表观遗传学

表观遗传学王刚2016年4月9日表观遗传变异的发现英国同卵双胞胎1个患白血病1个很健康表观遗传变异的发现同卵双胞胎出生时哥哥体重为弟弟3倍表观遗传变异的发现IanWilmutDolly克隆羊多莉：生于1996年7月5日，死于2003年2月14日克隆动物未老先衰表观遗传变异的发现基因表达模式不同表型相同的基因型一部分暴露高叶酸饮食，Agouti基因被甲基化，皮毛仍是褐色，提醒正常；另一部分暴露低叶酸饮食，Agouti基因未甲基化，皮毛由褐色变成黄色，小鼠肥胖。表观遗传变异的发现随着对实验动物特别是克隆动物生物学性状的了解以及人们对众多疾病的深入研究，科学家发现除了基因组DNA外，还有基因组外的大量遗传学信息调控着基因的表达，表观遗传学应运而生。表观遗传变异的发展简史1939年，WaddingtonCH首先在《现代遗传学导论》中提出了表观遗传学（epigenetics）这一术语。1942年定义为生物学的分支，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，而且应该在成体阶段研究可遗传的基因表达的改变，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。表观遗传概述表观遗传学在基因的DNA序列没有发生改变的情况下，基因功能发生可遗传的遗传信息变化，并最终导致表型的变化。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。表观遗传概述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。表观遗传学研究内容123基因组印记RNA编辑与人类疾病的关系表观遗传学——基因组印记一、基因组印记什么是基因组印记？组织或细胞中，基因的表达具有亲本选择性，即只有一个亲本的等位基因表达，而另一亲本的等位基因不表达或很少表达的现象，相应的基因则称为印记基因父系不表达称父系印记母系不表达称母系印记一、基因组印记印记的发现：HelenCrouse于1960年在昆虫中首次提出XX×在蕈蚊的X染色体中，只有母系等位基因有活性，而父系等位基因则处于沉默状态。一、基因组印记印记的发现：McGrath和Solter的小鼠核移植实验(1984)：孤雄生殖胚胎良好，胚盘不全孤雌生殖胚盘良好，胚胎不全胚胎死亡可见，父系和母系基因组在发育过程中担负的任务是不同的，且两者同时存在是正常发育所必需的一、基因组印记印记的发现：DeChiara小鼠Igf2基因敲除实验(1991)：父系敲除，则发育成的动物个体小母系敲除，则动物的个体没有变化在正常的野生型胚胎中，只有父本基因表达，而母本的基因则表现为沉默。首次证实了印记基因的存在小鼠Igf2基因为第一个被鉴定的印记基因一、基因组印记正交Igf-2Igf-2Igf-2mIgf-2mIgf-2Igf-2Igf-2mIgf-2m反交♂♀正常小鼠矮小型小鼠矮小型小鼠矮小型小鼠正常小鼠正常小鼠Igf-2mIgf-2Igf-2Igf-2mDeChiara小鼠Igf2基因敲除实验一、基因组印记DeChiara小鼠Igf2基因敲除实验由正反交实验可以看出：印迹基因的正反交结果不一致、不符合孟德尔定律。小鼠Igf2基因总是母本来源的等位基因被印迹，父本来源的等位基因表达，因此是母本印迹。基因印迹使基因的表达受到抑制，导致被印迹的基因的生物功能的丧失。一、基因组印记印记基因的特征：1、通常成簇出现，在染色体上的分布较为分散一个簇中一般有3~11个印记基因，具有一定的群集性倾向。2、印记基因的表达具有时空特异性，同一条染色体上两个印记基因之间的基因或与印记基因毗邻的基因通常不表现出印记修饰。一、基因组印记印记基因的特征：3、具有等位基因不同的甲基化区域(differentiallymethylatedregions,DMRs)有些是在所有细胞里，有些具有组织特异性有些甲基化的DMR存在于激活的等位基因中，有些则存在于失活的等位基因中4、DNA复制不同步性父系的拷贝较早发生复制一、基因组印记印记基因的特征：5、哺乳动物中印记基因的表达具有保守性小鼠及人类的胚胎及胚外组织中印记基因表达均十分保守6、很多印记基因只转录RNA而不翻译蛋白质，只在mRNA水平发挥作用。