哈工大表观遗传学 文档资料

1、上一课重点内容回顾,主要的概念,遗传标记,主要的知识点,各遗传标记的原理，如,RFLP,AFLP,PAPD,微卫星、小卫星,SNP,哈工大,遗传学,第十四章,表观遗传学,第十四章,表观遗传学,哈工大,遗传学,第十四章,表观遗传学,表观遗传学：是研究,不涉及,DNA,序列改变,的,可遗传,的,基因,表达的改变,研究内容主要包括,DNA,甲基化,基因组印记,组蛋白修饰,染色质重塑,RNA,介导的基因沉默,哈工大,遗传学,第十四章,表观遗传学,第一节,DNA,甲基化,哈工大,遗传学,第十四章,表观遗传学,一,DNA,甲基化及其特点,DNA,甲基化是指在,DNA,复制后,在甲基化转移酶的催化下，以,S

2、,腺,苷甲硫氨酸,SAM,为甲基供体,将甲基集团连接到,DNA,分子的腺嘌,呤或,胞嘧啶,碱基上，进行,DNA,修饰,的过程,在哺乳动物中甲基化主要发生在胞嘧啶,C,上，而,且几乎所有的甲基化胞嘧啶都发生在,CpG,二核苷酸,哈工大,遗传学,第十四章,表观遗传学,DNA,甲基化在不同物种的分布特点不一致,在,哺乳动物中,70,的,CpG,位点是甲基化,的且多数是对称的,而在一些植物和真菌对称和非对称的甲基化几乎相同,在一些物种中甲基化分布虽然不如哺乳动物广泛，但却是,必不可少的，如拟南芥中,有些物种中不存在,DNA,甲基化，如线虫,有些物种中的甲基化并非主要发生在,CpG,二核苷酸，如果,蝇的

3、,DNA,甲基化非常少，但却主要发生在,CpT,二核苷酸,哈工大,遗传学,第十四章,表观遗传学,在哺乳动物中,大于,60,的基因启动子区存在,CpG,岛,CpG,岛,总长大于,200bp,C,和,G,含量大于,55,其中,CpG,二核酸的含量在总的,C,和,G,中大于,60,的,DNA,序列,大多数的,CpG,岛中的,CpG,二核酸甲基化状态一致且多数是,非甲基化的，即多数的,CpG,岛处于非甲基化状态,CpG,岛的,DNA,甲基化是调控基因表达的开关，一般情况下,甲基化的,CpG,岛与基因沉默相关，非甲基化的,CpG,岛与基,因活化相关,哈工大,遗传学,第十四章,表观遗传学,二、与,DNA,

4、甲基化有关的酶类,DNA,甲基化有两种方式，维持甲基化和重新甲基化,所以相应的甲基化酶也分为两类：维持,DNA,甲基化转移酶,和重新甲基化转移酶,维持甲基化酶可识别半甲基化的,CpG,并以其为模板将,未非甲基化的,CpG,进行甲基化修饰,维持甲基化能够保证,不同发育阶段和不同细胞世代的甲基化状态的稳定遗传,重新甲基化酶可对未甲基化的,CpG,进行甲基化修饰,DNA,的从头甲基化主要发生在胚胎发育的早期，所以该类,酶主要在早期表达,哈工大,遗传学,第十四章,表观遗传学,DNMT3,在小鼠、人类和斑马鱼中得到鉴定，包括,DNMT3a,和,DNMT3b,在未分化的胚胎干细胞中高表达，但在体细胞,中低

5、表达，主要作用是重新甲基化，但对维持甲基化也起一,定的作用，并且是负责重复序列的甲基化,目前在真核生物中发现的,DNA,甲基化转移酶,DNMT1/MET1,最初从小鼠分离，后来在拟南芥中也分离到,同源序列,MET1,在生殖细胞中广泛表达，目前认为，该酶,主要参与,CG,序列甲基化的维持,哈工大,遗传学,第十四章,表观遗传学,蛋白,生物,主要特性,DNMT1,小鼠,CpG,维持,MET1(RTS2,拟南芥,CpG,维持,DIM-2,脉孢菌,CpN,重新,CMT3,拟南芥,CpNpG,维持,DNMT3a,小鼠,CpG,维持,CpG,重新,DNMT3b,小鼠,CpG,维持,CpG,重新,DRM2,拟

