表观遗传学第五章基因组印记

1、表观遗传学第五章基因组印记内容纲要1 基因组印记2.那些基因是印记基因?3.印记是如何判读的?4.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?6.印记的维持和修改基因印记 1.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。«A.两个等位基因中只有一个印记基因表达 尊B.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基因印记1父系印记基因: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(mono-allelic) 2母系印记基因:鞋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(mono

2、-allelic)印记基因 1在小鼠中已发现80个印记基因尊一般认为在人中具有大致相等数量的印记基因 尊基因表达谱的分析结果表明可能有更多的印记基因 2.主要功能：出生前的生长发育；父系基因的表达9胚胎发育能力增强尊母系基因的表达弓胚胎发育能力削弱 3.在特定细胞系及神经发育方面有重要功能基因组印记的相关理论 1.两性之战(Kinship),遗传斗争(Genetic Conflict)， 双亲投资(Parental Investment)尊1许多印记基因与胎儿(fetus)和胎盘(placenta)的生长和发育相关瞬2父系：希望后代健康，能够延续基因的存在。父系表达的基因，例如Igf2,尸锯3

3、能够促进胎儿的生长以及营养 的摄取，可能会损害母系的健康3母系：产生更多的后代，延续自己的基因。母系表达的基因，例如Igf2R. Mash2. Gnas等能够抑制胎儿的生 长，减少营养的开支，从而提高生育后代的数量。基因组印记的相关理论(2) 1进化能力模型(Evolvability Model):通过印记的方 式，保护一些等位基因免受选择压力的影响，从而 提高群体对环境变化的适应能力尊生物体感知环境变化，决定等位基因是沉默还是表达尊例如，如果发育增强有好处，并且该等位基因已出现，则 其印记状态将被改变=1=1 2.卵巢里的时间炸弹(Ovarian time bomb):避免卵 巢滋养细胞疾病

4、(ovarian Trophoblastic disease) 尊孤雌胚胎(parthenogenetic embryos)的生长和发育：葡萄 胚，卵子不能成熟，持续生长以致形成癌症等； 如果改变孤雌胚胎的基因组，如删除特定的母系印记基 因，能够存活并类似父系基因组的印记模式印记基因的特征1通常成簇出现 2. 一个簇中一般有311个印记基因尊绝大多数多时编码可表达蛋白质的基因尊至少有一个起拮抗作用的ncRNA基因，具有双亲特异 性的表达模式 3.在染色体上的分布较为分散Epigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTCabNttpr27TP1abMouse dist

5、al chroinosom ?Human chrorrosorne 1W15.5Vcuse centra cwomxssome 7TCLObphrTnfrhtTM2CarsNapV4TseMpf lssc5/lmptT ? Cdfcn心丙砂纯 ?KC冋 CEKVT QTKcnqMK曲仃KCmKVLQTitf<pc5-WrrTssc438”唤?SSC6MM2Thfn$2Igf2!af2IC1 iH19OBPiil7nf1CARS 2心LATSSC5/PLTSSC5MPT1/ORCT2L0ACn_2$Ccwv心殆龙吃evvwrI TKPC5/W/W?TSSCtCD8VJAPATSSC0ASC

6、L2/HASH2 KCNO1OT1KCNQ1财 IGF2-H19FfPL23LNttpr27TP1Human chromoso rr>e1&Q11-CJ13CENASRSKNIIGrb3GABPB3Gaii/a5Gatxg3GAAPA5GABRG3表母父双未式奏 位 达系系等知PWS/ASSNURF-SNRPNUBE3A-UBE3A-AS 3.绝大多数都有CpG islands,能够发生DNA甲基化印记基因的特征 1.每一个印记基因簇由一个印记控制元件（imprintcontrol element ICE)所调控 2.也称为印记控制区域(imprint control regio

