Chapter15EpigeneticsLeiHuang,DepartmentofMedicalGeneticsleihuang@Biologicalexamplesof

epigeneticphenotypesAllis,C.D.etal,EpigeneticsFig.3-1表觀遺傳的概念?

不同類型的細胞之間存在著基因表達模式（geneexpressionpattern）的差異。也就是說，決定細胞類型的不是基因本身，而是基因表達模式。?

基因表達模式在細胞世代之間的遺傳并不完全依賴細胞內DNA的序列信息。?

通過有絲分裂或減數分裂來傳遞非DNA序列信息的現象稱為表觀遺傳（epigeneticinheritance）。?

表觀遺傳學（epigenetics）則是研究不涉及DNA序列改變的基因表達和調控的可遺傳變化,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。Outline?

Mechanismofepigeneticmodification?

Epigeneticinheritanceanddiseases?

Epigeneticinheritanceandcancer?

Epigeneticinheritanceandaging?

Biologicalsignificantofepigeneticinheritance基因表達模式的信息標記，或表觀遺傳修飾（epigeneticmodification）主要有兩類:?DNA分子的特定堿基的結構修飾（如胞嘧啶的甲基化）；?染色質構型重塑（chromatinremodeling）如組蛋白的磷酸化、乙酰化和甲基化。MechanismofepigeneticmodificationDNAMethylation

(DNA甲基化)ChromatinRemodeling

(染色質重朔)GenomicImprinting

（基因組印跡）GeneReprogramming

(基因表達的重編程)XInactivation

(X染色體失活)RNAinterference(RNA干擾)Mechanismofepigeneticmodification1.DNAMethylationDMT1SAM5-甲基胞嘧啶胞嘧啶(DMT-DNA(SAM-S-aden，DNA甲基化轉移酶

)腺苷甲硫氨酸)Mechanismofepigeneticmodification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)或去甲基化(demethylation)一般與基因的活化(geneactivation)相關聯；MechanismofepigeneticmodificationMaintenanceofDNAmethylationCH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3DNA復制酶DNA甲基轉移酶CH3DNA甲基化型在DNA復制中的維持機制是表觀遺傳學的重要基礎Mechanismofepigeneticmodification人類基因組DNA甲基化型的建立、維持和改變還涉及到DNA去甲基化酶（DNAdemethylase）和不依賴半甲基化DNA分子中的甲基化模版鏈而從頭開始合成5mC的從頭甲基化酶（denovomethylase），如Dnmt3a和Dnmt3b。Mechanismofepigeneticmodification2.ChromatinRemodelingMechanismofepigeneticmodificationMechanismofepigeneticmodification2.ChromatinRemodelingHistonemotification：Phosphrylation、

AcetylationandMethylation；組蛋白的這類結構修飾可使染色質的構型發生改變，稱為染色質構型重塑。乙酰化一般與活化的染色質構型常染色質（euchromatin）和有表達活性的基因相關聯；甲基化則根據發生的不同位置將產生不同的效應。MechanismofepigeneticmodificationHP1:Heterochromatinprotein1MechanismofepigeneticmodificationDNA甲基化和組蛋白的修飾在DNA復制中的維持機制是表觀遺傳學的重要基礎Allis,C.D.etal,EpigeneticsEpigeneticmodificationisregulatedbychromatingenesDNA甲基化修飾過程接受來自染色質的指令。對單細胞真核生物，如紅色鏈孢霉Neurosporacrassa的研究表明，編碼H3Lys9甲基轉移酶的基因是DNA甲基化所必需的組蛋白的修飾又會受到RNA干擾（RNAinterference,RNAi）的指令。在裂殖酵母Schizosaccharomycepombe中，編碼RNAi相關蛋白質的基因一旦被knockout，就會導致H3Lys9甲基化的丟失和位于染色體的異染色質區的著絲粒功能受損。Mechanismofepigeneticmodification3.GenomicImprintingPrader-willisyndromeAngelmansyndrome父源15q11-13缺失：肥胖，矮小，并伴有中度智力低下母源15q11-13缺失：兒童期共濟失調，智力嚴重低下和失語3.GenomicImprintingpaternalmaternal3.GenomicImprinting1997年，T.Kishino等的研究證實位于該區段的泛素—蛋白連接酶（ubiqitin-proteinligase）的編碼基因UBE3A突變或失表達（lossofexpression）可以引起AS。AS患者中該基因的失表達是由于母源染色體上包括IC在內的染色體片段缺失所致。而PWS患者是由于該區段的多個父源印跡基因的缺失或錯誤表達（misexpression）所致。這種錯誤表達的后果是鄰近基因啟動子的從頭甲基化和隨后產生的基因沉默。Mechanismofepigeneticmodification3.1PWS&AS印跡中心（ICs）：在染色體的某一區域,成簇排列的富含CpG島的基因表達調控元件。差異甲基化（differentialmethylation）：在父源和母源染色體上，調控元件的CpG島呈現甲基化型的明顯差異，即父源和母源染色體上的ICs的甲基化呈現出分化狀態的現象。3.GenomicImprintingGenomicImprinting（基因組印跡）：來自父親和母親的基因組在個體發育中有著不同影響的現象。基因組印跡是由于兩個親本等位基因的差異性甲基化型造成了一個親本等位基因的沉默，致使另一等位基因保持單等位基因活性（monoallelicactivity）。3.GenomicImprinting3.2Beckwith-WiedemannsyndromeOvergrowthsyndrome(過度生長綜合征

