复旦基因组学课件10-1基因组表观遗传

第10章基因组表观遗传1)什么是表观遗传2)表观遗传现象3)表观遗传机制位置效应副突变甲基化基因组印记染色质重建剂量补偿表观遗传学的例子(1)1)1)细胞的分化是一种典型2)的表观遗传学现象,如人3)类眼睛细胞和肌肉细胞含4)有相同的基因组,但基因5)的表达差异很大.2)whileamutationintheaxingenecalledaxin-fusedproducesmicewithkinkytails(弯曲尾巴),thedegreeofkinkinessvariesamonggeneticallyidenticallittermates(同一窝老鼠)(Figure).鳄鱼性别由孵化温度决定扬子鳄卵在孵化温度为28.5摄氏度时，孵出的全部为雌鳄；当气温在33.5摄氏度到35摄氏度时，孵出的全为雄鳄；气温在30摄氏度时，雌雄比例相等。温度越高，孵化出的雄性幼鳄越多。这是典型的表观遗传.Epigenetics的历史1)上世纪40年代,Waddington首创“epigenetics”一词,用以概括研究基因及其产物如何转变为表现型的领域.用现在的话说,就是遗传信息如何转变为表型的过程.2)就词义而言,“epi”是“其上”(upon)或“超越”(over)的意思.因此,在epigenetics的定义中,genetics只涉及基因的结构层次,而epigenetics则涉及基因如何发挥其功能以及基因之间的互作关系.3)在Waddington的“epigenetics”定义中,epigenetics的位置处于遗传学,发育和生态学的交叉口.表观遗传的通俗解释相同基因型的生物在不同的环境条件下表型有很大的差别。同一种中药材在不同产地生长，其药效相差甚远，这是环境影响基因表达的突出例子。这种因环境影响而改变的基因表达模式并不涉及基因型的变异，但可以重复出现，稳定遗传，是一种典型的表观遗传现象。同卵孪生子的表型趋异也是一种表观遗传.最近的研究发现,随着年龄的增长同卵孪生子的表型差异有扩大的趋势.Epigenetics概念的变迁1)1982年“DictionaryofBiology”的定义:epigenetics系指遗传因子与发育过程之间的互作,通过这种互作使基因型转变为表型.2)1992年,Hall在其所著的“EvolutionaryDevelopmentalBiology”一书中,将epigenetics定义为:在发育过程中遗传因子和非遗传因子作用于细胞,选择性控制基因的表达,并逐步增加表型复杂性的过程.3)1996年,在“EpigenticMechanismsofGeneRegulation”一书中将epigenetics定义为:研究不涉及DNA顺序的改变而发生的基因功能的差异,这种差异能通过有丝分裂和减数分裂稳定传递.4)2001年Science杂志对epigenetics的定义为:研究不涉及DNA顺序的变异但能通过有丝分裂和减数分裂遗传的基因功能的变化.表观遗传学表观遗传学(epigenetics):研究在不改变DNA顺序的情况下基因表达出现可遗传变化的分支学科.这种表达模式的改变可通过有丝分裂和减数分裂传递给子代细胞或个体.表观遗传学是功能基因组学研究的重要领域.表观遗传是基因组程序化的一种表现形式.表观遗传学的内容广义的表观遗传(epigenetic)包括以下内容:1)DNA的甲基化2)位置效应3)核小体和组蛋白的修饰(乙酰基化和甲基化)4)RNAi(siRNA和miRNA)5)染色质重建(如X-染色体的失活)6)免疫组织细胞DNA的重排7)基因组印记(genomicimprinting)8)等位基因的副突变及同源抑制，颠换效应9)朊蛋白(Prion)欧洲已启动epigenome计划InOctober2000,theHumanEpigenomeConsortium(theSangerInstitute,EpigenomicsAG,andtheCentreNationaldeGénotypageinEvry,France)startedaEuropeanUnion-fundedpilotprojecttomapthemethylationsiteswithinthemajorhistocompatibilitycomplex(MHC)regioninsevendifferenthumantissues.2000年10月,欧共体启动了一项探索计划:绘制人类基因组7种不同组织细胞主要组织相容性复合体(MHC)区甲基化位点图.表观遗传--位置效应1)位置效应是指由于基因变换了在染色体上的位置而引起表型改变的现象。2)位置效应表明,基因的功能以及基因对生物表型的影响可以在不改变遗传物质本身的顺序组成情况下仅仅由于遗传物质在染色体上的位置差别而发生变化。3)位置效应实际上反映了基因组不同区域特定染色质结构对基因施加的影响。两种位置效应美国学者E.B.刘易斯把位置效应分为两大类型：稳定型和花斑型。稳定型位置效应简称S型位置效应，表型改变是稳定的。花斑型位置效应简称V型效应，其表型改变是不稳定的，从而导致显性和隐性性状嵌合的花斑现象。花斑型位置效应当某一基因由于染色体重排从原来的常染色质区移到异染色质区附近,因异染色质的扩散效应,造成基因表达的改变.这种抑制效应的差别使基因表达受抑程度不同,由此产生嵌合.位置效应--座位控制区1)什么是座位控制区(locuscontrolregion,LCR).Thelevelofactivityofaeuchromaticregionofachromosomeisregulatedbyacis-actingDNAelementdesignatedalocuscontrolregion.2)LCR的功能:以顺式(cis-)方式调控与其连锁的基因表达.3)第一个LCR首先在人类β-球蛋白基因座位区发现.