组蛋白甲基化与DNA甲基化的相互作用及其表现遗传机制的研究-硕士论文 (2)

分类号 密级 华中农业大学博士学位论文 组蛋白甲基化与D N A 甲基化的相互作用及其表观逮传 机制的研究 S T U D YO NI N T E R A C T I O N A N DE P I G E N E T I CI N H E R I T A N C E O FH I S T O N EA N DD N AM E T H Y L A T O N 博士研究生： 指导老师： 指导小组： 陈香嵩 周道绣教授 熊立仲教授 林拥军教授 刘子铎教授 杨在清教授 张忠明教授 专业：生物化学与分子生物学研究方向：水稻表观遗传学 论文提交时间：2 0 1 2 年1 2 月学位授予日期： 华中农业大学生命科学技术学院 二O 一二年十二月 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 否如需保密，解密时间年月日 是否保密 剿嗍嬲 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料，指导教师对此进行了审定。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 研究生签名：际裔嵩 时间：2 0 1 2 年1 2 月2 4 日 学位论文使用授权书 本人完全了解华中农业大学关于保存、使用学位论文的规定，即学生必须按照 学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本：学校有权保存提交论文的印刷版和电 子版，并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容，为存在馆际合作关系的兄弟高校用户提供文献传递和交 换服务，N 日 - t 本人保留在其他媒体发表论文的权力。 注：保密学位论文( 即涉及技术秘密、商业秘密或申请专利等潜在需要提交保密的 论文) 在解密后适用于本授权书o 虢酩嵩一名：) 则穆 签名日期：2 0 1 2 年1 2 月2 4 日签名日期：2 0 1 2 年1 2 月2 4 日 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 组蛋白甲基化与D N A 甲基化的相互作用及其表观遗传机制的研究 目录 摘要I A B S T R A C T I I I 1 前言1 1 1D N A 序列外的遗传和调控信息1 1 1 1 表观基因组1 1 1 2 表观调控与表观遗传一2 1 2 基于染色质的表观调控和表观遗传2 1 2 1 染色质承载着遗传和调控信息2 1 2 2D N A 甲基化3 1 2 3 组蛋白、组蛋白变体和组蛋白修饰6 1 2 - 3 1 组蛋白的复制和遗传。6 1 2 3 2 组蛋白变体与表观遗传调控。7 1 2 3 3 组蛋白修饰8 1 2 4 非组蛋白染色质结合蛋白1 2 1 2 5 非编码R N A 1 4 1 2 6 染色质的空间构象1 5 1 2 7 表观基因组的重编程( R e p r o g r a m m i n g ) 1 9 1 2 8 表观基因组的变异与进化2 0 1 3 组蛋白甲基化与组蛋白去甲基化酶2 1 1 3 1 组蛋白甲基化2 l 1 3 2 组蛋白去甲基化酶2 1 1 3 3 组蛋白甲基化与D N A 甲基化的相互作用2 5 1 4 本研究的目的与意义2 7 2 材料与方法2 8 2 1 实验材料2 8 2 1 1 水稻材料和烟草材料2 8 2 1 2 菌株2 8 2 1 3 质粒2 8 2 1 4 抗体2 9 2 2 基因序列信息获取2 9 华中农业大学2 0 1 2 届博士学位论文 2 3 实验方法2 9 2 3 1 载体构建2 9 2 3 2 农杆菌介导的水稻遗传转化和烟草瞬时转化2 9 2 3 3 转基因材料中目的基因的表达水平分析3 0 2 3 4 蛋白质互作分析方法3 1 2 3 5 染色质特异位点的组蛋白修饰的分析方法3 2 2 3 6D N A 甲基化分析方法3 3 2 3 7 荧光免疫染色( I m m u n o s t a i n i n g ) 3 4 2 3 8 本研究的引物信息3 5 3 结果与分析3 8 3 1 组蛋白去甲基化酶基因J 磁r T 0 3 的功能研究3 8 3 1 1J M J 7 0 3 是一个组蛋白H 3 K 4 去甲基化酶3 8 3 1 2 脚参与调控细胞分裂4 2 3 1 2 1J M J 7 0 3 转基因材料的构建4 2 3 1 2 2J M J T 0 3 的缺失影响水稻茎杆伸长4 2 3 1 3J M J 7 0 3 在基因诱导表达中的作用4 