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1、表观遗传学Epigenetics,WHY?,Allis,C.D.et al,Epigenetics Fig.3-1,决定表型的不仅是DNA的序列中的遗传信息，还有在细胞世代之间可遗传的但并不依赖细胞内DNA序列的信息，即基因的表达模式（gene expression pattern）。基因表达模式在细胞世代之间的遗传并不完全依赖细胞内DNA的序列信息。,2008个缶用于倒计时,通过有丝分裂或减数分裂来传递非DNA序列信息的现象称为表观遗传（epigenetic inheritance）。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,或者说是研究从
2、基因演绎为表型的过程和机制的一门新兴的遗传学分支。表观遗传的异常会引起表型的改变，机体结构和功能的异常，甚至导致疾病的发生。,表观遗传的概念,I.表观遗传的修饰机制(掌握)II.表观遗传的调控功能(掌握)III.表观遗传和人类健康（熟悉）IV.表观遗传技术在科研中的应用（了解）,Outline,基因表达模式的信息标记（即表观遗传修饰epigenetic modification)1.DNA Methylation(DNA甲基化)2.Histone modification(组蛋白修饰)3.RNA interference(RNA干扰),第一节 表观遗传学的修饰机制,Three switches
3、,三重“开关”控制基因表达的时空性,1.DNA甲基化,(DNMTs-DNA methyltransferase，DNA 甲基化转移酶)(SAM-S-adenosylmethionine，S 腺苷甲硫氨酸),DNMT1能在一条甲基化的DNA链进行复制或修复时，以母链的甲基化标记为模板，在对称的位置上催化相应的胞嘧啶甲基化。DNMT 3A和DNMT3B是两种从头甲基化酶（de novo methylase），并不依赖甲基化模版链而从头开始合成5mC的，另外还有DNMT3-L能增强这2种酶的活性。结构基因中，5端CpG岛中的5-mC会阻碍转录因子复合体与DNA结合，因此DNA甲基化一般与基因沉默相关
4、；,DNA甲基化转移酶,人类基因组DNA甲基化型的建立、维持和改变还涉及到DNA去甲基化酶（DNA demethylase）非甲基化(non-methylated)或去甲基化(demethylation)一般与基因的活化相关联。,2.组蛋白修饰,转录激活 转录抑制,组蛋白修饰（Histone motification）主要包括：乙酰化（acetylation）、甲基化(methylation)、磷酸化(phosphorylation)、泛素化(ubiquitination)、SUMO化，ADP核糖基化，精氨酸瓜化，脯氨酸异构化等。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
5、。乙酰化一般与活化的染色质构；甲基化则根据发生的不同位置将产生不同的效应。,Allis,C.D.et al,Epigenetics,DNA甲基化和组蛋白的修饰在DNA复制中的维持机制是表观遗传学的重要基础,3.非编码RNA干扰,非编码RNA(non-coding RNAs,ncRNAs)是指DNA转录后不翻译成蛋白质的RNA，它们可以调控mRNA、tRNA和rRNA分子的产生和功能。,siRNA,microRNA,外源性dsRNAs通过转换成2023 nt的siRNAs特异性地沉默靶基因。作用原理：利用指导链识别靶点RNA分子，随后形成的RNA诱导沉默复合体(RNA-induced silen
