分子遗传学-表观遗传学

Chapter7Epigenetics表观遗传学ClassicalgeneticsHistory2000多年前，古希腊哲学家亚里士多德在《OntheGenerationofAnimals》一书中首先提出后生理论（thetheoryofepigenesis），它相对于先成论，新器官的发育由未分化的团块逐渐形成的。1939年，生物学家WaddingtonCH首先在《现代遗传学导论》中提出了epigenetics这一术语，并于1942年定义表观遗传学为“生物学的分支，研究基因与决定表型的基因产物之间的因果关系”。1975年，HollidyR对表观遗传学进行了较为准确的描述。他认为表观遗传学不仅在发育过程，而且应在成体阶段研究可遗传的基因表达改变，这些信息能经过有丝分裂和减数分裂在细胞和个体世代间传递，而不借助于DNA序列的改变，也就是说表观遗传是非DNA序列差异的核遗传。Overview表观遗传学研究不涉及DNA序列改变的基因表达和调控的可遗传变化的，或者说是研究从基因演绎为表型的过程和机制的一门新兴的遗传学分支。表观遗传所谓表观遗传就是不基于DNA差异的核酸遗传。即细胞分裂过程中，DNA序列不变的前提下，全基因组的基因表达调控所决定的表型遗传，涉及染色质重编程、整体的基因表达调控（如隔离子，增强子，弱化子，DNA甲基化，组蛋白修饰等功能),及基因型对表型的决定作用。DefinitionofEpigeneticsAnychangesingeneexpressionresultingfromeitheraDNAandchromatinmodificationorresultingfromapost-transcriptionalmechanism.However,itdoesnotreflectadifferenceintheDNAcode。Aunifyingdefinitionofepigenetics:(AdrianBird,nature,2007)Thestructuraladaptationofchromosomalregionssoastoregister,signalorperpetuatealteredactivitystates.Thisdefinitionisinclusiveofchromosomalmarks,becausetransientmodificationsassociatedwithbothDNArepairorcell-cyclephasesandstablechangesmaintainedacrossmultiplecellgenerationsqualify.表观遗传学的特点：可遗传的，即这类改变通过有丝分裂或减数分裂，能在细胞或个体世代间遗传；可逆性的基因表达调节，也有较少的学者描述为基因活性或功能的改变；没有DNA序列的改变或不能用DNA序列变化来解释。•表观遗传学的研究内容：基因转录后的调控基因组中非编码RNA微小RNA（miRNA）反义RNA内含子、核糖开关等基因选择性转录表达的调控DNA甲基化基因印记组蛋白共价修饰染色质重塑组蛋白修饰2染色质重塑3RNA调控4DNA甲基化1DNA甲基化(methylation)DNA甲基化一般与基因的沉默(genesilence)相关，非甲基化(non-methylation)一般则与基因的活化(geneactivation)相关，而去甲基化(demethylation)往往是与一个沉默基因的重新激活(reactivation)相关DNA甲基化对维持染色体的结构具有重要作用，并且与X染色体的失活、基因印记和肿瘤的发生密切相关。哺乳动物基因组中5mC占胞嘧啶总量的2%-7%，约70%的5mC存在于CpG二连核苷。在结构基因的5’端调控区域,CpG二连核苷常常以成簇串联形式排列，这种富含CpG二连核苷的区域称为CpG岛(CpGislands)，其大小为500-1000bp，约56%的编码基因含该结构。CpG频率Rb基因CpG岛主要处于基因5’端调控区域。启动子区域的CpG岛一般是非甲基化状态的，其非甲基化状态对相关基因的转录是必须的。目前认为基因调控元件（如启动子）的CpG岛中发生5mC修饰会在空间上阻碍转录因子复合物与DNA的结合。因而DNA甲基化一般与基因沉默相关联。组蛋白修饰HistonemodificationDNA以染色质的形式储存在细胞核中，染色质通常由DNA、组蛋白、非组蛋白以及少量RNA包装而成，其中组蛋白是染色质的基本结构蛋白。组蛋白作为真核生物染色体的基本结构蛋白，是一类小分子碱性蛋白质，分为H1、H2A、H2B、H3和H4五种类型。•组蛋白修饰是表观遗传研究的重要内容。•组蛋白的N端是不稳定的、无一定组织的亚单位，其延伸至核小体以外，会受到不同的化学修饰，这种修饰往往与基因的表达调控密切相关。•被组蛋白覆盖的基因如果要表达，首先要改变组蛋白的修饰状态，使其与DNA的结合由紧变松，这样靶基因才能与转录复合物相互作用。因此，组蛋白是重要的染色体结构维持单元和基因表达的负控制因子。•组蛋白修饰种类乙酰化--一般与活化的染色质构型相关联，乙酰化修饰大多发生在H3、H4的Lys残基上。甲基化--发生在H3、H4的Lys和Asp残基上，可以与基因抑制有关，也可以与基因的激活相关，这往往取决于被修饰的位置和程度。磷酸化--发生与Ser残基，一般与基因活化相关。泛素化--一般是C端Lys修饰，启动基因表达。SUMO（一种类泛素蛋白）化--可稳定异染色质。其他修饰染色质重塑Chromatinremodeling•染色质重塑（chromatinremodeling）是一个重要的表观遗传学机制。•染色质重塑是由染色质重塑复合物介导的一系列以染色质上核小体变化为基本特征的生物学过程。•组蛋白尾巴的化学修饰（乙酰化、甲基化及磷酸化等）可以改变染色质结构，从而影响邻近基因的活性。核小体RNA调控1995，RNAi现象首次在线虫中发现。1998，RNAi概念的首次提出。1999，RNAi作用机制模型的提出。在线虫、果蝇、拟南芥及斑马鱼等多种生物内发现RNAi现象。2001，RNAi技术成功诱导培养的哺乳动物细胞基因沉默现象。RNAi技术被《Science》评为2001年度的十大科技进展之一。至今，蓬勃发展，成为分子生物学领域最为热门的方向之一。RNA干扰（RNAi）作用是生物体内的一种通过双链RNA分子在mRNA水平上诱导特异性序列基因沉默的过程。由于RNAi发生在转录后水平，所以又称为转录后基因沉默（post-transcriptionalgenesilencing,PTGS）。RNA干扰是一种重要而普遍表观遗传的现象。siRNAsiRNA结构：21-23nt的双链结构，序列与靶mRNA有同源性，双链两端各有2个突出非配对的3’碱基。siRNA功能：是RNAi作用的重要组分，是RNAi发生的中介分子。内源性siRNA是细胞能够抵御转座子、转基因和病毒的侵略。siRNA介导的RNAiRNA干扰RNAasdrugDEC_RNAi