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1、表观遗传学 Epigenetics 闵 捷 21014007 概 念 表观遗传学 l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。 表观遗传 l所谓表观遗传就是不基于DNA差异的核酸遗传。即细 胞分裂过程中，DNA 序列不变的前提下，全基因组的 基因表达调控所决定的表型遗传，涉及染色质重编程 、整体的基因表达调控（如隔离子，增强子，弱化子 ，DNA甲基化，组蛋白修饰等功能 ), 及基因型对表型 的决定作用。 表观遗传学的特点： l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； l可逆性的基因
2、表达调节，也有较少的学者描述 为基因活性或功能的改变； l没有DNA序列的改变或不能用DNA序列变化来 解释。 表观遗传学的研究内容： l 基因选择性转录表达 的调控 uDNA甲基化 u基因印记 u组蛋白共价修饰 u染色质重塑 l 基因转录后的调控 u基因组中非编码RNA u微小RNA（miRNA） u反义RNA u内含子、核糖开关等 表观遗传学机制 DNA甲基化 组蛋白修饰 染色质重塑 RNA调控 其他表观遗传机制 遗传印记 X染色体失活 一、DNA甲基化 DNMT1 SAMSAM 胞嘧啶5-甲基胞嘧啶 胞嘧啶甲基化反应 S-腺苷甲硫氨酸 DNA甲基化(DNA methylation)是研究
3、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，5mC)。 哺乳动物基因组中5mC占胞嘧啶总量的2%-7%，约70% 的5mC存在于CpG二连核苷。 在结构基因的5端调控区域, CpG二连核苷常常以成簇串 联形式排列，这种富含CpG二连核苷的区域称为CpG岛 (CpG islands)，其大小为500-1000bp，约56%的编码基 因含该结构。 基因调控元件(如启动子)所含CpG岛中的5mC会阻碍转录 因子复合体与DNA的结合。 lDNA甲基化一般与基因沉默相关联
4、； l非甲基化一般与基因的活化相关联； l而去甲基化往往与一个沉默基因的重新激活相关联。 55 33 v CpG岛主要处于基因5端调控区域。 v 启动子区域的CpG岛一般是非甲基化状态的，其非甲基化 状态对相关基因的转录是必须的。 v 目前认为基因调控元件（如启动子）的CpG岛中发生5mC 修饰会在空间上阻碍转录因子复合物与DNA的结合。因而 DNA甲基化一般与基因沉默相关联。 RbRb基因基因 CpG CpG 频率频率 DNA甲基化的转录抑制机制： （1）直接干扰特异转录因子与各自启动子结合的识别位 置。DNA的大沟是许多蛋白因子与DNA结合的部位 ，胞嘧啶的甲基化干扰转录因子与DNA的结合
5、。 （2）转录抑制复合物干扰基因转录。甲基化DNA结合蛋 白与启动子区内的甲基化CpG岛结合，再与其他一些 蛋白共同形成转录抑制复合物（TRC），阻止转录因 子与启动子区靶序列的结合，从而影响基因的转录。 （3）通过改变染色质结构而抑制基因表达。染色质构型 变化伴随着组氨酸的乙酰化和去乙酰化，许多乙酰化 和去乙酰化本身就分别是转录增强子和转录阻遏物蛋 白。 DNA甲基化状态的遗传和保持： lDNA复制后，新合成链在DNMT1的作用下，以旧 链为模板进行甲基化。（缺乏严格的精确性，95% ） l甲基化并非基因沉默的原因而是基因沉默的结果， 其以某种机制识别沉默基因，后进行甲基化。 lDNA全新甲
