2023年1月11日表觀遺傳學

（epigenetics）

生命科學學院沈文飚242023年1月11日52023年1月11日5發展歷史2000多年前，古希臘哲學家亞里士多德在《OntheGenerationofAnimals》一書中首先提出后生理論（thetheoryofepigenesis），它相對于先成論，新器官的發育由未分化的團塊逐漸形成的。2023年1月11日62023年1月11日6發展歷史1939年，生物學家WaddingtonCH首先在《現代遺傳學導論》中提出了epihenetics這一術語，并于1942年定義表觀遺傳學為“生物學的分支，研究基因與決定表型的基因產物之間的因果關系”。2023年1月11日72023年1月11日7發展歷史1975年，HollidyR對表觀遺傳學進行了較為準確的描述。他認為表觀遺傳學不僅在發育過程，而且應在成體階段研究可遺傳的基因表達改變，這些信息能經過有絲分裂和減數分裂在細胞和個體世代間傳遞，而不借助于DNA序列的改變，也就是說表觀遺傳是非DNA序列差異的核遺傳。2023年1月11日8概述表觀遺傳學研究不涉及DNA序列改變的基因表達和調控的可遺傳變化的，或者說是研究從基因演繹為表型的過程和機制的一門新興的遺傳學分支。表觀遺傳所謂表觀遺傳就是不基于DNA差異的核酸遺傳。即細胞分裂過程中，DNA序列不變的前提下，全基因組的基因表達調控所決定的表型遺傳，涉及染色質重編程、整體的基因表達調控（如隔離子，增強子，弱化子，DNA甲基化，組蛋白修飾等功能),及基因型對表型的決定作用。2023年1月11日82023年1月11日9概述DefinitionofEpigeneticsAnychangesingeneexpressionresultingfromeitheraDNAandchromatinmodificationorresultingfromapostpost-transcriptionalmechanism.However,itdoesnotreflectadifferenceintheDNAcode。Aunifyingdefinitionofepigenetics:(AdrianBird,nature,2007)thestructuraladaptationofchromosomalregionssoastoregister,signalorperpetuatealteredactivitystates.Thisdefinitionisinclusiveofchromosomalmarks,becausetransientmodificationsassociatedwithbothDNArepairorcell-cyclephasesandstablechangesmaintainedacrossmultiplecellgenerationsqualify.2023年1月11日92023年1月11日10概述表觀遺傳學的特點：可遺傳的，即這類改變通過有絲分裂或減數分裂，能在細胞或個體世代間遺傳；可逆性的基因表達調節，也有較少的學者描述為基因活性或功能的改變；沒有DNA序列的改變或不能用DNA序列變化來解釋。2023年1月11日102023年1月11日11概述2023年1月11日112023年1月11日12概述2023年1月11日12遺傳與表觀遺傳2023年1月11日13概述2023年1月11日13真核生物全部遺傳信息遺傳密碼組蛋白密碼

？密碼基因組DNA序列組蛋白氨基端修飾

？2023年1月11日14概述2023年1月11日14DNA與染色質2023年1月11日15概述2023年1月11日相同的基因型

不同的表現型基因表達模式152023年1月11日16概述基因表達模式決定細胞類型的不是基因本身，而是基因表達模式，通過細胞分裂來傳遞和穩定地維持具有組織和細胞特異性的基因表達模式對于整個機體的結構和功能協調是至關重要的。基因表達模式在細胞世代之間的可遺傳性并不依賴細胞內DNA的序列信息。基因表達模式有表觀遺傳修飾決定。2023年1月11日18概述表觀遺傳學的研究內容：基因轉錄后的調控基因組中非編碼RNA微小RNA（miRNA）反義RNA內含子、核糖開關等基因選擇性轉錄表達的調控DNA甲基化基因印記組蛋白共價修飾染色質重塑2023年1月11日18Quiz,J.nature.20062023年1月11日202023年1月11日表觀遺傳學機制DNA甲基化120組蛋白修飾2染色質重塑3RNA調控4DNA甲基化12023年1月11日21一、DNA甲基化2023年1月11日

DNA甲基化(DNAmethylation)是研究得最清楚、也是最重要的表觀遺傳修飾形式，主要是基因組DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基間的共價結合，胞嘧啶由此被修飾為5甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5mC)。DNMT1SAM胞嘧啶5-甲基胞嘧啶胞嘧啶甲基化反應