6、cing complex,RISC)可以通过抑制转录或翻译、促进异染色质形成、以及加速RNA或DNA降解等机制，实现对各种靶基因的表达调控。目前siRNA已成为靶向沉默细胞内特定基因的常规技术手段之一。,Genomic Imprinting（基因组印迹）X Inactivation(X染色体失活)Gene Reprogramming(基因表达的重编程),第二节 表观遗传的调控功能,表观标记(epigenetic marks)也称基因组印迹(genomic imprinting)，它是指两个亲本等位基因的表观遗传修饰的不同造成了一个亲本等位基因的沉默，使另一个亲本等位基因保持单等位基因活性，即二
7、倍体细胞中仅表达一个亲本的基因。表达受到基因组印迹调控的基因被称为印迹基因(imprinted gene)。这些基因因带有表观标记，使父源和母源等位基因的表达出现差异。迄今发现的印迹基因已有50多个,分布于基因组的12个区域,其中许多是疾病基因。,1.基因组印迹,基因组印迹是一种表观修饰，其由一整套分布于染色体不同部位的印迹中心(imprinting centers,ICs)来调控，该中心可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。印迹基因的DNA甲基化模式是在生殖细胞成熟过程中建立的。父源等位基因在精母细胞形成精子时产生新的甲基化模式；同样，母源等位基因甲基化
8、模式在卵子发生时形成。,Prader-willi syndrome Angelman syndrome,父源15q11-13缺失：肥胖，矮小，并伴有中度智力低下,母源15q11-13缺失：儿童期共济失调，智力严重低下和失语,例如：PWS&AS,注：上方为母源表达基因，下方为父源表达基因，箭头示基因转录方向。实心方块示印迹中心，实心圆圈示甲基化。,15q11-q13,1961年,M.F.Lyon提出了阐明哺乳动物剂量补偿效应的X染色体失活假设或称 Lyon假说。正常雌性哺乳动物体细胞中的两个 X染色体之一在遗传性状表达上是失活的；(X染色体失活)在同一个体的不同细胞中，失活的 X染色体可来源于雌
9、性亲本，也可来源于雄性亲本；（随机性）失活现象发生在胚胎发育的早期，一旦出现则从这一细胞分裂增殖而成的体细胞克隆中失活的都是同一来源的染色体。（终身性）,2.X 失活,小鼠实验：受精期，雌性合子的两条X染色体均有活性，第一次X染色体失活发生在第一次卵裂，仅父源X染色体失活，由印迹引起；囊胚期，内细胞团(ICM)中失活X 染色体被重新激活，两条X染色体均有活性，而滋养外胚层和原始内胚层则仍维持父源X染色体失活。当内细胞团细胞开始分化时才第二次以随机的方式失活其中一条X染色体，并在以后的发育过程中一直保持失活状态。,X染色体失活的调控机制X 染色体不论以印迹方式还是随机方式失活，均受X失活中心(X
10、-inaction center,XIC)调控。,注：Xist：X染色体失活特异性转录因子；Tsix位于Xist下游抑制Xist的表达；Xite是Tsix的增强子，其表达将抑制Xist；Rnf12位于Xist上游550 kb，编码E3泛素连接酶RLIM能反式激活Xist；Xce决定X染色体随机失活的选择。,失活分为三个步骤：启动、延伸和维持。Xist调控X染色体失活的启动和延伸。两条X染色体的Xist都能从上游启动子启动Xist RNA的稳定转录，但其中一条X染色体产生的Xist RNA将这条染色体自身整体包裹，并启动异染色质化和失活过程，另一条X染色体转录的Xist RNA会很快失活，这条X
11、染色质呈常染色质状态，整条染色体上的基因都具有表达活性。Xist RNA在失活的X染色体表面呈现锚钉样排列，提示它可能与染色体上特定的蛋白质相结合而形成稳定的结构。,Tsix基因能抑制Xist的表达，因此在活性X染色体上高表达。Tsix和Xist基因表达水平的平衡决定了失活X染色体的选择。为了启动X染色体失活，Xist必须超越Tsix表达的阈值。Xite是Tsix的增强子，其表达将抑制Xist。Xce(X-chromosome controlling element)基因主要影响X染色体随机失活的选择，当Xce处于纯合状态时，在体细胞中的X染色体的失活是完全随机的，而在杂合态时，失活就不是完全