6、基化。引发因素可能包括： uDNA本身的序列、成分和次级结构。 uRNA根据序列同源性可能靶定的区域。 u特定染色质蛋白、组蛋白修饰或相当有序的染色质 结构。 DNA去甲基化 l主动去甲基化 l复制相关的去甲基化 l在复制过程中维持甲基化酶活性被关闭或维持甲基化酶 活性被抵制。 复制相关的DNA去甲基化 DNA甲基化状态的保持 DNA主动去甲基化 DNA全新甲基化 二、组蛋白修饰 组蛋白修饰是表观遗传研究的重要内容。 组蛋白的 N端是不稳定的、无一定组织的亚单位，其 延伸至核小体以外，会受到不同的化学修饰，这种修 饰往往与基因的表达调控密切相关。 被组蛋白覆盖的基因如果要表达，首先要改变组蛋白
7、 的修饰状态，使其与DNA的结合由紧变松，这样靶基 因才能与转录复合物相互作用。因此，组蛋白是重要 的染色体结构维持单元和基因表达的负控制因子。 组蛋白修饰种类 l乙酰化- 一般与活化的染色质构型相关联，乙酰化修 饰大多发生在H3、H4的 Lys 残基上。 l甲基化- 发生在H3、H4的 Lys 和 Arg残基上，可以 与基因抑制有关，也可以与基因的激活相关，这往往 取决于被修饰的位置和程度。 l磷酸化- 发生与 Ser 残基，一般与基因活化相关。 l泛素化- 一般是C端Lys修饰，启动基因表达。 lSUMO（一种类泛素蛋白）化- 可稳定异染色质。 l其他修饰（如ADP的核糖基化） Bryan
8、 M. Turner, nature cell biology, 2007 v组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型被 称为组蛋白密码（histone code），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。 三、染色质重塑 染色质重塑（chromatin remodeling）是 一个重要的表观遗传学机制。 染色质重塑是由染色质重塑复合物介导的 一系列以染色质上核小体变化为基本特征 的生物学过程。 组蛋白尾巴的化学修饰（乙酰化、甲基化 及磷酸化等）可以改变染色质结构，从而 影响邻近基因的活性。 核小体 核小体定位是核小体在DNA上特异性定位的 现象。 核小体核心D
9、NA并不是随机的，其具备一定 的定向特性。 核小体定位机制： l内在定位机制：每个核小体被定位于特定的DNA片断。 l外在定位机制：内在定位结束后，核小体以确定的长 度特性重复出现。 核小体定位的意义： l核小体定位是DNA正确包装的条件。 l核小体定位影响染色质功能。 重塑因子调节基因表达机制的假设有两种: l机制1：一个转录因子独立地与核小体DNA 结合 (DNA可以是核小体或核小体之间的), 然后, 这 个转录因子再结合一个重塑因子, 导致附近核小 体结构发生稳定性的变化, 又导致其他转录因子 的结合, 这是一个串联反应的过程; （重建） l机制2：由重塑因子首先独立地与核小体结合, 不
10、改变其结构, 但使其松动并发生滑动, 这将导 致转录因子的结合, 从而使新形成的无核小体的 区域稳定。 （滑动） 染色质修饰与重塑（共价修饰型与ATP依赖型） （A）结合 （B）松链 （C）重塑 八聚体转移八聚体滑动 + ATP 重塑 复合物 ATP依赖的染色质重构机制 边界子( boundary elements)：相邻基因 间的物理隔离元件。也可称为隔离子( insulator elements)。 边界子和隔离子的隔离功能 ： l封阻末梢增强子对启动子的作用。 l防止染色质位置效应（CPE）。 由边界子所确定的染色质片断是基因组调 节的基本单位，其构成染色质的功能与或 区室，这即是染色质
11、区室化。 四、RNA调控 1995，RNAi现象首次在线虫中发现。 1998，RNAi概念的首次提出。 1999，RNAi作用机制模型的提出。在线虫、果蝇 、拟南芥及斑马鱼等多种生物内发现RNAi现象。 2001，RNAi技术成功诱导培养的哺乳动物细胞基 因沉默现象。RNAi 技术被Science评为2001 年度的十大科技进展之一。 至今，蓬勃发展，成为分子生物学领域最为热门 的方向之一。 RNA干扰（RNAi）作用是生物体内的一种 通过双链RNA分子在mRNA水平上诱导特 异性序列基因沉默的过程。 由于RNAi发生在转录后水平，所以又称为 转录后基因沉默（post-transcriptio