21S-腺苷甲硫氨酸

以基因型為a/a的母鼠及其孕育的基因型為AVY/a的仔鼠作實驗對象。孕鼠分為兩組，試驗組孕鼠除喂以標準飼料外，從受孕前兩周起還增加富含甲基的葉酸、乙酰膽堿等補充飼料，而對照組孕鼠只喂飼標準飼料。

結果實驗組孕鼠產下的仔鼠大多數在身體的不同部位出現了大小不等的棕色斑塊，甚至出現了以棕褐色為主要毛色的小鼠。而對照組孕鼠的仔鼠大多數為黃色。分析表明喂以富甲基飼料的孕鼠所產仔鼠的IAP所含CpG島的甲基化平均水平遠高于對照組，轉錄調控區的高甲基化使原該呈異位表達的基因趨于沉默，毛色也趨于棕褐色。

2023年1月11日23一、DNA甲基化2023年1月11日232023年1月11日24一、DNA甲基化哺乳動物基因組中5mC占胞嘧啶總量的2%-7%，約70%的5mC存在于CpG二連核苷。在結構基因的5’端調控區域,CpG二連核苷常常以成簇串聯形式排列，這種富含CpG二連核苷的區域稱為CpG島(CpGislands)，其大小為500-1000bp，約56%的編碼基因含該結構。基因調控元件(如啟動子)所含CpG島中的5mC會阻礙轉錄因子復合體與DNA的結合。DNA甲基化一般與基因沉默相關聯；非甲基化一般與基因的活化相關聯；而去甲基化往往與一個沉默基因的重新激活相關聯。2023年1月11日242023年1月11日25一、DNA甲基化2023年1月11日255’3’CpG島主要處于基因5’端調控區域。啟動子區域的CpG島一般是非甲基化狀態的，其非甲基化狀態對相關基因的轉錄是必須的。目前認為基因調控元件（如啟動子）的CpG島中發生5mC修飾會在空間上阻礙轉錄因子復合物與DNA的結合。因而DNA甲基化一般與基因沉默相關聯。Rb基因CpG頻率2023年1月11日26一、DNA甲基化2023年1月11日262023年1月11日27一、DNA甲基化2023年1月11日27DNA甲基化狀態的遺傳和保持：DNA復制后，新合成鏈在DNMT1的作用下，以舊鏈為模板進行甲基化。（缺乏嚴格的精確性，95%）甲基化并非基因沉默的原因而是基因沉默的結果，其以某種機制識別沉默基因，后進行甲基化。DNA全新甲基化。引發因素可能包括：DNA本身的序列、成分和次級結構。RNA根據序列同源性可能靶定的區域。特定染色質蛋白、組蛋白修飾或相當有序的染色質結構。2023年1月11日28DNA去甲基化主動去甲基化復制相關的去甲基化在復制過程中維持甲基化酶活性被關閉或維持甲基化酶活性被抵制。一、DNA甲基化2023年1月11日282023年1月11日29一、DNA甲基化2023年1月11日29復制相關的DNA去甲基化2023年1月11日30ManelEsteller,nature,20072023年1月11日31一、DNA甲基化2023年1月11日31DNA甲基化狀態的保持DNA主動去甲基化DNA全新甲基化2023年1月11日32二、組蛋白修飾2023年1月11日322023年1月11日33二、組蛋白修飾組蛋白修飾是表觀遺傳研究的重要內容。組蛋白的N端是不穩定的、無一定組織的亞單位，其延伸至核小體以外，會受到不同的化學修飾，這種修飾往往與基因的表達調控密切相關。被組蛋白覆蓋的基因如果要表達，首先要改變組蛋白的修飾狀態，使其與DNA的結合由緊變松，這樣靶基因才能與轉錄復合物相互作用。因此，組蛋白是重要的染色體結構維持單元和基因表達的負控制因子。2023年1月11日332023年1月11日34二、組蛋白修飾2023年1月11日342023年1月11日35二、組蛋白修飾組蛋白修飾種類乙酰化--一般與活化的染色質構型相關聯，乙酰化修飾大多發生在H3、H4的Lys殘基上。甲基化--發生在H3、H4的Lys和Asp殘基上，可以與基因抑制有關，也可以與基因的激活相關，這往往取決于被修飾的位置和程度。磷酸化--發生與Ser殘基，一般與基因活化相關。泛素化--一般是C端Lys修飾，啟動基因表達。SUMO（一種類泛素蛋白）化--可穩定異染色質。其他修飾2023年1月11日362023年1月11日36二、組蛋白修飾BryanM.Turner,naturecellbiology,2007組蛋白中被修飾氨基酸的種類、位置和修飾類型被稱為組蛋白密碼（histonecode），遺傳密碼的表觀遺傳學延伸，決定了基因表達調控的狀態，并且可遺傳。2023年1月11日37二、組蛋白修飾2023年1月11日372023年1月11日38三、染色質重塑染色質重塑（chromatinremodeling）是一個重要的表觀遺傳學機制。染色質重塑是由染色質重塑復合物介導的一系列以染色質上核小體變化為基本特征的生物學過程。組蛋白尾巴的化學修飾（乙酰化、甲基化及磷酸化等）可以改變染色質結構，從而影響鄰近基因的活性。2023年1月11日39三、染色質重塑核小體2023年1月11日40三、染色質重塑核小體定位是核小體在DNA上特異性定位的現象。核小體核心DNA并不是隨機的，其具備一定的定向特性。核小體定位機制：內在定位機制：每個核小體被定位于特定的DNA片斷。外在定位機制：內在定位結束后，核小體以確定的長度特性重復出現。核小體定位的意義：核小體定位是DNA正確包裝的條件。核小體定位影響染色質功能。2023年1月11日41三、染色質重塑重塑因子調節基因表達機制的假設有兩種:機制1：一個轉錄因子獨立地與核小體DNA結合(DNA可以是核小體或核小體之間的),然后,這個轉錄因子再結合一個重塑因子,導致附近核小體結構發生穩定性的變化,又導致其他轉錄因子的結合,這是一個串聯反應的過程;（重建）機制2：由重塑因子首先獨立地與核小體結合,不改變其結構,但使其松動并發生滑動,這將導致轉錄因子的結合,從而使新形成的無核小體的區域穩定。