6、南芥,CpN,重新,DNMT2,动物,未知,RID,脉孢菌,RIP,必需,DNMT3L,小鼠,DNMT3,辅助因子,真核生物,DNA,甲基化转移酶,哈工大,遗传学,第十四章,表观遗传学,甲基化的,DNA,也会发生去甲基化，主要有两种,方式：主动去甲基化和被动去甲基化,主动去甲基化,在,DNA,去甲基化酶的催化下,5,m,C,的甲基,基团与胞嘧啶的,C-C,键断裂，从而使甲基化去除的过程,DNA,去甲基化酶首先在鸡胚核抽提物中发现，其特异,作用的底物是,CpG,中甲基化的胞嘧啶，因此称为,5,甲基胞嘧,啶糖苷酶，其作用依赖于,RNA,局部的,DNA,修复最终将嘧,啶以核苷形式加至原处,被动去甲基

7、化,若,DNA,甲基化转移酶或其相关因子异常,导至,DNA,甲基化不能发生，则随着,DNA,的复制,DNA,甲,基化逐渐被稀释,哈工大,遗传学,第十四章,表观遗传学,一般来说,DNA,甲基化与基因表达呈负相关，不仅启动子,区高甲基化与基因表达呈负相关，基因内部的甲基化与基,因表达也存在着弱的负相关,在体外，已甲基化的序列转入细胞后可抑制表达。相反,许多内源基因在经甲基化抑制剂处理后被激活,三、甲基化的功能,参与基因的表达调控,哈工大,遗传学,第十四章,表观遗传学,例,1,DNA,甲基化与基因组印记,遗传印记是指在配子或合子发生期间，来自亲本的等位基,因或染色体在发育过程中产生专一性的加工修饰，

8、导致后,代体细胞中两个亲本来源的等位基因有不同的表达活性,例,2,DNA,甲基化与组蛋白去乙酰化,大量实验表明，在,DNA,甲基化的区域，组蛋白普遍发生去,乙酰化。同时,DNA,甲基化与组蛋白去乙酰化对转录的抑制,具有协同效应,哈工大,遗传学,第十四章,表观遗传学,例,3,DNA,甲基化与胚胎发育,胚胎在发育和分化过程中,DNA,序列并没有改变，但在特,异性组织和器官中基因表达有特定的模式，研究表明这种,遗传外改变与,DNA,甲基化有关,例,4,DNA,甲基化与肿瘤,与正常组织相比，肿瘤组织总体甲基化水平降低，而局部,区域,如：肿瘤抑制基因的启动子区,甲基化水平升高,目前几乎在所有类型的肿瘤中

9、均发现了甲基化水平的异常,主要是原癌基因的甲基化水平降低和抑癌基因的甲基化水,平每升高,哈工大,遗传学,第十四章,表观遗传学,例,5,DNA,甲基化与,X,染色体失活,染色体失活受基因,Xist,的调控,Xist,基因转录产物,DNA,长,15kb,能将整个,X,染色体覆盖,使其失活,在失活的染色体上，大部分,CpG,是甲基化的，在活化的,染色体是非甲基化的。同时,Xist,基因,5,端在活性,X,染色体,中是完全甲基化的，而在失活,X,是非甲基化的,哈工大,遗传学,第十四章,表观遗传学,四,DNA,甲基化调节基因表达的机制,DNA,甲基化调节基因表达有三种可能的机制,1) CpG,岛的甲基化

10、干扰了一些转录因子,TF,与基因调控区,的结合，这可能是因为甲基从,DNA,分子的大沟中突出,阻止了转录因子与基因相互作用。已知许多转录因子都,对其同源结合位点的甲基化敏感,哈工大,遗传学,第十四章,表观遗传学,2,甲基化,DNA,与甲基化,DNA,结合蛋白结合，甲基化,DNA,结合蛋白阻碍转录因子的结合从而抑制基因的转录,如,MeCP1,甲基,CpG,结合蛋白,与,DNA,甲基化区域相,结合。然后通过改变某些区域的结构间接地阻止基本转,录因子与,DNA,结合,哈工大,遗传学,第十四章,表观遗传学,3) DNA,甲基化改变染色质结构，从而调节基因的转录,如组蛋白,H1,及,H1,家族的一些蛋白