6 3 1 4J M J 7 0 3 与D N A 甲基化：4 7 3 1 5J M J 7 0 3 互作蛋白的研究4 9 3 1 6J MJ 7 0 3 抗体的制备及其染色质定位分析5 0 3 3 染色质修饰的相互作用及表观遗传记忆的研究5 2 3 3 1 一个愈伤组织特异表达的基因C X S 5 2 3 3 2a 晒的转录模式5 2 3 3 3C X S 的表达受顺式调控( c i s - r e g u l a t e d ) 5 2 3 3 4C j 眄的表观修饰情况5 6 3 3 4 1a 晒受D N A 甲基化调控5 6 3 3 4 2s m a l lR N A 不参与以S 的调控5 9 3 3 4 3C X $ 转录起始位点H 3 K 4 三甲基化( H 3 K 4 m e 3 ) 的富集5 9 3 3 4 4 组蛋白变体H 2 A Z 在调控C X S 中的作用6 l 3 - 3 4 5 活跃表达的C X S 位点染色质更松散6 1 3 3 5 倒S 的表观遗传记忆6 3 3 3 5 1C X S 的D N A 去甲基化状态可遗传给后代6 4 组蛋白甲基化与D N A 甲基化的相互作用及其表观遗传机制的研究 3 3 5 2 组蛋白H 3 K 4 m e 3 的稳定遗传6 6 3 3 6a 涔调控因子的鉴定6 6 3 3 6 1 寻找C X S 表达受抑制的材料6 6 3 3 6 2 组蛋白H 3 K 2 7 甲基转移酶C L F 对C X S 表达的调控6 6 3 3 6 3 染色质变构因子C H R 7 2 9 对C X S 表达的调控6 8 3 3 6 4 组蛋白H 3 K 4 去甲基化酶基因J M J 7 0 3 对C X S 表达的调控6 9 3 3 6 5J M J 7 0 3 、C L F 和C H R 7 2 9 对C X S 的调控发生在细胞脱分化过程7 1 3 3 7C X S 的表观调控记忆模型7 2 4 讨 仑7 3 4 1J M J 7 0 3 的组蛋白去甲基化活性7 3 4 2J M J 蛋白功能的多样性7 5 4 3 脚D 3 与D N A 甲基化7 5 4 4 表观修饰和基因表达的重编程7 6 4 4 1a 啜逃离重编程7 6 4 4 2 重编程过程中染色质修饰因子的作用7 7 4 5D N A 甲基化与组蛋白H 3 K 4 m e 3 的相互关系7 7 4 5 1D N A 去甲基化引起组蛋白H 3 K 4 m e 3 上升7 9 4 5 2H 3 K 4 m e 3 去甲基化促进D N A 甲基化7 9 4 5 3D N A 甲基化与H 3 K 4 m e 3 的表观遗传7 9 4 6D N A 甲基化和组蛋白甲基化，基因表达的原因还是结果8 0 4 7 组蛋白变体在表观遗传中的作用8 0 4 8 进化中的表观遗传8 1 4 9 表观遗传研究展望81 参考文献8 3 附录9 8 作者简介1 0 6 致谢1 0 7 组蛋白甲基化与D N A 甲基化的相互作用及其表观遗传机制的研究 摘要 基因组D N A 包含了绝大部分的遗传物质，对于真核生物而言，D N A 缠绕组蛋 白八聚体形成核小体，进而被包装在染色质内。染色质会发生D N A 和组蛋白等的 共价修饰，从而影响相应区段D N A 的转录，某一特定时空条件下的所有染色质修 饰的组合称为表观基因组( e p i g e n o m e ) 。表观基因组决定了细胞在特定时空条件下 的基因表达谱从而决定了细胞类型和对内外环境的响应。相同的基因组可以对应多 种不同的表观基因组，并且表观基因组可以通过有丝分裂和减数分裂进行遗传。染 色质修饰在调控基因表达过程中的作用、染色质修饰之间的相互关系及表观基因组 的重排( r e p r o g r a m ) 与遗传( i n h e r i t a n c e ) 已经成为当前研究的前沿和热点。本研究 以一个染色质修饰酶( 组蛋白去甲基化酶) 为对象研究组蛋白甲基化在调控基因表 达和植物发育中的作用，同时从一个表观遗传现象入手研究组蛋白甲基化和D N A 甲基化之间的相互关系及其遗传机理。 水稻J M J 7 0 3 蛋白属于J u m o n j i 类组蛋白去甲基化酶，研究发现J M J 7 0 3 特异的 去除与基因表达激活相关的组蛋白H 3 第四位赖氨酸位点( H 3 K 4 ) 的三种甲基化修 饰( H 3 K 4 m e l 2 3 ) 。通过解析该蛋白的晶体结构，进一步研究了该蛋白的活性特点 和底物识别机制。J M J 7 0 3 的缺失突变引起水稻的植株高度变矮，而组织切片没有发 现茎秆的细胞长度的变化，推测j m j 7 0 3 突变体中细胞分裂的速率受到了影响。