（滑動）2023年1月11日42三、染色質重塑染色質修飾與重塑（共價修飾型與ATP依賴型）2023年1月11日43三、染色質重塑（A）結合（B）松鏈（C）重塑八聚體轉移八聚體滑動+ATP重塑復合物ATP依賴的染色質重構機制2023年1月11日44三、染色質重塑邊界子(boundaryelements)：相鄰基因間的物理隔離元件。也可稱為隔離子(insulatorelements)。邊界子和隔離子的隔離功能：封阻末梢增強子對啟動子的作用。防止染色質位置效應（CPE）。由邊界子所確定的染色質片斷是基因組調節的基本單位，其構成染色質的功能與或區室，這即是染色質區室化。2023年1月11日45四、RNA調控1995，RNAi現象首次在線蟲中發現。1998，RNAi概念的首次提出。1999，RNAi作用機制模型的提出。在線蟲、果蠅、擬南芥及斑馬魚等多種生物內發現RNAi現象。2001，RNAi技術成功誘導培養的哺乳動物細胞基因沉默現象。RNAi技術被《Science》評為2001年度的十大科技進展之一。至今，蓬勃發展，成為分子生物學領域最為熱門的方向之一。2023年1月11日452023年1月11日46四、RNA調控RNA干擾（RNAi）作用是生物體內的一種通過雙鏈RNA分子在mRNA水平上誘導特異性序列基因沉默的過程。由于RNAi發生在轉錄后水平，所以又稱為轉錄后基因沉默（post-transcriptionalgenesilencing,PTGS）。RNA干擾是一種重要而普遍表觀遺傳的現象。2023年1月11日462023年1月11日47四、RNA調控

siRNAsiRNA結構：21-23nt的雙鏈結構，序列與靶mRNA有同源性，雙鏈兩端各有2個突出非配對的3’堿基。siRNA功能：是RNAi作用的重要組分，是RNAi發生的中介分子。內源性siRNA是細胞能夠抵御轉座子、轉基因和病毒的侵略。2023年1月11日472023年1月11日48四、RNA調控2023年1月11日48siRNA介導的RNAi2023年1月11日49四、RNA調控siRNAi的特點：高效性和濃度依賴性特異性位置效應時間效應細胞間RNAi的可傳播性多基因參與及ATP依賴性2023年1月11日492023年1月11日50四、RNA調控

miRNA結構：21-25nt長的單鏈小分子RNA，5′端有一個磷酸基團，3′端為羥基，由具有發夾結構的約70-90個堿基大小的單鏈RNA前體經過Dicer酶加工后生成。特點：具有高度的保守性、時序性和組織特異性。功能：2023年1月11日502023年1月11日51四、RNA調控2023年1月11日51siRNA介導的RNAi2023年1月11日52四、RNA調控2023年1月11日52