11、,如磷酸化的,MDBH-2,可改变染色质结构，并可抑制卵黄生成素,基因的转录。已证实,DNA,甲基化与组蛋白去乙酰化正,相关，而乙酰化是调控基因表达的一重要方式,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,第二节,基因组印记,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,一、印记的发现,基因组印记,组织或细胞中,基因的表达具有亲本选择,性,即只有一个亲本的等位基因表达，而,另一亲本的等位基因不表达或很少表达的,现象，相应的基因则称为印记基因,父系不表达称父系印记,母系不表达称母系印记,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,Helen Crouse,于,1960,年在昆虫中首次提出,X,X,一、印记的发现,哈工大遗

12、传学,第十六章,表观遗传学,McGrath,和,Solter,的小鼠核移植实验,1984,种质细胞在受精发育过程中,雄原核替代雌原核,胚胎组织,雌原核替代雄原核,胎盘组织,胚胎死亡,可见，父系和母系基因组在发育过程中,担负的任务是不同的，且两者同时存在,是正常发育所必需的,一、印记的发现,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,DeChiara,小鼠,Igf2,基因敲除实验,1991,父系敲除，则发育成的动物个体小,母系敲除，则动物的个体没有变化,雌性敲除小鼠，它们后代的个体大小也没有变化,进一步的实验证实父系的等位基因被敲除后,Igf2,不,再表达,首次证实了印,记基因的存在,小鼠,Igf2,基

13、因为第一,个被鉴定的印记基因,一、印记的发现,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,1993,年,Rainier,等和,Wgawa,等首次发现基因组印记,也存在于人类，印记松驰或缺失可能导致癌症,90,年代末到现在，相继在羊、牛和猪等家畜中也,发现印记基因的存在，一些印记基因还是重要经,济性状的主效基因，对家畜的胚胎发育和出生后,生长起着重要的调控作用,一、印记的发现,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,迄今为止，除人类和哺乳动物外，报道印,记的物种还有,有袋类动物,和,种子植物,而在,鸟,类,鱼类,爬行类,和,两栖动物,中普遍认为不存,在印记,一、印记的发现,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学

14、,1,印记基因成簇存在,印记控制中心,imprinting control elements,ICE,交互印记,二、印记基因的特,点,2,非编码,RNA,基因,通常延伸数百,kb,以顺式作用调控邻近编码基因的表达,正义,RNA,基因，如,H19,XIST,反义,RNA,基因，如,Igf2r/Air,UBE3A/UBE3A-AS,micoRNA,基因,其他,RNA,基因,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,3,差异甲基化区域,差异甲基化区域,differentially methylated,region,DMR,是指染色体上甲基化状态具,有亲本特异性的区域，即来源于不同亲本的,DNA,序列甲基

15、化状态不同的区域,差异甲基化主要发生在基因的启动子区，少数在,外显子，现已发现的印记基因大多数具有,DMR,或受,DMR,调控,二、印记基因的特点,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,4,印记具有组织及发育阶段多态性,小鼠,Dcn,仅在胎盘中为母系表达，但在,15.5,天后的胎儿组织中,则表现为双亲表达,Mizuno et al., 2019,人,KCNQ1,基因在多数组织表现为父系印记，但在心脏中则表,现为双亲表达,Lee et al., 2019,小鼠,Grb10,基因在多数组织器官中是父系印记，但在大脑中是,双等位基因表达，而成体的大脑中则倾向于父本等位基因表,达,Hikichi et

16、al., 2019,二、印记基因的特点,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,5,印记基因遗传印记的保守性,即大多数印记基因在不同的物种中印记状态与印记方,向一致,如,PEG10,基因在人、鼠、牛、猪、羊等物种中均表现,为母系印记,二、印记基因的特点,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,基因名,位置,染色体,印记状态,人,小鼠,人,小鼠,COMMD1,2,11,否,父系,PLAGL1,6,10,母系,母系,IGF2R,6,17,父系,父系,GRB10,7,11,多态,多态,PEG10,7,6,母系,母系,PPP1R9A,7,6,父系,父系,DLX5,7,6,父系,父系,MEST,7,6,母系,母

17、系,COPG2,7,6,母系,父系,H19,11,7,父系,父系,IGF2,11,7,母系,母系,IGF2AS,11,7,母系,母系,TSPAN32,11,7,否,母系,TSSC4,11,7,否,父系,KCNQ1,11,7,父系,父系,KCNQ1OT1,11,7,母系,母系,CDKN1C,11,7,父系,父系,在人类和小鼠中签定的印记基因,部分,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,68,33,144,人类,共同,小鼠,51,43,8,2019,年,12,月,igc.otago.ac.nz/home.html,mgu.har.mrc.ac.uki/printing/implinkhtml,哈工大