进一 步研究发现，细胞分裂素氧化酶基因( C 麟) 在突变体的幼嫩组织中有明显上升的 表达；染色质免疫沉淀也发现突变体中C K X 基因的H 3 K 4 m e 3 修饰明显上升，与其 基因表达的变化一致；因此在水稻发育过程中，J M J 7 0 3 可能通过去除细胞分裂素氧 化酶基因的H 3 K 4 甲基化而抑制其过量表达，从而维持体内激素水平的平衡。为了 进一步研究该蛋白在表观调控和遗传中的作用，检测了j m j 7 0 3 突变体中D N A 甲基 化情况，没有发现重复序列和反转录转座子的D N A 甲基化受到影响，而J M J 7 0 3 超 表达后却通过去除基因转录区的H 3 K 4 m e 3 修饰而影响D N A 甲基化及其遗传。 为了研究表观基因组的重编程和遗传机理，本研究以水稻中的“干细胞”愈伤 组织为对象，通过分析公共数据库中愈伤组织特异表达的基因，发现了一个受D N A 甲基化抑制的基因C X S ( c o n s t a n te x c l u s i o no f s i l e n c e ) 。该基因经过组织培养后被激 活，同时伴随着D N A 去甲基化、H 3 K 4 m e 3 的上升、H 3 K 2 7 m e 3 的下降和该区域染 色质结构的松散，与其他愈伤特异表达的基因不同的是，在愈伤分化形成植株后该 基因的表达和染色质修饰状态仍然维持。D N A 甲基化抑制剂处理不但可以在野生型 植株中激活C X S 的表达且能够引起H 3 K 4 m e 3 的上升，并且可以遗传到后代。在细 华中农业大学2 0 1 2 届博士学位论文 胞分化产生的植株及其后代中，由于持续的D N A 去甲基化而使C X S 的表达得以维 持，然而超表达组蛋白H 3 K 4 去甲基化酶基因J M J 7 0 3 的植株中，C X S 重新发生D N A 甲基化而被抑制并且在后代中持续处于抑制状态，而 m j 7 0 3 突变体中的苗中C X S 的表达则略有上升，说明J M J 7 0 3 介导的H 3 K 4 甲基化变化参与了C X S 的表达和D N A 甲基化修饰的调控。另一方面，超表达组蛋白H 3 K 2 7 的甲基转移酶基因O s C L F 的 水稻中也出现了C X S 的表达抑制和D N A 甲基化的恢复，说明H 3 K 2 7 m e 3 可能首先 抑制了C X S 的表达，进而通过D N A 甲基化的恢复彻底对C X S 进行抑制。另外，一 个染色质变构因子C H R 7 2 9 的缺失突变也使C X S 的表达发生了抑制，说明染色质结 构的变动对C X S 表达的维持也很重要。然而进一步的研究发现，在O s C L F 超表达 和c h r 7 2 9 突变体的愈伤中C X N 的表达虽略有下降但相较于这些材料的苗却是有明显 的表达的，并且 m j 7 0 3 突变体愈伤中C X S 的表达和野生型的愈伤也没有区别，因此 这些蛋白对C X S 的调控主要发生在愈伤再次分化成苗的过程中。以上结果说明在愈 伤组织中C A r S 由于染色质整体处于活跃状态而表达，此时J M J 7 0 3 、C L F 和C H R 蛋 白对C X S 的表达不起作用或者效果不明显，而分化过程中C H R 7 2 9 蛋白可能通过维 持染色质结构的变动和对J M J 7 0 3 以及C L F 的阻止而维持C X S 的表达，当C H R 蛋 白不存在时J M J 7 0 3 和C L F 蛋白则通过是H 3 K 4 m e 3 下降和H 3 K 2 7 m e 3 上升来抑制 C X S 的表达。而在j m j 7 0 3 与c h r 7 2 9 双突变体的愈伤和分化的苗子中均有C X S 的表 达，说明j m j 7 0 3 突变后即使缺失了C H R 7 2 9 蛋白也不能造成C X S 的沉默，这也辅助 证明了以上结论。综上所述，在细胞分化过程中，H 3 K 4 m e 3 和H 3 K 2 7 m e 3 对基因的 表达起着非常重要的作用，并且这一过程会和D N A 甲基化以及染色质结构等方面 相互作用相互联系。 