1、OUTLINE 表觀遺傳的概念 表觀遺傳的修飾機制: DNA甲基化; 組蛋白修飾; 非編碼RNA干擾（三重開關） 表觀遺傳的調控功能: 基因組印跡; X染色體失活; 基因表達的重新編程 表觀遺傳與疾病: 脆性X染色體綜合征為什么？為什么？ 同卵雙生姐妹為何在長像或性格上存在差異？ 克隆貓與供體貓為何毛色不一樣？ 白細胞、紅細胞和血小板的形態和功能為何各異？ 為什么女性的一條X染色體會失活？表觀遺傳的概念表觀遺傳的概念 表觀遺傳(epigenetic inheritance)：通過有絲分裂或減數分裂來傳遞非DNA序列信息的現象。 表觀遺傳學(epigenetics)：研究不涉及DNA序列改變的基

2、因表達和調控的可遺傳變化的學科, 或者說是研究從基因演繹為表型的過程和機制的學科。 表觀遺傳的異常會引起表型的改變，機體結構和功能的異常，甚至導致疾病的發生。表觀遺傳的修飾機制表觀遺傳的修飾機制 表觀遺傳修飾有三類（三重開關） DNA分子特定堿基的結構修飾（如胞嘧啶的甲基化，通常存在于CpG中）； 染色質中組蛋白的轉錄后修飾，包括甲基化、乙酰化、磷酸化等； 非編碼RNA的干擾。DNA特定堿基的結構修飾特定堿基的結構修飾甲基化甲基化 DNMTs- DNA 甲基化轉移酶 (DNA methyltransferase)SAM-S 腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine)為甲基供體DN

3、A甲基化模式在DNA復制中的維持機制維持機制是表觀遺傳學的重要基礎。(5-mC) 結構基因中，5端CpG島中的5-mC會阻礙轉錄因子復合體與DNA結合，因此DNA甲基化一般與基因沉默相關； 非甲基化(non-methylated)與基因的活化相關；去甲基化(demethylation)與一個沉默基因的重新激活相關 甲基化 常染色質(4%)與異染色質 組蛋白修飾方式：乙酰化、甲基化、磷酸化等8種 生物學作用：a.改變組蛋白的電荷而使核小體與核小體或DNA與核小體之間的相互作用發生改變；b.影響細胞行為；c.導致不同細胞功能的分化組蛋白的轉錄后修飾組蛋白的轉錄后修飾c: 甲基化；Ac: 乙酰化；U

4、b: 泛素化；HP1：異染色質蛋白1；P：磷酸化 非編碼RNA(non-coding RNAs, ncRNAs)是指DNA轉錄后不能翻譯成蛋白質的RNA，但它們可以調控mRNA、tRNA和rRNA分子的產生和功能。包括4種類型： 非編碼非編碼RNA干擾干擾ncRNA全 稱長 度前 體結合蛋白功 能miRNAMicro RNA2123nt單鏈RNA折疊成不完全匹配的發卡結構Ago成員形成miRISC（RNA誘導沉默復合體），調節內源性基因的表達siRNAShort interfering or silencing RNA2025nt完全匹配的雙鏈RNAAgo成員形成siRISC，降解外源或入侵的

5、核酸piRNAPiwi-interacting RNA2730nt單鏈RNAPiwi成員調控染色質結構和轉座子沉默LncRNALong nocoding RNA200nt單鏈RNA調節X染色體失活和印跡基因表達 外源性dsRNAs通過轉換成2023 nt的siRNAs特異性地沉默靶基因。 作用原理：利用指導鏈識別靶點RNA分子，隨后RNA誘導沉默復合體(RNA-induced silencing complex, RISC)可以通過抑制轉錄或翻譯、促進異染色質形成、以及加速RNA或DNA降解等機制，實現對各種靶基因的表達調控。 目前siRNA已成為靶向沉默細胞內特定基因的常規技術手段之一。非編

6、碼非編碼RNA干擾干擾表觀遺傳的調控功能基因組印跡X染色體失活基因表達的重新編程表觀遺傳的調控功能 基因組印跡 某些基因因帶有表觀標記(epigenetic marks)，使父源和母源等位基因的表達出現差異。 表觀標記/基因組印跡(genomic imprinting)：指因兩個親本等位基因表觀遺傳修飾的不同造成了一個親本等位基因的沉默，使另一個親本等位基因保持單等位基因活性，即二倍體細胞中僅表達一個親本的基因。 印跡基因(imprinted gene)：表達受到基因組印跡調控的基因。表觀遺傳的調控功能 基因組印跡 印跡基因的DNA甲基化模式是在生殖細胞成熟過程中建立的。父源等位基因在精母細胞

7、形成精子時產生新的甲基化模式；同樣，母源等位基因甲基化模式在卵子發生時形成。 基因組印跡是一種表觀修飾，其由一整套分布于染色體不同部位的印跡中心(imprinting centers, ICs)來調控，該中心可導致以親本來源的特異性方式優先表達兩個親本等位基因中的一個，而使另一個沉默。基因組印跡的調控機制 以Prader-Willi 綜合征(PWS)為例。注：上方為母源表達基因，下方為父源表達基因，箭頭示基因轉錄方向。實心方塊示印跡中心，實心圓圈示甲基化。15q11-q13錯誤表達導致啟動子甲基化及沉默表達缺失 X染色體失活 Lyon假說：X 染色體失活發生在胚胎發育早期； 小鼠實驗：受精期，