18、遗传学,第十六章,表观遗传学,三、基因组印记的分子机制,1,H19,和,Igf2,的边界元件作用模式,Igf2,和,H19,分别位于人和小鼠的,11,号和,7,号染色体,位于同一基因簇内，位置相邻,Igf2,位于上游,交互印记,Igf2,母系印记,H19,父系印记,在,H19,基因的上游均有,DMR,控制基因的表达,在,H19,下游存在一个增强子,Igf2,和,H19,之间存在一个,ICE,也是,DMR,1,印记基因表达调控的经典实例,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,增强子阻遏蛋白,CTCF,H19,甲基化,启动子,印记控制中心,Igf2,H19,增强子,Igf2,增强子,Igf2,不转录

19、,H19,转录,Igf2,转录,H19,不转录,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,2,Igf2r,和,Air,的印记盒调控模式,ADS,等位基因差别信号,DNS,重新甲基化信号,ADP,ADS,特异结合蛋白,DNP,DNS,特异结合蛋白,H,1,H,4,甲基化位点,Air,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,Air,Air,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,Xist,基因,Tsix,启动子,P,Xi,Xist,基因,P,Xa,Xa,有活性的,X,染色体,Xi,失活的,X,染色体,甲基化,3,XIST,基因的反义转录调控模式,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,父源染色体,母源染色体,非印记

20、基因,印,记,基,因,DNA,甲基化,2,DMR,的形成机制,DMR,形成,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,印记基因与非印记基因的甲基化在生命周期中变化的异同点,相同点,都要经历两次去甲基化和重新甲基化的过程,不同点,印记基因在经历第一次去甲基化和重新甲基化后甲基化状态保持,不变，非印记基因则在第二次去甲基化和重新甲基化后甲基化状态,保持不变,印记基因的父源与母源等位基因在经历了第一次重新甲基化后甲,基化状态不同，而非印记基因则在两次去甲基化和重新甲基化的过,程中甲基化状态始终一致,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,3,关于揭示印记机制的关键性问题,配子中，甲基化如何区分父系印记基因、母

21、系,印记基因和非印记基因,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,四、印记基因的生理功能,1,调节胚胎和出生后的生长发育,2,调节神经系统的发育,3,其他功能,在生理上主要是调节细胞周期,分裂与凋亡,表,型上表现为,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,五、与基因组印记异常有关的疾病,1,PWS (Prader-Willi Syndrome,普拉德,威利症候群,先天性神经异常发育综合征,症状：智能障碍、婴儿时期肌肉张力低、发育迟缓、身材,矮小、手掌及脚掌偏小、因过于旺盛的食欲导致肥,胖并伴有早发性糖尿病,病因,15q11-q13,区父本表达基因的缺失或母本的双亲二,体,UPD,哈工大遗传学,第十六章

22、,表观遗传学,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,2,AS (Angel-man Syndrome,安格曼症候群,快乐木偶综合征,症状：智能障碍、常发笑、痉挛、缺乏语言能力、移动与,平衡运动困难，有颤抖的步伐与颤动的四肢，时有,癫痫症状,病因,15q11-q13,区母本表达基因的缺失或父本的双亲二,体,UPD,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,3,BWS (Beckwith-Wiedemann Syndrome,贝克威思,威德曼症候群,生长过剩综合征,症状：舌巨大，脐膨出和生长过剩为三大主要特征，同时,伴有内脏肿大（主要

23、为肝、肾和脾的肿大），出生时低血,糖，单侧肥大（身体的一侧生长过剩）等生长异常,病因,11p15.5,印记区印记基因,主要是,IGF2,和,CDKN1C,的表达异常,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,4,RSS (Russell-Silver Syndrome,罗素,西弗氏症候群,不对称身材,矮小,性发育异常综合征,症状：身材矮小，发育迟缓，面部特征异常，四肢长度不,对称，第五手指弯曲向内，单侧肥大（身体的一侧生长过,剩）等生长异常,病因,11p15.5,印记区印记基因,主要是,IGF2,和,CDKN1C,的表达异常,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,5,肿瘤,Tumours,症状：略,病因：任何印记基因的表达异常,如,Wilms tumor (nephroblastoma,哈工大遗传学,第十六章,表观遗传学,在二倍体中，一些有害的退化性突变被隐藏而在单倍体,中则显现出来，因而对生物而言，保持两套染色体较一,套染色体更有利,为什么在一些二倍体生物的组,织中，一些基因受印记控制，行为,上类