武汉大学遗传学第15章真核生物基因的表达调控

•表观遗传学是研究不涉及DNA序列改变的基因表达和调控的可遗传修饰，即探索从基因演绎为表型的过程和机制的一门新兴学科。或：是针对不涉及到DNA序列变化而表现为DNA甲基化谱、染色质结构状态和基因表达谱在细胞代间传递的遗传现象的一门学科。或：研究生物体或细胞表观遗传变异的遗传学分支学科。第15章真核生物基因的表达调控1、表观遗传学（epigenetics）•EpigeneticsistypicallydefinedasthestudyofheritablechangesingeneexpressionthatarenotduetochangesinDNAsequence.•Riggsandcolleaguesdefinedepigeneticsas“thestudyofmitoticallyand/ormeioticallyheritablechangesingenefunctionthatcannotbeexplainedbychangesinDNAsequence”表观遗传Epigeneticinheritancedescribestheabilityofdifferentstates,whichmayhavedifferentphenotypicconsequences,tobeinheritedwithoutanychangeinthesequenceofDNA.表观遗传变异是指在基因的DNA序列不发生改变的情况下，在基因表达时发生的可遗传变化，造成基因产物的改变，最终导致表型的改变。（1）表观遗传变异（epigeneticvariation）（2）表观遗传现象/修饰包括：DNA甲基化（DNAmethylation）组蛋白修饰（histonmodification）染色质重塑（chromatinremodeling）基因组印记（genomicimprinting）x染色体失活（xchromsomeinactivation）RNA相关沉默（RNAinterference等）副突变（paramutation）位置效应斑（positioneffectvariegation）组蛋白密码（histoncode）RNA编辑（RNAediting）等等表观遗传修饰：•研究发现，可以在不影响DNA序列的情况下改变基因组的修饰，这种改变不仅可以影响个体的发育，而且还可以遗传下去。因此，这类变异被称为“表观遗传修饰”，并被认为是导致遗传物质一致的孪生子出现个体差异的主要原因。甲基化（methylation)染色质重塑（chromatinremodeling）基因组印记（genomicimprinting）组蛋白修饰（histonmodification）与组蛋白密码（histoncode）RNA编辑（RNAediting）重点介绍：（1）.甲基化:是指在DNA甲基化转移酶的作用下，将一个甲基添加在DNA分子的碱基上：CmC5-甲基胞嘧啶是高诱导基因突变的自发突变位点，可以通过自发脱氨，使CGTA，结果导致人类DNA的甲基化受体位点的强烈抑制，因而造成基因沉默。人类基因组70％的5-甲基胞嘧啶在CpG岛，但由于其发布散在，所以CpG岛呈非甲基化。CpG岛甲基化可直接导致相关基因的表观遗传学沉默。异常CpG重新甲基化，被认为是人类癌症发生早期的一个特征。DNA甲基化直接制约基因的活化状态DNA甲基化的生物学意义在于：基因表达的时空调控以及保护基因组稳定性。例如：①有些基因在发育早期甲基化，发育晚期被诱导去甲基化使基因在不同发育时期特异表达；②高度甲基化的基因处于失活状态：女性两条X染色体中的一条X染色体上的基因随机失活；③持家基因的低甲基化；印迹基因的高甲基化；④抑癌基因的病理性再甲基化造成基因沉默；⑤甲基化还可以抵御转座子沉默、病毒入侵；使一些基因转录抑制等。（2）染色质重塑（chromatinremodeling）•指染色质位置和结构的变化。主要涉及密集的染色质丝在核小体连接处发生松解造成染色质解压缩，从而暴露基因转录启动子区中的顺式作用元件，为反式作用因子（转录因子）与之结合提供一种可接近状态。染色质结构变化的两种模型1.平衡模型（equilibriummodel）在该模型中唯一有关的因子是阻遏蛋白(repressor)和活化物蛋白（activator）的浓度，负责游离型与DNA结合型的平衡。平衡模型可以解释在细菌细胞中的转录调控染色质重构模型主要涉及真核生物基因的转录调控真核生物的启动子可能出现两种情况：（1）失活状态核小体的存在阻碍基本因子和RNA聚合酶与启动子结合（2）激活状态基本转录装置占据启动子，组蛋白八聚体不能与其结合在以上两种情况中染色体结构是稳定的。2.染色质重构模型（Chromatinremodeling）诱导染色质结构变化的一般过程称为：chromatinremodeling.该过程需要能量以破坏蛋白质－蛋白质和蛋白质－DNA的连接，使组蛋白从染色质中释放出来。•染色质重构的变化包括：•组蛋白在DNA上滑动，改变核酸与蛋白质的关系•组蛋白间的间隙发生变化•延伸变化，产生无组蛋白的DNA区控制基因活性。修饰发生在组蛋白N-端末尾，特别是H3和H4。组蛋白N－端末尾20个氨基酸组成，其中有很多修饰位置3.组蛋白修饰是关键组蛋白的修饰甲基化乙酰化磷酸化在组蛋白修饰中一般乙酰化与活性染色质相联系，甲基化与失活染色质相联系Allthecorehistonescanbeacetylated.ThemajortargetsforacetylationarelysinesintheN-terminaltailsofhistonesH3andH4.Acetylationoccursintwodifferentcircumstances:·duringDNAreplication;·andwhengenesareactivated.Chromatinstatesareinterconvertedbymodificationsummarizesthreetypesofdifferencesthatarefoundbetweenactivechromatinandinactivechromatin·ActivechromatinisacetylatedonthetailsofhistonesH3andH4.