12、随机的。,表观遗传修饰使生物机体虽具有完全一样的基因组，却产生不一样的基因时空表达模式，从而形成结构和功能各不相同的细胞。“多莉”羊的克隆，及iPS细胞的诱导成功，说明在哺乳动物中，一个高度分化的体细胞仍然可以保持发育成为完整个体的能力；即分化过程施加在基因组的发育限制并不是永久的遗传改变，而是可逆的表观遗传修饰，具备被删除和被重建的可能性。,3.基因表达的重新编程,通过系统重建表观遗传修饰是胚胎发育中的基因表达重新编程(reprogramming)过程。,只有经过重新编程的表观基因组才具有发育的全能性，满足胚胎所有细胞发育和专一性分化的需要，才能为胚胎发育和分化发出正确的指令。胚胎发育中表观
13、基因组重新编程的误差，将会导致多种表观遗传缺陷性疾病。值得注意的是，表观遗传修饰的重新编程对环境变化非常敏感。由于辅助生育是在配子形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，所以容易出现表观遗传缺陷性疾病。,与年龄相关的CpG岛从头甲基化或丢失甲基化，在衰老过程中使组织获得表观遗传异质性和镶嵌性，导致局灶性疾病;动脉粥样硬化:平滑肌细胞增殖失控，引起血管变窄，导致心脏缺血或脑缺血，与ER基因的启动子区域出现甲基化有关。II型糖尿病：胰岛素受体信号转导相关的基因功能下降。,1.表观遗传和衰老,第三节 表观遗传与人类健康,表观遗传病(epigenetic dise
14、ases)包括中枢神经系统发育紊乱、免疫性疾病、复杂代谢性疾病和癌症等。,2.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(根据基因类型)：,脆性X染色体综合征,致病基因：脆性X智障基因(FMR1)。(CGG)n(如n200)重复序列扩展会引起CGG中CpG二联核苷酸的甲基化，从而使FMR1基因沉默，这种沉默还涉及到染色质构型的改变，而染色质的浓缩进一步使扩展的(CGG)n重复序列的遗传稳定性增加。脆性X综合征患者的FMR1沉默最初起因于延伸重复序列的甲基化，这是研究得最清楚的一种因特定DNA序列表观遗传修饰异常即表观突变而导致的一种疾病表型。,(Fragile X Mental
15、 Retardation 1),Rett Syndrome,1966年由 Rett报道;发病率为1/10000-1/15000女孩，又称头小综合征；遗传性进行性神经系统疾病,患者均为女性；出生后7-18个月出现发育停滞,高级脑功能迅速恶化和严重痴呆等症状;X连锁的甲基结合蛋白MeCP2的基因突变。,1979年R.Holliday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发现癌细胞中DNA甲基化的总体水平低于正常细胞；癌细胞中局部DNA序列高甲基化（BRCA1,APC,RB，p53），这些基因的甲基化导致其沉默使细胞获得了生长
16、优势，增加了遗传不稳定性和恶性程度。,3.表观遗传和肿瘤,三、表观遗传与环境,A-WT黑色为主，黄色条带,2003年，Randy L.Jirtle构建了用于表观研究的刺鼠-Agouti小鼠模型,A-IAP（AVY）黄色为主，棕色斑快,第四节 表观遗传技术在科学研究中的应用表观遗传学的模式生物研究,Agouti AVY孕鼠饲养实验,Maternal BPA exposure reduces DNA methylation at nine CpG sites within the Avy IAP.,孕鼠暴露于双酚A环境后，可导致仔鼠IAP中的CpG岛甲基化降低，而双酚A是制造聚碳酸酯塑料的主要原料，与肥胖和乳腺癌、前列腺癌相关。所幸研究还发现这种影响可以通过饮食补充叶酸或植物雌激素等富含甲基的添加剂而逆转。,表观遗传修饰的环境因子敏感性 1、环境因素可以通过改变基因的甲基化而改变表观遗传型；2、解释双生子的表型差异转座子诱导的表观遗传镶嵌体赋予表型的可变性，提高物种对环境的适应能力；哺乳动物克隆技术，干细胞移植技术等。,
