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Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 表观遗传学表观遗传学 第五章 基因组印记第五章 基因组印记 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 内容纲要内容纲要 内容纲要内容纲要内容纲要内容纲要 ?1. 基因组印记基因组印记 ?2. 那些基因是印记基因？那些基因是印记基因？ ?3. 印记是如何判读的？印记是如何判读的？ ?4. 印记基因的介绍印记基因的介绍 ?5. 配子发育过程中印记机制是如何启动的？配子发育过程中印记机制是如何启动的？ ?6. 印记的维持和修改印记的维持和修改 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 基因印记基因印记 基因印记基因印记基因印记基因印记 ?1. 由表观遗传修饰决定的，来源于双亲由表观遗传修饰决定的，来源于双亲 (Parent- of- origin) 的特异性表达的基因。的特异性表达的基因。 ?A. 两个等位基因中只有一个印记基因表达两个等位基因中只有一个印记基因表达 ?B. 可遗传的修饰，并且不改变基因序列的组成可遗传的修饰，并且不改变基因序列的组成 ?2. 由双亲基因组功能的不对称性所决定由双亲基因组功能的不对称性所决定 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC ?1. 父系印记基因父系印记基因: ?来自父系的等位基因的表达被抑制来自父系的等位基因的表达被抑制 ?来自母系的等位基因表达来自母系的等位基因表达 (mono- allelic) ?2. 母系印记基因母系印记基因: ?来自母系的等位基因的表达被抑制来自母系的等位基因的表达被抑制 ?来自父系的等位基因表达来自父系的等位基因表达 (mono- allelic) 基因印记基因印记 基因印记基因印记基因印记基因印记 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 印记基因印记基因 印记基因印记基因印记基因印记基因 ?1. 在小鼠中已发现在小鼠中已发现80个印记基因个印记基因 ?一般认为在人中具有大一般认为在人中具有大致相致相等等数量数量的印记基因的印记基因 ?基因表达基因表达谱谱的的分析结果分析结果表表明明可能有可能有更多更多的印记基因的印记基因 ?2. 主主要功能要功能: 出生前出生前的的生长生长发育发育; ?父系基因的表达父系基因的表达 ? 胚胎胚胎发育能发育能力增强力增强 ?母系基因的表达母系基因的表达 ? 胚胎胚胎发育能发育能力削弱力削弱 ?3. 在特定在特定细胞细胞系系及神经及神经发育发育方面方面有有重重要功能要功能 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 基因组印记的基因组印记的相关理论相关理论 基因组印记的基因组印记的相关理论相关理论基因组印记的基因组印记的相关理论相关理论 ?1. 两性两性之战之战 (Kinship)，遗传，遗传斗争斗争 (Genetic Conflict), 双亲双亲投资投资 (Parental Investment) ?1. 许多许多印记基因印记基因与胎儿与胎儿 (fetus) 和和胎盘胎盘 (placenta)的的生长生长和和 发育发育相关相关 ?2. 父系父系：希望后代健康：希望后代健康，能，能够延续够延续基因的基因的存存在。父系表在。父系表 达的基因，达的基因，例例如如 Igf2, Peg3能能够促进胎儿够促进胎儿的的生长以及营养生长以及营养 的的摄取摄取，可能，可能会损害会损害母系的母系的健康健康 ? 3. 母系母系：产生更多：产生更多的的后代后代，延续延续自自己己的基因。母系表达的基因。母系表达 的基因，的基因，例例如如Igf2R, Mash2, Gnas等能等能够够抑制抑制胎儿胎儿的的生生 长长，减少营养减少营养的的开支开支，从而提高生从而提高生育育后代后代的的数量数量。 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC ?1. 进化进化能能力模型力模型 (Evolvability Model): 通通过印记的过印记的方方 式式，保护保护一些等位基因一些等位基因免受选择压力免受选择压力的的影响影响，从而从而 提高群体提高群体对对环境环境变变化化的的适适应应能能力力 ?生生物物体体感知感知环境环境变变化化，决定等位基因是，决定等位基因是沉默还沉默还是表达是表达 ?