基因表达调控及表观遗传学

第九章基因表达调控及表观遗传学

基因表达是指基因通过转录和转译而产生蛋白质产物或转录后直接产生其RNA终产物如rRNA，tRNA等的过程。在这一过程中，基因的启动和关闭、活性的增加与减弱等都是受到严格的调控的。基因表达调控：细胞用来控制各基因产物的量及产出的时间和表达的空间。。不同类型的细胞在不同的发育阶段和不同的环境需求而需要表达不同的信息，这就需要9.1基因表达调控的多水平性

调控点：

1)转录前调控2)转录调控3)转录后调控转录后调控a.RNA加工调控：控制初级转录物如何及何时进行剪接形成可用的mRNAb.翻译调控：确立哪些mRNA转译成蛋白及何时转译c.mRNA降解调控：影响某些mRNA种类的稳定性d.蛋白质活性调控：选择性地使某些特异蛋白分子激活/失活/修改/区域化，从而影响蛋白怎样或何时起作用

9.2原核基因表达的调控原核生物基因表达调控的特点:调控主要是在转录水平上。原核细胞基因组的一个显著特点是：多数基因都按功能的相关性，将有关的基因成群连锁在一起，组成转录单元，协调地控制其转录，生成单个的多顺反子mRNA，最后转译成各个相应的蛋白质。9.2.1乳糖操纵子(lactoseoperon)

理解基因表达调控的先驱工作－－乳糖操纵子。E.coli对乳糖代谢的调控，由F.Jacob和J.Monod于1961年提出。E.coliβ-半乳糖苷酶合成受葡萄糖调节的过程当培养基中葡萄糖用尽而存在乳糖时，大量合成β-半乳糖苷酶；当再次加回葡萄糖时，停止β-半乳糖苷酶的合成。可以看出，E.coli能够对环境的变化作出反应，打开或者关闭某一特定的基因。E.coli细胞代谢乳糖需要两种酶：

β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透膜酶只有当培养基中以乳糖作为唯一碳源消耗时才合成这些酶，在不需要利用乳糖时就不合成，以节省能量。概念：诱导基因

组成型基因

结构基因—编码蛋白质的基因，包括酶，机体组织成分等。

调节基因—控制结构基因转录起始和产物合成速率的基因，其蛋白起调控作用。在有诱导物如乳糖存在时，能刺激其表达的基因总是能表达，且其合成速率不受环境变化或代谢状态影响的基因β-半乳糖苷酶β-半乳糖苷透膜酶乙酰转移酶乳糖诱导zyaZYA组成型突变株中，不管是否有乳糖存在，三种酶都可大量表达.推测这三种酶的合成受一个共同的调节基因i控制ZYA调节基因i是如何调节3个结构基因的表达的呢？乳糖代谢的相关基因图谱调节基因在机能上有活性或者被抑制，由位于邻接于结构基因一端的操纵基因（operatorgene）所控制。在单一操纵基因控制下的这样一群邻接的结构基因，称之为操纵子（operon），是基因表达的协同单位。操纵子的控制区包括操纵基因、启动子等组成。乳糖操纵子的作用机制在缺乏乳糖分子存在时（上半部分）和有乳糖分子时（下半部分）问题：lacI－中，为什么无论有否乳糖分子存在，3个结构基因均大量表达？正调控：是指没有调节蛋白存在时，基因是关闭的，当加入调节蛋白分子后，基因活性开启，能进行转录。负调控：在无调节蛋白时基因表达具有转录活性，一旦加入调节蛋白，则基因活性被关闭，转录受到抑制。由调节基因i产生的阻碍蛋白属于什么调控？诱导(induction)、诱导物(inductor)、阻遏(repression)、阻遏物(repressor)阻碍蛋白与操纵基因的结合是如何阻止操纵子转录的呢？操纵基因启动子-RNA聚合酶结合位点阻碍蛋白RNA聚合酶RNA聚合酶与阻碍蛋白的结合位点重叠产生竞争序列分析表明，操纵基因位于-5~+21bp间，RNA聚合酶保护区域在-48~+5bp间，也就是说，RNA聚合酶和阻遏蛋白的结合位点是重叠的。阻遏蛋白与操纵基因结合即会阻止RNA聚合酶与启动子的结合，从而抑制操纵子基因的表达。E.coli为什么优先利用葡萄糖呢？RNA聚合酶在lac起动子起始RNA合成时需要cAMP受体蛋白(CRP)的协助。无葡萄糖时ATPcAMP