相同點/聯系點siRNAmiRNA長度及特征都約在22nt左右，5’端是磷酸基，3＇端是羥基合成的底物miRNA和siRNA合成都是由雙鏈的RNA或RNA前體形成的Dicer酶依賴Dicer酶的加工，是Dicer的產物，所以具有Dicer產物的特點Argonaute家族蛋白都需要Argonaute家族蛋白參與RISC組分二者都是RISC組分，所以其功能界限變得不清晰，如二者在介導沉默機制上有重疊；產生了ontarget和offtarget的問題作用方式都可以阻遏靶標基因的翻譯，也可以導致mRNA降解，即在轉錄水平后和翻譯水平起作用進化關系可能的兩種推論：siRNA是miRNA的補充，miRNA在進化過程中替代了siRNA

四、RNA調控不同點/分歧點siRNAmiRNA機制性質往往是外源引起的，如病毒感染和人工插入dsRNA之后誘導而產生，屬于異常情況是生物體自身的一套正常的調控機制直接來源長鏈dsRNA發夾狀pre-miRNA分子結構siRNA是雙鏈RNA，3‘端有2個非配對堿基，通常為UUmiRNA是單鏈RNA對靶RNA特異性較高，一個突變容易引起RNAi沉默效應的改變相對較低，一個突變不影響miRNA的效應作用方式RNAi途徑miRNA途徑生物合成，成熟過程由dsDNA在Dicer酶切割下產生;發生在細胞質中pri-miRNA在核內由一種稱為Drosha酶處理后成為60nt的帶有莖環結構的PrecursormiRNAs(pre-miRNAs)；這些pre-miRNAs在轉運到細胞核外之后再由Dicer酶進行處理，酶切后成為成熟的miRNAs；發生在細胞核和細胞質中Argonaute(AGO)蛋白質各有不同的AGO蛋白質各有不同的AGO蛋白質互補性（complementarity）一般要求完全互補不完全互補，存在錯配現象RISCs的分子量不同(MartinezandTuschl,2004;Martinezetal.,2002;Nykanenetal.,2001;Phametal.,2004)siRISCsmiRISCs/miRNP各自的生物學功能不同ⅰ抵抗病毒的防御機制(Pfefferetal.,2004;Dingetal.,2004)；ⅱ沉默那些過分表達的mRNA；ⅲ保護基因組免受轉座子的破壞(MelloandConte,Jr.,2004;Hannon,2002;Tabaraetal.,1999)-9；對有機體的生長發育有重要作用(Rhoadesetal.,2002)重要特性高度特異性高度的保守性、時序性和組織特異性作用機制單鏈的siRNA結合到RISC復合物中，引導復合物與mRNA完全互補，通過其自身的解旋酶活性，解開siRNAs，通過反義siRNA鏈識別目的mRNA片段，通過內切酶活性切割目的片段，接著再通過細胞外切酶進一步降解目的片段。同時，siRNA也可以阻遏3′UTR具有短片斷互補的mRNA的翻譯（offtarget）。成熟的miRNAs則是通過與miRNP核蛋白體復合物結合，識別靶mRNA，并與之發生部分互補，從而阻遏靶mRNA的翻譯。在動物中，成熟的單鏈miRNAs與蛋白質復合物miRNP結合，引導這種復合物通過部分互補結合到mRNA的3′UTR（非編碼區域），從而阻遏翻譯。除此之外，miRNA也可以切割完全互補的mRNA。加工過程siRNA對稱地來源于雙鏈RNA的前體的兩側臂miRNA是不對稱加工，miRNA僅是剪切pre-miRNA的一個側臂，其他部分降解。對RNA的影響降解目標mRNA；影響mRNA的穩定性在RNA代謝的各個層面進行調控；與mRNA的穩定性無關作用位置siRNA可作用于mRNA的任何部位miRNA主要作用于靶標基因3′-UTR區生物學意義siRNA不參與生物生長，是RNAi的產物，原始作用是抑制轉座子活性和病毒感染miRNA主要在發育過程中起作用，調節內源基因表達不同點/分歧點siRNAmiRNA2023年1月11日55五、其他表觀遺傳機制除DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質重塑、和RNA調控以外，還有遺傳印跡、X染色體失活、轉座、負突變等。遺傳印跡、X染色體失活的本質仍為DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質重塑。2023年1月11日56遺傳印跡2023年1月11日56概念：或稱親本印跡（parentimprinting）是指基因組在傳遞遺傳信息的過程中，通過基因組的化學修飾（DNA的甲基化；組蛋白的甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等）而使基因或DNA片段被標識的過程。特點：基因組印跡依靠單親傳遞某種性狀的遺傳信息，被印跡的基因會隨著其來自父源或母源而表現不同，即源自雙親的兩