例例如，如如，如果果发育发育增强增强有有好处好处，并且，并且该该等位基因已等位基因已出出现，现，则则 其其印记印记状态将状态将被改变被改变 ?2. 卵巢里卵巢里的的时间炸弹时间炸弹 (Ovarian time bomb): 避避免免卵卵 巢滋巢滋养细胞养细胞疾病疾病 (ovarian Trophoblastic disease) ?孤雌孤雌胚胎胚胎 (parthenogenetic embryos)的的生长生长和发育和发育：葡萄葡萄 胚胚，卵卵子不能成子不能成熟熟，持，持续生长以致续生长以致形形成成癌症癌症等等； ?如如果果改变改变孤雌孤雌胚胎胚胎的基因组，如的基因组，如删除删除特定的母系印记基特定的母系印记基 因，能因，能够存够存活活并并类似类似父系基因组的印记父系基因组的印记模式模式 基因组印记的基因组印记的相关理论相关理论 (2)(2) 基因组印记的基因组印记的相关理论相关理论基因组印记的基因组印记的相关理论相关理论 (2)(2)(2)(2) 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 印记基因的特印记基因的特征征 印记基因的特印记基因的特征征印记基因的特印记基因的特征征 ?1. 通通常常成成簇簇出出现现 ?2. 一个一个簇簇中一般有中一般有311个印记基因个印记基因 ?绝绝大大多数多多数多时编码时编码可表达可表达蛋白质蛋白质的基因的基因 ?至至少少有一个有一个起拮抗作用起拮抗作用的的ncRNA基因，具有双亲特异基因，具有双亲特异 性的表达性的表达模式模式 ?3. 在在染色染色体体上上的的分分布较布较为为分分散散 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 表达表达模式模式: : 母系母系 父系父系 双等位双等位 未知未知 IGF2- H19 PWS/AS SNURF- SNRPN UBE3A- UBE3A- AS KCNQ1OT1 KCNQ1 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 印记基因的特印记基因的特征征 印记基因的特印记基因的特征征印记基因的特印记基因的特征征 ?1. 每每一个印记基因一个印记基因簇簇由一个印记由一个印记控控制制元件元件 (imprint control element, ICE) 所所调控调控 ?2. 也也称为印记称为印记控控制制区域区域 (imprint control region, ICR) 或者或者印记中印记中心心 (imprinting centre, IC) ?3. 绝绝大大多数多数都都有有CpG islands，能，能够够发发生生DNA甲甲基基化化 ?4. 在在CpG islands内内或附近或附近通通常常有成有成簇簇的的、有有向向的的重重 复片段复片段 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 印记基因的特印记基因的特征征 印记基因的特印记基因的特征征印记基因的特印记基因的特征征 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC ?1. 具有等位基因不具有等位基因不同同的的甲甲基基化化区域区域 (differentially methylated regions, DMRs) ?有些是在所有有些是在所有细胞细胞里里，有些具有组，有些具有组织织特异性特异性 ?有些有些甲甲基基化化的的DMR存存在于在于激活激活的等位基因中，有些的等位基因中，有些则则存存 在于在于失活失活的等位基因中的等位基因中 ?2. 通通常常具有不具有不同同的组的组蛋白蛋白修饰，修饰，染色染色体结体结构构等等 ?3. DNA复复制不制不同步同步 ?父系的父系的拷贝较早拷贝较早发发生生复复制制 印记基因的特印记基因的特征征 印记基因的特印记基因的特征征印记基因的特印记基因的特征征 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 印记的判读机制印记的判读机制 印记的判读机制印记的判读机制印记的判读机制印记的判读机制 ?1. IC/ICR/ICE ?较较长长的的、顺、顺式式作用作用的序列的序列 ?调控调控多多个基因个基因 ?2. 等位基因特异性的等位基因特异性的甲甲基基化化在在生生殖殖系系 (germ line)建建 立立并维持并维持 ?通通过印记机制双亲过印记机制双亲之之一的等位基因的一的等位基因的ICE活活性性 ?3. 通通过表观遗传修饰过表观遗传修饰相关相关的的顺顺式式调控调控因子来因子来调控调控印印 记基因记基因簇簇 ?Differentially methylated regions (DMRs) ?