CRP-cAMP激活转录腺苷酸环化酶ATPcAMP

CRP-cAMP不能转录腺苷酸环化酶失活G葡萄糖存在时思考：如果CRP基因发生突变，lac操纵子的活性怎样？综上所述，乳糖操纵子的调节作用归纳如下：无诱导物时，转录作用被调节基因所产生的阻遏蛋白阻断。加入诱导物后，诱导物与阻遏蛋白形成复合物使阻遏蛋白失活，基因开放，转录出多顺反子mRNA，翻译出3种相关酶。CRP-cAMP复合物与CRP位点的结合创造了RNA聚合酶与启动子结合的条件，促进基因的表达和转录的起始。CRP-cAMP是一个正调节因子，它与作为负调节因子的阻遏蛋白表现相反的调节作用。负控制阻遏体系是指代谢产物与阻遏物结合，导致阻遏物的激活并与操纵基因结合，使基因关闭，酶不能合成。这种类型的操纵子常见于与合成代谢有关的操纵子。负控制阻遏体系研究得较多的是大肠杆菌的色氨酸（trp）操纵子。9.2.2色氨酸操纵子(tryptophanoperon)

色氨酸操纵子调节基因表达调节基因通过这种调控方式，细胞只在需要Trp时才制造Trp，这是Trp操纵子在第一水平上的调控。问题：如果调节基因trpR突变，会怎样？在缺乏色氨酸的状态下，色氨酸操纵子的转录速率是在有色氨酸存在的状态下的70倍。

由此可见，色氨酸操纵子在第一水平上调控的重要性。在调节基因trpR突变缺乏阻遏蛋白的情况下，不管是否存在色氨酸，都应该会大量合成色氨酸。然而发现，即使这时添加色氨酸到培养基上，色氨酸生物合成酶的合成速率仍然减少了10倍，为什么？原来色氨酸操纵子存在第二水平上的调控。这是由色氨酸操纵子中一段叫弱化子（attenuator）的序列的作用所造成的。乳糖操纵子中，基因表达水平由操纵基因和阻遏物控制。然而在色氨酸操纵子中，弱化机制的加入使基因表达调控达到更高一级的水平。细菌通过弱化作用辅助了阻遏作用的不足，因为阻遏作用只能使转录不起始，对于已经起始了的转录，则只能通过弱化作用使它中途停顿下来。阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少，而弱化作用的信号则是细胞内载有色氨酸的tRNA。对多顺反子trp操纵子的mRNA测序后发现，在第一个结构基因（trpE）5′端有一个长162bp的前导序列。当前导序列发生部分缺失或突变时，所产生的mRNA总是最高水平，对操纵子的阻遏不起作用。Yanofsky称控制这种现象的序列为弱化子。即如果有较高水平的Trp存在，前导肽就容易生成，这时长的Trp操纵子mRNA就不能完成，如果缺乏Trp

