现代遗传学教程-从基因到表型的剖析（第4版）课件 第11章表观遗传调控

EpigeneticRegulationofGeneExpressionandEpigenetics中山大学《遗传学》2025版授课老师：XXXXXX@第十一章基因表达的表观遗传调控和表观遗传学表观遗传概述02表观遗传变异03基因表达的表观遗传调控机制0123学习要点概念掌握表观遗传学副突变基因组印记转基因沉默单亲二体DNA甲基化

组蛋白密码

染色质重塑

核糖开关

非编码RNAsiRNAmicroRNA反义RNA理解规律理解表观遗传调控的机制

进一步理解遗传学中心命题（基因型+环境=表型）表观遗传概述01SECONE4表观遗传概述5表观遗传（epigeneticinheritance）：非DNA序列遗传信息改变产生的基因功能或表型变化可通过有丝分裂或减数分裂而保持，这种遗传学现象叫做表观遗传。表观遗传调控主要在转录水平，通过DNA修饰、组蛋白修饰、染色质重塑等方式对基因表达进行调控。表观遗传调控也作用于其他调控位点，如转录后水平甚至翻译水平的调控。表观遗传学（epigenetics）：研究不涉及DNA序列改变、而基因表达或细胞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的遗传规律的科学。（1）可遗传。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）有基因表达的改变（3）没有DNA序列的变化或不能用序列变化来解释表观遗传概述6IdefineanepigeneticphenomenonasachangeinphenotypethatisheritablebutdoesnotinvolveDNAmutation.Furthermore,thechangeinphenotypemustbeswitchlike,ONorOFF,ratherthanagradedresponse,anditmustbeheritableeveniftheinitialconditionsthatcausedtheswitchdisappear.200469thColdSpringHarborSymposiumC.DavidAllis(1951–2023)

左1996年在四膜虫中鉴定第一个组蛋白乙酰基转移酶2001年首次提出“histonecode”的概念2018年与MichaelGrunstein教授共同获得拉斯克奖表观遗传变异02SECtwo7表观遗传变异(epigeneticvariation)在基因的DNA序列不发生改变的情况下，基因表达可发生可遗传的变化，这种变化同样导致表型的改变，这种改变称之为表观遗传修饰或表观遗传变异。如：副突变、转基因沉默、基因组印记、DNA甲基化、RNA编辑、X染色体失活等。8（1）副突变(paramutation)副突变指一个等位基因可以使其同源基因的转录发生沉默且这种能力可通过减数分裂在后代中遗传的遗传现象。现已在番茄、豌豆、真菌和小鼠中发现了副突变现象。9副突变(paramutation)的两个例子例如，玉米粒能够着色是由Ｒ基因座控制的，Ｒst（一个引起玉米粒斑点的基因）或Ｒr（无色基因）纯合子有着不同的表型，然而Ｒst/Ｒr杂合子自交产生的ＲrＲr纯合子却具有Ｒst表型，尽管其并不含有Ｒst等位基因。这种影响可以持续数代，但表型不稳定，会在几代后回复成Ｒr表型。在对小鼠Kit基因进行研究的过程中发现，在与无效突变体（nullmutant）杂交之后，野生型表型没有得到充分表达，Kit+／Kit+基因型按预料中的频率生成，但由于副突变，它们中大多数仍然是白尾突变表型。10能改变另一个等位基因的等位基因被称为副诱变基因（puramutagenicallele），如Ｒst；被改变的等位基因被称为副突变基因（paramutableallele），如Ｒr。副突变的三个主要特征11（1）新建立的表达形式即使在所发出指令的等位基因或基因序列没有传递的情况下仍能传给下一代。（2）已改变了的位点继续对其同源序列发出类似的指令。（3）受作用的等位基因的DNA序列没有发生改变。副突变的分子机制基因mop1编码一种依赖RNA的RNA聚合酶，该酶能复制副诱变基因转录所产生的RNA，一旦RNA达到某个临界水平，副突变基因的表达将受到抑制（如副突变基因的启动子被甲基化）。副突变所产生的基因沉默属于转录水平上的基因沉默，但是这种ＲＮＡ聚合酶产生的ＲＮＡ是怎样引起副突变的确切机制还不清楚。1213（2）转基因沉默指利用遗传转化技术导入并稳定整合进受体细胞中的外源DNA由于受到各种因素的影响，在转基因生物的当代或后代中表达受到抑制的现象。基因沉默的机制已成为当今生物技术领域的热点研究问题，其中DNA的甲基化可能是产生这一现象的主要原因之一。细胞中存在某种识别外源DNA插入序列并对其加以修饰的机制，转基因作为外源基因，它的“入侵”当然会受到各种各样的排斥（有点像人类的免疫系统排斥致病微生物），DNA甲基化就是其中之一，具有抑制基因表达的作用。植物转基因沉默宿主植物转基因沉默机理烟草冠瘿碱基因

