成机体的各个组分互相协同能执行精细、复杂且相互协调的功能，如物质和能量代谢，对病原生物的抵御和免疫能力的获得，高级神经系统功能网络的建立，两性生殖细胞的发生、成熟和受精后的新生命孕育，以及与复杂多变环境之间的相互作用等。,C、基因表达的重新编程,对于一个生物机体来讲，所有结构和功能各不相同的细胞虽具有完全一样的基因组，却有着很不一样的基因表达模式。与组织和细胞特异性的基因表达模式的建立和维持相关的细胞信息，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”克隆绵羊的诞生雄辩地
15、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。,已完全分化的细胞，其基因组在特定条件下经历表观遗传修饰重建而为胚胎发育中的基因表达重新编程(reprogramming)并赋予发育全能性，为胚胎发育和分化发出正确的指令。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。,表观遗传修饰的重新编程对环境变化非常敏感 在动物实验中，改变胚胎培养液但会引起异常甲基化和印 迹基因Igf2和H19的表达失调，甚至造成印迹性疾病。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
16、的关键时期。等曾报道经卵细胞胞质精子注射辅助后出生的儿童中，PWS/AS 和BWS发生率增高现象，并在患儿中检测到包括H19，Igf2在内 的多个印迹基因表达异常。这些结果提示有必要对经辅助生育 技术孕育的孩子作表观遗传学监测。,1992年Q.Jaenish运用基因工程小鼠较为全面地探讨了重新编程问题。他的实验表明，核移植克隆成功率极低的原因是由于基因组表观遗传状态重新编程的失败。他还认为“所有的克隆(动物)都是不正常的,存活下来或活得稍长的克隆动物只是比早死的少一些异常而已。然而克隆技术却是研究表现遗传学的最公允的实验”。,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
17、程中造成的特定基因表观 遗传修饰的异常，有人称之为表观突变(epimutation)；,四、表观遗传与疾病,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的，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。,Rett综合征是一种X连锁遗传性进行性神经系统疾病，近年来的研究表明Rett综合征的疾病基因是X染色体上编码McCP2蛋白质的基因。,1,Rett综合征,McCP2(methyl-binding proteins，MBPs)，是一种甲基结合蛋白,能专一性地识别甲基化的CpG岛并与之结合，其功能是将染色质 修饰 复合物(chromati
18、n-modifying complex，CMCs)和DNA甲基化区域连接在一起以阻遏基因的转录。,ICF综合征是一种罕见的常染色体隐性遗传病，主要病症是不同程度的免疫缺陷，并伴以面部畸形和智力低下。患者至少有两种同型免疫球蛋白的减少或缺失，并造成细胞免疫缺陷。,2,ICF综合征,在分子水平上，患者有典型随体序列和的低甲基化。多个研究小组独立发现该病是能催化DNA从头甲基化的DNMT3B编码基因的突变所致。患者至少有两种同型免疫球蛋白的减少或缺失，并造成细胞免疫缺陷。此外，淋巴细胞分裂中1号、9号和16号等多条染色体的环着丝粒区域的不稳定性也明显增高。这些区域含一种卫星DNA序列，通常是被甲基化
19、的，但在ICF患者中几乎完全是非甲基化的。这些序列被认为与着丝粒的功能和动基体装配有关。,还有人发现ICF患者的失活X-染色体的CpG岛和两个重复序列家族D4Z4和NBL2的DNA失甲基化。这些变化与基因组中5mC水平降低和某些染色体着丝粒周围区域重复序列的低甲基化是相互吻合的。基因芯片的表达分析还显示，患者淋巴细胞中部分与免疫功能调节相关的基因表达水平下调，但未观察到这些基因启动子区甲基化型的变化，提示ICF综合征中DNMT3B基因的突变可能通过降低转甲基活性而减少了对基因转录的阻遏作用，从而间接影响了淋巴细胞部分基因的表达模式。,3,ATR-X,X连锁-地中海贫血/智力发育迟滞综合征是一种