，前导肽就不容易生成，这时Trp操纵子mRNA就能合成，从而转录出Trp合成相关的酶。前导区转录物中存在一起始密码子和终止密码子，意味着这一段RNA能转译出一个14肽—前导肽。在这14肽中竟然有两个相邻的Trp（在E.coli中属稀有氨基酸，约1/100），这两个相邻的Trp密码子对于mRNA的折叠有关键作用，由它们决定了下游的结构基因是否转录。在162个核苷酸的前导序列中，除了前导肽编码序列外，另外还包含有4个能进行核苷酸互补配对的片段：①区、②区、③区和④区。①区能和②区配对、②区能和③区配对、③区能和④区配对，从而使前导序列形成二级结构的构形变化。前导区的功能并不是由于它产生了某种基因产物，它与trpR基因的作用方式（通过其基因产物反式作用）不同，它仅作用于同一染色体上的结构基因而不涉及其它染色体上的基因。弱化作用调控的实质是以转译手段来控制基因转录的。③区和④区配对形成转录终止子结构，一旦形成，RNA及RNA聚合酶就从DNA上释放出来，转录终止。原核生物操纵子模型曾给科学工作者以鼓舞，以为可以解释多数生物的基因表达调控机制。但多年的努力尚未能在真核生物基因表达中确认有任何操纵基因、阻遏蛋白、CRP结合位点等的存在。真核生物基因基本上都是单顺反子的，有多种RNA聚合酶，且功能各不相同，另外，真核生物在基因水平、染色质水平和细胞水平上结构的复杂性也非原核生物所比。经典的操纵子学说不适用于真核生物真核生物特别是多细胞高等生物基因组与原核生物比较的特点：大而结构复杂；DNA与组蛋白组成染色体，具各种重复序列；核结构将基因的转录和转译分隔在细胞的不同区域；个体由功能差别很大的不同组织器官构成；不同发育阶段具有明显不同的特征。这表明真核基因的表达调控比原核基因的表达调控更为复杂多样。9.3真核基因的表达调控真核生物基因表达的特点是细胞的全能性和基因表达的时空性。看家基因（housekeepinggenes）：负责合成一些与维持细胞生命及增殖所必需的一些蛋白质如组蛋白、核糖体蛋白、代谢酶、结构蛋白等的基因。也就是说，在各类不同的细胞中均表达的一组基因，高等真核生物中其数目约在10000左右。基因表达调控是指对除看家基因以外的基因的表达调控。9.3.1染色质结构与基因表达调控真核生物的重要特征之一是其核基因组DNA与蛋白质结合，形成以核小体为基本单位的染色质结构而存在于细胞核内。

转录活性存在于一种疏松结构的染色质中。染色质结构在有潜在转录活性的形式（常染色质，euchromatin）和转录抑制凝聚状态（异染色质，heterochromatin）间转换。组蛋白与非组蛋白对基因转录的调控模型真核生物染色体DNA与大量的组蛋白和非组蛋白结合。组蛋白与DNA结合可通过束缚DNA而抑制基因转录；非组蛋白磷酸化后带负电荷，与组蛋白结合，从而起始转录。由此可见，组蛋白在染色质水平的基因表达调控中起重要作用。染色质的螺旋化程度与DNA转录活性有关。活化与未活化基因的染色质结构明显不同，活化基因位于开放的染色质结构中并对DNaseI高度敏感，而染色质紧密的超螺旋结构限制了转录因子对DNA的接近与结合，从而抑制基因的转录过程。基因的活化和转录需要染色质发生一系列变化，如染色质去凝集、核小体变成开放式疏松结构，使转录因子等更易接近到核小体DNA。染色质这种结构的变化叫染色质重塑（chromatinremodeling）。起关键调节作用的转录因子表达模式的建立和维持需染色质重塑。外界和胞内信号介导的染色质重塑调控基因表达，并最终调控细胞的分化和个体的发育。然而，染色质状态的改变并不等于该处的基因一定被转录，而只是为转录创造了条件。9.3.2DNA结构对基因表达的影响

