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阳卷肩耿
5 years ago
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1 一表观遗传学定义 : 1 表观遗传概念的演变相同的基因型为什么会产生不同的细胞类型? 如何才能使同样的基因组表达不同的基因分化出表型 ( 类型 ) 不同的细胞呢? 为了解答这些困惑, 英国胚胎学家和遗传学家 C.H. Waddington 于 1939 年在现代遗传学导论一书中首先提出表观遗传学 (epigenetics) 这一术语, 并在 1942 年将其定义为是研究基因与决定表型的基因产物之间的相互作用及因果关系这个定义涵盖了基因表达调控的基本范畴 ( 图 15-1) 第 4 讲表观遗传学

2 1 表示中心法则 ; 2 表示蛋白质对基因表达的调控作用 ; 3 表示 RNA 对基因表达的调控作用

3 从 DNA( 基因 ) RNA 蛋白质, 这是中心法则的遗传学内涵任何性状的产生都是多个基因共同作用的结果基因产物对基因表达过程的调控, 包括 RNA 和 / 或蛋白质对 DNA/ 染色质结构与转录活性的调控, 蛋白质对 RNA 稳定性与蛋白质翻译及翻译后修饰过程的调控等广义的表观遗传学本质上就是研究基因表达调控的机制, 也就是基因之间相互作用的机制, 或者说性状决定的机制

4 Holliday 1994 年将表观遗传学定义为不依赖 DNA 序列差异的核遗传目前表观遗传的概念除了上述含义之外, 还可以表述为如下 3 种 : 1 不依赖于 DNA 序列改变的可遗传的个体表型的改变 ; 或在基因本身的 DNA 序列未发生改变的情况下, 基因在表达与功能上发生的可遗传的变化这一概念强调了表观遗传现象是可遗传的 2 不改变 DNA 序列, 通过改变染色质的结构与活性改变基因的表达与功能, 并最终造成个体表型的改变这是将表观遗传调控局限于染色质层面, 但并未强调是可遗传的 3 不改变 DNA 序列, 而是通过改变染色质的结构与活性改变基因的表达与功能, 并最终产生可遗传的个体表型的改变这显然是目前对表观遗传最为严格的一种定义, 它既将表观遗传调控局限于染色质层面, 又强调了它的可遗传性

5 表观遗传学研究中的几个名词术语表观遗传修饰 (epigenetic modification): 对 DNA( 基因 ) 或其载体染色质结构的修饰作用表观遗传变异 (epigenetic variation): 由表观遗传修饰导致的基因表达状态与表型的改变表观遗传调控 (epigenetic regulation/control): 能够影响到基因的表达与活性的作用与机制, 而不涉及 DNA 序列改变的基因表达调控方式表观遗传效应 (epigenetic effect): 由表观遗传调控所产生的表型效应则 ; 或泛指所有不改变 DNA 序列, 而是通过影响基因表达与活性的各个环节导致细胞与个体表型改变的现象以染色质为基础的表观遗传变异 (chromatin-based epigenetic variation): 通过影响染色质的结构与活性调控基因表达的现象

6 表观遗传性状 (epigenetic trait): 由表观遗传变异所产生的表型表观基因组 (epigenome): 细胞或个体所处的表观遗传状态 ( 调控基因组表达与活性的环境因素的总和及其所决定的基因表达模式 ) 或表观基因组指的是附着在基因组上的化学标记模式, 其决定了哪些基因会被激活以及它们激活的方式及时间跨代表观遗传学 (transgenerational epigenetics): 能够通过生殖细胞向后代个体传递的表观遗传现象的研究记忆表观遗传学 (memigenetics): 可遗传的表观遗传变异研究

7 例人体从一个受精卵分化后产生 200 多种细胞 : 基因型相同, 基因数相同 :27000 多个基因不同 : 细胞的基因表达模式 (gene expression pattern) 不相同, 每种细胞只有数千个基因有活性因此, 维持细胞正常功能是取决于一组基因表达而不是全部基因在胚胎和个体发育过程中一个基因组可以衍生出许多不同类型的表观基因组 (epigenome), 而且在各自后代中可稳定遗传子代细胞形态和功能的改变细胞分化已分化的同一类细胞其表达模式是一致的, 保留着相同的细胞记忆 (cellular memory), 并通过细胞有丝分裂或减数分裂传递

8 2 表观遗传的几个重要特点 (1) 可遗传性表观遗传变异 (epigenetic variation) 可通过有丝分裂或减数分裂在细胞或个体世代间遗传 ; (2) 可逆性表观遗传所涉及的 DNA 甲基化组蛋白乙酰化修饰等对基因的表达调控或者说基因活性或基因功能的改变具有可逆性 ; (3)DNA 序列没有变化或不能用 DNA 序列变化来解释 (4) 表观遗传信息受环境影响, 多层次, 多途径其调控作用可以发生在 DNA 和染色质水平, 也可以发生在 DNA 复制转录转录后以及蛋白质翻译后等水平

9 3 表观遗传学的发展一些用基因突变以及基因组学并不能解释的遗传现象 : (1) 马驴正反交 : 后代差别大骡是公驴与母马杂交的后代, 体大, 耳小, 尾部蓬松 ; 驴骡, 是公马与母驴杂交的后代, 比骡体小, 耳大, 尾毛较少显然这种结果改变并不涉及基因本身的变异, 而只是来源于不同性别亲本的遗传物质在后代表达的功能不同而导致可遗传的变化

10 (2) 果蝇位置效应花斑 (position effect variegation, PEV) 显然, 果蝇眼睛颜色的这种改变并未涉及基因自身的变化, 只是基因位置的改变, 而且基因整合的位置与异染色质的距离愈近, 则基因失活的可能性愈高, 并随异染色质扩展使邻近基因也失活果蝇中染色质重排产生位置效应花斑由于染色体区段倒位而使野生型等位基因靠近异染色质, 并随异染色质的扩展而失活, 导致产生红白小眼嵌合复眼