7、n ICR) 或者印记中心(imprinting centre，IC) 4在CpGislands内或附近通常有成簇的、有向的重复片段Allele 1Aitete 2印记基因的特征O Melhylatton0 AcetylatfonC) Transcription complexNature Reviews | Genetics印记基因的特征 1.具有等位基因不同的甲基化区域（differentiallymethylated regions，DMRs)鞋有些是在所有细胞里，有些具有组织特异性有些甲基化的DMR存在于激活的等位基因中，有些则存 在于失活的等位基因中 2通常具有不同的组蛋白修饰，染色

8、体结构等LT 3. DNA复制不同步鞋父系的拷贝较早发生复制印记的判读机制 1. IC/ICR/ICE较长的、顺式作用的序列调控多个基因 2.等位基因特异性的甲基化在生殖系(germ line)建立并维持通过印记机制双亲之一的等位基因的ICE活性 3.通过表观遗传修饰相关的顺式调控因子来调控印 记基因簇Differentially methylated regions (DMRs)一般在双亲文一的拿位染色体上发生甲基化I&DNA甲基化，组蛋白修饰以及polycomb蛋白质的协同作 用Epigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTC基因组印记的建立Pnmor

9、dial germ cellsEmbryoNature Reviews I Genetics印记的判读机制1.通过CpG岛或者启动子的差异甲基化来实现Allele 1CpGAllele 2CpGMethyl-C binding proteins (MBPs) Dnmtl (maintenance DMT) HDACs关闭染色体构像，形成异染色质HATDNMMM MHDAOchromatin remodelling complexMBDM MH3, kgH4 H3H4MK9Allele with DNAmethylatio nAllele without DNA methylationCpG岛的

10、差异甲基化a Model of DNA methyl at ion directing histone methylati onEpigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTCDNMTsAD& novo methylationMaintenance methylationInactive chromatinA Acetylationc Model of chromatin remodelling driving DNA methylationActive chromatinmethylationmethylationInactive chromatinO

11、Methylated DNAQ Hemi-methylated D NA Met hy a ted H3-K9Ca>HP1DNA metliyltransferase(DNMT)Histone niethyltransferase (HMT)Epigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTC印记的判读机制LCpGAllele 2抑制子与未被甲基化的沉默元件结合，沉默基因的表达。而当 沉默单元甲基化后，抑制子不再结合印记的判读机制例如CCCTC-binding factor (CTCF)能够与未甲基化的等位 基因结合，从而阻断上游启动子与下游增强子之间的联系，

12、从而使得上游基因的转录被抑制Epigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTC印记的判读机制4.反义转录本与CpG岛或启动子的甲基化联合作用机制bI»I|OOAllele 1CpG: CpGAllele 2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;改变DNA甲基化 或染色质结构;RNAi机制； 沉默不重叠的基因等Epigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTCEpigenetics, 2008-2009,反

13、义转录本的调控(iii)1. SiRNA与RNAi效应分子组 成复合物，并招募组蛋白甲 基转移酶2. 通过RNADNA结合到作用 位点3. H3K9发生甲基化4. Chromodomain (CD)蛋 白质(HP1)结合H3K95进一步甲基化，保证基因 沉默状态(iv)(v)HMTCD Y CD Y CD *MeTMe / TlMe-RNAi V(vi)DNA MT(vii)CD?Nuclease(viii)Epigenetics, 2008-2009,转录依赖的沉默沉默不重叠的基因模型1#: RNA介导的靶向定位岭具有抑制性的染色质修饰和DNA甲基化标记，例如X® ncRNA 决定

14、X-inactivation尊因ncRNA较小，很难验证其是否决定印记基因簇中所有基因的沉默物ncRNA结合到靶位的DN A序列上沉默不重叠的基因模型2#:转录诱导的沉默(A) ncRNA的转录激活待转录单元中的抑制元件区域抑制元件区域顺式的诱导沉默0染色质发生抑制性的修饰0染色质的修饰向两边扩散筋受到限制：(1)边界元件；缺乏允许修饰向两边扩散的DNA序列沉默不重叠的基因模型2#:转录诱导的沉默尊(B) ncRNA的转录抑制待转录单元中的活化元件区域尊例如：Ig基因的染色体附近区域«ncRNA的转录能够替换活化元件区域的结合蛋白质O从而阻止增强子与启动子的结合 0阻止通过活化因子调