PTGS新霉素磷酸转移酶基因nptIITGS（NOS启动子）新霉素磷酸转移酶基因nptII

PTGS烟草β-葡糖苷酸酶基因gus

PTGS

潮霉素抗性基因hph

PTGS水稻抗除草剂基因bar

TGS（35S启动子）

β-葡糖苷酸酶基因gusTGS（35S启动子）拟南芥

新霉素磷酸转移酶基因nptII

TGS（NOS启动子）

新霉素磷酸转移酶基因nptIIPTGS14DNA甲基化引起外源基因失活的机制目前还不是太清楚，可能类似于细菌的限制修饰系统。如宿主染色体上某些区段常有确定的GC含量比例，外源DNA的插入可能破坏了其原有的组织机构，因此可被宿主的修饰系统所识别，并通过甲基化使之失活。1516其他导致转基因沉默的原因位置效应外源基因整合到宿主染色体上的位置是随机的。而插入到转录活跃、甲基化程度低的常染色质区的转基因可能获得高表达，反之，插入异染色质区或重复序列中的转基因可能发生转基因沉默。17其他导致转基因沉默的原因重复序列、同源序列等诱导的基因沉默指多拷贝的外源基因以正向或反向串联的形式整合在基因组上而导致的外源基因不同程度失活的现象。这种现象的产生可能是由于重复序列间自发配对，甲基化酶特异性地识别这种配对结构而使其甲基化，从而抑制表达。其他导致转基因沉默的原因转录后水平基因沉默有很多模型，如RNA阈值模型、异常RNA模型、双链RNA模型、未成熟翻译终止模型等。1819（3）基因组印记(Genomicimprinting)来自父母双方的同源染色体或等位基因存在着功能上的差异，子代中来自不同性别亲体的同一染色体或基因，当发生改变时可引起不同的表型，我们把这种现象称为基因组印记。问题的产生孟德尔遗传规律认为遗传物质不论来自双亲中的哪一方，都具有相同的表型效应，等位基因不会因为位于不同亲代来源的染色体上而产生不同的效应。但公驴与母马杂交生成马骡，而公马与母驴杂交的后代称为駃騠(外貌偏似驴，耐粗饲，适应性强，挽力大而持久，但均不及骡，也称驴骡)，因为二者之间存在巨大差别，这无法用孟德尔理论解释。后代的遗传物质来源于不同性别的亲本时，其表达功能是有差异的。现象说明20问题的深入1980年，Cattanach等发现，具有两条母源11号染色体的小鼠在胚胎期要比正常小鼠小，而具有两条父源11号染色体的小鼠在胚胎期比正常小鼠大。但是这两种小鼠胚胎都死于发育阶段。1984年，McCrath等人用人工单性生殖的方法产生了两种特殊类型的小鼠胚胎：一种小鼠胚胎的全套染色体全部来自雄性亲本，另一种全部来自雌性亲本，但两类小鼠均在发育期死亡。21问题的深入上述实验说明父系基因组和母系基因组含有胚胎发育不同的信息，小鼠胚胎的正常发育需要分别来自雄性和雌性双亲的一整套染色体。近期的研究表明父源的遗传信息对维持胎盘和胎膜十分必要，而母源的遗传信息对于受精卵的早期发育是十分关键的。22人类与基因组印记有关的遗传病Prader-Willi综合症(PWS)Angelmansyndrome(AS)智力低下，过度肥胖，身材矮小。是由于患儿来自父亲的15号染色体的微缺失引起的。大嘴，呆笑，红面颊，步态不稳，癫痫和严重的智力低下。是由于来自母亲的15号染色体的微缺失引起的。这说明，来自父母双方的遗传信息对后代的发育都是必不可少的，不能彼此替代。23快乐木偶综合征小胖威利综合征24单亲二体（uniparentaldisomy，UPD）是指来自父母一方的染色体片段被另一方的同源部分取代，或者是一个个体的两条同源染色体都来自同一亲体。通过对单亲二体的表型效应分析，可以将染色体区域区分为印记区和非印记区，当某基因出现位点特异性差异时就称该基因被印记。哺乳动物基因组印记的形成与消亡2525/24