关键词：组蛋白甲基化；J u m o n j i ；D N A 甲基化；表观遗传；水稻 组蛋白甲基化与D N A 甲基化的相互作用及其表观遗传机制的研究 A B S T R A C T I ne u k a r y o t e ，g e n o m i cD N Ai sp a c k a g e di nc h r o m a t i nb yt w i n i n g 谢t l lh i s t o n e o c t a m e r C h r o m a t i nc a nb ec o v a l e n t l ym o d i f i e d ，s u c ha sh i s t o n em o d i f i c a t i o n sa n dD N A m e t h y l a t i o n E p i g e n o m e ，w h i c hi st h ec o m b i n a t i o no fa l lc h r o m a t i nm o d i f i c a t i o n so v e ra g i v e ng e n o m e ，d e f m e st h eg e n ee x p r e s s i o np r o f i l eo fap a r t i c u l a rt y p eo fc e l lo rac e l l r e s p o n s et oag i v e ni n n e r o u t e rs t i m u l i E p i g e n o m ec a l lb ei n h e r i t e dt od a u g h t e rc e l lo r o f f s p r i n g st h r o u g hm i t o s i sa n dm e i o s i s H e r e ，ac h r o m a t i nm o d i f i e r0 a i s t o n ed e m e t h y l a s e ) a n dae p i g e n e t i cp h e n o m e n aa l es t u d i e df o rt h ep u r p o s eo fu n d e r s t a n d i n gt h ei n t e r a c t i o n a n di n h e r i t a n c eo fc h r o m a t i nm o d i f i c a t i o n sa n dt h e i rr o l e si ng e n ee x p r e s s i o nr e g u l a t i o n R i c eJ M J 7 0 3p r o t e i n ，b e l o n g i n gt oJ u m o n j i Cd o m a i nc o n t a i n i n gp r o t e i nf a m i l y , d e m e t h y l a t e sm o n o 一，d i a n dt r i m e t h y l a t i o no nm e t h y l a t e dH 3 K 4 ( H 3 K 4 m e l 2 3 ) C r y s t a l s t r u c t u r eo ft h i sp r o t e i nW a sr e s o l v e dt og e tf u r t h e ri n s i g h ti n t ot h ed e m e t h y l a t i o na c t i v i t y a n ds u b s t r a t er e c o g n i t i o n L o s s - o f - f u n c t i o nm u t a t i o no fj m j 7 0 3r e s u l t si ns e m i - d w a r f p h e n o t y p ei nr i c e N os i g n i f i c a n td i f f e r e n c eo fc e l ll e n g t hi so b s e r v e db e t w e e nw i l dt y p e a n dm u t a n t ，w h i c hl e a d st ot h ep r o p o s i t i o nt h a tt h er a t eo fc e l ld i v i s i o ni sa f f e c t e di n j m j 7 0 3m u t a n t F u r t h e ra n a l y s i ss h o w e di n c r e a s e de x p r e s s i o no fc y t o k i n i no x i d a s e ( C 硒 g e n e si nt h ea b s e n c eo fJ M J 7 0 3 C h r o m a t i ni m m u n o p r e c i p i t a t i o nr e v e a l e di n c r e a s e d H 3 K 4 m e 3o v e rC K X g e n e s ，w