8、雌性合子的兩條X染色體均有活性，第一次X染色體失活發生在第一次卵裂，僅父源X染色體失活，由印跡引起；囊胚期，內細胞團(ICM)中失活X 染色體被重新激活，兩條X染色體均有活性，而滋養外胚層和原始內胚層則仍維持父源X染色體失活。當內細胞團細胞開始分化時才第二次以隨機的方式失活其中一條X染色體，并在以后的發育過程中一直保持失活狀態。表觀遺傳的調控功能 X染色體失活的調控機制 X 染色體不論以印跡方式還是隨機方式失活，均受X染色體失活中心(X-inaction center, XIC)調控。表觀遺傳的調控功能注：Xist：X染色體失活特異性轉錄因子；Tsix位于Xist下游抑制Xist的表達；Xit

9、e是Tsix的增強子，其表達將抑制Xist；RNF12位于Xist上游550 kb，編碼E3泛素連接酶RLIM能反式激活Xist；Xce決定X染色體隨機失活的選擇。 X染色體失活的調控機制 失活分為三個步驟：啟動、延伸和維持。 Xist調控X染色體失活的啟動和延伸。兩條X染色體的Xist都能從上游啟動子啟動Xist RNA的穩定轉錄，但其中一條X染色體產生的Xist RNA將這條染色體自身整體包裹，并啟動異染色質化和失活過程，另一條X染色體轉錄的Xist RNA會很快失活，這條X染色質呈常染色質狀態，整條染色體上的基因都具有表達活性。 Xist RNA在失活的X染色體表面呈現錨釘樣排列，提示它

10、可能與染色體上特定的蛋白質相結合而形成穩定的結構。表觀遺傳的調控功能 X染色體失活的調控機制 Xce (X-chromosome controlling element)基因主要影響X染色體隨機失活的選擇，當Xce處于純合狀態時，在體細胞中的X染色體的失活是完全隨機的；而在雜合態時，失活就不是完全隨機的。 Tsix基因能抑制Xist的表達，因此在活性X染色體上高表達。Tsix和Xist基因表達水平的平衡決定了失活X染色體的選擇。為了啟動X染色體失活，Xist必須超越Tsix表達的閾值。 Xite是Tsix的增強子，其表達將抑制Xist。表觀遺傳的調控功能表觀遺傳的調控功能 基因表達的重新編程

11、表觀遺傳修飾使生物體雖具有完全一樣的基因組，卻產生不一樣的基因時空表達模式，從而形成結構和功能各不相同的細胞。 在哺乳動物中，一個高度分化的體細胞仍然保持發育成為完整個體的能力，即分化過程施加在基因組的發育限制并不是永久的遺傳改變，而是可逆的表觀遺傳修飾。 通過系統重建表觀遺傳修飾為胚胎發育中的基因表達重新編程(reprogramming)。基因表達的重新編程注：早期原始生殖細胞(PGC) 在進入性腺前后，原有的表觀基因組開始被刪除，隨之在兩性生殖細胞中建立性別特異性和序列特異性的表觀遺傳型。在受精過程中，精子進入成熟的卵細胞后，受精卵基因組會刪除在生殖細胞成熟過程中建立的，除印跡基因以外的全

12、部表觀遺傳修飾標記，重新建立胚胎發育特有的表觀基因組。表觀遺傳與疾病 表觀遺傳病(epigenetic diseases)包括中樞神經系統發育紊亂、免疫性疾病、復雜代謝性疾病和癌癥等。 分類：一類是在發育的重新編程過程中造成的特定基因表觀遺傳修飾的異常，也稱表觀突變(epimutation)；另一類與表觀遺傳修飾的分子結構與功能相關的蛋白質編碼基因有關。 舉例：脆性X染色體綜合征。表觀遺傳的概念表觀遺傳的概念 表觀遺傳(epigenetic inheritance)：通過有絲分裂或減數分裂來傳遞非DNA序列信息的現象。 表觀遺傳學(epigenetics)：研究不涉及DNA序列改變的基因表達和

13、調控的可遺傳變化的學科, 或者說是研究從基因演繹為表型的過程和機制的學科。 表觀遺傳的異常會引起表型的改變，機體結構和功能的異常，甚至導致疾病的發生。 常染色質(4%)與異染色質 組蛋白修飾方式：乙酰化、甲基化、磷酸化等8種 生物學作用：a.改變組蛋白的電荷而使核小體與核小體或DNA與核小體之間的相互作用發生改變；b.影響細胞行為；c.導致不同細胞功能的分化組蛋白的轉錄后修飾組蛋白的轉錄后修飾c: 甲基化；Ac: 乙酰化；Ub: 泛素化；HP1：異染色質蛋白1；P：磷酸化 外源性dsRNAs通過轉換成2023 nt的siRNAs特異性地沉默靶基因。 作用原理：利用指導鏈識別靶點RNA分子，隨后

14、RNA誘導沉默復合體(RNA-induced silencing complex, RISC)可以通過抑制轉錄或翻譯、促進異染色質形成、以及加速RNA或DNA降解等機制，實現對各種靶基因的表達調控。 目前siRNA已成為靶向沉默細胞內特定基因的常規技術手段之一。非編碼非編碼RNA干擾干擾表觀遺傳的調控功能 基因組印跡 印跡基因的DNA甲基化模式是在生殖細胞成熟過程中建立的。父源等位基因在精母細胞形成精子時產生新的甲基化模式；同樣，母源等位基因甲基化模式在卵子發生時形成。 基因組印跡是一種表觀修飾，其由一整套分布于染色體不同部位的印跡中心(imprinting centers, ICs)來調控，該中心可導致以親本來源的特異性方式優先表達兩個親本等位基因中的一個，而使另一個沉默。 X染色體失活的調控機制 Xce (X-ch