分子细胞生物学-7-基因表达调控与表观遗传学

基因表达调控与表观遗传学基因表达调控——基因表达概述转录前调控（表观遗传修饰）转录水平上的调控转录后调控（加工、成熟）翻译水平上的调控

翻译后的蛋白质修饰分子水平细胞水平个体水平真核基因表达调控——基因表达概述基因表达的时间特异性基因表达的阶段与组织特异性珠蛋白的时空表达为什么地中海贫血不影响胎儿发育？甲胎蛋白的组织特异性真核基因表达调控——转录前调控染色体丢失：

马蛔虫生殖细胞全基因组，而体细胞基因组部分丢失

红细胞细胞核丢失

原生动物四膜虫

大核（营养核基因丢失）、小核（生殖核）基因扩增：

卵母细胞（非洲爪蟾）

rDNA（200拷贝）→在减数分裂期Ⅰ大量复制→200万rDNA拷贝真核基因表达调控——转录前调控基因重排真核基因表达调控——转录前调控染色质结构：常染色质、异染色质真核基因表达调控——转录前调控甲基化与去甲基化真核基因表达调控——转录水平上的基因调控基因调控的顺式作用元件(cisactingelements)启动子（promotor）RNA聚合酶结合并起动转录的DNA序列。元件名称共同序列结合的蛋白因子名称分子量结合DNA长度TATAboxTATAAAATBP30,000～10bpGCboxGGGCGGSP-1105,000～20bpCAATboxGGCCAATCTCTF/NF160,000～22bpOctamerATTTGCATOct-176,000～10bpkBGGGACTTTCCNFkB44,000～10bp真核基因表达调控——转录水平上的基因调控基因调控的顺式作用元件(cisactingelements)增强子（enhancer）能够使与它连锁的基因转录效率明显增加的DNA序列。由若干组件构成，基本核心组件常为8－12bp，可以单拷贝或多拷贝串连形式存在。必须有启动子，与启动子位置可远近、方向可正反，增强效应，有组织或细胞特异性。真核基因表达调控——转录水平上的基因调控基因调控的顺式作用元件(cisactingelements)沉默子（

silencer）抑制基因转录效率的DNA序列。沉默子的作用可不受序列方向的影响，也能远距离发挥作用，并可对异源基因的表达起作用。真核基因表达调控——转录水平上的基因调控增强子（enhancer）研究技术真核基因表达调控——转录水平上的基因调控基因调控的反式作用因子(trans-actingfactors)转录因子(transcriptionfactors,TF)为球状蛋白,具有DNA结合域和转录激活结构域。真核基因表达调控——转录水平上的基因调控基因调控的反式作用因子(trans-actingfactors)转录因子的结构类型——螺旋-转角-螺旋（helix-turn-helix，HTH）真核基因表达调控——转录水平上的基因调控基因调控的反式作用因子(trans-actingfactors)转录因子的结构类型——锌指结构（Znfinger）真核基因表达调控——转录水平上的基因调控基因调控的反式作用因子(trans-actingfactors)转录因子的结构类型——亮氨酸拉链结构（leucinezipper）真核基因表达调控——转录水平上的基因调控基因调控的蛋白与DNA、蛋白与蛋白作用真核基因表达调控——转录后水平的调节hnRNA的修饰加工——戴帽真核基因表达调控——转录后水平的调节hnRNA的修饰加工——加尾真核基因表达调控——转录后水平的调节hnRNA的修饰加工——剪切真核基因表达调控——转录后水平的调节mRNA前体的选择性拼接真核基因表达调控——转录后水平的调节mRNA的选择性运输

海胆囊胚细胞中有20000种hnRNA，而仅有13000种mRNA；成体肠细胞中有25000种hnRNA，而仅有3000种mRNA。真核基因表达调控——翻译和翻译后加工水平的调控

非编码RNA的mRNA调控

真核基因表达调控——翻译和翻译后加工水平的调控RNA结合蛋白的mRNA调控

真核基因表达调控——翻译和翻译后加工水平的调控RNA结合蛋白的miRNAs调控

真核基因表达调控——翻译和翻译后加工水平的调控RNA结合蛋白的RBPs/RBPs调控

真核基因表达调控——翻译和翻译后加工水平的调控RNA结合蛋白的RBPs/RBPs调控

真核基因表达调控——翻译和翻译后加工水平的调控RNA结合蛋白的RBPs/RBPs调控

真核基因表达调控——翻译和翻译后加工水平的调控mRNA翻译起始的调控

真核基因表达调控——翻译和翻译后加工水平的调控

蛋白质的修饰

糖基化甲基化乙酰化泛素化SUMO化磷酸化表观遗传学——现象表观遗传学——现象奥利维亚（左）与伊莎贝拉表观遗传学——现象杰克·阿姆斯壮和汤姆·阿姆斯壮表观遗传学——现象IanWilmutDolly多莉：生于1996年7月5日，死于2003年2月14日表观遗传学——现象Epigeneticdifferences：monozygotictwins表观遗传学——环境对表型的作用研究JirtleRWaterlandRA

