第7章 基因组表观遗传学6

第十章基因组表观遗传

（epigenetics）1958Crick提出遗传信息传递的中心法则碱基序列（基因）决定性状，序列改变，引起性状的改变。影响基因表达的遗传变异因素基因突变（错义突变）基因缺失/倍增染色体结构及数目变异问题：基因表达的变化（或性状的变化）一定是DNA序列变异的结果吗？BUT…

“Someauthorsusetheterm“variation”inatechnicalsense,asimplyingamodificationdirectlyduetothephysicalconditionsoflife;and“variations”inthissensearesupposednottobeinherited;butwhocansaythatthedwarfedconditionofshellsinthebrackishwatersoftheBaltic,ordwarfedplantsonAlpinesummits,orthethickerfurofananimalfromfarnorthwards,wouldnotinsomecasesbeinheritedforatleastafewgenerations(Darwin,1859)?”Lamarckwasthefirstmanwhoseconclusionsonthesubjectexcitedmuchattention.Thisjustlycelebratednaturalistfirstpublishedhisviewsin1801...hefirstdidtheeminentserviceofarousingattentiontotheprobabilityofallchangesintheorganic,aswellasintheinorganicworld,beingtheresultoflaw,andnotofmiraculousinterposition.（Darwin,

1861）Jean-BaptisteLamarck

(1744-1829)获得性遗传（Inheritanceofacquiredcharacteristics）问题环境的作用能否改变个体的遗传特性，并传递给下一代?

这种被称为“拉马克学说”(Lamarckism)的观点一直被正统的生物学家拒之门外。一种结论：个体在发育和生长过程中获得的环境影响，被遗传给了后代。瑞典一个科学家小组的研究:对于生于1890-1920年的瑞典男人的孙辈而言，如果其祖父在青少年期间吃得很好，那么孙辈因糖尿病而死亡的概率就很高；如果其祖父是在饥饿中长大的．那么孙辈死于心脏病的机会就很少。也就是说，祖父辈的饮食状态影响到了孙辈的健康状态。什么决定基因？多莉：生于1996年7月5日，死于2003年2月14日DollyIanWilmut伊恩·维尔穆特爵士

多莉：：死掉了……Dr.EvilDr.EvilDr.Evil’sClone“MiniMe”叶酸:很重要？ThecalicocatRainbowCopyCatAllie?同卵双生的双胞胎虽然具有相同的DNA序列，却存在表型的差异和疾病易感性的差异xx马骡驴骡骡子更象谁？单单从DNA序列上寻找众多疾病的病因是片面的，往往事倍功半，对于某些疾病甚至可能永远找不到答案。人类基因组：~30，000个基因vs.100,000个蛋白质——可变剪切2.表观遗传学基因概念的延伸：生物体的复杂性

由此我们可以认为，基因组含有两类遗传信息，一类是传统意义上的遗传信息，即DNA序列所提供的遗传信息，另一类是表观遗传学信息，它提供了何时、何地、以何种方式去应用遗传信息的指令。

Science

7April2000:Vol.288.no.5463,p.38WasLamarckJustaLittleBitRight?MichaelBalterAlthoughJean-BaptisteLamarckisrememberedmostlyforthediscreditedtheorythatacquiredtraitscanbepasseddowntooffspring,newfindingsinthefieldof

epigenetics,thestudyofchangesingeneticexpressionthatarenotlinkedtoalterationsinDNAsequences,arereturninghisnametothescientificliterature.AlthoughthesenewfindingsdonotsupportLamarck'soverallconcept,theyraisethepossibilitythat"epimutations,"astheyarecalled,couldplayaroleinevolution.Epigeneticscomesofage“Themajorproblem,Ithink,ischromatin…youcaninheritsomethingbeyondtheDNAsequence.That’swheretherealexcitementofgeneticsisnow”(Watson,2003).由Bellvitge生物医学研究协会癌症表观遗传与生物学研究组ManelEsteller领导的研究组，发表题为“DNAmethylationprofilingintheclinic:applicationsandchallenges”的综述文章，概况了近期在应用表观遗传学研究方面的最新进展，强调了这一领域的研究将能用于预测肿瘤的行为和弱点。NatureReviewsGenetics,2012Oct;13(10)MGMT和GSTP1甲基化的两项研究检测，证明这两个表观遗传修饰在预测脑癌是否对替莫唑胺药物敏感，以及区分前列腺癌和良性增长等方面，发挥了关键的作用。MGMT(O6-甲基鸟嘌呤-DNA甲基转移酶):是细胞修复DNA损伤的一种酶,修复细胞DNA烷基化损伤.GlutathioneS-transferase(GST)