在DNA大分子的一级结构序列之中携带有DNA大分子能够与某些外来分子结合、导致构象改变的信息。也就是说，DNA分子的核苷酸序列不仅带有编码信息，也带有构象信息。某一基因表达与否及表达效率的高低既与DNA的一级结构有关，也与DNA的高级结构有关。9.3.2DNA结构对基因表达的影响癌细胞可以无休止的增殖，而衰老细胞则生长缓慢或根本不能增殖。研究发现，某些癌细胞DNA比正常细胞DNA有更高的超螺旋度，而正常人体细胞DNA的超螺程度会随细胞年龄增加而下降。这些都表明DNA的超螺旋度有重要的生理功能，可能与基因表达有关。在任何细胞中，凡需表达的基因，其超螺旋度需恰好符合该段DNA解链的要求，允许RNA聚合酶与之结合并进行转录；而那些暂不需要表达的基因，则都以不适合解链的超螺旋度存在，因而不被转录，也就是说DNA的超螺旋度适合与否决定基因能否表达，就象“开关”一样决定着基因的命运。9.3.3基因数目及其重排方式调控基因表达在个体发育的某一阶段或细胞分化过程中急需某种蛋白质，或为了对抗某些环境因素时，细胞会以基因扩增的方式调节基因表达。例如，非洲爪蟾的卵母细胞在大量合成蛋白质时，细胞中的rDNA基因拷贝数由平时的1500拷贝扩增为2×106拷贝，胚胎期开始时，这些增加的rDNA便失去功能并逐渐消失；某些肿瘤细胞中的癌基因也会通过基因扩增方式提高活性。基因丢失也是DNA水平基因表达调控的一种形式。例如，小麦瘿蚊在卵裂时，卵的一端细胞保持完整基因组的全部40条染色体，并由这些细胞产生生殖细胞，而卵另一端的细胞则只保留8条染色体；马蛔虫在前四次卵裂中，体细胞均有部分染色质消减。染色体上基因的重排是DNA水平基因表达调控的另一形式，也叫体细胞重排（somaticrecombination），是抗体多样性发生的机制之一。通过体细胞重排，淋巴细胞前体细胞中的DNA序列被剪接，形成重排的基因，从而产生高度的抗体多样性，以对抗自然界不同的抗原。X基因调控区示意图9.3.4调控序列和调控蛋白的调控真核细胞的一个基因调控区包括启动子及对其调控的所有的调控序列。这些调控序列距离启动子或远或近，多数在基因的上游，也有的在下游。在高等真核细胞中一个基因的调控序列往往扩展达50kb之长，其中常间以不被调控蛋白所识别的空档区（spacer）。调控蛋白的调控：真核生物的三种RNA聚合酶都不能直接结合DNA元件，需要其他因子的辅助才能启动转录。真核生物的调控元件可被不同的转录因子及调控蛋白所识别和结合来调节转录。调控蛋白多达数千种，结合在基因上、下游的调控区，但在细胞中的含量不多。不同细胞类型或基因往往需要不同的调控蛋白，它们对DNA序列的识别有特异性，这种特异性依靠调控因子对DNA结合基序的结合实现。真核细胞抑制蛋白调控基因表达的作用机制图解①与活化蛋白竞争结合位点；②掩盖活化蛋白的活化表面；③直接地与转录因子相作用而起抑制作用。