)肥胖和先天性臍疝等癥狀兒童期腫瘤易患傾向染色體11p15.5區段印跡基因表達失衡增強子-染色體屏障調控模式3.GenomicImprinting增強子-染色體屏障調控模式Imprintingcontrolregion1Imprintingcontrolregion211p15.51000kb12imprintedgenesCTCFMaternalPaternalIGF2IGF2DMRH19H19EEDMR3.GenomicImprinting在這個印跡調控區，相對增強子作用而言，DMR1起了一個染色質屏障作用，被稱為隔離子(insulator)，在印跡中起關鍵調控作用。第2印跡調控區包括CDKNIC(p57KIP2),細胞分裂周期相關的基因KCNQ1甲離子通道基因，調控IGF2的印跡。3.GenomicImprintingThemolecularlesionsthatcauseBWS1.

PaternalduplicationsencompassingIGF2;2.

PaternalUPDfor11p15.5(UniparentalDisomy,單親二倍體);3.

Loss-of-functionmutationsonthematernalalleleofCDKN1C;4.

TranslocationsonthematernalchromosomedisruptingKCNQ1whichaffectimprintingofIGF2;5.

Mostcommly,lossofimprintingforICR2/KCNQ1whichaltersimprintingofIGF2迄今發現的印跡基因已有50多個,分布于基因組的12個區域,其中許多是疾病基因；基因組印跡是生殖細胞系的一種表觀遺傳修飾，這種修飾有一整套分布于染色體不同部位的印跡中心來協調，印跡中心直接介導了印跡標記的建立及其在發育全過程中的維持和傳遞，并導致以親本來源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。4.GeneReprogrammingAllis,C.D.etal,Epigeneticsfig3-4第一次是在受精卵細胞發育早期，第二次是發生在后來胚胎中分化成的早期原始生殖細胞上（PGC）。1997,I.Wilmut

&K.H.CampbellcreateDollybytransferringmammaryglanddonornucleustoenucleatedoocyte.2006，ShinyaYamanakaandcolleaguesgeneratesinducedpluripotentstem(iPS)cells，theproductofsomaticcellreprogrammingtoanembryonic-likestate.NATuREREvIEwS|molecularcellbiology2008Vol.94.GeneReprogramming只有經過重新編程的表觀基因組才具有發育的全能性，滿足胚胎所有細胞發育和專一性分化的需要，才能為胚胎發育和分化發出正確的指令

;表觀遺傳修飾的重新編程對環境變化非常敏感。1.在動物實驗中，改變胚胎培養液不但會引起異常甲基化和印跡基因IGF2和H19的表達失調，甚至造成印跡性疾病。2.輔助生育是在配子生成和胚胎發育早期干預生殖，而這個時期正是表觀遺傳編程獲得和維持的關鍵時期。K.H.Orstavik等曾報道經卵細胞胞質精子注射（intracytoplasmicsperminjection，ICSI）輔助后出生的兒童中，PWS/AS和BWS發生率增高現象，并在患兒中檢測到包括H19，IGF2在內的多個印跡基因表達異常。這些結果提示有必要對經輔助生育技術孕育的孩子作表觀遺傳學監測。5.XInactivation1961年,M.F.Lyon提出了闡明哺乳動物劑量補償效應的X染色體失活假設或稱