一般在双亲一般在双亲之之一的等位一的等位染色染色体体上上发发生生甲甲基基化化 ?DNA甲甲基基化化，组，组蛋白蛋白修饰修饰以及以及polycomb蛋白质蛋白质的的协同作协同作 用用 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 基因组印记的基因组印记的建立建立 基因组印记的基因组印记的建立建立基因组印记的基因组印记的建立建立 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 1. 通过通过CpG岛或者启动子的差异甲基化来实现岛或者启动子的差异甲基化来实现 Methyl- C binding proteins (MBPs) Dnmt1 (maintenance DMT) HDACs 关关闭闭染色染色体体构构像像，形形成异成异染色质染色质 印记的判读机制印记的判读机制 印记的判读机制印记的判读机制印记的判读机制印记的判读机制 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC DNADNA甲甲基基化化 vs. vs. 基因组印记基因组印记 DNADNADNADNA甲甲基基化化甲甲基基化化 vs. vs. vs. vs. 基因组印记基因组印记基因组印记基因组印记 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC CpGCpG岛岛的的差差异异甲甲基基化化CpGCpG岛岛的的差差异异甲甲基基化化 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 抑制子抑制子与与未未被被甲甲基基化化的的沉默元件沉默元件结结合合，沉默沉默基因的表达。基因的表达。而而当当 沉默沉默单单元甲元甲基基化后化后，抑制子不，抑制子不再再结结合合 2. 差差异性的异性的将沉默将沉默因子因子结结合到合到顺顺式式沉默元件上沉默元件上 印记的判读机制印记的判读机制 印记的判读机制印记的判读机制印记的判读机制印记的判读机制 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 例例如如 CCCTC- binding factor (CTCF) 能能够与够与未甲未甲基基化化的等位的等位 基因基因结结合合，从而从而阻断阻断上上游游启动子启动子与与下游下游增强增强子子之之间间的的联联系，系， 从而从而使得使得上上游游基因的基因的转录转录被抑制被抑制 3. 差差异性的异性的甲甲基基化化边界边界元件元件/绝绝缘缘子子 印记的判读机制印记的判读机制 印记的判读机制印记的判读机制印记的判读机制印记的判读机制 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 4. 反义转录本反义转录本与与CpG岛岛或或启动子的启动子的甲甲基基化化联合联合作用作用机制机制 反义转录本一般父系表达 (母系中印记沉默) 起源于正义基因内的内含子序列，启动子可能与正义的基因重叠 调控正义基因的表达: (1) promoter exclusion; (2) 改变DNA甲基化 或染色质结构; (3) RNAi机制；(4) 沉默不重叠的基因等 印记的判读机制印记的判读机制 印记的判读机制印记的判读机制印记的判读机制印记的判读机制 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 反义转录本反义转录本的的调控调控 反义转录本反义转录本的的调控调控反义转录本反义转录本的的调控调控 ? 1. SiRNA与与RNAi效效应应分分子组子组 成成复复合合物物，并，并招募招募组组蛋白甲蛋白甲 基基转移酶转移酶 ? 2. 通通过过RNA- DNA结结合到合到作用作用 位位点点 ? 3. H3K9发发生生甲甲基基化化 ? 4. Chromodomain (CD)蛋蛋 白质白质 (HP1)结结合合H3K9 ? 5. 进进一一步甲步甲基基化化，保保证证基因基因 沉默状态沉默状态 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 转录依赖转录依赖的的沉默沉默 转录依赖转录依赖的的沉默沉默转录依赖转录依赖的的沉默沉默 ?沉默沉默不不重重叠叠的基因的基因 ?模型模型1#: RNA介介导导的的靶靶向向定位定位 ?具有抑制性的具有抑制性的染色质染色质修饰和修饰和DNA甲甲基基化化标标记，记，例例如如Xist ncRNA 决定决定X- inactivation ?