调控蛋白抑制蛋白（负调控）：它们不直接与RNA聚合酶竞争DNA结合位点。大约有三种作用的机制。活化蛋白（正调控）：至少具有2个不同的功能区域，一个区域为识别特异DNA调控序列并与之结合的结构基序，另一个区域则是与启动子上的转录结构接触并加速转录启动的活化区域。9.3.5非编码RNA的调控根据RNA是否含有编码蛋白质信息将RNA分为mRNA和非编码RNA（noncodingRNA，ncRNA），在真核生物中97%的转录本为ncRNA，它可以由它们自己的基因（RNA基因）编码，也可以从mRNA的内含子等产生。看家RNA一般属于组成型表达，是细胞生存以及基本功能所必须的，主要有rRNA、tRNA、snRNA、snoRNA和端粒RNA等。调控RNA一般在组织发育或细胞分化的特定阶段表达或对环境的应激表达。ncRNAncRNA对基因表达的调控是多方面的，它参与mRNA的稳定和转译水平的调节、蛋白质的运输、RNA的加工和修饰及影响染色体的结构等。20~23nt长的microRNA（miRNA）和经常由病毒RNA降解产生及由内源编码产生的20~25nt的小干扰RNA（smallinterferingRNAs，siRNA）可通过RNA干扰（RNAinterference，RNAi）机制抑制一个mRNA的转录或通过诱导其降解来调控基因表达。研究发现，miRNA的作用靶位可以是mRNA的编码区和非编码区，且一个miRNA具有多个mRNA编码区作用靶位。人类基因组中至少有上千种miRNA参与RNA介导的靶向编码蛋白质基因表达的抑制。各种癌细胞中发现有10%的miRNA发生过表达或下调，称为微癌RNA（oncomiRs）。有些miRNA和siRNA能够引起目标基因的甲基化，从而增强或减弱基因的转录活性。RNAi是正常生物体内抑制特定基因表达的一种现象。当细胞中导入与内源性mRNA编码区同源的双链RNA时，该mRNA发生降解而导致基因表达的沉默。这种RNA干扰技术已经成为研究基因功能和基因表达调控机制的重要工具。有研究证明含有启动子区的dsRNA在植物体内同样被切割成21~23nt长的片段，这种dsRNA可使内源相应的DNA序列甲基化，从而使启动子失去功能，使其下游基因沉默。外源导入或由转基因、病毒感染等各种方式引入的双链RNA被Dicer酶逐步切割为21~23核苷酸长的小分子干扰RNA片段。siRNA双链结合多种核酸酶从而形成RNA诱导沉默复合物（RISC）。激活的RISC通过碱基配对定位到同源mRNA转录本上，并在距离siRNA3′端12个碱基的位置切割mRNA，从而介导RNA干扰过程。人工利用RNA干扰技术的机理piRNA（Piwi-interactingRNA）是从哺乳动物睾丸组织中发现的一类能与PIWI蛋白质相互作用的长度为26~31nt的新型小分子单链RNA，piRNA能维持基因组中转座子的正常沉默状态，以防止基因组中转座子爆发而引起相应基因的改变。piRNA与siRNA及miRNA均是近些年发现的非编码小RNA，它们均可通过一套相应的机制进行RNA干扰，在转录、转录后甚至转译水平对靶基因及蛋白进行调节。piRNA（Piwi-interactingRNA）是2006年7月在动物生殖细胞中发现的一类新小分子非编码RNA，长度为26~31nt的单链RNA，能与PIWI蛋白质相互作用。piRNA能维持基因组中转座子的正常沉默状态，以防止基因组中转座子爆发而引起相应基因的改变。Piwi蛋白是Argonaute蛋白家族的一个亚家族，Argonaute家族蛋白质是小分子RNA介导基因沉默作用的核心组分。反义RNA（anti-senseRNA）：指与mRNA互补的RNA分子。是反义基因（antisensegene）或基因的反义链（antisensestrand）转录的产物。反义RNA能与mRNA分子特异性地互补结合，从而抑制该mRNA的加工和转译，如反义的Tsix转录产物在XistRNA沉默X染色体的过程中起重要作用。它不必具有和mRNA等长的核苷酸链，短的片段如50个核苷酸就能起到抑制加工和转译，从而调控基因表达的作用。反义技术现已用于抑制动、植物病毒，果蔬保鲜，肿瘤治疗及反义药物开发等。利用反义RNA原理，进行肿瘤或爱滋病基因治疗是目前临床应用的主要手段之一，也是基因治疗的重要方向。9.3.6选择性剪接真核生物中，一个编码区包括多个内含子和外显子。在断裂基因初级转录本的剪接中，通常总是把所有的内含子剪掉，然后将外显子依次地连接起来，因此，一种断裂基因只能产生一种成熟的mRNA，合成一种多肽，这过程称为组成型剪接（constitutivesplicing）。但研究发现许多断裂基因在其转录本剪接中，通过不同的剪接方式可从一个基因产生多种不同的多肽或蛋白质，生物体通过这种选择性剪接（alternativesplicing）来调控基因的表达，产生不同的蛋白质以适应不同的环境需要。一个基因可以编码多个蛋白利用不同的启动子小鼠淀粉酶在不同组织中mRNA的选择性剪接肌钙蛋白T基因的选择性剪接利用同一启动子顺式选择性剪接：利用同一pre-mRNA上的外显子发生的剪接。此外，在人类还发现了一种新的选择性剪接方式——反式选择性剪接：利用不同Pre-mRNA上的外显子剪接成为不同成熟mRNA的过程。选择性剪接是一种转录后加工的过程，明显地扩大了基因编码蛋白质的能力。通过选择性剪接可产生多种不同的多肽，这打破了“一个基因，一条多肽”的概念。事实上，50%左右的人类基因通过选择性剪接，平均每个基因产生2~3种不同的转录物，从而大大扩展了20000个左右人类基因的遗传信息。目前发现，基因点突变导致的遗传性疾病中大约有15%是通过选择性剪接而发生的。此外，反式选择性剪接在人类基因上的发现使选择性剪接更加扑朔迷离。9.3.7RNA编辑RNA编辑是一种较为独特的遗传信息加工方式，即转录后的mRNA在编码区发生碱基插入、删除或转换的现象，是在RNA分子上的一种修饰。RNA编辑可发生在细胞核、细胞质及线粒体和质体中，不同RNA有不同的编辑方式。编辑情况RNA来源U插入/删除C