11 中国古代早有记载橘生淮南则为橘, 生于淮北则为枳, 叶徒相似而味不同, 说明相同基因型的生物在不同环境条件下表型差异 (3) 在人群中, 同卵双生的两人具有完全相同的基因组, 在同样的环境中长大后, 按理两人性格和体质等应该相似, 但一些孪生子往往在性格健康和疾病易感性等诸多方面存在广泛的差异这也并不符合经典遗传学理论预期的情况

12 Hollidy 对表观遗传学的发展作出了重要贡献,1987 年指出, 人们是在两个层面上研究高等生物的基因属性, 第一层面是从遗传学上研究基因的世代间传递的规律 ; 第二层面是表观遗传学, 研究生物从受精卵到成体的发育过程中基因活性变化的表达模式 1994 年, Hollidy 又认识到在生物体中基因表达活性的变化不仅发生在发育过程中, 而且也发生在已分化的细胞中 ; 基因表达的某种变化可通过有丝分裂的细胞遗传下去而表观遗传学研究是一种不以 DNA 序列的改变为基础的细胞核遗传 2007 年,Allis 等在 Epigenetics 一书中则进一步全面而系统地介绍论述了表观遗传学的历史发展慨念与理论形成以及表观遗传学在生命科学各领域的研究进展

13 人类基因组测序结果表明 :3300Mb 碱基对中, 编码蛋白质的序列只有约不到 3%, 不编码序列占 97%, 除去约 7% 的非转录区, 其余 90% 的是非编码 RNA (non-coding RNA, ncrna) 因此, 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基因是遗传编码信息, 是 DNA 转录翻译为蛋白质的模板 ; 另一类是表观遗传学信息, 它是通过 DNA 甲基化组蛋白修饰非编码 RNA 等来决定在何时何地以何种方式表达这些遗传信息

14 二表观遗传学的研究内容表观遗传学主要研究表观遗传变异 (epigenetic variation) 现象不影响 DNA 序列的情况下改变基因组的修饰, 这种改变不仅可以影响个体的发育, 而且还可以遗传下去因此, 这类变异被称为表观遗传修饰 (epigenetic modification) 表观遗传修饰包括 :DNA 甲基化 (DNA methylation) 组蛋白修饰 (histon modification) 染色质重塑(chromatin remodeling) 基因组印记 (genomic imprinting) X 染色体失活 (X chromsome inactivation) RNA 相关沉默 (RNA interference 等 ) 副突变(paramutation) 位置效应斑 (position effect variegation) 组蛋白密码(histon code) RNA 编辑 (RNA editing) 等

15 1 表观遗传学的研究内容 (1) 基因选择性转录表达的调控 : 包括 DNA 甲基化染色质重塑基因印记等 ; (2) 基因转录后的调控 : 包括基因组中非编码 RNA 小 RNA(miRNA) 反义 RNA 核糖开关等; (3) 蛋白质的翻译后修饰 : 包括组蛋白修饰组成核小体的组蛋白可以被多种化合物所修饰, 如磷酸化乙酰化和甲基化等

16 三表观遗传学研究与有关研究领域的关系及其意义 1 表观遗传学与遗传学经典遗传学孟德尔遗传规律为基础, 研究以 DNA 序列突变而导致等位基因的差异 ; 表观遗传不涉及 DNA 序列变异的与不含细胞质遗传的非孟德尔遗传无论是遗传学还是表观遗传学都是涉及到遗传信息的传递调控和表现的问题, 所以表观遗传是遗传学的重要组成部分, 是在新的历史时期, 遗传学研究领域的发展和丰富 2 表观遗传学与人类疾病许多人类疾病涉及遗传和表观遗传两方面的异常不仅基因组序列变化而引起各种疾病, 同时在 DNA 序列未发生变化, 只是 DNA 甲基化谱组蛋白修饰状态和染色质结构重塑等表观遗传调节机制失误照样可引起多种疾病 (1) 表观遗传学与癌症研究发现, 多种类型的癌细胞 DNA 序列并未发生变化, 但存在着异常的 DNA 甲基化修饰, 通常表现为整个基因组甲基化程度降低, 而抑癌基因又被过量甲基化

17 (2) 表观遗传学与代谢综合征 : Prader-Willi 综合征和 Angelman 综合征这两种征合征都可以由遗传缺陷表观遗传缺陷或两者共同引起 ( 引自 Allis, 2007) 单亲二倍体 (UPD) 的结果

18 (3) 表观遗传学与胚胎干细胞分化胚胎干细胞 (embryonic stem cell, ESC) 成体干细胞 (somatic stem cell, SSC) 原始生殖细胞 (primordial germ cell, PGC) 哺乳动物卵细胞及其发育进程中表观遗传修饰的变异

19 表观遗传学研究主要集中在 : 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

21 重点介绍 : DNA 甲基化 (DNA methylation) 染色质重塑 (chromatin remodeling) 基因组印记 (genomic imprinting) 组蛋白修饰 (histon modification) 与组蛋白密码 ( histon code) RNA 编辑 (RNA editing) 重编程

22 四基因组 DNA 甲基化与去甲基化修饰 1 DNA 甲基化酶与甲基化修饰 (1) 真核生物 DNA 甲基化酶 DNA 甲基化 (DNA methylation) 是指在 DNA 碱基上增加甲基基团的化学修饰 DNA 甲基化是真核细胞基因组中常见的 DNA 水平的表观遗传现象, 其在 DNA 复制中的维持机制是表观遗传学的重要基础 DNA 甲基转移酶 (DNA methylation transferase, DNMT) 或称甲基化酶 (methylase) 催化 : 在 DNA 甲基化转移酶的作用下, 将一个甲基添加在 DNA 分子的碱基胞嘧啶 (C) 上, 产生 5- 甲基胞嘧啶 (5 m C)

哺乳动物 DNA 甲基化酶 Dnmt: DNA methyltransferase; Dnmt3L: Dnmt 3 like; PBD: PCNA (proliferating cell nuclear antigen) binding site; NLS: nuclear localization signal; RFDT:

23 哺乳动物 DNA 甲基化酶 Dnmt: DNA methyltransferase; Dnmt3L: Dnmt 3 like; PBD: PCNA (proliferating cell nuclear antigen) binding site; NLS: nuclear localization signal; RFDT: replication foci targeting domain; BAH: bromo-adjacent homology domain; CR: cycsteine-rich region; PWWP: proline-tryptohantryptonphan-proline motif; ATRX: 或称为 planthomeodomain, PHD

24 (2) 甲基化维持与从头甲基化甲基化反应可分为 : 维持甲基化 (maintenance of methylation) 从头甲基化 (de nove methylation) 维持甲基化与 DNA 复制相耦联, 当甲基化的双链 DNA 复制后在生成的两条新的 DNA 链中, 只有亲代链是甲基化的, 而新合成的子代链是非甲基化的, 因而新合成的 DNA 双链呈半甲基化 (hemimethylated) 而 DNMT1 对这种半甲基化双链 DNA 有较高的酶活性从头甲基化则是对 DNA 甲基化状态的重新构建, 它不依赖 DNA 复制, 在完全非甲基化位点上无需模板指导在 DNMT3a 和 DNMT3b 的催化下, 引入甲基而从头建立甲基化模式 DNMT3a 和 DNMT3b 也被称为从头合成甲基化酶 (de nove methylaes) 它们可催化未甲基化的 CpG 位点, 使其半甲基化, 继而全甲基化

25 2 真核生物 DNA 去甲基化酶与去甲基化真核生物细胞内有 DNA 的甲基过程化, 同时也存在 DNA 的去甲基化 DNA 主动去甲基化 (DNA demethylation) 是指在 DNA 去甲基化酶作用下,5 m C 被胞嘧啶代替的过程其作用机制一般认为是, 通过 5- 甲基胞嘧啶 DNA 糖基化酶的作用, 将 DNA 中的甲基化胞嘧啶去除, 留下完整的脱氧核苷, 然后通过内切酶修复成胞嘧啶

26 3 DNA 甲基化对基因表达的调节作用哺乳动物基因组 DNA 中 5mC 占胞嘧啶总量 2%-7%, 约 70%~80% 5 m C 存在于 CpG 二联核苷中的胞嘧啶, 特称为甲基化的 CpG 位点其特点 : 1CpG 岛一般是非甲基化的, 主要位于基因的启动子区, 少数位于基因的第一个外显子区 ; 2 看家基因的启动子都含 CpG, 且保持非甲基状态 ; 3 启动子区 CpG 发生 5 m C 修饰而阻碍转录调控因子与 DNA 结合而导致相关基因沉默, 基因在甲基化后去甲基化则会让一个沉默基因重新激活 ; 4 启动子 CpG 甲基化密度与转录抑制程度相关, 弱的启动子能被密度较低的甲基化完全抑制, 当启动子被增强子增强时可恢复转录功能, 但如果甲基化的密度进一步增加, 转录又会被抑制

27 (1)DNA 甲基化与基因表达一般 : DNA 甲基化与基因沉默相关, 非甲基化与基因活化相关 ; 去甲基化与一个沉默基因的重新激活相关例如 : 人类女性两条 X 染色体中的一条染色体 DNA 高度甲基化 ( hypermethylation), 因而基因处于失活状态 ; 一直处于活性转录状态的管家基因则始终保持低水平的甲基化 (hypomethylation)

28 (2)DNA 甲基化介导基因沉默有证据表明是通过反式调节作用进行的, 主要表现在 : 1DNA 甲基化干扰转录调节因子识别位点双链 DNA 分子的大沟是许多转录因子结合的部位, 如在大沟中出现甲基化则阻碍了特定基因转录活化的转录因子结合许多转录因子识别包含 CpG 的 GC 富集序列, 当 CpG 被甲基化后其中一些转录因子就不能结合 DNA, 即转录被抑制

29 2 甲基化 CpG 结合蛋白募集相关蛋白阻遏基因表达通过甲基化 CpG 结合蛋白募集辅抑制物在 MeCP2(methyl-CpG-binding protein 2) 调节下,DNA 甲基化可能会使一个启动子由非甲基化的活化态变成甲基化的失活态这一过渡期, 转录的沉默和 DNA 甲基化都是迅速发生的 Sin3A 组蛋白去乙酰化酶 (HDAC) 和组蛋白赖氨酸甲基转移酶 (HKMT) 被认为是通过 MeCP2 募集到甲基化位点上的 MeCP2 等募集辅抑制物形成转录抑制复合物, 阻止转录因子与启动区靶序列结合, 参与依赖于甲基化的转录抑制过程

30 3DNA 甲基化介导染色质重塑而抑制基因转录 DNA 甲基化与染色质重建 DNA 甲基化主要是通过染色质结构变化而阻止转录因子与启动子或增强子的结合控制基因表达已知 MeCP2 含有一个 m5cpg 结构功能域和一个抑制功能域, 当其识别 DNA 的 m5cpg 位点并与之结合后, 迅速募集共抑制因子 Sin3A 和 HDAC 等, 将松驰的 DNA 重新包装在致密核小体中, 并压缩间隔 DNA 使染色质变为更加收缩状态, 驱使转录装置与 RNA 聚合酶脱离 DNA 而抑制基因转录

31 DNA 甲基化直接制约基因的活化状态 DNA 甲基化的生物学意义在于 : 基因表达的时空调控以及保护基因组稳定性例如 : 1 有些基因在发育早期甲基化, 发育晚期被诱导去甲基化使基因在不同发育时期特异表达 ; 2 高度甲基化的基因处于失活状态 : 女性两条 X 染色体中的一条 X 染色体上的基因随机失活 ; 3 持家基因的低甲基化 ; 印迹基因的高甲基化 ; 4 抑癌基因的病理性再甲基化造成基因沉默 ; 5 甲基化还可以抵御转座子沉默病毒入侵 ; 使一些基因转录抑制等

32 DNA 甲基化一般与基因沉默相关联 ; 非甲基化一般与基因的活化相关联 ; 而去甲基化往往与一个沉默基因的重新激活相关联

33 真核生物中, 甲基化被分为对称性甲基化 (canotical / symmetric methylation), 包括 CpG 和 CpNpG), 以及非对称甲基化 (asymmetric methylation), 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