是谷胱甘肽巯基转移酶。是体内生物转化最重要的Ⅱ相代谢酶之一，是细胞抗损伤、抗癌变的主要解毒系统。北卡罗来纳州大学医学院进行了一项研究，首次在人体两种最基本的表观遗传学标签之间建立了联系，这两种基础表观遗传学标签就是组蛋白修饰和DNA甲基化。该文于2012年9月30日发表在NatureStructural&MolecularBiology杂志上。UHRF1的蛋白参与了表观遗传学标签的维持.Epigenetics（Waddington1942年提出）epigeneticsUponorbeyond研究没有DNA序列变化的、可遗传的基因表达的改变(ThestudyofheritablechangesingenefunctionthatoccurwithoutachangeinthesequenceofgenomicDNA.

)在实践方面：已经在癌症和遗传疾病研究与治疗、流行病学研究、克隆、农业、生态学等诸多方面得到了广泛的应用；一、表观遗传学概念表观遗传学有如下三层含义：(1)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；(2)是基因表达的改变，没有DNA序列的变化或不能用序列变化来解释；(3)许多表观遗传的改变是可逆的，这就为疾病的治疗提供了乐观的前景。表观遗传学的发展历史1941年，HermannJ.Muller发现Positioneffectvariegation(PEV)——第一种表观遗传学现象。1942年，Waddington提出现代Epigenetics的概念，认为基因型通过一些“偶然的、不确定的机制”决定了不同的表型。1958年，R.A.Brink发现paramutation现象。1961年，MaryLyon发现X染色体失活现象。1983年，DNA甲基化的发现。DNA或组蛋白的共价修饰（如DNA甲基化，组蛋白乙酰化）RNA编辑副突变(paramutation即一个基因被另一个与其同源的基因所抑制)亲本印迹（等位基因来自不同亲本）位置效应（基因的染色体位置改变）X染色体失活等机制1、副突变（paramutation）是指一个等位基因可以使其同源基因的转录产生稳定可遗传变化。也就是基因或DNA本身没有变化，属于一种后天的改变。即具有同一位点的两个等位基因之间的相互作用，它导致其中一个等位基因发生一个可遗传的变化。Paramutation一个沉默的基因常常导致等位基因也发生沉默maizeP-rrgene：Myb转录因子原因一：染色体发生交联，使得等位基因受到影响；原因二：RNA参与调控2、基因组印迹（genomicimprinting）二倍体细胞中来自某一亲本的等位基因或它所在染色体发生了表观遗传修饰，导致不同亲本来源的两个等位基因只有一个可以表达，另一个因甲基化而沉默。基因组印迹是两个亲本等位基因的差异性甲基化型造成了一个亲本等位基因的沉默，另一个亲本等位基因保持单等位基因活性(monoallelicactivity)。BAAB表达沉默表达沉默不同亲本来源的印迹基因的DNA甲基化型都是在生殖细胞成熟过程中建立的。原始性细胞（2n）配子（n）合子（2n）遗传印迹正交Igf-2Igf-2Igf-2mIgf-2mIgf-2Igf-2Igf-2mIgf-2m反交♂♀正常小鼠矮小型小鼠矮小型小鼠矮小型小鼠正常小鼠正常小鼠Igf-2mIgf-2Igf-2Igf-2m类胰岛素生长因子IGF-2普-威综合征（Prader-Willisyndrome,PWS）PWS的大部分患者的致病原因为染色体15q11-13缺失，缺失主要发生在父源染色体。与基因组印记的调节有重要关系。位置效应（positioneffect）在生物学中，由于染色体畸变改变了一个基因与其邻近基因或与其邻近染色质的位置关系，从而使它的表型效应也发生变化的现象。