见:Blood,100:3077-3086,2002β-球蛋白质基因座位控制区β-球蛋白质基因座位控制区的结构球蛋白基因簇含有5个功能基因，分别为ε、γG、γA、δ、β,分布在50kb的DNA区段。球蛋白基因只在血红细胞中表达，每个基因表达的时期与组织特异性各不相同,但都毫无例外地受到位于该区上游一段长约12kb的LCR调控.5’HSs1-5是LCR区5个DNA-I酶高敏感位点,是处在开放状态的染色质区.5个DNA-I酶高敏感位点均可与转录调控因子结合,并与球蛋白基因启动子互作调控其表达.LCR区ncRNA的调控作用EnhancerRNA--eRNARNAPIIatenhancerstranscribesbi-directionallyanovelclassofenhancerRNAs(eRNAs)withinenhancerdomains.ThelevelofeRNAexpressionatneuronalenhancerspositivelycorrelateswiththelevelofmessengerRNAsynthesisatnearbygenes,suggestingthateRNAsynthesisoccursspecificallyatenhancersthatareactivelyengagedinpromotingmRNAsynthesis.a,BeforetreatmentwithKCl,neuronalenhancersandpromotersareinanopenconfigurationbutproducenoRNAtranscripts,oronlylowlevelsofthem.b,OnactivationbymembranedepolarizationfollowingKCltreatment,transcriptionfactorsandRNApolymerase(RNAP)bindtoenhancers,andenhancerRNA(eRNA)ismade.Simultaneously,RNAPandtranscriptionmachineryalsobindtopromotersandinitiatemRNAtranscription.c,Ifthepromoteristruncated,theenhancerstillbindstranscriptionfactorsandRNAPbutcannolongermakeeRNA.果蝇体节决定基因与ncRNA副突变副突变(paramuta-tion)最初在玉米中发现.在杂合子中同一座位上的一个等位基因影响另一个同源等位基因的表型.副突变在转基因表现型中也已发现,称为同源抑制.深紫色等位基因B-I的表达状态转变为淡紫色B’.副突变的分子机制--siRNA控制玉米紫色基因b1副突变的成分位于该基因上游100kb，是一段含有多个拷贝的重复顺序。杂合子中已发生副突变的b1基因可将其修饰模式（B’）“拷贝”到等位基因B-1，使后者转变为副突变性状(B’）B-I和B’都有7个串接重复顺序，重复顺序单位长853bp。重复顺序的多少涉及副突变和b1的转录水平。B-I和B’的DNA顺序完全相同，不同的只是表达水平。B-I状态重复顺序的甲基化程度高于B’.玉米的B-I和B’的副突变涉及siRNA路线（AllemanM等，2006）。小RNA与玉米B-I基因的沉默B-I增强子区可转录产生双链RNA,随之被DLC加工成siRNA,siRNA再介导增强子区DNA甲基化.绝缘子染色质位置阻隔效应—绝缘子1）1985年，Udvardy等在果蝇染色体87A7条带热激蛋白基因座的两侧发现了两段取名为scs和scs’(specializedchronatinstructures,特异染色质结构)的顺序。scs和scs’长分别为350bp和200bp，对DNAaseI有高度抗性。这两个序列的两侧均有DNAaseI超敏位点，各为100bp。2）将scs置于控制眼睛颜色的基因两侧然后导入果蝇，转化的果蝇品系不管转基因位于何处，均可产生类似表型，说明scs可使转基因免受内源染色质“位置影响”3)这种可以阻止邻近位置激活或失活效应的顺序称之为绝缘子（insulator）或隔离子。果蝇绝缘子(insulator)绝缘子果蝇多线染色体横纹区SCS专一性结合蛋白质分布绝缘子可阻止相邻基因之间增强子的彼此干扰1)真核生物增强子具有双向作用,超长距离功能,从而带来位置相邻基因之间的彼此干扰问题.2)有些基因位于异染色质邻近,会受到抑制效应的干扰.绝缘子可以阻止上述因位置原因产生的对基因表达的抑制效应.绝缘子的定向控制绝缘子插在转录起始点下游,上游增强子被抑制.绝缘子插在转录起始点上游,下游增强子被抑制.绝缘子效应的方向性绝缘子的效应具有方向性果蝇的yellow（y）座位有4个增强子元件，2个位于启动子上游，另2个位于外显子1和2之间，它们分别负责不同组织特异性的yellow基因的表达。将含有绝缘子的果蝇逆转录转座子gypsy依次分别插入每个增强子元件的附近，绝缘子对增强子的阻隔效应依位置不同而异:1)如果插入位置在启动子的5’方向，将影响绝缘子上游增强子元件的作用。2)如果插入位置在启动子的3’方向，只影响下游增强子元件的功能。3)如果插入位置不在增强子与启动子之间，绝缘子对增强子无阻隔效应。增强子作用的DNA环化模型与绝缘子的关系绝缘子的普遍性绝缘子结合蛋白(CTCF)绝缘子DNA结合蛋白一种DNA-结合蛋白CTCF(CCCTC-bindingfactor,CCCTC结合因子)可专一性与该42bp顺序结合。CTCF已在其它实验中被证明参与基因的转录激活与沉默，是一个含有11个锌指的分子量为82kD的蛋白质。人体T细胞受体α/δ座位及爪蟾（Xenopus）RO(repeatorganizer,重复顺序组织者)rRNA基因调控区绝缘子均有保守的CTCF结合位点(Bell,2001)。这些在进化上处于不同地位的物种中广泛存在绝缘子的现象表明，以绝缘子界定增强子