34 Manel Esteller, nature, 2007

35 DNA 甲基化的遗传机制 : DNA 甲基化抑制基因表达

DNA are methylated Most of the methyl groups are

36 (3).DNA methylation is perpetuated by a maintenance methylase From 2-7% of the cytosines of animal cell DNA are methylated Most of the methyl groups are found in CG "doublets ", the structure 5 m CpG 3 3 GpC m 5

37 五真核生物染色质重塑染色质重塑 (chromatin remodeling) 是表观遗传修饰中一种常见的方式, 是指在整个细胞周期中染色质结构和核小体位置改变的过程, 造成染色质凝集程度的变化, 从而影响到基因表达活性改变, 产生不同表型广义而言, 染色质重塑是指在相关因子作用下, 染色质结构的动态调整或重新塑造染色质结构狭义上是专指由 ATP 提供能量, 通过依赖于 ATP 的染色质重塑复合物改变组蛋白与 DNA 的结合状态, 在靠近核心组蛋白的 DNA 表面建立特殊构象而调控基因表达

38 1 核小体组装与定位 (1) 核小体组装染色体复制与核小体组蛋白的组装模型真核生物 DNA 复制核小体组装时, 不保留组蛋白八聚体, 但是保留了 H2A H2B 二聚体和 H3 H4 四聚体 DNA 复制后核小体立即被组装, 组装的第一步是结合一个 H3 H4 四聚体一旦四聚体结合后, 两个 H2A H2B 二聚体接着结合形成最终的核小体

39 (2) 核小体定位由于核小体与 DNA 的动态相互作用, 大多数核小体的位置是不固定的但是在有些情况下, 某些核小体被限定在基因组的固定位置上, 或者说 DNA 序列仅以一种特定的构型组装成核小体, 则 DNA 上的每个位点将一直位于核小体上的特定位置, 我们称这种组装类型为核小体定位 (Nucleosome positioning)

40 核小体的定位由 DNA 结合蛋白或特殊的 DNA 序列所指导在细胞中, 最常见的方式是核小体与 DNA 结合蛋白的竞争两种依赖于 DNA 结合蛋白的核小体定位模型 : a. 如果两个 DNA 结合蛋白与 DNA 结合位点的距离小于 DNA 组装成一个核小体所需的最小长度 ( 约 150bp), 则这两个蛋白质之间的 DNA 不与核小体结合 ; b. 一些 DNA 结合蛋白具有与核小体结合的能力这些蛋白质一旦与 DNA 结合, 将立即有助于核小体与相邻蛋白质 DNA 结合位点的结合

41 由特殊的 DNA 序列所指导的核小体定位核小体定位的另一种方式涉及特定的 DNA 序列, 这些序列对核小体有高度的亲和性由于 DNA 在与核小体结合的过程中会剧烈弯曲, 所以具有内在弯曲倾向的 DNA 序列可以定位核小体 A:T 碱基对有向 DNA 双螺旋小沟弯曲的内在趋势,G:C 碱基对则有相反的趋势因此, 富含 A:T 的 DNA 有利于组装核小体, 其小沟面对组蛋白八聚体

42 核小体定位对基因的表达调控有重要的影响核小体的定位变化总是伴随着基因从抑制到转录状态的转变核小体的定位或定位的去稳定或解除, 可能是影响基因转录调控的重要因素大量的实验结果证明, 核小体的形成和在染色质的精确定位为真核基因的表达所必需

43 有人提出核小体的形成及其在染色质上的精确定位有以下两方面的作用 :1 提供一个支架结构 (scaffold), 使转录因子之间的信息传递更有效 ;2 染色质结构的不均一性, 即其某些区域不形成核小体, 从而保证了转录因子易于接近染色质模板

44 2 染色质重塑复合物首先, 在酵母中发现一种称为 SWI/SNF 的染色质结构重塑复合物, 该复合物也常是转录起始复合体的一个组分 SWI/SNF 复合物中存在多个 NTP 结合蛋白, 具有 ATP 驱动的 DNA 转位活性, 可改变组蛋白与 DNA 的相互作用, 依靠 SWI/SNF 复合物诱导染色质核小体解聚, 以帮助转录因子结合到 DNA 上 Swi: genes affecting yeast mating-type switching SNF:sucrose non-fermenting

45 (1) 染色质重塑复合物的种类 : ATP 依赖的染色质重塑复合物 (ATP-dependent chromatin remodeling complex) 可分为三类 : 1SWI/SNF 复合物 : 是酵母 (yest)swi/snf(mating type switching defectine / sucrose non-fermenting) 的同源酶系家族 SWI-SNF 复合物的功能可能是通过改变核小体结合的 DNA 分子, 从而变为一种新的 DNA 分子功能状态 2ISWI 复合物 : 是果蝇 ISWI(imitation switch) 的同源酶系家族其功能是加强 DNA 与蛋白质之间的相互作用, 参与染色质重塑和起始转录与复制过程, 可明显促进转录因子接近核小体边缘的 DNA 3Mi-2/CHD 复合物 : 是人类的皮肌炎特异性自身抗原 Mi-2/CHD( chromo-helicase and ATPase-DNA-binding) 同源酶系家族其功能可结合于侧翼 DNA 的单核小体, 参与阻遏基因转录

47 (2)ATP 依赖的染色质重塑机制 a. 核小体在翻译中沿着 DNA 滑行, 本来闭合的区域 ( 红色 ) 就暴露出来 ; 核小体滑动组蛋白替换 b. 组蛋白变异体取代了正常组蛋白, 形成变异核小体 ; c. 核小体移出后空出一大段 DNA 这个机制可能依赖于其他蛋白, 如组蛋白伴侣或 DNA 结合因子, 还有重塑蛋白 ; 核小体移出染色质重塑因子改变的核小体结构 d. 核小体表面空出一个环 SWI/SNF 家族的重塑者可能用了不同机制使核小体中心位点开放, 如在核小体表面形成稳定的 DNA 环