h i c hi si nc o n s i s t e n tw i t ht h ee n h a n c e de x p r e s s i o no ft h e g e n e s T a k e nt o g e n t h e r ，J M J 7 0 3m a yl i m i tt h ee x p r e s s i o no fC K Xg e n e sb yd e m e t h y l a t i n g H 3 K 4 m e 3t ob a l a n c et h eh o r m o n el e v e li no r d e rt oe n s u r en o r m a ls t e me l o n g a t i o ni nr i c e T oi n v e s t i g a t et h er o l e so fJ M J 7 0 3i nc h r o m a t i nm o d i f i c a t i o ni n t e r a c t i o na n di n h e r i t a n c e ， D N Am e t h y l a t i o no fr e p e a t e ds e q u e n c e sa n dr e t r o t r a n s p o s o n sw e r es t u d i e di nj m j 7 0 3 p l a n t s ，l i t t l ec h a n g ew a so b s e r v e d N e v e r t h e l e s s ，o v e r e x p r e s s i o no fJ M J 7 0 3a f f e c t sD N A m e t h y l a t i o no fag e n eb Ya b o l i s h i n gH 3 K 4 m e 3i ng e n i er e g i o n I no r d e rt oi n v e s t i g a t er e p r o g r a ma n di n h e r i t a n c eo fc h r o m a t i nm o d i f i c a t i o n s ，g e n e s s p e c i f i c a l l ye x p r e s s e di nc a l l u s ，t e r m e da sp l a n ts t e mc e l l ，w e r es t u d i e db ys e a r c h i n g p u b l i cd a t a b a s e ，w h i c hl e a d st ot h ee m e r g e n c eo faD N Am e t h y l a t i o nr e p r e s s e dg e n e ，C X S ( c o n s t a n te x c l u s i o no f s i l e n c e ) C e l ld e d i f f e r e n t i a t i o nr e s u l t si na c t i v a t i o no fC X S , w h i c h s h o w se n r i c h m e n to fH 3 K 4 m e 3 ，d e c r e a s eo fH 3 K 2 7 m e 3a n dl o wn u c l e o s o m eo c c u p a t i o n a r o u n dt r a n s c r i p t i o ns t a r ts i t e ( T S S ) s i m u l t a n e o u s l y D N Am e t h y l a t i o ni n h i b i t o rt r e a t m e n t e x p e r i m e n ts u g g e s t st h a tD N Ad e m t h y l a t i o ni s s u f f i c i e n tf o ra c t i v a t i n gC X Se x p r e s s i o n 华中农业大学2 0 1 2 届博士学位论文 a n dH 3 K 4 m e 3e n d c h m e n t A c t i v eC X Se x p r e s s i o na n di t sc h r o m a t i nm o d i f i c a t i o n sa l e m e m o r i z e dt h r o u