NatureReviewsGenetics,2001,2:21-32

问题的深入-基因组印记的机制2626/24基因组印记的机制组蛋白甲基化DNA甲基化

?更多机制仍待探索……基因组印记的机制1—DNA甲基化（重点掌握）2727/242、DNA甲基化是一种遗传的结果，而与性别无关；目前认为DNA甲基化是基因组印记发生和维持的主要机制。1、DNA甲基化是一种cis-acting（顺式作用）机制；3、基因组印记是一个亲代的配子通过表观遗传修饰而获得的；5、印记能修饰远程调控因子，从而作用于多个基因；4、大部分印记基因和一条非编码RNA一起成簇排列；6、印记基因在哺乳动物的发育过程中扮演着重要的作用。基因组印记机制1的两种模型28DNA甲基化

绝缘子模型（InsulatorModel）长非编码RNA模型（LncRNAModel）29在母源染色体上，CTCF蛋白质结合未甲基化的ICE（印记控制元件），形成绝缘子，阻止了常见的内胚层增强子E激活基因Igf2和Ins2,并导致增强子E激活了附近的H19lncRNA启动子；

在父源染色体上，甲基化的ICE不能结合CTCF蛋白质，无法形成绝缘子。因此基因Igf2和Ins2在父源染色体上被表达。而H19lncRNA由于受到甲基化的ICE影响，也被甲基化，从而发生沉默。A.绝缘子模型。主要适用于Igf2基因簇。ColdSpringHarvPespectbiol.20146(2),pii:a018382.30在母源染色体上，ICE元件包含了AirnlncRNA启动子，ICE的甲基化使得启动子被沉默。基因lgf2r、slc22a2、

slc22a3因而可以在该染色体上表达，但基因Mas1和slc22a1却无法在该染色体上表达。在父源染色体上，ICE去甲基化，AirnlncRNA启动子启动表达，但基因lgf2r被沉默了（部分是通过移开RNA聚合酶II），另外基因slc22a2、slc22a3也被沉默了。B.长链非编码RNA模型。适用于Igf2r基因簇。ColdSpringHarvPespectbiol.20146(2),pii:a018382.基因组印记的机制2（新进展，一般性了解）

—组蛋白甲基化3131/24Nature.

2017,547(7664):419-424.首次证明了DNA甲基化以外的另一种重要的表观遗传修饰H3K27me3（组蛋白H3第27位赖氨酸的三甲基化）调控某些印迹基因发生的分子机制。这一成果对进一步完善基因印迹发生的机理具有重要的意义，是基因印迹领域具有里程碑式意义的发现！论文内容概述32ADHS位点鉴定利用liDNase-seq技术从1细胞期小鼠胚胎中鉴定了数百个亲本特异的DHS位点（DNaseI超敏感位点），并推测猜测这些位点中可能包含新的基因印记控制区域。研究发现，有几十个亲本特异DHS受H3K27me3去除的影响，这些DHS位点没有DNA甲基化修饰。这表明在不依赖于DNA甲基化的亲本特异DHS区域H3K27me3控制了这些区域的关闭。B组蛋白修饰的影响过表达H3K27me3去甲基化酶Kdm6b去除H3K27me3可以消除这些基因转录的亲本特异性。这些基因中包括所有四个已知的非典型印记基因。这些证据表明H3K27me3控制了非典型基因印记的建立与维持并且有更多非典型印记基因存在。C组蛋白甲基化机制基因组印记的范围及机制范围除哺乳动物中发现外，在植物、昆虫中均有发现。机制非常复杂，现在认为它的机制主要涉及在雌雄配子形成过程中导致基因转录失活的甲基化和染色体结构的改变。33印记基因的分布目前人们对精子和卵子形成过程中基因组印记的产生还基本上是一无所知。当个体产生自身的配子时，上一代的基因组印记被消除，而打上自身的基因组印记。印记基因遍布于整个基因组中，有人估计在人类基因组中有1%印记基因，虽然有些印记基因紧密连锁，但却表现出不同的印记效应。有的是父亲印记失活基因，有的是母亲印记失活基因。印记基因增加了对理解孟德尔遗传的难度，对理解生命的本质即人类重大疾病如癌症的发生机制及治疗有重要意义34基因表达的表观遗传调控机制03SECthree35基因表达的表观遗传调控机制361.DNA甲基化2.染色质重塑3.组蛋白修饰4.核糖开关5.非编码RNA调控1.DNA甲基化37DNA甲基化(DNAmethylation)：是指在甲基转移酶(DNAmethyltransferase,DNMT)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。在真核生物中，CpG二核苷酸是DNA甲基化（5-甲基胞嘧啶）发生的主要位点。CpG常成簇存在，人们将基因组中富含CpG的一段DNA序列称为CpG岛。DNA甲基化在由转座子引起的突变、染色体畸变等生物防御过程中、生物个体发育及异常疾病产生中都起到极为重要的作用。是一类高于基因水平的基因调控机制。启动子的甲基化可以抑制基因的表达，基因内的甲基化通过影响染色质结构影响转录与基因表达。X染色体失活维持、转座子与高度甲基化有关。DNA甲基化异常常导致疾病的发生。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（如可移动遗传因子的激活、原癌基因的表达等）。1.DNA甲基化38DNMTACGATCGCGTTGCTAGCGCAACGATCGCGTTGCTAGCGCAACGATCGCGTTGCTAGCGCAACGATCGCGTTGCTAGCGCAACGATCGCGTTGCTAGCGCAACGATCGCGTTGCTAGCGCAde