U替换A

I替换C插入G插入锥虫线粒体哺乳动物细胞核、植物线粒体真核生物细胞核变形菌副黏液病毒RNA编辑是一复杂的过程，同一基因在不同的组织或编辑或不编辑，或以不同的方式编辑。以U插入或缺失为例说明RNA编辑过程：引导RNA(gRNA)与RNA初始转录本配对；新形成的双链区域被编辑体包裹；编辑体在mRNA第一个未配对的核苷酸处切断mRNA并插入碱基，然后沿mRNA的3’到5’方向进行下一个插入。编辑体由位点特异性核酸内切酶、UTP末端转移酶和RNA连接酶组成gRNA为14-51nt，允许A/U配对，gRNA在初始转录本的插入或删除位点周围含有与之互补的区域。9.3.8mRNA稳定性与基因表达调控细菌为了能够适应环境的快速变化，其mRNA的转换速度非常快，平均寿命仅~3min。真核生物细胞处于一个相对稳定的环境，mRNA也较为稳定，其寿命长达数小时。如种子萌发，在没有RNA合成时，也能形成多聚核糖体及开始蛋白合成，所以种子内一定贮存有稳定的mRNA模板，莲子在1700年后仍能萌发，可见其mRNA可存活相当长时间。mRNA的稳定性除与转录后加工以及与其结合的蛋白种类有关外，还与mRNA编码的蛋白质功能和其他多种因素有关。mRNA由RNA酶（RNase）降解。其降解始于3′端，位于该处的polyA先被水解，然后去除5′端帽子，并通过核酸内切酶对mRNA进行消化。mRNA一般在细胞质内降解，但无义突变RNA却在加工输出过程中在核内降解。mRNA上几个不同的区域可作为降解信号：如5′端序列、内部二级结构、3′端序列及poly（A）尾等。RNA通常折叠成一特殊的三级结构，这种结构能够刺激或抑制RNase的消化，此外，可能还有一些蛋白质结合到mRNA上起到保护mRNA被降解的作用。ncRNA也参与RNA稳定性调控，如siRNA通过一系列机制降解同源mRNA。mRNA稳定性对基因表达调控影响的举例说明：Myc基因存在于所有动物中，Myc蛋白的过量可能导致细胞的癌性增长，在特殊细胞的分化过程中，Myc蛋白能起到一种开关的作用打开其它基因的表达，因而细胞只在需要的时候打开Myc基因，及合成某一个特定浓度的Myc蛋白，因而MycmRNA是相对不稳定的，其半衰期约30分钟。在该基因3′端的非转译引导区含有较长的富含A和U的序列，删除该区域可增加mRNA的稳定性，同时引起细胞的癌性增长，暗示这部分mRNA可能负责MycmRNA的迅速降解。9.3.9蛋白质修饰在基因表达调控中的作用某些蛋白质以前体形式合成，然后经蛋白酶水解成为长短不同的肽段；某些蛋白质则在转译以后再进行某些氨基酸的修饰，如羟基化、磷酸化、乙酰化、糖基化等。9.4表观遗传调控多细胞有机体的细胞在遗传上是同质的，但在结构和功能上却是异质的。同卵孪生子的基因结构相同，但在多方面表现出差异。这是由于基因差异表达的结果。基因差异表达传统意义上的遗传信息－－DNA序列，指导蛋白质合成。DNA、组蛋白或染色体水平的修饰－－表观遗传信息，它发出的是何时、何地、以何种方式去应用遗传信息的指令。非DNA序列遗传信息改变产生的基因功能或表型变化同样可通过有丝分裂或减数分裂而保持，这叫表观遗传（epigeneticinheritance）。表观遗传调控主要是在转录前，通过DNA修饰、组蛋白修饰、染色质重塑等方式执行基因表达调控。在所有真核生物细胞中都存在这样一种高层次的基因表达调控，它形成了细胞分化的重要分子基础。当然，表观遗传调控也作用于其他调控位点，如转录水平甚至转译水平的调控，这不是绝对的。遗传学的进一步发展，诞生了一门探索从基因演绎为表型的过程和机制的一门新兴学科－－表观遗传学。表观遗传学（Epigenetics）：研究不涉及DNA碱基序列改变而基因的表达或细胞的表型却发生了稳定和可遗传变化的基因表达和调控的可遗传修饰。它具有三层含义：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；③没有DNA序列的变化或不能用序列变化来解释。表观遗传学的事件主要是通过不同的机制使得染色体结构发生变化从而造成基因表达的不同。表观遗传调控举例：1、DNA甲基化对基因表达的影响2、组蛋白修饰对基因表达调控的影响3、核开关调控基因表达1.DNA甲基化对基因表达的影响DNA甲基化是在甲基化酶的作用下，将一个甲基添加到DNA分子中的碱基上的化学修饰现象。在大多数真核生物中，胞嘧啶约有2-7％是甲基化的，这些甲基化的C（m5C）往往出现在CG顺序中。由于这两个碱基是自身互补的，且细胞内含有维持甲基化的酶，所以在DNA的两条链上总是同时出现甲基化现象。1.DNA甲基化对基因表达的影响OriginofCpG(CG)islandsTheCGislandisashortstretchofDNAinwhichthefrequencyoftheCGsequenceishigherthanotherregions.