15、控的基因表达ancRNA不需要与靶位的DNA结合Epigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTC转录依赖的沉默抑制元件区域o转录依赖的沉默o转录依赖的沉默o转录依赖的沉默活化元件区域o转录依赖的沉默o转录依赖的沉默o转录依赖的沉默No enhancer interaction* Domain Repressor ty Domain ActivatorQ Repressive marko两类印记基因簇第一类：母系印记簇l&E.g. Igf2Rf Kcnql, Pwsf Gnas 的基因印记簇O互补链上包含反义的ncRNA在母系的等位ICE发生甲基化O抑制nc

16、RNA的表达O表达编码蛋白质的基因尊在父系的等位ICE不发生甲基化O ncRNA表达O抑制编码蛋白质的基因表达Igf2R, Kcnql:采用ncRNA介导的沉默机制两类印记基因簇第一类:父系印记簇iE.g. Igf2 and Q/A7的基因印记簇1&在父系的等位ICE发生甲基化 包含与正义基因不重叠的ncRNA采用基于绝缘子的沉默机制Epigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTCncRNA介导的沉默机制Epigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTCEpigenetics, 2008-2009, Semester 1、UST

17、C E.g. Igf2R/Air, Kcnql/Kcnqlotl 印记基因簇印记调控ncRNA的表达由ncRNA顺式的沉默簇中的其他mRNA基因 鞋尽管ncRNA在互补链上，但是沉默机制并不需要与 尊可通过扩散的方式沉默染色质正义基因相重叠=1Epigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTCncRNA介导的沉默机制Kcnql / Igf2r cluster comparisonSimilar:p:詔二=800kb400kbMaternal ICE methylation imprint Paternally-expressed ncRNA ncRNAmediate

18、d silencing mechanism Bidirectional silencing by ncRNA Intronic ncRNA promoterAntisense ncRNAUnspliced ncRNATissue-specific imprinted mRNAs One ubiquitously imprinted mRNADifferent:Cluster sizeEscapersncRNAUnmethvlated active luEI I Silent geneActive geneEpigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTClgf2R/

19、AirScl22a322“2 ICE-母系印记 尊调Air ncRNA的表达&Air ncRNA对于抑制父系的切2几Scl22a3和S/c22q2表达 是必须的=1父系的等位ICE不被甲基化T父系ncRNA （如尸）表达9 抑制重叠的以及周围的正义基因的表达（父系）鞋DMR在妙啲第二个内含子中，也在如尸的启动子中0如果删除DMR 9 Air不表达9印记丢失O在人中，虽然存在DMR,但没有差异的组蛋白修饰，因此4” 不表达，因此ZGF药加6是双等位表达的WrAirSle22a2DAir的转录本部分与/歼重叠 不仅仅是简单的启动子竞争或RNAi机制0能够顺式的沉默不重叠的Scl22a3和弘

20、2"2O截短的為”转录本被印记但不能沉默其他基因，表明全长序列是 必须的鞋沉默可能是由染色质介导的O在大脑中虫灯无在灵长类生物中亦无ZSlc22a2/a3未发生甲基化修饰ncRNA可能通过覆盖对应的序列来招募异染色质因子 (HMTs, HDACs, repressors)Epigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTClgf2R/Air11Air-JOD ,I®Mas对2Scl22a3母系印记n i.母系染色体上的情况是怎样的?IGF2的竞争因子 2. IGF2:具有促细胞分裂能力；IGF2R：Epigenetics, 2008-2009, S

21、emester 1、USTCKcnql/Kcnqlotlr* nr*r*1LKcnqlAscl2PScl22ai8Kcnql Tsse4 Cd81nKcnql. Potassium channel QI总 ft他基因：Cdknlc. cyclin-dependent kinase inhibitor lcDKcnqlotl. KCNQ1 overlapping transcript 1 鞋启动子在ICE中母系甲基化T Kcnqlotl被抑制T Kcnql, Cdknlc etc.等基 因表达 ICE -父系的等位ICE不发生甲基化 T Kcnqlotl表达T Kcnql, Cdknlc etc