由于Agouti基因(A)编码一种旁分泌的信号分子能使毛囊黑色素细胞从合成黑色素转为合成黄色素，因此在鼠毛生长的中间阶段，A基因的一过性短暂表达在每根鼠毛的毛尖下方形成黄色条带，使野生型Agouti小鼠呈现特征性的棕褐色。表观遗传学——环境对表型的作用研究

在A基因5’端上游插入了一个源自逆转座子的IAP序列后，使A基因受隐含在IAP中的启动子调控而持续异位表达，从而造成携有该突变的小鼠毛色变黄，插入了IAP的A基因称为AVY等位基因。表观遗传学——环境对表型的作用研究

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。结果实验组孕鼠产下的仔鼠大多数在身体的不同部位出现了大小不等的棕色斑块，甚至出现了以棕褐色为主要毛色的小鼠。而对照组孕鼠的仔鼠大多数为黄色。表观遗传学——概念表观遗传(epigeneticinheritance)：通过有丝分裂或减数分裂来传递非DNA序列信息的现象。表观遗传学(epigenetics)：则是研究不涉及DNA序列改变的基因表达和调控的可遗传变化的。或者说是研究从基因演绎为表型的过程和机制的一门新兴的遗传学分支。

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；可逆性的基因表达调节，也有较少的学者描述为基因活性或功能的改变；没有DNA序列的改变或不能用DNA序列变化来解释。表观遗传学——概念的起源与发展1942年沃丁顿(Waddington)在Endeavour杂志首次提出表观遗传学。

基因型的遗传(heredity)是遗传学研究的主旨,而表型的形成则是属于表观遗传学研究的范畴。基因型表型基因型表观遗传学——概念的起源与发展1987年,霍利德(Holliday)指出可在两个层面上研究高等生物的基因属性。遗传学——基因的世代间传递的规律。表观遗传学——生物从受精卵到成体的发育过程中基因活性变化的模式。表观遗传学——基因表达模式基因表达模式相同的基因型

不同的表型表观遗传学——遗传学与表观遗传学的区别表观遗传学——调控机制组蛋白修饰2RNA调控3DNA甲基化1表观遗传学调控机制——DNA甲基化

DNA甲基化(DNAmethylation)是研究得最清楚、也是最重要的表观遗传修饰形式，主要是基因组DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基间的共价结合，胞嘧啶由此被修饰为5甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5-mC)。S-腺苷蛋氨酸DNA甲基转移酶DNMT1（维持）

DNMT3a和DNMT3b（从头)表观遗传学调控机制——DNA甲基化表观遗传学调控机制——DNA甲基化结构基因5’端附近富含CpG二联核苷的区域称为CpG岛(CpGislands)。表观遗传学调控机制——DNA甲基化CH3DNA复制酶CH3CH3CH3DNA甲基转移酶CH3CH3CH3CH3DNA复制后甲基化型的维持表观遗传学调控机制——DNA去甲基化主动去甲基化表观遗传学调控机制——DNA去甲基化复制相关的去甲基化表观遗传学调控机制——甲基化的转录调控直接抑制基因表达表观遗传学调控机制——甲基化的转录调控间接抑制基因表达MeCP1andMeCP2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。表观遗传学调控机制——甲基化的转录调控间接抑制基因表达表观遗传学调控机制——组蛋白的化学修饰染色质的一级结构——核小体（nuclesome）Kornberg（1974）微小球菌核酸酶降解染色质得到200bp×n。

DonaldE.Olins和AdaL.(1976)用鸡红细胞核的染色质作电镜观察。表观遗传学调控机制——组蛋白的化学修饰染色质的一级结构——核小体（nuclesome）X晶体衍射——染色质由蛋白质八聚体构成。染色质重组实验——5000bpSV40噬菌体DNA与组蛋白混合，获得23个颗粒。表观遗传学调控机制——组蛋白的化学修饰染色质的一级结构——核小体（nuclesome）H2AH2BH3H4各两分子形成组蛋白八聚体核心颗粒，148bpDNA以1.75圈缠绕在核心颗粒外侧。平均60bp连接DNA将两个相邻的核心颗粒连接在一起，H1与连接DNA结合。表观遗传学调控机制——组蛋白的化学修饰染色质构型和基因转录的关系表观遗传学调控机制——组蛋白的化学修饰组蛋白化学修饰表观遗传学调控机制——组蛋白的化学修饰组蛋白化学修饰乙酰化甲基化磷酸化泛素化SUMO表观遗传学调控机制——组蛋白的化学修饰组蛋白乙酰化通常发生在蛋白质的赖氨酸(K)上；可逆的生化反应：A.Histoneacetyltransferase，HAT(>30)B.Histonedeacetylase,HDAC(18)分子效应：中和赖氨酸上的正电荷，增加组蛋白与DNA的排斥力生物学功能：

