基因组学讲课

染色质和DNA修饰韩兰春2013年11月28日主要内容1、染色质，DNA的概念2、组蛋白修饰种类及对基因表达的影响3、DNA修饰种类及对表达的影响4、染色质重构回顾知识染色质（chromatin）最早是1879年Flemming提出的用以描述核中染色后强烈着色的物质。现在认为染色质是细胞间期细胞核内能被碱性染料染色的物质。染色质的基本化学成分为脱氧核糖核酸核蛋白，它是由DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA组成的复合物。根据着色的深浅染色质有常染色质和异染色质之分DNA：即脱氧核糖核酸，是一种长链聚合物，组成单位称为四种脱氧核苷酸，也叫碱基。DNA是染色体的主要化学成分。DNA是一种分子，可组成遗传指令，以引导生物发育与生命机能运作。带有遗传信息的DNA片段称为基因。常染色质与异染色质1.常染色质：基因表达活跃的区域，染色体结构较为疏松2.异染色质：基因表达沉默的区域，染色体结构致密核小体常染色质异染色质常规的染色质修饰染色质化学修饰的类型染色质化学修饰是指对染色质的组成成分，如DNA、RNA、组蛋白、非组蛋白进行化学基团的添加或去除的反应过程。常见的染色质化学修饰方式有：甲基化-去甲基化，乙酰化-去乙酰，磷酸化去磷酸。除此之外，还包括泛素化ADP-核糖基化和二硫键形成等修饰方式。染色质中的组蛋白和DNA成分是最主要的化学修饰底物。目前，已在细胞中发现了一系列的染色质修饰酶类，这些酶不仅具有高度的位点特异性，而且对底物原有的修饰状态也有选择性。组蛋白的化学修饰位点通常位于其N-端或C-端尾区，极少数情况下（如H3-K79）位于内部；有些位点可发生双修饰反应；相邻位点的磷酸化修饰与甲基化修饰可能相互干扰染色质中的组蛋白和DNA成分是最主要的化学修饰底物。

一组蛋白的化学修饰组蛋白化学修饰发生在组蛋白N端尾部，尤其是组蛋白H3和H4的修饰起始了染色质结构的变化。组蛋白尾部由20个氨基酸组成，并且从DNA转弯处的核小体间延伸出来。acK:acetyl-Lys;meR:methyl-Arg.meK:methyl-Lys;PS:phospho-Ser.uK:ubiquitinatedLys组蛋白的修饰1、甲基化组蛋白甲基化是由组蛋白甲基化转移酶(histonemethyltransferase，HMT)完成的。甲基化可发生在组蛋白的赖氨酸和精氨酸残基上，而且赖氨酸残基能够发生单、双、三甲基化，而精氨酸残基能够单、双甲基化，这些不同程度的甲基化极大地增加了组蛋白修饰和调节基因表达的复杂性。甲基化的作用位点在赖氨酸(Lys)、精氨酸(Arg)的侧链N原子上。*Lys甲基化常发生在：组蛋白H3的第4、9、27和36位，H4的第20位。*Arg甲基化常发生在:组蛋白H3的第2、l7、26位及H4的第3位。

组蛋白甲基化对基因表达的影响研究表明：组蛋白精氨酸甲基化是一种相对动态的标记，精氨酸甲基化与基因激活相关，而H3和H4精氨酸的甲基化丢失与基因沉默相关。相反，赖氨酸甲基化似乎是基因表达调控中一种较为稳定的标记。例如，(1)与基因激活相关的赖氨酸残基甲基化：H3第4位、第36位、第79位。(2)与基因沉默相关的赖氨酸残基甲基化：H3第9位、第27位以及H4的第20位。

但应当注意的是，甲基化个数与基因沉默和激活的程度相关。2．乙酰化

组蛋白乙酰化主要发生在H3、H4的N端比较保守的赖氨酸位置上，是由组蛋白乙酰转移酶和组蛋白去乙酰化酶协调进行。组蛋白乙酰化呈多样性，核小体上有多个位点可提供乙酰化位点，但特定基因部位的组蛋白乙酰化和去乙酰化是以一种非随机的、位置特异的方式进行。

