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1、OUTLINE 表观遗传的概念表观遗传的修饰机制 DNA甲基化 组蛋白修饰 非编码RNA干扰 三重开关 表观遗传的调控功能 基因组印迹 X染色体失活 基因表达的重新编程表观遗传与疾病 脆性X染色体综合征 为什么 同卵双生姐妹为何在长像或性格上存在差异 克隆猫与供体猫为何毛色不一样 白细胞 红细胞和血小板的形态和功能为何各异 为什么女性的一条X染色体会失活 表观遗传的概念 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 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学科 或者说是研究从基因演绎为
2、表型的过程和机制的学科 表观遗传的异常会引起表型的改变 机体结构和功能的异常 甚至导致疾病的发生 表观遗传的修饰机制 表观遗传修饰有三类 三重开关 DNA分子特定碱基的结构修饰 如胞嘧啶的甲基化 通常存在于CpG中 染色质中组蛋白的转录后修饰 包括甲基化 乙酰化 磷酸化等 非编码RNA的干扰 DNA特定碱基的结构修饰 甲基化 DNMTs DNA甲基化转移酶 DNAmethyltransferase SAM S腺苷甲硫氨酸 S adenosylmethionine 为甲基供体DNA甲基化模式在DNA复制中的维持机制是表观遗传学的重要基础 5 mC 结构基因中 5 端CpG岛中的5 mC会阻碍转录
3、因子复合体与DNA结合 因此DNA甲基化一般与基因沉默相关 非甲基化 non methylated 与基因的活化相关 去甲基化 demethylation 与一个沉默基因的重新激活相关 DNA特定碱基的结构修饰 甲基化 常染色质 4 与异染色质组蛋白修饰方式 乙酰化 甲基化 磷酸化等8种生物学作用 a 改变组蛋白的电荷而使核小体与核小体或DNA与核小体之间的相互作用发生改变 b 影响细胞行为 c 导致不同细胞功能的分化 组蛋白的转录后修饰 c 甲基化 Ac 乙酰化 Ub 泛素化 HP1 异染色质蛋白1 P 磷酸化 非编码RNA non codingRNAs ncRNAs 是指DNA转录后不能翻
4、译成蛋白质的RNA 但它们可以调控mRNA tRNA和rRNA分子的产生和功能 包括4种类型 非编码RNA干扰 外源性dsRNAs通过转换成20 23nt的siRNAs特异性地沉默靶基因 作用原理 利用指导链识别靶点RNA分子 随后RNA诱导沉默复合体 RNA inducedsilencingcomplex RISC 可以通过抑制转录或翻译 促进异染色质形成 以及加速RNA或DNA降解等机制 实现对各种靶基因的表达调控 目前siRNA已成为靶向沉默细胞内特定基因的常规技术手段之一 非编码RNA干扰 表观遗传的调控功能 基因组印迹X染色体失活基因表达的重新编程 表观遗传的调控功能 基因组印迹某些
5、基因因带有表观标记 epigeneticmarks 使父源和母源等位基因的表达出现差异 表观标记 基因组印迹 genomicimprinting 指因两个亲本等位基因表观遗传修饰的不同造成了一个亲本等位基因的沉默 使另一个亲本等位基因保持单等位基因活性 即二倍体细胞中仅表达一个亲本的基因 印迹基因 imprintedgene 表达受到基因组印迹调控的基因 表观遗传的调控功能 基因组印迹印迹基因的DNA甲基化模式是在生殖细胞成熟过程中建立的 父源等位基因在精母细胞形成精子时产生新的甲基化模式 同样 母源等位基因甲基化模式在卵子发生时形成 基因组印迹是一种表观修饰 其由一整套分布于染色体不同部位的
6、印迹中心 imprintingcenters ICs 来调控 该中心可导致以亲本来源的特异性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 基因组印迹的调控机制 以Prader Willi综合征 PWS 为例 注 上方为母源表达基因 下方为父源表达基因 箭头示基因转录方向 实心方块示印迹中心 实心圆圈示甲基化 15q11 q13 错误表达导致启动子甲基化及沉默 表达缺失 X染色体失活Lyon假说 X染色体失活发生在胚胎发育早期 小鼠实验 受精期 雌性合子的两条X染色体均有活性 第一次X染色体失活发生在第一次卵裂 仅父源X染色体失活 由印迹引起 囊胚期 内细胞团 ICM 中失活X染色体被重
7、新激活 两条X染色体均有活性 而滋养外胚层和原始内胚层则仍维持父源X染色体失活 当内细胞团细胞开始分化时才第二次以随机的方式失活其中一条X染色体 并在以后的发育过程中一直保持失活状态 表观遗传的调控功能 X染色体失活的调控机制X染色体不论以印迹方式还是随机方式失活 均受X染色体失活中心 X inactioncenter XIC 调控 表观遗传的调控功能 注 Xist X染色体失活特异性转录因子 Tsix位于Xist下游抑制Xist的表达 Xite是Tsix的增强子 其表达将抑制Xist RNF12位于Xist上游550kb 编码E3泛素连接酶RLIM能反式激活Xist Xce决定X染色体随机失
8、活的选择 X染色体失活的调控机制失活分为三个步骤 启动 延伸和维持 Xist调控X染色体失活的启动和延伸 两条X染色体的Xist都能从上游启动子启动XistRNA的稳定转录 但其中一条X染色体产生的XistRNA将这条染色体自身整体包裹 并启动异染色质化和失活过程 另一条X染色体转录的XistRNA会很快失活 这条X染色质呈常染色质状态 整条染色体上的基因都具有表达活性 XistRNA在失活的X染色体表面呈现锚钉样排列 提示它可能与染色体上特定的蛋白质相结合而形成稳定的结构 表观遗传的调控功能 X染色体失活的调控机制Xce X chromosomecontrollingelement 基因主要
9、影响X染色体随机失活的选择 当Xce处于纯合状态时 在体细胞中的X染色体的失活是完全随机的 而在杂合态时 失活就不是完全随机的 Tsix基因能抑制Xist的表达 因此在活性X染色体上高表达 Tsix和Xist基因表达水平的平衡决定了失活X染色体的选择 为了启动X染色体失活 Xist必须超越Tsix表达的阈值 Xite是Tsix的增强子 其表达将抑制Xist 表观遗传的调控功能 表观遗传的调控功能 基因表达的重新编程表观遗传修饰使生物体虽具有完全一样的基因组 却产生不一样的基因时空表达模式 从而形成结构和功能各不相同的细胞 在哺乳动物中 一个高度分化的体细胞仍然保持发育成为完整个体的能力 即分化
10、过程施加在基因组的发育限制并不是永久的遗传改变 而是可逆的表观遗传修饰 通过系统重建表观遗传修饰为胚胎发育中的基因表达重新编程 reprogramming 基因表达的重新编程 注 早期原始生殖细胞 PGC 在进入性腺前后 原有的表观基因组开始被删除 随之在两性生殖细胞中建立性别特异性和序列特异性的表观遗传型 在受精过程中 精子进入成熟的卵细胞后 受精卵基因组会删除在生殖细胞成熟过程中建立的 除印迹基因以外的全部表观遗传修饰标记 重新建立胚胎发育特有的表观基因组 表观遗传与疾病 表观遗传病 epigeneticdiseases 包括中枢神经系统发育紊乱 免疫性疾病 复杂代谢性疾病和癌症等 分类 一类是在发育的重新编程过程中造成的特定基因表观遗传修饰的异常 也称表观突变 epimutation 另一类与表观遗传修饰的分子结构与功能相关的蛋白质编码基因有关 举例 脆性X染色体综合征