A.基因转录活化B.DNA损伤修复表观遗传学调控机制——组蛋白的化学修饰

组蛋白乙酰化酶与复合体表观遗传学调控机制——组蛋白的化学修饰

组蛋白去乙酰化酶与复合体表观遗传学调控机制——组蛋白的化学修饰表观遗传学调控机制——组蛋白的化学修饰组蛋白甲基化主要发生在赖氨酸(K)或精氨酸(R)上；参与的酶

HKMTs(histonelysinemethyltransferases)PRMTs(proteinargininemethyltransferases)分子效应：增加赖氨酸上的疏水力生物学功能：A.基因转录活化B.基因转录沉默C.X染色体失活D.异染色质致密状态(heterochromatincompaction)表观遗传学调控机制——组蛋白的化学修饰表观遗传学调控机制——组蛋白的化学修饰组蛋白乙酰化、甲基化以及DNA甲基化的关系

MBD结合甲基化的DNA,招募HDAC,组蛋白去乙酰化,招募HMT,甲基化组蛋白,转录沉默；组蛋白无乙酰化修饰,MBD结合甲基化的DNA,再与SET结合，甲基化组蛋白；甲基化的组蛋白尾部招募DNMT，对基因长期沉默。表观遗传学调控机制——组蛋白的化学修饰转录状态向沉默状态转变表观遗传学调控机制——组蛋白的化学修饰

组蛋白磷酸化——丝氨酸(S)/苏氨酸(T)转录调控：H3K10被Rsk-2磷酸化异染色质的形成：H4S1的磷酸化DNArepair:H2AX(组蛋白2A变异体)磷酸化表观遗传学调控机制——组蛋白的化学修饰组蛋白泛素化

通常发生在赖氨酸(K)上；可逆的生化反应：相关酶（E1，E2&E3，DUBs）

分子效应：小蛋白质，可能改变底物的结构生物学功能：蛋白质降解表观遗传学调控机制——组蛋白的化学修饰H2B的泛素化平衡组蛋白H3K4和H3K36的甲基化水平表观遗传学调控机制——组蛋白的化学修饰组蛋白SOMU化通常发生在赖氨酸(K)上；可逆的生化反应：A.E1,E2,&E3；B.SENPs生物学功能：A.转录沉默B.抑制组蛋白的乙酰化和甲基化表观遗传学调控机制——组蛋白的化学修饰

组蛋白密码（histonecode）：组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型，为遗传密码的表观遗传学延伸，决定了基因表达调控的状态，并且可遗传。表观遗传学调控机制——ncRNA的调节作用lncRNA的表观调控表观遗传学调控机制——ncRNA的调节作用小RNA的表观调控表观遗传学调控机制——ncRNA的调节作用核内RNAi的表观调控——1表观遗传学调控机制——ncRNA的调节作用核内RNAi的表观调控——2表观遗传学调控机制——ncRNA的调节作用核内RNAi的表观调控——3表观遗传学的现象——基因组印迹表观遗传学的现象——基因组印迹1956年A.Prader和H.Willi父源染色体15q11-13区段缺失帕德维利综合症：常染色体显性遗传病，胎儿期胎动减少，肥胖，肌张力低下，脑发育延迟，身材矮小，性腺发育延迟和手足短小。表观遗传学的现象——基因组印迹Angelman综合征(AS)：表现为快乐的木偶、极爱傻笑、蹦蹦跳跳、极跳极停、严重智力低下。1968年H.Angelman母源染色体15q11-13区段缺失表观遗传学的现象——基因组印迹

基因组印迹(genomicimprinting)：父亲和母亲的基因组在个体发育中影响不同的现象。表观遗传学的现象——基因组印迹的特征分布的集群性：15q11-13区段包括ZNF127、VBE3A、5NRPN、PAR-SN、PAR5、PAR1、NDN(necdin)、IPW、GABRG3、GABRB3、GABRA5和FNZ127等12个印迹基因。

复制不同步性时间特异性：小鼠胚胎早期Igf2和Mash2为双等位基因表达，胚胎

形成后期表现为母源等位基因表达。空间特异性：人类KvLQT1基因在大多数组织中为母源表达，在心

脏中无印迹。基因的保守性表观遗传学的现象——基因组印迹的特征表观遗传学的现象——基因组印迹的案例印迹的抑癌基因的杂合性丢失（LOH）、突变失活可能会导致某个抑癌基因的唯一有功能拷贝的丢失或不表达。

表观遗传学的现象——基因组印迹的遗传表观遗传学的现象——基因组印迹的特征印迹基因在进化论意义：有效地防止了单性生殖，维持了遗传多样性。

但也增加了隐性突变转为显性的危险性。表观遗传学的现象——X染色体失活1949年MLBarr

英国学者Lyon1962年提出Barr小体的生物学意义：正常雌性动物的细胞中的两个X染色质，一个在遗传上失活，不能产生mRNA，并且DNA复制迟缓。雌性个体为嵌合体，父源和母源X染色质失活是随机的。在一个细胞中，一旦某条X染色质失活，其子代细胞失活同一条染色质。失活发生在胚胎发育早期（16天）。剂量效应。表观遗传学的现象——X染色体失活