2 染色质重塑复合物的功能染色质重塑过程是通过重塑复合物的 ATP 酶亚基催化, 利用水解 ATP 提供能量改变染色质核小体的结构由于各类重塑复合物 ATP 酶亚基结构域的不同选择底物识别特性的差异, 而导致各种重塑复合物的活性和作用机制的差别 1SWI/SNF 复合物的重塑活性包括 ATP 依赖的核心组蛋白沿 DNA 的重新定位,

48 2 染色质重塑复合物的功能染色质重塑过程是通过重塑复合物的 ATP 酶亚基催化, 利用水解 ATP 提供能量改变染色质核小体的结构由于各类重塑复合物 ATP 酶亚基结构域的不同选择底物识别特性的差异, 而导致各种重塑复合物的活性和作用机制的差别 1SWI/SNF 复合物的重塑活性包括 ATP 依赖的核心组蛋白沿 DNA 的重新定位, 即核小体滑动 (sliding) 核心组蛋白转移到其它 DNA 分子上, 二核小体形成和核小体结构 (a) 核小体沿 DNA 分子滑动暴露出 DNA 结合蛋白的结合位点 ;(b) 核小体的移动可以从一条 DNA 链转移到另一条 DNA 链上 ;(c) 重塑允许 DNA 结合蛋白结合而不改变它在 DNA 上的位置的改变 SWI/SNF 对核小体链的重塑模型

49 2ISWI 复合物的主要作用是 DNA 滑动机制, 但要发挥重塑活性需要连接子 DNA 的存在和组蛋白八聚体的完整性该复合物具有转移核小体能力, 可在各种启动子上建立特定间隔的核小体结构 3Mi-2/CHD 复合物也称为 NuRD(nucleosomeremodeling histone deacetylase complex) 该复合物中 NuRD 的组蛋白去乙酰基酶 (histone deacetylase, HDAC) 活性在核小体底物上被 ATP 增强, 由此表明 Mi-2 引起重塑促使 HDAC1 和 HDAC2 接近组蛋白尾端该复合物的作用机制是 ATP 依赖的染色质重塑和组蛋白的共价修饰共同作用的结果同时众所周知组蛋白乙酰化修饰染色质重塑可激活基因表达, 而去乙酰化修饰则抑制基因表达

50 3. 染色质重构模型 (Chromatin remodeling) 染色质重构模型主要涉及真核生物基因的转录调控真核生物的启动子可能出现两种情况 : 1) 失活状态核小体的存在阻碍基本因子和 RNA 聚合酶与启动子结合 2) 激活状态基本转录装置占据启动子, 组蛋白八聚体不能与其结合在以上两种情况中染色体结构是稳定的

51 诱导染色质结构变化的一般过程称为 : chromatin remodeling. 该过程需要能量以破坏蛋白质 - 蛋白质和蛋白质 -DNA 的连接, 使组蛋白从染色质中释放出来

52 染色质重构的变化包括 : 组蛋白在 DNA 上滑动, 改变核酸与蛋白质的关系组蛋白间的间隙发生变化延伸变化, 产生无组蛋白的 DNA 区

53 4 染色质重塑复合物与基因表达染色质重塑贯穿于从遗传物质包装到基因表达整个环节, 其基本功能是调控真核生物的基因组功能状态决定染色质状态的基本因素是染色质重塑复合物 DNA 甲基化动态和组蛋白修饰等这里只讨论染色质重塑复合物与基因表达的关系

54 (1) 染色质重塑复合物与转录激活激活作用机制

55 (2) 染色质重塑复合物与转录抑制 (a) SWI/SNF 与染色质重塑结构或与不同亚基结合介导的核小体重塑可向两个方向进行, 既可激活转录, 也可通过重塑核小体将染色质从一个激活构象转变为一个失活构象, 抑制转录因子的结合而阻遏转录 ; (b) 哺乳动物异染色质蛋白 HP1(heterochromatin protein 1, HP1) 可募集 SWI/SNF 参与异染色质形成而抑制转录 (c) 染色质重塑复合物通过对组蛋白修饰或 DNA 甲基化而沉默基因表达

56 六基因组印记是指来自父方和母方的等位基因在通过精子和卵子传递给子代时发生了某种修饰, 这种作用使其后代仅表达父源或母源等位基因的一种, 这种现象被称作基因印记 (gene imprinting) 或基因组印记 (genomice imprintng) 也称亲代印记 (parental imprinting) 或遗传印记 (genetic imprinting) 若来自父本的等位基因不表达, 只是来自母本等位基因表达, 称为父系印记 (paternal imprinting); 若来自母本的等位基因不表达, 而父源等位基因表达, 则称为母系印记 ( maternal imprinting) 具有印记现象的基因称为印记基因( imprinting gene) 印记基因只与父母本来源相关, 而与性别无关, 雄性和雌性都受基因组印记的调控

57 基因组印记中来自父亲和母亲的印记基因在子代的表型是不同的根据孟德尔遗传定律, 来自父母双亲的位于同源染色体上的等位基因应进行同等表达, 而基因组印记现象显然不符合孟德尔式遗传人类基因组多个基因只有几百个基因有基因组印记现象

58 基因组印记的证据 : 1. 鼠合子的原核移植实验从受精卵中移去雄性原核而代之以雌性原核或移去雌性原核代之以雄性原核鼠胚胎都不能正常发育只有含有双亲的移植原核的合子可以正常发育 2. 人类的某些疾病情况葡萄胎含有两条父源性的染色体发育异常卵巢畸胎瘤二倍体均为母源性研究表明 : 所存在的一些基因的表达依赖于提供这些基因来源的双亲的性别, 正常的胚胎发育需要来自父母双方的平衡的一组基因

59 3. 人类基因组印记的证据 Prader-Willi 综合征和 Angelman 综合征都涉及到 15q13 的基因异常, 如删除该区域内的父系或母系基因序列, 将分别发生 Prader-Willi 综合征或 Angelman 综合征, 表明此两类综合征明显有印记的参与现已证明 Angelman 综合征患者两组染色体 15q13 等位基因均由父亲遗传, 即父亲单亲二体染色体 ( 单亲二体性 : 指一个个体具有正常的二倍体染色体, 但是只继承了双亲一方的一对同源染色体 )