·Inactivechromatinismethylatedon9LysofhistoneH3.·InactivechromatinismethylatedoncytosinesofCpGdoublets.4.DNAmethylationisperpetuatedbyamaintenancemethylaseFrom2-7%ofthecytosinesofanimalcellDNAaremethylatedMostofthemethylgroupsarefoundinCGdoublets,thestructure5’mCpG3’3’GpCm5’•是指来自父方和母方的等位基因在通过精子和卵子传递给子代时发生了某种修饰，这种作用使其后代仅表达父源或母源等位基因的一种，这种现象被称作基因印记（geneimprinting）或基因组印记（genomiceimprintng）也称亲代印记(parentalimprinting)或遗传印记(geneticimprinting)。•基因组印记中来自父亲和母亲的印记基因在子代的表型是不同的。根据孟德尔遗传定律，来自父母双亲的位于同源染色体上的等位基因应进行同等表达，而基因组印记现象显然不符合孟德尔式遗传。（2）基因组印记（genomicimprinting）基因组印记的特点：①基因组印记遍布基因组：例如在人基因组中有100多个印记基因，成簇时形成染色体印记区，连锁时会有不同的印记效应；②基因组印记的内含子小：雄性印记基因重组频率高于雌性印记基因；③印记基因组织特异性表达：例如小鼠中Ins1、Ins2是等位印记基因，在卵黄中Ins1单等位基因表达，在胰腺中Ins1、Ins2同时表达；④基因组印记在世代中可以逆转：个体产生配子时上代印记消除，打上自身印记。•基因组印记主要与DNA甲基化、染色质的结构变化、DNA复制时机的变化和非编码RNA的调节作用有关。•DNA甲基化包括印记基因甲基化失活，等位基因低甲基化表达。•染色质的结构变化包括染色质包装时的因素决定基因是否转录基因组印记的证据：1.鼠合子的原核移植实验从受精卵中移去雄性原核而代之以雌性原核或移去雌性原核代之以雄性原核鼠胚胎都不能正常发育只有含有双亲的移植原核的合子可以正常发育2.人类的某些疾病情况葡萄胎含有两条父源性的染色体发育异常卵巢畸胎瘤二倍体均为母源性研究表明：所存在的一些基因的表达依赖于提供这些基因来源的双亲的性别，正常的胚胎发育需要来自父母双方的平衡的一组基因3.人类基因组印记的证据Prader-Willi综合征和Angelman综合征都涉及到15q13的基因异常，如删除该区域内的父系或母系基因序列，将分别发生Prader-Willi综合征或Angelman综合征，表明此两类综合征明显有印记的参与。现已证明Angelman综合征患者两组染色体15q13等位基因均由父亲遗传，即父亲单亲二体染色体（单亲二体性：指一个个体具有正常的二倍体染色体，但是只继承了双亲一方的一对同源染色体）例：一些遗传病的表现度与外显率就受到突变基因亲代印记的影响Huntington病父源传递→发病年龄提前母源传递→发病年龄迟多发性神经纤维瘤母源传递→症状加重。例：Prader-Willi综合征患者有缺失突变的15号染色体（15q11)－－来自父亲Angelman综合征患者同样有缺失突变的15号染色体－－来自母亲产生基因组印记的机制主要涉及DNA甲基化和染色质结构变化。印记失活的基因通常是高度甲基化，表达的等位基因则是低甲基化。另外，染色质结构状态也影响基因进入转录的状态。1.DNAmethylationisresponsibleforimprintingImprintingdescribesachangeinagenethatoccursduringpassagethroughthespermoreggwiththeresultthatthepaternalandmaternalalleleshavedifferentpropertiesintheveryearlyembryo.MaybecausedbymethylationofDNA.Paternalandmaternalallelesmayhavedifferentpatternsofmethylationatfertilization.·Methylationisusuallyassociatedwithinactivationofthegene.Whengenesaredifferentiallyimprinted,survivaloftheembryomayrequirethatthefunctionalalleleisprovidedbytheparentwiththeunmethylatedallele.·Survivalofheterozygotesforimprintedgenesisdifferentdependingonthedirectionofthecross.Imprintedgenesoccurinclustersandmaydependonalocalcontrolsitewheredenovomethylationoccursunlessspecificallyprevented.在配子发生期间生殖细胞的甲基化模式的建立：首先，存在的模式通过基因组去甲基化而被抹去，然后加上每一性别的特定甲基化模式。当胚胎原始生殖细胞发生时，所有等位差异都消失；不考虑性别，以前的甲基化模式被抹掉，接着典型基因半甲基化。在雄性中，模式发生在两个阶段。在精母细胞里，决定成熟精子的特定