因因ncRNA较较小，小，很难验证很难验证其其是是否否决定印记基因决定印记基因簇簇中所有中所有 基因的基因的沉默沉默 ?ncRNA结结合到靶合到靶位的位的DNA序列序列上上 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC ?沉默沉默不不重重叠叠的基因的基因 ?模型模型2#: 转录诱导转录诱导的的沉默沉默 ?(A) ncRNA的的转录转录激活激活待转录单待转录单元元中的抑制中的抑制元件区域元件区域 ?抑制抑制元件区域顺元件区域顺式式的的诱导诱导沉默沉默 ?染色质染色质发发生生抑制性的修饰抑制性的修饰 ?染色质染色质的修饰的修饰向向两两边扩边扩散散 ?受受到限到限制制: (1) 边界边界元件；元件；(2) 缺乏允缺乏允许许修饰修饰向向两两边扩边扩散散的的 DNA序列序列 转录依赖转录依赖的的沉默沉默 转录依赖转录依赖的的沉默沉默转录依赖转录依赖的的沉默沉默 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC ?沉默沉默不不重重叠叠的基因的基因 ?模型模型2#: 转录诱导转录诱导的的沉默沉默 ?(B) ncRNA的的转录转录抑制抑制待转录单待转录单元元中的中的活活化化元件区域元件区域 ?例例如如：Ig基因的基因的染色染色体体附近区域附近区域 ?ncRNA的的转录转录能能够够替换替换活活化化元件区域元件区域的的结结合合蛋白质蛋白质 ?从而从而阻止阻止增强增强子子与与启动子的启动子的结结合合 ?阻止阻止通通过过活活化化因子因子调控调控的基因表达的基因表达 ?ncRNA 不不需需要要与与靶靶位的位的DNA结结合合 转录依赖转录依赖的的沉默沉默 转录依赖转录依赖的的沉默沉默转录依赖转录依赖的的沉默沉默 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC P P 转录依赖转录依赖的的沉默沉默 转录依赖转录依赖的的沉默沉默转录依赖转录依赖的的沉默沉默 抑制抑制元件区域元件区域 活活化化元件区域元件区域 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 两两类类印记基因印记基因簇簇 两两类类印记基因印记基因簇簇两两类类印记基因印记基因簇簇 ?第一第一类类: 母系印记母系印记簇簇 ?E.g. Igf2R, Kcnq1, Pws, Gnas 的基因印记的基因印记簇簇 ?互补链互补链上上包含反义包含反义的的ncRNA ?在母系的等位在母系的等位ICE发发生生甲甲基基化化 ?抑制抑制ncRNA的表达的表达 ?表达表达编码蛋白质编码蛋白质的基因的基因 ?在父系的等位在父系的等位ICE不发不发生生甲甲基基化化 ?ncRNA表达表达 ?抑制抑制编码蛋白质编码蛋白质的基因表达的基因表达 ?Igf2R, Kcnq1: 采采用用ncRNA介介导导的的沉默沉默机制机制 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC ?第一第一类类: 父系印记父系印记簇簇 ?E.g. Igf2 and Dlk1的基因印记的基因印记簇簇 ?在父系的等位在父系的等位ICE发发生生甲甲基基化化 ?包含包含与与正义正义基因不基因不重重叠叠的的ncRNA ?采采用用基于基于绝绝缘缘子的子的沉默沉默机制机制 两两类类印记基因印记基因簇簇 两两类类印记基因印记基因簇簇两两类类印记基因印记基因簇簇 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC ncRNAncRNA介介导导的的沉默沉默机制机制 ncRNAncRNAncRNAncRNA介介导导的的沉默沉默机制机制介介导导的的沉默沉默机制机制 ?E.g. Igf2R/Air, Kcnq1/Kcnq1ot1印记基因簇 ?印记印记调控调控ncRNA的表达的表达 ?由由ncRNA顺顺式式的的沉默簇沉默簇中的中的其其他他mRNA基因基因 ?尽管尽管ncRNA在在互补链互补链上上，但但是是沉默沉默机制并不机制并不需需要要与与 正义正义基因基因相重相重叠叠 ?可可通通过过扩扩散散的的方式方式沉默染色质沉默染色质 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC M P M P Primary target ncRNAncRNA介介导导的的沉默沉默机制机制 ncRNAncRNAncRNAncRNA介介导导的的沉默沉默机制机制介介导导的的沉默沉默机制机制 Silent geneActive gene 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC ? ICE 母系印记母系印记 ?