X染色体失活（X-chromosomeinactivation）雌性哺乳动物细胞中的两条X染色体中会有一条发生随机失活。X染色体的Xq13.3区段有一个X失活中心(X-inactioncenter，Xic)，存在着X染色体失活相关的特异性转录基因Xist，这个基因转录一段17kb不翻译的RNA与X染色体结合，引发失活。失活从Xic区段开始启动，然后扩展到整条染色体。雌性的一条X染色体完全失去活性RainbowCopyCatAllieX染色体失活X染色体失活XXXYXYXXBarrbodyX染色体的失活状态需要表观遗传修饰如DNA甲基化来维持。X染色体失活特点组蛋白H4不被乙酰化CpG岛的高度甲基化X染色体失活障碍引发疾病Wiskott-AldrichSyndrome免疫缺陷性疾病PuckJM,etal.NEnglJMed.1998从现在的研究情况来看，表观遗传学变化主要集中在三大方面：DNA甲基化修饰：基因选择性转录表达的调控非编码RNA的调控作用：基因转录后的调控组蛋白修饰：蛋白质的翻译后修饰，染色体组装这三个方面各自影响特有的表观遗传学现象，而且它们还相互作用，共同决定复杂的生物学过程。因此，表观遗传学也可理解为环境和遗传相互作用的一门学科。遗传与表观遗传真核生物全部遗传信息遗传密码组蛋白密码

？密码基因组DNA序列组蛋白氨基端修饰

？DNA与染色质相同的基因型不同的表现型基因表达模式基因表达模式(geneexpressionpattern)决定细胞类型的不是基因本身，而是基因表达模式，通过细胞分裂来传递和稳定地维持具有组织和细胞特异性的基因表达模式对于整个机体的结构和功能协调是至关重要的。基因表达模式在细胞世代之间的可遗传性并不依赖细胞内DNA的序列信息。基因表达模式的信息标记表观遗传修饰(epigeneticmodification)DNA分子的特定碱基的结构修饰(如胞嘧啶的甲基化)染色质构型重塑(chromatinremodeling)(如组蛋白的构型变化)Quiz,J.nature.2006对基因组而言，不仅仅是序列包含遗传信息，而且其修饰也可以记载遗传信息。这种在基因组的水平上研究表观遗传修饰的领域被称为表观基因组学(epigenomics)。1999年在欧洲成立了一个研究表观基因组的机构，即人类表观基因组协会(HumanEpigenomeConsortium，HEC，http://www.E)。该协会在2003年10月正式宣布开始实施人类表观基因组计划(HumanEpigenomeProject，HEP)。人类表观基因组计划是要绘制出不同组织类型和疾病状态下的人类基因组甲基化可变位点

(methylationvariableposition，MVP)图谱。MVP也就是指在不同组织类型或疾病状态下,基因组序列中甲基化胞嘧啶的分布和发生概率。二、DNA甲基化DNMT1SAM胞嘧啶5-甲基胞嘧啶S-腺苷甲硫氨酸DNA甲基化修饰决定基因表达的模式，即决定从亲代到子代可遗传的基因表达状态。DNA甲基转移酶(DNAmethyltransferase,DNMTs)DNA甲基化C–>5mC–>T?5-Methylcytosine(5mC)?胞嘧啶甲基化后产生5-甲基化胞嘧啶能够自发的脱氨基形成胸腺嘧啶(Thymine)：m5C->TDEAMINATIONDeamination:去氨基化反应AnenzymetoremoveitfromDNA:uracil-N-glycosylase.哺乳动物中，~1%的DNA碱基能够发生甲基化修饰DNA甲基化的分布：(1)转座子(2)逆转录病毒衍生的重复序列(3)大多数功能基因的编码区DNA甲基化(1)DNA甲基化的模式：(1)线虫：无甲基化的胞嘧啶(2)果蝇：极少量的甲基化胞嘧啶，识别模式CpT(主要)vs.CpG(极少)(3)哺乳动物：CpG(~70%)或者CpNpG(4)高等植物：CpG