60 4 基因组印记的特点 : 1 广泛分布于基因组内, 并通常在基因组中聚集成簇形成印记控制区 (imprintin control region,icr), 或印记控制元件 (imprinting control element, ICE), ICR 以顺式作用机制调控位于同一条链上的印记基因的表达 ; 2 基因组印记主要发生在配子形成期, 即在两套亲本染色体分开时发生, 因此, 卵子和精子已经携带有印记的染色体, 称为第一代印记, 该印记在胚胎的有丝分裂中能稳定传递给子细胞 ; 3 在世代交替中可以消除和重建, 即在个体产生配子时来自上代的印记消除, 雌雄配子分别重建自身印记, 这称为第二代印记

61 5 印记基因的特点 1 印记基因成簇分布, 形成印记基因簇, 基因簇长度约为 100~3 000kb 不等, 含 3-10 个印记基因, 并共同形成一个印记转录单位在印记基因簇中既存在父源印记基因, 也存在母源印记基因 ; 2 印记基因簇中大多数都是编码蛋白 mrna 的印记基因, 但其中至少有一个非编码 RNA(non-coding RNA, ncrna) 的印记基因, 即只转录 RNA, 而不翻译蛋白质的印记基因 ; 3 印记基因的 DNA 复制呈不同步性, 如小鼠 Igf2r Igf2 和 H19ncRNA 的两个亲源等位基因的复制是不同步的, 其父源等位基因复制较早 ;

62 4 印记基因的表达具有时空特异性, 同一条染色体上两个印记基因之间的基因或与印记基因毗邻的基因通常不表现出印记修饰, 因而这些父母本的等位基因均表达, 而印记基因是在生长和发育的特定时期通过等位基因差异性表达而发挥作用 ; 5 印记基因表达具有一定的保守性, 哺乳动物中如小鼠和人类的胚胎和胚外组织中印记基因的表达均十分保守印记基因的存在不仅证明父母两套基因组对哺乳动物生殖和种子植物繁殖都是必须的, 并有效地抑制了单性生殖的发生, 维持了遗传的稳定性与多样性

63 例 : 一些遗传病的表现度与外显率就受到突变基因亲代印记的影响 Huntington 病父源传递发病年龄提前母源传递发病年龄迟多发性神经纤维瘤母源传递症状加重例 :Prader-Willi 综合征患者有缺失突变的 15 号染色体 (15 q11)-- 来自父亲 Angelman 综合征患者同样有缺失突变的 15 号染色体 -- 来自母亲产生基因组印记的机制主要涉及 DNA 甲基化和染色质结构变化印记失活的基因通常是高度甲基化, 表达的等位基因则是低甲基化另外, 染色质结构状态也影响基因进入转录的状态

64 基因印迹过程印迹的形成 : 印迹形成于配子, 并持续到出生后印迹的维持印迹的去除 : 印迹的去除过程是发生在原始生殖细胞的早期阶段

65 基因组印记的建立

66 在配子发生期间生殖细胞的甲基化模式的建立 : 首先, 存在的模式通过基因组去甲基化而被抹去, 然后加上每一性别的特定甲基化模式当胚胎原始生殖细胞发生时, 所有等位差异都消失 ; 不考虑性别, 以前的甲基化模式被抹掉, 接着典型基因半甲基化在雄性中, 模式发生在两个阶段 : 在精母细胞里, 建立决定成熟精子的特定甲基化模式受精后, 该模式进一步发生变化 ; 在雌性中, 当在出身后经减数分裂卵母细胞成熟, 在卵子发生期建立母本模式主要问题是如何在雄性和雌性配子中决定甲基化的专一性?

67 性别特定模型的遗传要求在每一种配子的发生期要专门地建立甲基化模式在老鼠中一个理论位点的命运如图所示 : 在早期胚胎, 父本等位基因非甲基化而被表达, 而母本等位基因甲基化而沉默当该老鼠自己形成配子时会发生什么情况? 如果它是一只雄鼠, 遗传给精子的等位基因必须非甲基化, 不管它原来甲基化没有同样, 当母本的等位基因发现自己在精子内时, 它也必须脱甲基化 ; 如果该老鼠是一只雌鼠, 它遗传给卵细胞的等位基因必须甲基化同样, 如果它原来来源于父本的等位基因, 也必须增加甲基基团

68 同源染色体在配子发生期间经过生殖细胞的专一性加工修饰, 分离进入配子后, 这类修饰随同胚胎中的亲本染色体进行复制, 结果使两个亲本来源的等位基因有不同的活性当这个个体进入配子发生期间, 原来的印记被抹去, 并根据发育中的个体的性别而引入新的印记即 : 有些基因的功能受到雌雄双亲基因组的影响, 打上了基因组的印记

69 印迹基因的特征 1 每一个印迹基因簇由一个印迹控制元件 (imprint control element, ICE) 所调控该控制元件也称为印迹控制区 ( imprint control region,icr) 或者印记中心 (imprinting centre,ic) 2 绝大多数都有 CpG islands, 能够发生 DNA 甲基化 3 在 CpG islands 内或附近通常有成簇的有向的重复序列因此, 基因组印迹是性细胞的一种表观遗传修饰, 该修饰有一整套分布于染色体不同部位的印迹中心来协调印迹中心直接介导了印迹标记的建立及其发育全过程中的维持和传递, 并导致以亲本来源特异方式优先表达两个亲本等位基因中的一个, 而使另一个沉默

70 6 基因组印记的分子机制配子在形成过程中 DNA 产生的甲基化核组蛋白产生的乙酰化磷酸化和泛素化等修饰, 使基因的表达模式发生了改变 (1)DNA 甲基化与基因组印记小鼠的三个印记基因 :1 类胰岛素生长因子 2 基因 (insulinlike growth factor 2, Igf2),7 号染色体上, 系父源表达的印记基因 ;2 类胰岛素生长因子 2 型受体基因 (insulin-like growth factor receptor-2, Igf2r), 是 Igf2 的清道夫受体位于小鼠 17 号染色体上, 是母源表达的印记基因 ;3ncRNA- H19 基因, 位于 7 号染色体与 Igf2 基因相距 90kb, 长达 1Mb 的印记基因簇的 3 端存在一段 ICR, 是母源表达基因