调控调控Air ncRNA的表达的表达 ?Air ncRNA对于抑制父系的对于抑制父系的Igf2R, Scl22a3和和Slc22a2表达 是必须的 ?父系的等位父系的等位ICE不被不被甲甲基基化化? 父系父系ncRNA (Air)表达表达 ? 抑制抑制重重叠叠的的以及以及周围周围的的正义正义基因的表达基因的表达 (父系父系) ?DMR在在Igf2r的第的第二二个内个内含含子中，子中，也也在在Air 的启动子中的启动子中 ?如如果果删除删除DMR ? Air 不表达不表达 ? 印记印记丢丢失失 ?在人中，在人中，虽然虽然存存在在DMR，但没但没有有差差异的组异的组蛋白蛋白修饰，因修饰，因此此Air 不表达 ，因不表达 ，因此此IGF2R/M6PR 是双等位表达的是双等位表达的 Igf2R/AirIgf2R/Air Igf2R/AirIgf2R/AirIgf2R/AirIgf2R/Air 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC Igf2R/AirIgf2R/Air Igf2R/AirIgf2R/AirIgf2R/AirIgf2R/Air ? Air 的转录本部分与Igf2R重叠 ?不仅仅是简单的启动子竞争或RNAi机制 ?能够顺式的沉默不重叠的Scl22a3和Slc22a2 ?截短的Air转录本被印记但不能沉默其他基因，表明全长序列是 必须的 ?沉默可能是由染色质介导的 ?在大脑中Igf2R无DMR ,在灵长类生物中亦无 ?Slc22a2/a3未发生甲基化修饰 ?Air ncRNA可能通过覆盖对应的序列来招募异染色质因子 (HMTs, HDACs, repressors) 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC Igf2R/AirIgf2R/Air Igf2R/AirIgf2R/AirIgf2R/AirIgf2R/Air ? 1. 母系母系染色染色体体上上的的情况情况是是怎样怎样的？的？ ? 2. IGF2: 具有具有促细胞分促细胞分裂裂能能力力；IGF2R：IGF2的的竞竞争争因子因子 母系印记母系印记 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC Kcnq1/Kcnq1ot1Kcnq1/Kcnq1ot1 Kcnq1/Kcnq1ot1Kcnq1/Kcnq1ot1Kcnq1/Kcnq1ot1Kcnq1/Kcnq1ot1 ?Kcnq1: Potassium channel Q1 ?其他基因：Cdkn1c, cyclin- dependent kinase inhibitor 1c ?Kcnq1ot1: KCNQ1 overlapping transcript 1 ?启动子在ICE中 ?母系甲基化 ? Kcnq1ot1被抑制 ? Kcnq1, Cdkn1c etc. 等基 因表达 ?ICE 父系的等位ICE不发生甲基化 ? Kcnq1ot1 表达? Kcnq1, Cdkn1c etc. 等基因表达被抑制 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC ? Kcnq1ot1 的启动子在的启动子在Kcnq1 的第十个内含子中的第十个内含子中 ?转录本仅仅与Kcnq1 相重叠 ?因此，沉默机制并不是dsRNA/RNA干扰 ? ncRNA的调控机理类似的调控机理类似Air ?截短的截短的Kcnq1ot1 ncRNA能够父系表达，但是不能沉默两能够父系表达，但是不能沉默两 侧的基因侧的基因 ?ncRNA的表达对于沉默是不足够的的表达对于沉默是不足够的 ?Kcnq1的表达不干扰的表达不干扰Kcnq1ot1的表达，因此沉默的机理的表达，因此沉默的机理 不是启动子竞争不是启动子竞争 ?母系的母系的Kcnq1ot1截短没有任何影响截短没有任何影响 Kcnq1/Kcnq1ot1Kcnq1/Kcnq1ot1 Kcnq1/Kcnq1ot1Kcnq1/Kcnq1ot1Kcnq1/Kcnq1ot1Kcnq1/Kcnq1ot1 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC Kcnq1/Kcnq1ot1 Kcnq1/Kcnq1ot1Kcnq1/Kcnq1ot1 ?Kcnq1ot1转录本的长度决定了对其两侧基因的沉默 ?野生型中转录本长为野生型中转录本长为9.2kb9.2kb，能够有效地发挥沉默作用：，能够有效地发挥沉默作用： 较长的转录本能够依附在较长的染色质上较长的转录本能够依附在较长的染色质上? 更好的传播更好的传播 染色质的沉默修饰染色质的沉默修饰 ?较长的转录本增强组蛋较长的转录本增强组蛋白白修饰的修饰的水平水平 ?