g hg e n e r a t i o n s O v e r e x p r e s s i o no fa nH 3 K 4 m ed e m e t h y l a s eJ M J 7 0 3 r e s u l t si nC X S r e p r e s s i o na n dD N Ar e m e t h y l a t i o n J M J 7 0 3p r o t e i ni sf o u n db o u n dt oC 船 l o c u s ，s u g g e s t i n gt h a tH 3 K 4 m e 3m a yp r o m o t eC X Se x p r e s s i o na n dp r o t e c tD N Af r o m r e m e t h y l a t i o nd u r i n gr e d i f f e r e n t i a t i o n I nc o n s i s t e n tw i mt h a t , C X Se x p r e s s i o ns h o w sa l i t t l ei n c r e a s ei ns e e d l i n go fj m j 7 0 3m u t a n t C X Se x p r e s s i o ni sa l s oa b o l i s h e di na n H 3 K 2 7 m e t h y l t r a n s f e r a s eg e n e O s C L Fo v e r e x p r e s s i o n p l a n t s a n dac h r o m a t i n r e m o d e l l i n gf a c t o rc h r 7 2 9m u t a n t A l lr e p r e s s e dC X Sr e g a i n sD N Am e t h y l a t i o na n d s h o w sn o r m a lH 3 K 4 m e 3a n dH 3 K 2 7 m e 3c o m p a r e dt ow i l dt y p ep l a n t s H o w e v e r , a c t i v e C X Si sd e t e c t e di nj m j 7 0 3 c h r 7 2 9d o u b l em u t a n t , s u g g e s t i n gt h a tJ M J 7 0 3m e d i a t e d e m t h y l a t i o ni se s s e n t i a lf o rC X Sr e p r e s s i o n ，w h i c hi se x c l u d e db yC H R 7 2 9 F u r t h e r m o r e ， C X Se x p r e s s i o nc a nb ed e t e c t e di nc a l l u so fo x J M J 7 0 3 ，O s C L Fo v e r e x p r e s s i o na n d c h r 7 2 9m u t a n ta n di sn o ta f f e c t e di n j m j 7 0 3c a l l u sc o m p a r e dt ow i l dt y p e T h e s er e s u l t s s u g g e s tt h a tJ M J 7 0 3 ，O s C L Fa n dC H R 7 2 9p r o t e i nm a yn o tf u n c t i o na tc a l l u ss t a g e ，b u t d u r i n gr e d i f f e r e n t i a t i o n T a k e na l l ，i ti sc o n c l u d e dt h a tC X Si sa c t i v a t e di nc a l l u s ，s t e mc e l l l i k ei nr i c e ，d u et ot h eo p e ne n v i r o n m e n to fc h r o m a t i n T h ea c t i v es t a t e ，i n c l u d i n g e n r i c h e dH 3 K 4 m e 3a n dd e c r e a s e dH 3 K 2 7 m e 3 ，i sm a i n t a i n e dw i t