novoDNAmethylationDNAreplicationDNAmethylation

ofmaintenanceDNMT3ADNMT3BDNMT1DNA甲基化调控基因表达的三种可能机制391、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。2、通过在甲基化DNA上结合特异的转录阻遏物（甲基CpG结合蛋白），与转录因子竞争甲基化DNA结合位点而起作用。3、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。为什么有些物种没有甲基化调控机制？40在绝大多数真核生物中，DNA甲基化是普遍存在的。但是某些生物中是缺乏DNA甲基化的，如黄曲霉、果蝇、面粉甲虫、酿酒酵母、粟酒裂殖酵母等。2015科学网—研究证明黄曲霉缺乏DNA甲基化2.染色质重塑调控基因表达41染色质结构的改变和修饰与DNA复制、转录、修复和重组有着密切的关系。染色质重塑已经成为目前生物学中最重要和最前沿的研究领域之一，在基因表达调控、细胞命运决定等过程中发挥着重要的作用。染色质重塑主要有两种类型：依赖ATP的物理修饰核心组蛋白N端尾部的共价修饰染色质重塑的两种类型42依赖ATP的物理修饰染色质重塑因子复合物(chromatinremodelingcomplex)具有ATP酶活性通过ATP水解释放能量暂时改变核小体的结构核心组蛋白N端尾部的共价修饰共价修饰直接影响核小体的结构，并为其他蛋白提供了与DNA作用的结合位点。SWI/SNF复合物43也称BRG1/BRM-associatedfactor(BAF)复合物，是调控染色质重塑的关键分子。不同类型的BAF复合物识别组蛋白乙酰化（H3K27ac）修饰的增强子或者启动子区域，利用ATP水解的能量滑动或者解散核小体，使得转录因子能够结合到DNA上。PRC2复合物能够识别并结合三甲基化的组蛋白（H3K27me3），拮抗SWI/SNF的作用。染色质疏松状态的检测44MicrococcalNuclease：微球菌核酸酶：切割核小体之间的连接DNA，产生以核小体为基本单位的染色质片段。将酶切产物纯化后，进行DNA电泳，可以观察到以梯状分布的DNA条带。3.组蛋白修饰对基因表达的影响45组蛋白翻译后修饰（HPTM）是染色质结构对基因表达调控的核心机制：影响染色质结构控制着转录复合物的结合影响基因的表达活性调节着染色质转录活跃或沉默状态的转换为其他蛋白因子与DNA的结合产生协同或拮抗效应组蛋白修饰对基因表达的影响46每个组蛋白都有进化上保守的N端拖尾伸出核小体外这些拖尾是许多信号转导通路的靶点拖尾靶点的常见修饰磷酸化乙酰化甲基化ADP-核糖基化泛素化47组蛋白修饰对基因表达的影响组蛋白密码:组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型称为组蛋白密码(histonecode)。如H3K4me3表示组蛋白H3上的第四位氨基酸Lys上发生有3个甲基化修饰。组蛋白N端拖尾上往往有多个修饰位点，而单一位点上可发生多种共价修饰。组蛋白乙酰化修饰与甲基化修饰往往互相排斥。组蛋白修饰对基因表达的影响48HPTM影响基因组的调节和功能的三种机制：影响染色质结构。破坏染色质或组蛋白结合蛋白的结合。