·组蛋白乙酰化在DNA复制过程中短暂发生.·

组蛋白乙酰化与激活基因表达相关.组蛋白的乙酰化在两种环境下发生组蛋白乙酰化乙酰化可能通过中和赖氨酸以及精氨酸的正电荷来增加与DNA的排斥力，以及通过相互作用蛋白的影响，来调节基因转录。早期对染色质及其特征性组分进行归类划分时就有人总结指出：异染色质结构域组蛋白呈低乙酰化，常染色质结构域组蛋白呈高乙酰化。最近有研究发现，某些HAT复合物含有一些常见的转录因子，某些HDAC复合物含有已被证实的阻遏蛋白。这些发现支持了高乙酰化与激活基因表达、低乙酰化与抑制基因表达有关的看法。组蛋白乙酰化增强基因转录机制1）乙酰化转录因子，使之与DNA结合能力增强；2）转录因子活化的结构域招募HATs复合物；3）HAT复合物的乙酰化组蛋白，打开染色质；4）转录激活；5）HATs复合物中共激活因子被乙酰化修饰；6）HATs复合物乙酰化之后离开，转录激活消失。H3和H4组蛋白的乙酰化与活性的染色质相联系,而其甲基化则与失活的染色质相关.组蛋白修饰是一个关键事件3．组蛋白的其他修饰方式相对而言，组蛋白的甲基化修饰方式是最稳定的，所以最适合作为稳定的表观遗传信息。而乙酰化修饰具有较高的动态，另外还有其他不稳定的修饰方式，如磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP核糖基化等等。这些修饰更为灵活的影响染色质的结构与功能，通过多种修饰方式的组合发挥其调控功能。所以有人称这些能被专识别的修饰信息为组蛋白密码。这些组蛋白密码组合变化非常多，因此组蛋白共价修饰可能是更为精细的基因表达方式。另外，研究发现H2B的泛素化可以影响H3K4和H3K79的甲基化，这也提示了各种修饰间也存在着相互的关系。

组蛋白共价修饰的功能基因转录、DNA损伤修复、DNA复制、染色体凝聚等

4组蛋白修饰与基因调控基因表达是一个受多因素调控的复杂过程.组蛋白是染色体基本结构-核小体中的重要组成部分,其N-末端氨基酸残基可发生乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、多聚ADP糖基化等多种共价修饰作用.

大多数组蛋白上的修饰位点被单一的,特异的修饰,但一些位点可以多于一个位点的修饰.个别功能与一些位点的修饰直接相关.

组蛋白修饰为什么会影响基因表达呢？

两种解释(1)

组蛋白的修饰可通过影响组蛋白与DNA双链的亲和性,从而改变染色质的疏松或凝集状态,(2)或通过影响其它转录因子与结构基因启动子的亲和性来发挥基因调控作用.组蛋白修饰对基因表达的调控有类似DNA遗传密码的调控作用.二DNA修饰（一）DNA甲基化

DNA甲基化是最早发现的修饰途径之一，这一修饰途径可能存在于所有高等生物中并与基因表达密切相关。大量研究表明，DNA甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则诱导了基因的重新活化和表达。DNA甲基化能引起染色质的结构、DNA构象、DNA稳定性以及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。研究证实，CpG二核苷酸的胞嘧啶的甲基化导致了人体三分之一以上剪辑转换而引起的遗传病。实验证明，甲基化这个过程不但与DNA的复制起始及错误修正时的定位有关，还可以通过基因的表达参与细胞生长，发育过程及染色印迹，X染色体失活等的调控。

（1）

DNA甲基化的定义

DNA甲基化是指:在DNA甲基化转移酶的作用下，在基因组CpG岛的CpG二核苷酸的胞嘧啶5‘碳位共价键结合一个甲基基团。（2）甲基化转移酶

维持性甲基化转移酶和从头合成型甲基化转移酶；——维持性甲基化转移酶是遗传DNA甲基化状态最重要的酶类，它可以在甲基化母链模板的指导下甲基化新合成链的相应位点，使DNA迅速由半甲基化状态转变为完全甲基化状态，即参与甲基化的维持；——从头合成型甲基化转移酶可以催化为甲基化的CpG成为mCpG，此过程不需母链指导，但速度很慢。但这一类甲基化酶是特异基因受甲基化调控的主要因子，在基因表达的表观遗传学调控中起十分重要的作用。DNA甲基化的位点DNA甲基化主要形成5－甲基胞嘧啶（5-mC）和少量的N6-甲基腺嘌呤（N6-mA）及7－甲基鸟嘌呤（7-mG）C5-mCCpG岛（CpGIsland）CpG岛（CpGIsland）：成簇的CpG二联体被称为“CpG岛”CpG岛的结构特征：一般以1－2kb的DNA长度范围内，（G＋C）含量超过60％（正常的为20％），并有高浓度的CpG二核苷酸，高出平均水平10～20倍。CG岛通常是一些稀有的内切酶的切点，如果基因组中这种限制位点的紧密成簇，则表明含有CG岛，然后进行Southern印迹可鉴定基因。人基因组内有45000个CpG岛，其中16000个在Alu序列中，还存在29000个CpG岛;组成型表达的基因中100％含有CpG，在组织特异性表达的基因中40％有CpG。没有甲基化的C极易变成U而被修复，甲基化C脱氨基后形成T，因此CpG序列容易丢失。在两个CpG岛之间有8－10碱基的重复序列，该序列决定了甲基化发生的地点。CpG占基因组的10％，其中70－80％为甲基化。未甲基化的CpG岛处于组成性表达基因启动子的周围；也存在于一些组织特异性基因的启动子周围CpG岛的甲基化改变了染色质结构，造成高度螺旋化，失去了DNase敏感性，阻止了启动子的活化，同时能够与甲基化CpG结合蛋白质结合，如组蛋白去乙酰化酶等，可以抑制基因的表达。DNA甲基化的分布染色体水平上，DNA甲基化在着丝粒附近水平最高基因水平上，DNA甲基化高水平区域涵盖了多数转座子，假基因和小RNA编码区,在最新的研究发现，甲基化似乎对长度较短的基因有较强的转录调控能力，而对长基因的调控能力十分微弱。甲基化与基因表达调控关系图