hh e l po fC H R 7 2 9 p r o t e i n ，w h i c hp r o t e c t sC 船f r o mJ M J 7 0 3a n d O s C L F K e yw o r d s ：h i s t o n em e t h y l a t i o n ；J u m o n j i ；D N Am e t h y l a t i o n ；e p i g e n e t i ci n h e r i t a n c e ；r i c e V 组蛋白甲基化与D N A 甲基化的相互作用及其表观遗传机制的研究 缩略词表( A b b r e v i a t i o n sa n dA c r o n y m s ) V m 蛋自十基他与D N A g 化白勺“作月& 其表蕊遗传机制的究 1 前言 1 1D N A 序列外的遗传和调控信息 1 1 1 表观基因组 D N A 是主要的遗传物质，一个基因组D N A 的序列包含了巨量的遗传信息，这 些信息通过“中心法则”自我复制遗传给下一代，也可以转录翻译成蛋白质从而转 化成直接参与生命活动的具体物质，并且序列信息的传递和表达是受到精确的调控 的。同一段D N A 序列在不同环境和时期下的表达可以表现出很大的差异，而这种 差异的行为也可以在细胞分裂时遗传。例如来源于同一个受精卵的不同类型的细胞 在形态结构和基因表达上都有很大的不同，各种不同的细胞也可以分裂产生与自己 相同的细胞而不是回到最初的受精卵由此可见这种差异表达的精确控制和遗传在 生物体的个体发育方面具有重要的意义。这种D N A 序列外( B e y o n d D N As e q u e n c e ) 的遗传和调控信息称为表观遗传( E p i g e n e t i c ) 如图1 所示，同一个基因组在表观 遗传的调控下可以产生很多种不同的基因表达，与这一表达谱对应的全部表观修饰 称之为表观基因组( E p i g e n o m e ) 。由上所述可知，一个表观基因组定义了一个细胞 内的基因表达的图谱从而决定了该细胞的类型和在特定环境下的响应。 G e h o m e 图1 单个基因组可能产生多种表观基因组 F i g 1M u l t i p l e 印i g e h o m e sc a b e 群e r “e df r o m o r es 岫g I eg e n o m e 华中农业大学2 0 1 2 届博士学位论文 1 1 2 表观调控与表观遗传 现阶段较为公认的表观遗传的定义为：不依赖于D N A 序列改变的可遗传的变异 ( B o n a s i oe ta 1 ，2 0 L O ) 。这其中包含了三个关键词：1 、变异：突变是遗传学和分子生 物学的基础，因此从表观遗传的调控角度讲，能够引起基因表达改变的信息才有意 义；2 、遗传：表观信息的改变引起的基因表达的变异必须能够完整的传递给后代： 3 、不依赖于D N A 序列的改变，即表观遗传信息改变导致的变异不包括D N A 碱基 的变异，这也是表观遗传区别于传统遗传的特点所在。广义上讲，一切不涉及到D N A 序列改变的基因表达调控都可以归为表观调控，如D N A 甲基化、组蛋白修饰和转 录因子的调节等。但不是所有的表观调控都符合表观遗传的定义，这取决于这种表 观调控能否在细胞和个体间遗传。例如，某些由于环境刺激引起的基因表达的改变 和伴随其的表观修饰的变化，在刺激消失后又恢复到了以前的状态，这种表观调控 导致了基因表达的变化却没有将这种变化传递给后代，因此不能称为表观遗传；若 D N A 甲基化的变化引起了基因表达的变化，而细胞分裂时D N A 甲基化与D N A 一 起以半保留的方式复制到子细胞中从而将这种对基因表达的改变也传递到了子细胞 中，这种基因表达可遗传的改变就称为表观遗传( Z h ua n dR e i n b e r g ，2 0 1 1 ) 。 1 2 基于染色质的表观调控和表观遗传 1 2 1 染色质承载着遗传和调控信息 真核生物细胞核内的D N A 与蛋白质相结合形成染色质，其基本组成单位是核小 体，每个核小体由大约1 4 7D r , 的D N A 缠绕组蛋白八聚体形成，连接核小体与核小 体之间的D N A 称为连接D N A ，核小体呈“串珠状排成线性的染色质。染色质可 以被包装成更加致密的高级结构，如细胞有丝分裂时期染色质高度浓缩形成染色体， 染色质本身也可以根据其致密程度分为常染色质( e u c h r o m a t i n ) 和异染色质 ( h e t e r o c h r o m a t i n ) 。