提供不同的结合表面给某些效应蛋白。4.核糖开关调控基因表达49RibosomeBindingSite配体由两个功能域组成：适配子和表达模块。适配子表达模块核糖开关（riboswitch）：指mRNA上的一个可以直接与小分子结合来影响相应基因表达的区域。这种调控方式无需任何蛋白质的参与，是2002年发现的一种全新的转录后基因表达调控机制。参与作用的小分子通常是所调控的酶的代谢产物。核糖开关可以位于mRNA的5’UTR，前体RNA的3’UTR和内含子区域。核糖开关调控基因表达5051核糖开关调控基因表达核糖开关的发现，使人们更加关注RNA中除了ORF以外的区域的功能。核糖开关可作为人工合成配体型药物的作用靶点。在其他方面（调控外源基因表达、生物探测器等）也有巨大的应用潜能。5、非编码RNA调控52RNA可根据其是否含有编码蛋白质信息而分为mRNA和非编码RNA(noncodingRNA,ncRNA)。真核细胞中97%的转录物为ncRNA，可由自己的基因（RNA基因）编码，可由内含子产生。ncRNA大致可分为“看家RNA”和“调控RNA”：看家RNA：一般为组成型表达，是细胞生存及基本功能所必需，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。535、非编码RNA调控ncRNA对基因表达的调控包括：mRNA的稳定翻译水平的调节蛋白质运输RNA加工和修饰影响染色体结构545、非编码RNA调控microRNA(miRNA)smallinterferingRNA(siRNA)RNAinterference(RNAi)PIWI-interactingRNA(piRNA)antisenseRNAsmallmodulatoryRNA(smRNA)MicroRNA（miRNA）与SmallinterferingRNA(siRNA)55microRNA(miRNA)和smallinterferingRNA(siRNA)均可通过RNAinterference(RNAi)机制抑制mRNA的转录或诱导降解来调控基因表达。miRNA是细胞内源性的，而siRNA是外源性或内源性的。RNAinterference（RNAi）56RNA干扰(RNAinterference,RNAi)：是指在进化过程中高度保守的、由双链RNA（double-strandedRNA，dsRNA）诱发的、同源mRNA高效特异性降解的现象。它是生物进化过程中遗留下来的一种在转录后通过RNA调控基因表达的机制。其发现者AZFire和CCMello由于在RNA干扰和基因沉默领域所做的贡献，于2006年被授予诺贝尔奖。RNAi原理57外源导入的双链RNA被一个称为Dicer的酶（RnaseIII家族中特异识别双链RNA的一个成员）逐步切割成21-23nt的小分子干扰RNA片段（siRNAs）。SiRNA双链结合多种核酸酶从而形成所谓的RNA诱导沉默复合物（RNA-inducedsilencingcomplex，RISC）。激活的RISC通过碱基配对定位到同源mRNA转录物上，并在距离siRNA3’端12个碱基的位置切割mRNA，从而完成RNA干扰的过程。RNAi小视频5858microRNA对靶基因的调控59microRNA通过识别靶基因3’UTR的靶序列，介导RISC，抑制基因表达。microRNA与靶基因之间的配对不是100%，因此，microRNA的调节为“多对多”模式（一个miRNA可以有多个靶基因，多个miRNA可以有共同的靶基因）。靶基因筛选及验证：microRNA的靶基因可以通过预测软件进行预测，如TargetScan，miRanda等。验证：表达水平的变化；双荧光素酶报告系统。microRNA对靶基因的调控601993年，CellmicroRNA对靶基因的调控61与lin-4相匹配的序列仅存在于线虫中，一个关键的问题仍然存在：微RNA的存在是否是线虫特有的现象，还是在整个动物界中都具有深远功能影响的保守性特征？2024年诺贝尔生理学或医学奖授予两位美国科学家维克托·安布罗斯（VictorAmbros）和加里·鲁夫昆（GaryRuvkun）62非编码RNA调控PIWI-interactingRNA(piRNA)：与PIWI蛋白相互作用的小分子RNA。是从哺乳动物生殖细胞中发现的一类与PIWI类蛋白相互