X染色體萊昂化假設。①正常雌性哺乳動物體細胞中的兩個

X染色體之一在遺傳性狀表達上是失活的；(XCS失活)②在同一個體的不同細胞中，失活的

X染色體可來源于雌性親本，也可來源于雄性親本；（隨機性）③失活現象發生在胚胎發育的早期，一旦出現則從這一細胞分裂增殖而成的體細胞克隆中失活的都是同一來源的染色體。（終身性）5.XInactivation1996年，G.D.Penny等發現X染色體q13.3區段的失活中心。Xist(X-inactivespecifictranscript):產生包裹RNA；Xce(X-chromosomecontrollingelement):失活選擇；Tsix:CTCF的結合位點；

DXPas34:富含CpG，調控作用。5.XInactivation6.RNAinterferencesiRNAmicroRNAEpigeneticinheritanceanddiseases表觀遺傳修飾異常引起的疾病主要可分為兩大類：發育的重新編程中造成的特定基因表觀修飾的異常，或稱表觀突變(epimutation)；與表觀修飾相關的蛋白質編碼基因的突變，如DNA甲基轉移酶基因，CpG結合蛋白CTCF。EpigeneticinheritanceanddiseasesRettSyndrome1966年由

Rett報道;發病率為1/10000-1/15000女孩，又稱頭小綜合征；遺傳性進行性神經系統疾病,患者均為女性；出生后7-18個月出現發育停滯,

高級腦功能迅速惡化和嚴重癡呆等癥狀;X連鎖的甲基結合蛋白MeCP2的基因突變。StructureofMeCP2gene.486AAinsize,MBD-methyl-CpGbindingdomain;TRD-transcriptionrepressiondomainBDNF(brainderivedneurotrophicfactor)EpigeneticinheritanceanddiseasesICFsyndrome（immunodeficiency，centromericregioninstabilityandfacialanomaliessyndrome）伴有免疫缺陷(immunodeficiency)，免疫球蛋白減少或缺失；著絲粒不穩定(centromeric

instability)；面容異常(facialanomalies)，智力低下；常染色體隱性遺傳病；催化DNA從頭甲基化的蛋白DNMT3B基因突變。FragileXsyndromeHeritancementalretardation(遺傳性智力障礙)GenerelatednamedFMR1atXq27.3CCGoverrepeatsin5’UTRofFMR1causedisease6-50

normal52-200premutation(前突變)200-2000mutation（全突變）—FMR1silenceDiseaseSymptomAetiologyATR-Xsyndromentellectual

disabilities,_-thalassaemiaMutationsinATRXgene,hypomethylationofcertainrepeatandsatellitesequencesFragileX

syndromeICFsyndromeChromosomeinstability,ExpansionandmethylationofCGGrepeatinFMR15_UTR,intellectual

disabilitiespromotermethylationChromosomeinstability,immunodeficiencyDNMT3bmutations,DNAhypomethylationAngelman’sIntellectualdisabilitiesDeregulationofoneormoreimprintedgenesat15q11–13syndrome(maternal)Prader–WilliObesity,intellectualdisabilitiesDeregulationofoneormoreimprintedgenesat15q11–13syndrome(paternal)BWSOrganovergrowthIntellectualdisabilitiesAnaemiaDeregulationofimprintedgenesat11p15.5RettsyndromeMeCP2mutations_-Thalassaemia(onecase)Methylationof_2-globinCpGisland,deletionofHBA1andHBQ123VariouscancersMicrosatelliteinstabilityDenovomethylationofMLH129DisruptionofRb,p53pathwayDenovomethylationofvariousgenepromoters4MutationsinSNF5,BRG1,BRM36DisruptionofchromatinremodellingcomplexOverexpressionofIGF2,silencing

LossofimprintingofCDKN1CLeukaemiaDisturbedhaematopoiesisIntellectualdisabilitiesIntellectualdisabilitiesChromosomaltranslocationsinvolvingHATsandHMTs62Rubinstein–TaybisynMutationinCREB-bindingprotein(histoneacetylation)Coffin–LowryMutationin

Rsk-2(histonephosphorylation)syndromeEpigeneticinheritanceandcance