22、.等基因表达被抑制Kcnql/KcnqlotlKcnqllotiOsbpl5 Napll4 Phldci2 Cdknl nn n,L*-Scl22al8Kcnql Kcnqlotl的启动子在Kcnql的第十个内含子中弊转录本仅仅与K血相重叠尊因此，沉默机制并不是dsRNA/RNA干扰 ncRNA的调控机理类似如尸誌截短的Kcnqlotl ncRNA能够父系表达，但是不能沉默两 侧的基因ncRNA的表达对于沉默是不足够的Kcnql的表达不干轨Kcnqlotl的表达，因此沉默的机理 不是启动子竞争1&母系的Kcnqlotl截短没有任何影响Kcnql/KcnqlotlPS4polyAL7Or

23、ip1.7 kb antisense transcript with RNP complexesKcnql ICR HygromycinPS4polyA92OripKcnql ICR HygromycinH19H19RNA polll complex OOOD Kcnql ot1转录本的长度决定了对其两侧基因的沉默 弊野生型中转录本长为9.2kb,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T更好的传播 染色质的沉默修饰较长的转录本增强组蛋白修饰的水平首先是重叠基因的启动子H3-K9mel,接着H3-K9me3,然后 是非重叠的基因Epigenetics, 2008-2009

24、, Semester 1、USTC基于绝缘子的沉默机制nigf2H19 簇绝缘子在ICE/ICR中，当发生甲基化的时候被抑制 活性的绝缘子抑制增强子的活性©ncRNA (H19)与mRNAs (Igf2. Ins2)表达负相关，但 在沉默中的机制未知Epigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTCIgf2-H19Igf2-H19口未发生甲基化的ICE （母系）-染色质的绝缘子 e 在内胚叶中与CTCF （CCCTC-binding factor）结合 毬阻止增强子与砂的启动子发生作用 毬允许增强子与刃9的启动子发生作用毬CTCF与未甲基化的DNA结合，从

25、而使之不发生甲基化 口甲基化的ICE （父系） H19的启动子沉默毬阻止CTCF的结合Silont compartmontActive companmefitDMR1PaternalMaternalEnhancersActive compartmentEnhancers Chromatin-loop model毬DMR2在蚣/2的最后一个外显子上越在母系染色体上，未被甲基化的DMR与DMR1结合Tlgf2沉默 毬在父系染色体上，甲基化的DMR与DMR2结合T激活Igf2,并使之 接近增强子Igf2H9mat patn DMRl -在中胚叶中为组织特异性的沉默子«甲基化敏感的沉默子，在

26、未发生甲基化的母系染色体上与抑制因子结 合9抑制母系的®表达«在发生甲基化的父系染色体上，阻止与抑制因子的结合9促使父系 曲的表达 ICE上游的组织特异性的增强子(yellow)的调控作用使得2 在大脑的部分区域中，两个等位基因都可表达Epigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTCIgf2-H19Epigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTCIgf2-H19Igf2H9Epigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTCIgf2-H19Epigenetics, 2008-2009, S

27、emester 1、USTCIgf2-H19刃9-非编码的RNA,功能未知肆基因敲除不能观察到明显的表型越 Clean knock-out has no discernable phenotypel=:越高度的序列保守型(77%小鼠/人) 矽-类胰岛素的生长因子费突变引起的印记紊乱导致先天的生长失控Beckwith-Wiedermann syndrome (BWS)Epigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTCBeckwith-Wiedemann $yn drome 1小头 2.巨舌 3.胎盘增生Beckwith-Wiedernann syndromeMicro

28、cephaly Macro§lossia Umbilical hernia桥 Adam(a) Paternal chromosome(b) Materhal chromosome(c) Maternal chromosomeCB.Beckwith-Wiedemann $yn dromePWS-ASi|patBipnrtik 1CPrader-Willi/Angelman SyndromeEpigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTCEpigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTC IC具有双向的、长程的、顺式的作用机制:毬