首先首先是是重叠重叠基因的启动子基因的启动子H3-K9me1H3-K9me1，接着接着H3-K9me3H3-K9me3，然后然后 是是非重叠非重叠的基因的基因 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 基于基于绝绝缘缘子的子的沉默沉默机制机制 基于基于绝绝缘缘子的子的沉默沉默机制机制基于基于绝绝缘缘子的子的沉默沉默机制机制 ?Igf2- H19簇簇 ?绝缘绝缘子在子在ICE/ICR中，中，当当发生甲基化的发生甲基化的时候被抑制时候被抑制 ?活性活性的的绝缘绝缘子子抑制抑制增强子的增强子的活性活性 ?ncRNA (H19) 与与mRNAs (Igf2, Ins2)表达表达负相关负相关，但，但 在沉默中的机在沉默中的机制未知制未知 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC ? 未未发生甲基化的发生甲基化的ICE (母系母系) 染色质的染色质的绝缘绝缘子子 ? 在内在内胚叶胚叶中中与与CTCF (CCCTC- binding factor)结合结合 ? 阻止阻止增强子增强子与与Igf2的启动子发生作用的启动子发生作用 ? 允许允许增强子增强子与与H19的启动子发生作用的启动子发生作用 ? CTCF与未与未甲基化的甲基化的DNA结合结合，从而使之从而使之不发生甲基化不发生甲基化 ? 甲基化的甲基化的ICE (父系父系) ? H19的启动子沉默的启动子沉默 ? 阻止阻止CTCF的的结合结合 DMR 2 Igf2-H19Igf2-H19 Igf2Igf2Igf2Igf2- - - -H19H19H19H19 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC ? Chromatin- loop model ? DMR2在在Igf2的的最后一最后一个个外显外显子上子上 ? 在母系染色在母系染色体体上，上，未被未被甲基化的甲基化的DMR与与DMR1结合结合 ? Igf2 沉默沉默 ? 在父系染色在父系染色体体上，甲基化的上，甲基化的DMR与与DMR2结合结合 ? 激活激活Igf2，并使之并使之 接近接近增强子增强子 Insulators -通过相互作用形成 chromatin loops Igf2-H19Igf2-H19 Igf2Igf2Igf2Igf2- - - -H19H19H19H19 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC ? DMR1 在中在中胚叶胚叶中为组中为组织特织特异异性性的沉默子的沉默子 ? 甲基化甲基化敏感敏感的沉默子，在的沉默子，在未未发生甲基化的母系染色发生甲基化的母系染色体体上上与抑制与抑制因子因子结结 合合? 抑制抑制母系的母系的Igf2表达表达 ? 在发生甲基化的父系染色在发生甲基化的父系染色体体上，上，阻止与抑制阻止与抑制因子的因子的结合结合? 促使促使父系父系 Igf2的表达的表达 ? ICE上上游游的组的组织特织特异异性性的增强子的增强子 (yellow)的调控作用的调控作用使得使得Igf2 在在大脑大脑的的部分区域部分区域中，两个中，两个等位等位基因基因都可都可表达表达 Igf2-H19Igf2-H19 Igf2Igf2Igf2Igf2- - - -H19H19H19H19 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC ? H19 非编码非编码的的RNA，功功能能未知未知 ? 基因基因敲除敲除不能不能观察到明显观察到明显的表型的表型 ? Clean knock- out has no discernable phenotype ? 高度高度的的序列保守序列保守型型 (77% 小鼠小鼠/人人) ? Igf2 类类胰胰岛岛素素的生长因子的生长因子 ? 突变引起突变引起的印记的印记紊乱导致先天紊乱导致先天的生长的生长失失控控 Beckwith- Wiedermann syndrome (BWS) Igf2-H19Igf2-H19 Igf2Igf2Igf2Igf2- - - -H19H19H19H19 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC Beckwith-Wiedemann syndromeBeckwith-Wiedemann syndrome BeckwithBeckwithBeckwithBeckwith- - - -WiedemannWiedemannWiedemannWiedemann syndromesyndromesyndromesyndrome ? 