20、X-连锁疾病，致病基因突变会引起特征性的发育异常，如严重的智力低下、面部变形、-地中海贫血、泌尿生殖道畸形，甚至出现性反转表型。,致病基因ATR-X编码一个含有植物发育同源结构域(PHD)的转录调节因子,它通过修饰染色质的局部结构来调节转录，该蛋白质的C末端结构域还具有解旋酶SNF-2家族成员的标志性结构。在细胞分裂间期和中期，ATR-X蛋白质定位在着丝粒附近的异染色质区。,在ATR-X患者中发现一些包括编码核糖体RNA的rDNA等在内的高度重复序列的甲基化型发生了改变。这些重复序列区域甲基化的严重减少，加上染色质重塑解旋酶SNF-2结构域的存在，提示ATR-X蛋白可能起着将DNA甲基化和染色
21、质重塑这两类表观遗传修饰连接在一起的作用。,是一种以智力低下为主要症状的遗传性智力障碍综合征。,4,脆性X综合征(fragile-X syndrome),致病基因FMR1(fragile x mental retardation-I)位于Xq27.3，其最常见的突变是 5端非翻译区中CCG三核苷酸重复序列的扩展。分析表明(CCG)n重复序列扩展会引起CCG中CpG二联核苷的甲基化，从而使FMRI基因沉默。,D.Wohrle等的鼠源胚胎肿瘤细胞的FMR-1转基因实验也为CCG 重复序列甲基化在脆性X综合症发生中的分子病理学作用提供了新的线索。当将携有CCG重复延伸并甲基化的脆性X染色体转入肿瘤细
22、胞后，会导致去甲基化和FMR-1基因转录的重新激活，并增加(CCG)n重复序列的遗传不稳定性。,为了证实肿瘤细胞中确实发生了去甲基化反应，又用能诱导去甲基化反应的5-氮脱氧胞苷处理脆性X细胞，结果使FMR-1基因和乙酰化组蛋白H3和H4重新联结，转录也重新被激活。这表明脆性X综合征患者的FMR-1基因沉默最初起因于延伸重复序列的甲基化，这也是研究得最清楚的一种因特定DNA序列表现遗传修饰异常而导致的一种疾病表型。,早在1979年R.Holliday就曾经提出DNA甲基化可能在癌变过程中起着重要的作用。1983年A.P.Feinberg和B.Vogelstein就发现癌细胞中DNA甲基化的总体水
23、平低于正常细胞，肿瘤细胞的低 甲 基化频繁发生于重复序列和在生物进化过程中引入的外来寄生性DNA（parasitic DNA)。,五，表观遗传与肿瘤,从1986年等最初发现降钙素（calcitonin)基因在癌细胞中呈现出正常细胞中不存在的异常甲基化起。,CONCLUSION,Hyper methylation of CPG islands associated With tumor suppressor genes has been proposed to contribute to carcinogenesis.Epigenetic markers open new avenues for
24、 an early detection,diagnosis,prognosis as well as therapeutic targets in cancers.,分化细胞的稳定性是高等生物的基本特征之一。然而，在衰老的过程中某些细胞会发生年龄相关的变化，例如某个CpG岛的从头甲基化会关闭一个基因，丧失与这个基因相关的生理功能；同样，甲基化的丢失也会激活正常情况下沉默的基因，造成不恰当的异位表达(ectopic expression)。,六，表观遗传与衰老,作为人类基因组计划的外延，1999年12月包括德国、法国、英国、和美国多家学术机构和公司的人类表观基因组合作组织正式启动了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，HEP)。,最后，必须指出，表观遗传研究丝毫没有降低遗传学或基因组学的重要性，恰恰相反，表观遗传学是在以孟德尔式遗传为理论基石的经典遗传学和分子遗传学母体中孕育的、专门研究基因功能实现的一种特殊机制的遗传学分支学科。,