(2).Oppositely imprinted genes can be controlled by a single center 在老鼠中 Igf2 和 H19 这两个基因连锁, 但在雌鼠中印记基因 Igf2 失活, 在雄性小鼠中印记基因 H19 失活 ICR :imprinting control regions The behavior of a region containing

71 (2).Oppositely imprinted genes can be controlled by a single center 在老鼠中 Igf2 和 H19 这两个基因连锁, 但在雌鼠中印记基因 Igf2 失活, 在雄性小鼠中印记基因 H19 失活 ICR :imprinting control regions The behavior of a region containing two genes, Igf2 and H19, illustrates the ways in which methylation can control gene activity. The ICR is methylated on the paternal allele. H19 shows the typical response of inactivation. However, Igf2 is expressed. The reverse situation is found on a maternal allele, where the ICR is not methylated. H19 now becomes expressed, but Igf2 is inactivated.

The control of Igf2 is exercised by an insulator function of the ICR. Figure 23.41 shows that when the ICR is unmethylated, it binds the protein CTCF.

72 The control of Igf2 is exercised by an insulator function of the ICR. Figure shows that when the ICR is unmethylated, it binds the protein CTCF. This creates an insulator function that blocks an enhancer from activating the Igf2 promoter. This is an unusual effect in which methylation indirectly activates a gene by blocking an insulator.

迄今在人和小鼠中已发现几百个印记基因, 只在一个亲本等位基因中表达, 且常聚集成簇存在, 并受 ICR 调控 ( 上页图 ) 印记基因只在一个亲本的等位基因中表达而且常常聚集成簇存在多数印记基因在基因族中发现, 其中含有多种编码蛋白的 mrna 和至少一个非编码 RNA(ncRNA) 非印记基因也可能在其中存在

73 迄今在人和小鼠中已发现几百个印记基因, 只在一个亲本等位基因中表达, 且常聚集成簇存在, 并受 ICR 调控 ( 上页图 ) 印记基因只在一个亲本的等位基因中表达而且常常聚集成簇存在多数印记基因在基因族中发现, 其中含有多种编码蛋白的 mrna 和至少一个非编码 RNA(ncRNA) 非印记基因也可能在其中存在印记机制是顺式作用的, 印记表达由含有从一个亲本配子带来的印记控制元件所调控一对二倍体染色体以浅色 ( 母源表达的印记基因 ) 和深色 ( 父源表达的印记基因 ) 表示 IG, 印记 mrna 基因 ;IG-nc, 印记 ncrna 基因 ;NG, 非印记基因 ;ICE, 印记控制元件 ; 箭头, 表达的基因 ; 停止符号, 被抑制的基因

74 这些印记基因沉默主要发生在配子形成期, 其核心分子机制是 DNA 甲基化

75 (a) (b) 印记表达受配子 DMR( gametic methylation imprint ) 调控 (a) 从印记染色体删除配子 DMR 的效应 (b) 从非印记染色体删除了配子 DMR 的效应在许多印记基因簇中 ( 如 Igf2r, Kcnq1 和 Dlk1), 实验性删除 G-DMR 只影响带有非印记 G-DMR 的染色体这导致编码蛋白 mrna 的印记基因 (IG) 去抑制而 ncrna 印记基因 (IG-NG) 被抑制

控制印记机制的两种顺式沉默模型 : 1 绝缘子介导沉默模型, 在 Igf2 印记基因簇区中未甲基化的 ICR 组成一个绝缘子 (insulator) 阻 (2) 基因组印记模型止启动子和增强子之间相互作用, 即增强子阻断作用 (enhancer blocking) 而调节基因表达 (a)igf2 基因簇的绝缘子模型母源染色体上非甲基化的 ICE 结合 CTCF

76 控制印记机制的两种顺式沉默模型 : 1 绝缘子介导沉默模型, 在 Igf2 印记基因簇区中未甲基化的 ICR 组成一个绝缘子 (insulator) 阻 (2) 基因组印记模型止启动子和增强子之间相互作用, 即增强子阻断作用 (enhancer blocking) 而调节基因表达 (a)igf2 基因簇的绝缘子模型母源染色体上非甲基化的 ICE 结合 CTCF 蛋白形成绝缘子而抑制共同的内胚层增强子 (E) 并激活 Igf2 和 Ins2 相反, 增强子激活了附近的 H19 ncrna 启动子在父源染色体上甲基化的 ICE 不结合 CTCF, 也没有形成绝缘子, 所以 Igf2 和 Ins2 mrna 基因只在此条染色体上表达 H19 ncrna 很可能是因为由 2kb 以外的 ICE 传来作用被甲基化, 然后被沉默

(b)igf2r 基因簇的 ncrna 模型, 显示为胎盘中表达状态母源染色体上,DNA 甲基化印记直接将其沉默 Igf2r Slc22a2 Slc22a3 mrna 基因只在这条染色体上表达 Mas1 和 Slc22a1 在胎盘中不表达父源染色体上,Air ncrna 启动子处于非甲基化 ICE 中而且表达的, 并且顺式沉默了 Igf2r

77 (b)igf2r 基因簇的 ncrna 模型, 显示为胎盘中表达状态母源染色体上,DNA 甲基化印记直接将其沉默 Igf2r Slc22a2 Slc22a3 mrna 基因只在这条染色体上表达 Mas1 和 Slc22a1 在胎盘中不表达父源染色体上,Air ncrna 启动子处于非甲基化 ICE 中而且表达的, 并且顺式沉默了 Igf2r Slc22a2 Slc22a3 注意在两种模型中,DNA 甲基化印记都使 ncrna 沉默而 mrna 得到表达 ICE, 印记控制元件 ; 灰色方块, 印记 mrna 基因 ; 基因 -NC, 印记 ncrna 基因 ; 箭头, 印记基因中的表达等位基因 ; 终止符号, 印记基因的抑制等位基因 ; 方块, 两条亲本染色体中均沉默的组织特异性基因 ; 箭头, 顺式长程效应