1. 小小头头 ? 2. 巨舌巨舌 ? 3. 胎盘增生胎盘增生 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC Beckwith-Wiedemann syndromeBeckwith-Wiedemann syndrome BeckwithBeckwithBeckwithBeckwith- - - -WiedemannWiedemannWiedemannWiedemann syndromesyndromesyndromesyndrome 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC Prader-Willi/Angelman SyndromePrader-Willi/Angelman Syndrome PraderPraderPraderPrader- - - -Willi/AngelmanWilli/AngelmanWilli/AngelmanWilli/Angelman SyndromeSyndromeSyndromeSyndrome ? IC具具有有双向双向的的、长长程程的的、顺式、顺式的作用机的作用机制制： ? 母系中，母系中， AS- IC通过通过抑制抑制PWS- IC沉默两侧基因沉默两侧基因(甲基化甲基化) ? PWS- IC: 阻止阻止顺式顺式基因的甲基化基因的甲基化 ? AS- IC对于对于PWS- IC的甲基化是的甲基化是必须必须的的 ? 活性活性的的AS- IC的能够的能够激活激活Ube3a的表达的表达 ? AS- IC片段片段的的缺缺失失 ?AS ? Ube3a沉默沉默 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC ? AS- IC在父系的染色在父系的染色体体上上无无功功能能/失活失活 ? PWS- IC活活化化 ? 父系父系等位等位基因的表达基因的表达 ? PWS- IC定定位位于于SNRPN的的5端端附附近近 ? 母系中母系中DNA发生甲基化发生甲基化；父系中父系中由由于于PWS- IC的的保保护护机机制制，避免避免 了了甲基化甲基化 ? 遗遗传传/表表观观遗遗传的传的突变突变? PWS，父系表达的基因沉默，父系表达的基因沉默 ? 两两边边的的 等位等位基因基因都被都被沉默沉默 Prader-Willi/Angelman SyndromePrader-Willi/Angelman Syndrome PraderPraderPraderPrader- - - -Willi/AngelmanWilli/AngelmanWilli/AngelmanWilli/Angelman SyndromeSyndromeSyndromeSyndrome 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC ? 组组织特织特异异性性：脑脑中父系中父系等位等位基因基因Ube3a被被沉默，在沉默，在其他其他组组织织 中中都都是是双双等位等位表达表达 ? UBE3A 反义反义转录本的父系表达转录本的父系表达无无调控调控功功能能 ? PWS 持续持续的基因的基因紊乱紊乱 ? 父系表达的基因父系表达的基因簇簇沉默：沉默：SNURF/SNRPN, NECDIN, MKRN3, MAGEL2 ? AS 母系表达的基因母系表达的基因UBE3A or ATP10C沉默沉默 ? 母系的印记基因发生表达母系的印记基因发生表达 Prader-Willi/Angelman SyndromePrader-Willi/Angelman Syndrome PraderPraderPraderPrader- - - -Willi/AngelmanWilli/AngelmanWilli/AngelmanWilli/Angelman SyndromeSyndromeSyndromeSyndrome 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC Prader-Willi/Angelman SyndromePrader-Willi/Angelman Syndrome PraderPraderPraderPrader- - - -Willi/AngelmanWilli/AngelmanWilli/AngelmanWilli/Angelman SyndromeSyndromeSyndromeSyndrome ? Prader- Willi syndrome and Angelman syndrome: 智智力力迟钝迟钝 ? PWS patients:前前额窄额窄, 手足手足较较小，小， 生生殖殖功能不功能不全全，多多食易胖食易胖 ? Angelman (AS): 小小头头、枕骨枕骨较较 平平，乐天乐天，类似类似木偶木偶的的运运动动 (Happy Puppet syndrome). 