甲基化与基因表达调控

*

哺乳动物基因组的大片区域被甲基化的DNA序列所标记，这种甲基化的DNA区通常是异染色质区；*甲基化的DNA序列经常可以被一些DNA结合蛋白(如MeCP2)所识别，这些DNA结合蛋白可以招募组蛋白去乙酰化酶和组蛋白甲基化酶，从而修饰附近的染色质；*因此,

DNA甲基化往往能标记异染色质形成的区域。甲基化的作用：1、原核生物中，DNA甲基化是为了抵抗噬菌体侵害而发生碱基C和A上的化学修饰。如大肠杆菌的限制修饰系统中，自身DNA特定位点的甲基化可以避免限制性内切酶的切割。2、真核生物中，甲基化被分为对称性甲基化(canotical/symmetricmethylation)，包括CpG和CpNpG，以及非对称甲基化(asymmetricmethylation)，包括CpHpH。多数细胞5-甲基胞嘧啶主要出现在CpG中。DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、组蛋白修饰及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。DNA甲基化为正常发育所必需。正常细胞中DNA甲基化的功能包括转座因子的沉默、病毒序列的失活、染色体完整性的维持、X染色体失活、基因组印记及大量基因的转录调节等。一些研究还发现随着个体年龄的不同，DNA甲基化水平存在差异，提示个体的发育和衰老过程与DNA甲基化相关DNA甲基化特点：可遗传的，即这类改变通过有丝分裂或减数分裂能在细胞或个体世代间遗传；（表观遗传学）是基因表达的改变;没有DNA序列的变化，或不能用DNA序列变化来解释。在DNA去甲基化酶的作用下可以去甲基化，即具有可逆性。（二）、基因突变定义：是由于DNA分子中发生碱基对的增添、缺失或替换，而引起的基因结构的改变。从分子水平上看，基因突变是指基因在结构上发生碱基对组成或排列顺序的改变。基因虽然十分稳定，能在细胞分裂时精确地复制自己，但这种稳定性是相对的。在一定的条件下基因也可以从原来的存在形式突然改变成另一种新的存在形式，就是在一个位点上，突然出现了一个新基因，代替了原有基因，这个基因叫做突变基因。于是后代的表现中也就突然地出现祖先从未有的新性状。基因突变的性质（1）普遍性（2）随机性（3）稀有性（4）可逆性

（5）少利多害性（6）不定向性（7）有益性（8）独立性（9）重演性

基因突变的种类（1）碱基置换突变：转换和颠换（2）移码突变（3）缺失突变（4）插入突变基因突变在我们实际生活当中也有一定的应用，比如诱变育种，害虫防治等。（三）另外两种新碱基

DNA碱基组成是各种生物一个稳定的特征，这种组成不受年(菌)龄以及突变因素以外的外界条件的影响，即使个别基因突变，碱基组成也不会发生明显变化。一般认为DNA分子含有四种碱基：腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。近几年，有人将表观遗传学修饰——5-甲基胞嘧啶称为第5种碱基，5-羟甲基胞嘧啶（5-hmC）称为第6种碱基。

研究人员在人体胚胎干细胞和实验老鼠器官染色体组中发现了两种新型的DNA碱基：5fC（5-甲酰胞嘧啶）和5caC（5-羧基胞嘧啶），改变了原有认为DNA碱基只有4种（近期增加至6种）的观点，这对于干细胞和癌症的研究具有重要意义。这两种碱基实际上都是由胞嘧啶经由张毅教授研究组一直研究的关键蛋白：Tet蛋白修饰后形成。这一研究成果公布在Science杂志上。

张毅教授，这位华人科学家曾入选2008年ScienceWatch选出的高影响力论文的数量最多的研究人员，他是分子生物学和遗传学领域高影响力论文的数量最多前十位顶级科学家之一，发表了多篇Nature，Science，Cell等顶级杂志文章，是一位高产高效的科学家。

Tet蛋白是重新编程已经分化的细胞的一种重要功能蛋白，人类和小鼠都拥有Tet蛋白，研究发现这种蛋白在DNA