12、nal gene silencing, PTGS ）。 RNA干扰是一种重要而普遍表观遗传的现 象。 siRNA siRNA结构：21-23nt的双链结构，序列与 靶mRNA有同源性，双链两端各有2个突出 非配对的3碱基。 siRNA功能：是RNAi 作用的重要组分，是 RNAi发生的中介分子。内源性siRNA是细 胞能够抵御转座子、转基因和病毒的侵略 。 siRNA介导的RNAi siRNAi 的特点： l高效性和浓度依赖性 l特异性 l位置效应 l时间效应 l细胞间RNAi的可传播性 l多基因参与及ATP依赖性 miRNA 结构：21-25nt长的单链小分子RNA ，5端有一个磷 酸基团，
13、3端为羟基，由具有发夹结构的约70-90个碱 基大小的单链RNA前体经过Dicer酶加工后生成。 特点：具有高度的保守性、时序性和组织特异性 。 功能： siRNA介导的RNAi 相同点/联系点siRNAmiRNA 长度及特征都约在22nt左右，5端是磷酸基，3端是羟基 合成的底物miRNA和siRNA合成都是由双链的RNA或RNA前体形成的 Dicer酶依赖Dicer酶的加工，是Dicer的产物，所以具有Dicer产物 的特点 Argonaute家族蛋白都需要Argonaute家族蛋白参与 RISC组分二者都是RISC组分，所以其功能界限变得不清晰，如二者 在介导沉默机制上有重叠；产生了on
14、 target和off target 的问题 作用方式都可以阻遏靶标基因的翻译，也可以导致mRNA降解，即在 转录水平后和翻译水平起作用 进化关系可能的两种推论：siRNA是miRNA的补充，miRNA在进化过程 中替代了siRNA 不同点/分歧点siRNAmiRNA 机制性质往往是外源引起的，如病毒感染 和人工插入dsRNA之后诱导而 产生，属于异常情况 是生物体自身的一套正常的调控机制 直接来源长链dsRNA发夹状pre-miRNA 分子结构siRNA是双链RNA，3端有2个非配 对碱基，通常为UU miRNA是单链RNA 对靶RNA特异性较高，一个突变容易引起RNAi沉 默效应的改变 相
15、对较低，一个突变不影响miRNA的效应 作用方式RNAi途径miRNA途径 生物合成，成熟过程由dsDNA在Dicer酶切割下产生;发 生在细胞质中 pri-miRNA在核内由一种称为Drosha酶处 理后成为60nt的带有茎环结构的 Precursor miRNAs (pre-miRNAs)； 这些pre-miRNAs在转运到细胞核外之 后再由Dicer酶进行处理，酶切后成 为成熟的miRNAs；发生在细胞核和细 胞质中 Argonaute (AGO) 蛋白质各有不同的AGO蛋白质各有不同的AGO蛋白质 互补性（complementarity）一般要求完全互补不完全互补，存在错配现象 RIS
16、Cs的分子量不同(Martinez and Tuschl, 2004; Martinez et al., 2002; Nykanen et al., 2001; Pham et al., 2004) siRISCsmiRISCs/miRNP 各自的生物学功能不同抵抗病毒的防御机制(Pfeffer et al., 2004; Ding et al., 2004)；沉默 那些过分表达的mRNA；保护基因组 免受转座子的破坏(Mello and Conte, Jr., 2004; Hannon, 2002; Tabara et al., 1999)-9； 对有机体的生长发育有重要作用(Rhoades et al., 2002) 重要特性高度特异性高度的保