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 基因组印记的过程基因组印记的过程 基因组印记的过程基因组印记的过程基因组印记的过程基因组印记的过程 母系母系父系父系 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 原原生生殖殖细胞与体细胞细胞与体细胞中的印记中的印记 原原生生殖殖细胞与体细胞细胞与体细胞中的印记中的印记原原生生殖殖细胞与体细胞细胞与体细胞中的印记中的印记 ?原原生生殖殖细胞细胞 (PGCs)：起起源于源于胚胎胚胎原始原始生生殖殖期期的的 一一种种具有具有多多向向分化分化潜潜能的能的干干细胞细胞 ?体细胞：体细胞：不具不具分化分化潜潜能的能的终端终端细胞细胞 ?胚胎胚胎发育发育早早期期：非非印记的基因发印记的基因发生生去去甲甲基基化化， 印记基因的印记基因的甲甲基基化模式保化模式保留留 ?原原生生殖殖细胞细胞自自E10.5 E 12.5发发生生去去甲甲基基化化 ?去去除除遗传的印记遗传的印记模式模式 ?体细胞体细胞的基因印记的基因印记模式保模式保留终留终生生 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 精精子中的父系印记子中的父系印记 精精子中的父系印记子中的父系印记精精子中的父系印记子中的父系印记 ? 精原精原细胞细胞中发中发生生de novo sex- specific methylation ? 起起始始于于出生前出生前的有的有丝丝分分裂裂的的精精母母细胞细胞中，中，出生后出生后基基本本结结束束，在，在减数分减数分 裂裂的的粗线期完粗线期完全全结结束束 ? DNA甲甲基基转移酶转移酶Dnmt3a以及以及共共作用作用因子因子Dnmt3L 自自出生后出生后的的E12.5期期 开开始始表达，表达，而而Dnmt3b自自出生后出生后表达表达水水平平增增加加 ? 在在青春期青春期，由于有，由于有丝丝分分裂裂的持的持续续， Dnmt1s在在精精母母细胞细胞中的表达中的表达量量升升 高高，以以维持维持甲甲基基化模式化模式 ? Dnmt1s 在在减数分减数分裂裂的的粗线期粗线期表达表达量量降低降低：不能不能翻译翻译的的Dnmt1p可变可变剪剪 切切异异构构体体的表达，的表达，竞竞争关争关系系 ? 缺缺失失Dnmt3a和和Dnmt3L的小鼠的小鼠精精子发子发生生过程过程严严重受损重受损，并，并出出现父系印现父系印 记的记的缺缺陷陷 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC ?雄雄性特异性的性特异性的模式模式建立建立所所依赖依赖的因子的因子/因因素素： ?保护保护ICR不被不被甲甲基基化化的因子的因子 ?促促使使ICR被被甲甲基基化化的因子的因子 精精子中的父系印记子中的父系印记 精精子中的父系印记子中的父系印记精精子中的父系印记子中的父系印记 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC ?BORIS = brother of the regulator of imprinted sites ?仅仅在在雄雄性性精精子子细胞细胞中表达的中表达的DNA结结合合蛋白质蛋白质 ?与与Igf2- H19 ICR相相互互作用作用 ?与与CTCF类似类似，都都具有具有11个个锌指锌指结结构域构域 (同同源源物物) ?可能可能参参与与甲甲基基化化标标记的记的去去除除，有，有选择选择性的性的识别识别并并结结合合母系母系 印记的印记的ICRs上上的的CTCF位位点点，并，并阻止阻止这这些些ICRs的的甲甲基基化化 ?CTCF的的沉默沉默与与BORIS的的活活化化介介导导了了父系印记基因的父系印记基因的甲甲基基 化化过程过程 精精子中的父系印记子中的父系印记 精精子中的父系印记子中的父系印记精精子中的父系印记子中的父系印记 生物秀-专心做生物 Epigenetics, 2008- 2009, Semester 1, USTC 精精子中的父系印记子中的父系印记 精精子中的父系印记子中的父系印记精精子中的父系印记子中的父系印记 ? 原原生生殖殖细胞：细胞：甲甲基基化模式化模式擦擦除除 ? 精原精原细胞：开细胞：开始始建立建立新新的的甲甲基基 化模式化模式 ? 精精母母细胞：细胞：建立建立新新的的甲甲基基化模化模 式式 ? 精精子子细胞：细胞： 生物秀-专心做生物 Epigenetics,