78 七组蛋白翻译后修饰与组蛋白密码 1 组蛋白修饰类型与作用组蛋白 N 末端不同位点受到多种不同类型的组蛋白翻译后修饰如 : 乙酰化 (acetylation, Ac) 甲基化 (methylation, M) 磷酸化 (phosphorylation, P) 泛素化 (ubiquitinoylation, Ub) 生物素化 (biotinylation,b1) SUMO 化 (small ubiquitin-like modifier) ADP- 核糖基化 (ADP-ribosylation) 等, 调控染色质的结构和组成, 直接影响转录因子与基因启动子的结合而调节基因表达的活化或沉默

79 组蛋白修饰 92

80 2 关于表观遗传学中组蛋白修饰的机制两种假说 : 旧假说 : 认为组蛋白修饰是通过改变组蛋白尾部静电状态, 使 DNA 松散, 有利于转录因子结合新假说 : 提出组蛋白可以共价修饰而发生乙酰化甲基化和磷酸化, 由此构成多种多样的组蛋白密码即 : 组蛋白氨基端的修饰的组合方式构成组蛋白密码

81 组蛋白密码 (histone, code) 组蛋白密码假说 (Histone code hypothesis): 不同的组蛋白修饰酶 ( 乙酰化酶脱乙酰化酶甲基化酶脱甲基化酶泛酸化酶脱泛酸化酶等 ) 对组蛋白进行修饰特定的蛋白质复合体使被修饰的组蛋白装配起来, 不同修饰的组合与基因的表达状况密切相关组蛋白 N- 末端的各种修饰为其效应蛋白的结合提供了作用位点, 而各种效应蛋白对修饰后组蛋白末端的结合效应控制着染色质的状态, 从而进一步影响 DNA 的复制基因的表达调控 X 染色质的失活和基因组印迹等表观遗传现象这就是所谓的组蛋白密码假说

82 组蛋白密码

83 由于组蛋白中被修饰氨基酸的种类, 修饰位点和修饰程度不同而效应不同, 因此构成了独特的组蛋白密码 ( histone code), 它决定了染色质结构状态, 调节基因表达显然, 组蛋白密码扩展了 DNA 序列自身包含的遗传信息, 在更高层次上丰富了基因组信息, 赋予了遗传信息更广泛的灵活性与多样性, 构成了生物体不同发育期和不同条件下基因特异性表达的表观遗传标志 (epigenetic mark)

84 在组蛋白修饰中一般乙酰化与活性染色质相联系, 甲基化与失活染色质相联系

85 All the core histones can be acetylated. The major targets for acetylation are lysines in the N-terminal tails of histones H3 and H4. Acetylation occurs in two different circumstances: during DNA replication; and when genes are activated.

Chromatin states are interconverted by modification summarizes three types of differences that are found between active chromatin and inactive chromatin Active

86 Chromatin states are interconverted by modification summarizes three types of differences that are found between active chromatin and inactive chromatin Active chromatin is acetylated on the tails of histones H3 and H4. Inactive chromatin is methylated on 9Lys of histone H3. Inactive chromatin is methylated on cytosines of CpG doublets.

87 关于 HPTM (histone post-translation modification) 调节基因转录机制已提出三种模型 : 1 由于组蛋白乙酰化或磷酸化等修饰中和了组蛋白的正电荷, 改变了组蛋白与 DNA 结合的特性, 从而导致染色质结构的改变, 激活转录 ; 2 某种组蛋白修饰对某些染色质结合因子产生抑制作用, 如 H3S10 磷酸化修饰后可拮抗 HP1 与甲基化 H3K9 的结合 ; 3 一个组蛋白修饰后可以为其它染色质结合因子提供结合的特异性, 如 HP1 通过其 chromo 结构域与甲基化的 H3K9 相结合

88 组蛋白翻译后修饰影响染色质模板的 3 种模型

89 3 组蛋白修饰与组蛋白变体四种常规核心组蛋白 :H3 H4 H2A H2B 是真核生物核小体的结构性蛋白, 它们的各类修饰对调节染色质结构基因表达和 DNA 损伤修复等一系列重大生命过程中起着重要作用为了适应染色体行为和有关生命进程的特殊要求导致了组蛋白变体的产生四种常规核心组蛋白以及组蛋白的变体和修饰共同参与染色质表观遗传在真核生物的 5 种组蛋白, 组蛋白 H4 最保守,H1 有多种序列变体, H2A 最不保守, 变体也最多一些变体在细胞分化和个体发育过程中与已存在的核心组蛋白发生交换或定位于基因组的特定区域而发挥重要的生物学功能

90 常规核心组蛋白 (H3,H4,H2A,H2B) 以及组蛋白 H3 和 H2A 变体的结构域 HFD:histone-fold domain, 组蛋白折叠结构域

91 一种组蛋变体装入一个核小体将会引起染色质的深刻变化, 从而进一步介导各类相应的表观遗传调节, 并可能涉及表观遗传信息的传递或可抹除细胞记忆四种核心组蛋白变体具有的倾向不同 : 组蛋白 H3 变体 H3.3 以一种转录偶联机制置换 H3, 置换发生于活跃基因区, 因此与基因转录激活相关, 是一个具有潜在的表观遗传学意义的动态进程 ; CenpA 变体置入着丝粒中的核小体, 形成了动粒组装的基础 ; 组蛋白 H2A 变体有 H2A.Z,H2A.X 和 macroh2a H2A.Z 置换 H2A 后导致染色质结构开放, 因而与基因转录激活相关 H2A.X 磷酸化是 DNA 双链断裂修复中的一个早期事件 MicroH2A 多存在异染色质中, 为哺乳动物中 X 染色体失活相关的一种组蛋白特异性变体

92 本节完谢谢

未命名-1

未命名-1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 ss a c y e vg 13 14 15 16 17 18 19 H 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 发现生命的螺旋克里克在提出中心法则时曾指出遗传信息是沿ＤＮＡ - ＲＮＡ - 蛋白质的方向流动的遗传信息不可能从ＲＮＡ回到ＤＮ