ItisalsocalledtheCpGisland,where"p"simplyindicatesthat"C"and"G"areconnectedbyaphosphodiesterbond.

CpGislandsareoftenlocatedaroundthepromotersofhousekeepinggenesorothergenesfrequentlyexpressedinacell.

Attheselocations,theCGsequenceisnotmethylated.

Bycontrast,theCGsequencesininactivegenesareusuallymethylatedtosuppresstheirexpression.

ThemethylatedCmaybeconvertedtoTbyaccidentaldeamination.

UnliketheCtoUmutationwhichisefficientlyrepaired,theCtoTmutationcanbecorrectedonlybythemismatchrepairwhichisveryinefficient.

Hence,overevolutionarytimescales,themethylatedCGsequencewillbeconvertedtotheTGsequence.

ThisexplainsthedeficiencyoftheCGsequenceininactivegenes.哺乳动物中，CpG序列在基因组中出现的频率仅有1%，远低于基因组中的其它双核苷酸序列。

使用某些限制性内切酶可以研究DNA序列的甲基化状况，如HpaII识别并切割未甲基化的C

CGG，而MspI识别无论是否甲基化的CCGG，切割后的片段分别进行电泳，即可鉴定这些CCGG序列是否甲基化

DNA甲基化对基因表达起重要作用。原核生物中甲基化与非甲基化基因的转录活性相差103倍，真核生物中相差可达106倍。一般认为，CG序列的甲基化能抑制基因表达。雌性哺乳动物细胞中X染色体失活的Barr小体或基因组印记中等位基因的表达与父母来源有关等，这类基因可能与CpG的高度甲基化有关。那些一直处于活性转录状态的看家基因始终保持低水平甲基化。成年珠蛋白基因在网织红细胞中低甲基化，而在其它细胞中是高甲基化，据此有人认为甲基化作用可能是一种发育调节机制，正常胚胎发育过程中不同分化细胞的选择性基因活化主要决定于甲基化和染色体结构二因素的变动。

甲基化状态的改变是致癌作用的一个关键因素，它包括基因组整体甲基化水平降低和CpG岛局部甲基化程度的异常升高，这将导致基因组的不稳定（如染色体的不稳定、可移动遗传因子的激活、原癌基因的表达）。DNA低甲基化可能通过提高染色体的不稳定性来促进肿瘤的形成。需要注意的是，在使用DNA甲基转移酶抑制剂恢复肿瘤抑制基因的活性来治疗癌症时，可能在防止一些癌症发生的同时，也会造成基因组的不稳定并增加其他组织罹患癌症的风险。在生物发育某一阶段或细胞分化的某种状态，原先处于甲基化状态的基因，也可以被诱导去甲基化而出现转录活性。DNA去甲基化由基因内部的片段及与其结合的因子所调控。

DNA甲基化虽未改变核苷酸顺序及组成，但它是一类高于基因水平的基因调控机制，是将基因型与表型联系起来的一条纽带。基因甲基化调控基因表达的可能机理目前有三种解释：第一种机制认为DNA甲基化直接干扰特异转录因子与各自启动子的识别位置结合。第二种机制认为是通过在甲基化DNA上结合特异的转录阻遏物而起作用，这种蛋白质能与转录因子竞争甲基化DNA结合位点，从而阻止转录的进行。第三种机制是影响染色质结构，认为DNA甲基化后与组蛋白结合更紧，使核小体结构更紧密，结果影响转录。

2.组蛋白修饰对基因表达调控的影响在真核生物染色体的多级折叠过程中，DNA同组蛋白（H3、H4、H2A、H2B和H1）结合在一起。进化上组蛋白极端保