常染色质区染色质高级结构疏松，D N A 与组蛋白的结合也比较 松散，有利于转录因子等调节蛋白的结合，表现为基因转录活跃；异染色质区的高 级结构紧密，染色质高度浓缩，该区域的基因处于沉默状态( 图2 ) 。 染色质既是D N A 的主要贮存场所，也是基于D N A 的转录调控事件的主要发生 场所，而与D N A 直接结合的组蛋白以及其他的染色质结合蛋白都是这些调控事件 的直接参与者。这些参与者中有长期坚守岗位的，它们的调控方式及其产生的结果 会一直保持下去，例如着丝粒区域的D N A 甲基化和异染色质的组蛋白修饰会一直 随着有丝分裂和减数分裂遗传下去( A l l s h i r ea n dK a r p e n ，2 0 0 8 ) ，这就是前文所说的表 组蛋白基化与D N A 基化的相互作月厦其表现遗传机制的研究 观遗传：也有受一定条件驱使的，例如一些转录因子，只有在特定的条件诱导下才 会结合在特定的D N A 区域启动转录，而当条件消失后它们就会从该区段D N A 解离， 这些则只能归为表观调控。然而不管是稳定的遗传还是瞬时的调控，他们的发生和 消除等都是被一定的规律精确控制的，而染色质正是存储这些控制信息的主要场所。 o - t 。， j l 褊翟三。 “”“o ，_ 。，= 华中衣大学2 0 1 2 目博学位论文 ! 、瞳iJJ mr m + = ；L _ u 一v 4 卫二= = 一m t ：I l 二j d = 2 i r I 二i r = 】i 二= = = ：自i 二 5mii1 i”二面二曩E 二二叵L 二二：_ ：rn 阿o ” I=3C l = 3 9 = I u I = = j l “ l = j 正= = = = i 兰。 g l = 一“ 圈3D N A 甲基化酶于去甲基化酶，修改自( L a wa n dJ a c o b s e n 2 0 1 0 ) F i g 3D N A m e t h v H r a s 忙r a s ea n dd e m e t h y l a s e 图4 R N A 介导的D N A 甲基化 F i g 4R N A d i r e c t e dD N A m e t h y l a t i o n 一 嚣嚣 i：=i一 组蛋白甲基化与D N A 甲基化的相互作用及其表观遗传机制的研究 哺乳动物的全新甲基化由D N M T 3 A 和D N M T 3 B 完成，同时还涉及到了另一个 同源蛋白D N M T 3 L ，该蛋白没有甲基化活性，但是可以结合在没有甲基化的组蛋白 H 3 K 4 上，召集洲T 3 删M T 3 B 完成D N A 甲基化( O o i e ta 1 ，2 0 0 7 ) 。植物中的全 新甲基化是由非编码R N A 介导的( 图4 ) ，称之为R N A 介导的D N A 甲基化( R N A d i r e c t e dD N A m e t h y l a t i o n ，R d D M ) ，植物特有的R N A 聚合酶P o lI V 在靶位点转录产 生R N A ，在R D R 2 ( R N Ad i r e c t e dR N A p o l y m e r a s e2 ) 和D C L 3 ( D i c e r l i k e3 ) 的作 用下产生2 4 n t 的s i R N A ，此s i R N A 与A 9 0 4 ( A r g o n a u t e4 ) 结合，经过一系列运输 后在其他蛋白帮助下以另一植物特有的R N A 聚合酶P o lV 转录出的R N A 为配对模 板指引D R M 2 ( D o m a i n sR e a r r a n g e dM e t h y l t r a n s f e r a s e2 ) 在特定区域完成甲基化( L a w a n dJ a c o b s e n ，2 0 1 0 ) 。 维持哺乳动物D N A 甲基化的酶是D N M T l ，D N A 复制时D N M T l 紧随其后以甲 基化的母链为模板将甲基化复制到新链。植物中D N A 甲基化的维持需要区别对待： C G 甲基化的维持由M E T l 行使类似于D N M T l 的功能完成；C H G 的维持需要组蛋 白H 3 K 9 甲基化修饰的帮助，C M T 3 的B A H 和c h r o m o 结构域结合在H 3 K 9 m e 2 上 ( J a c k s o ne ta 1 2 0 0 2 ) ，D N M T 活性中心催化D N A 甲基化；C H H 甲基化则由C M T 3 和R d D M 介导的D R M 2 共同完成。 目前发现的植物中的D N A 去甲基化主要是糖基化反应，去甲基化酶以R O S l ( R e p r e s s o ro f S i l e n c