29、母系中，AS-IC通过抑制PWS-IC沉默两侧基因（甲基化）PWS-IC:阻止顺式基因的甲基化Epigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTCe as-ic对于pws-ic的甲基化是必须的毬活性的AS-IC的能够激活Ube3a的表达卜AS-IC片段的缺失TAS -» Ube3冰默PWS-ASpatBipnrtik 1CPrader-Willi/Angelman SyndromeEpigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTCEpigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTCn as-ic在父系的染

30、色体上无功能/失活9 pws-ic活化9 父系等位基因的表达n PWS-IC定位于SNRP/VW5,端附近裁母系中DNA发生甲基化；父系中由于PWS-IC的保护机制，避免 了甲基化IE毬遗传/表观遗传的突变TPWS,父系表达的基因沉默9两边的 等位基因都被沉默PWS/ASPrader-Willi/Angelman SyndromeEpigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTCEpigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTC组织特异性：脑中父系等位基因U呢3伉被沉默，在其他组织 中都是双等位表达UBE3A反义转录本的父系表达无调控功能

31、 PWS-持续的基因紊乱越父系表达的基因簇沉默：SNURF/SNRPN, NECDIN, MKRN3, MAGEL2 AS -母系表达的基因UBE3/ or ATPIOCL默毬母系的印记基因发生表达Epigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTCPrader-Wi 11 i/Angel man Syndrome口 Prader-Willi syndrome andAngelman syndrome:智力迟钝 PWS patients:前额窄，手足较小,生殖功能不全，多食易胖口 Angelman (AS):小头、枕骨较平，乐天，类似木偶的运动(Happy Puppe

32、t syndrome).基因组印记的过程母系父系E11.5 EmbryoPrimordial FolliclePre-antrai FollicleMigrating PGCLULL JSomatic cellsE9 EmbryoPre-ovulatory FollicleGonocyte oSpermatogoniaMature SpermatozoaGlobal demethylation ofnon-imprinted sequencesFortihsationZygote原生殖细胞与体细胞中的印记原生殖细胞(PGCs)：起源于胚胎原始生殖期的 种具有多向分化潜能的干细胞体细胞：不具分化

33、潜能的终端细胞EI胚胎发育早期：非印记的基因发生去甲基化， 印记基因的甲基化模式保留原生殖细胞自E10.5E12.5发生去甲基化筋去除遗传的印记模式体细胞的基因印记模式保留终生精子中的父系印记口 精原细胞中发生血 novo sex-specific methylation越起始于出生前的有丝分裂的精母细胞中，出生后基本结束，在减数分裂的粗线期完全结束« DNA甲基转移Dnmt3a以及共作用因子加皿九自出生后的E12.5期 开始表达，而Q肋泣3方自出生后表达水平增加越在青春期，由于有丝分裂的持续，厂加皿“在精母细胞中的表达量升高，以维持甲基化模式« Dnmtls在减数分裂的粗

34、线期表达量降低：不能翻译的可变剪 切异构体的表达，竞争关系越缺失2）初加3“和Q”加3£的小鼠精子发生过程严重受损，并出现父系印 记的缺陷口雄性特异性的模式建立所依赖的因子/因素:弊保护ICR不被甲基化的因子促使ICR被甲基化的因子 BORIS = brother of the regulator of imprinted sites仅在雄性精子细胞中表达的DNA结合蛋白质与Igf2-H19 ICR相互作用与CTCF类似，都具有11个锌指结构域（同源物） 可能参与甲基化标记的去除，有选择性的识别并结合母系印记的ICRs上的CTCF位点，并阻止这些ICRs的甲基化I&CTCF的沉默与BORIS的活化介导了父系印记基因的甲基化过程Epigenetics, 2008-2009, Semester 1、USTC精子中的父系印记原生殖细胞：甲基化模式擦除精原细胞:开始建立新的甲基化模式口精母细胞：建立新的甲基化模精子细胞:ImprintreorganisationERASURE OF IMPRINTSNew DNAmethylation mark$DnmUYMlAssociated chromatin moctif ications?SpermalocyleRound speiinatidEpigenetics, 200