、CpNpG，~20-30%的C被甲基化

CpG–CytosinephosphateGuanine难以被DNA修复系统所识别：CG→TG是可遗传的DNA甲基化(2)CpG岛的甲基化(1)1.CpG岛：富含CpG区域，长度500~1000bp，GC含量超过55%2.非随机出现：~60%的编码基因的5’UTR区域（转录起始区域）含有CpG岛。3.C-T转换率是其他碱基对转换率的10-40倍以上4.例如：人类肿瘤细胞中的p53基因，50%的点突变都发生在CpG上。CpG岛的甲基化(2)1.CpG在重复片段以及基因的3’UTR区域能够发生甲基化2.CpG岛通常不被甲基化3.哺乳动物中：26,000-45,000CpG岛。常分布在持家基因和一些组织表达特异性基因的启动子区域4.CpG岛：可以被HpaII酶(C|CGG)切成小片段，因此也叫HTF岛DNA甲基化的检测1.传统实验方法Methylation-sensitiverestrictionenzymesMethylation-specificenzymeMcrBC2.现代方法MeDIP:methylatedDNAimmunoprecipitationassayMBD：methylationbindingdomain3.DNA甲基化位点的确定：BisulfitegenomicsequencingDNA甲基化的检测甲基化特异性PCR（MSP）测序:非甲基化的C将被测序成T，反链为A精确的功能有待进一步研究，一般学术界公认的两类功能是:宿主防御模型(TheHostDefenceModel)基因调控模型(TheGeneRegulationModel)DNA甲基化的功能宿主防御模型1.转座子的甲基化2.人类基因组~45%的区域是转座子3.高度甲基化，细胞中90%的甲基化CpG位于转座子中4.转座子的活性：对机体非常有害5.宿主防御模型：抑制转座子的活性DNA甲基化vs.转座子叶酸：很重要逆转录病毒IAP(intracis-ternalAparticle)对小鼠的侵袭力最强非甲基化：异常表达Agouti甲基化：正常表达以基因型为a/a的母鼠及其孕育的基因型为AVY/a的仔鼠作实验对象。孕鼠分为两组，试验组孕鼠除喂以标准饲料外，从受孕前两周起还增加富含甲基的叶酸、乙酰胆碱等补充饲料，而对照组孕鼠只喂饲标准饲料。人类基因组中：甲基化与转座子沉默L1重复序列位于AT富集区Alu重复序列位于GC富集区检测一段606kp的基因组序列发现，553个甲基化位点有315个位于重复序列，其中，与CpG岛相连的基因中，内部的L1和Alu均被甲基化，但是启动子区域未甲基化。基因调控模型1.DNA甲基化的主要功能：转录沉默(silencingtranscription)(1)基因的启动子区域通常不被甲基化修饰(2)建立特定的基因表达模式：组织特异性、生殖特异性…(3)基因印记、X染色体失活基因调控模型2.DNA甲基化抑制基因转录的机制：(1)干扰转录因子对DNA元件的识别和结合(2)将转录因子的DNA识别序列转变为阻抑物的识别序列(3)DNA甲基化有利于招募染色质重塑或修饰因子3.DNA甲基化：是转录沉默的结果和维持，而不是原因DNA甲基化抑制基因转录的机制Long-termsilencing直接干扰机制间接机制Themethyl-CpG-bindingproteinsMeCP1andMeCP2能够与甲基化的DNA结合MeCP2能够招募Sin3a,HDACs，形成复合物，阻遏转录MeCP2真核生物的DNA甲基转移酶1.哺乳动物:DNMT1,DNMT3A,DNMT3B，DNMT3L,DNMT22.拟南芥：DRM2,MET1，DNMT2,

CMT33.粗糙脉孢菌(Neurosporacrassa):DIM2,dim-5,RIDDNA甲基转移酶DNA甲基转移酶:系统发育分析哺乳动物的DNA甲基转移酶◄daughterstrand◄daughterstrandDNMT1:maintenancemethyltransferasesDNMT3A&DNMT3B:denovomethyltransferases–胚胎移植过程中高表达DNA甲基化的维持：两种模型PCNA:在染色体上滑动UHRF1：特异性的与半甲基化位点结合DNA甲基转移酶的功能DNA甲基转移酶物种主要功能DNMT1哺乳动物Maintenance，denovo(CpG)DNMT3A哺乳动物denovo(CpG)DNMT3B哺乳动物denovo(CpG)DNMT3L哺乳动物DNMT3辅助因子，无活性中心DNMT2哺乳动物tRNAAsp的甲基化DRM2拟南芥denovo(CpN)MET1拟南芥Maintenance(CpG)DNMT2拟南芥未知CMT3拟南芥Maintenance(CpNpG)DIM2粗糙脉孢菌denovo(CpN)RID粗糙脉孢菌RIP必须DNA甲基化状态的遗传和保持：DNA复制后，新合成链在DNA甲基转移酶DNMT1