一、基因组印记H19和Igf2的边界元件作用模式Igf2和H19分别位于人和小鼠的11号和7号染色体；位于同一基因簇内，位置相邻，Igf2位于上游；交互印记(Igf2母系印记，H19父系印记)；在H19基因的上游均有DMR控制基因的表达；在H19下游存在一个增强子；Igf2和H19之间存在一个ICE，也是DMR；*注：DMR指不同的甲基化区域ICE指基因印记控制区一、基因组印记差异性甲基化区域(differentiallymethylatedregions,DMRs)靠近靶基因的顺式作用位点的甲基化状态决定了印记，这些调控位点称为差异性甲基化区，是印记基因的标记位点；这些位点的缺失会消除印记，导致靶基因在父系和母系中有同样的表达。一、基因组印记增强子阻遏蛋白(CTCF)H19甲基化启动子印记控制中心Igf2H19增强子♀Igf2增强子♂Igf2不转录H19转录Igf2转录H19不转录H19和Igf2的边界元件作用模式一、基因组印记DNA甲基化与基因组印记基因印记最显著的特点是卵子和精子中同一基因的甲基化程度不同。如前所述，孤雄生殖的胚胎发育不良而胚盘发育良好，孤雌生殖的胚胎生长相对正常但胚盘发育差，说明父本和母本遗传信息的互补是胚胎发育所必需的。一、基因组印记DNA甲基化与基因组印记印记基因中含有来源于两个不同亲本等位基因的序列，但这些序列中仅有一个亲本的等位基因被甲基化，这些序列就是差异性甲基化区域DMR;删除DMR会引起印记的缺失，导致小鼠的印记基因的双亲基因的表达；甲基化作用的丢失使父源染色体表型转化成为母源染色体表型。一、基因组印记印记基因的生理功能印记基因在个体生长发育中具有调节或平衡功能，表型上表现为：基因印记与胚胎形成、胎儿生长及胎盘分化和产后生长发育都密切相关，若印记异常将导致发育畸形。通过印记的方式，保护一些等位基因免受选择压力的影响，从而提高群体对环境变化的适应能力。生物体感知环境变化，决定等位基因是沉默还是表达。表观遗传学——RNA编辑二、RNA编辑RNA编辑（RNAediting）通过碱基修饰、核苷酸插入或删除以及核苷酸替换等方式改变RNA的碱基序列的转录后修饰方式。由于核苷酸的变化使转录物序列与基因编码序列不互补，从而造成终产物蛋白质的氨基酸组成不同于基因的编码序列。RNA编辑发生在DNA转录后、蛋白质翻译前。不同的情况下RNA编辑会产生不同的结果，这样使生物体的遗传信息得以扩大，有利于生物体对环境的适应。二、RNA编辑RNA编辑可以是单个碱基的替换，也可以是更多碱基的变化。最典型的例子是锥虫动质体的线粒体基因mRNA的编辑，涉及上百个U的缺失和添加。哺乳动物中，mRNA有时会发生单碱基替换，如哺乳动物肠道和肝的载脂蛋白B。RNA编辑最终导致蛋白质结构和功能的改变。二、RNA编辑根据其特性，RNA编辑分为两种：第一种是核苷酸的插入或删除即碱基掺入到转录物或从转录物中移走，这种编辑由指导RNA（guideRNA,gRNA）介导。第二种是核苷酸的替代修饰即通过化学修饰将一种碱基转变为另一种，这种转化需要识别核苷酸序列特定位点的酶来参与，如腺苷脱氨酶将A转为I，胞苷脱氨酶将C转为U。二、RNA编辑RNA编辑至少需要3个因子：反式作用因子，参与编辑位点的识别顺式作用元件，与相应的反式作用因子相互作用催化碱基修饰的编辑酶在高等植物叶绿体中，顺式作用元件位于编辑位点的上游，反式作用因子和编辑酶组成编辑复合物。二、RNA编辑核基因组RNA编辑载脂蛋白B基因位于核染色体上，为单拷贝基因，其表达具有组织特异性，且受RNA编辑的调控。载脂蛋白B在人体中有两种形式，在肝中的表达产物是ApoB-100，在小肠中的表达产物是ApoB-48。载脂蛋白B基因的mRNA编辑发生在转录后，在细胞核中进行。二、RNA编辑核基因组RNA编辑载脂蛋白B未经编辑mRNA编码4536个氨基酸，产物是ApoB-100，而经过编辑的最终产物是Apo-48，原因是在编辑时仅有一个C→U转变，即第2152位密码子CAA转变成UAA，从而形成终止密码子。载脂蛋白Apo-BmRNA的编辑二、RNA编辑CytidineUridinedeamination核基因组RNA编辑ApoBmRNA的编辑由载脂蛋白BmRNA编辑蛋白催化亚基1（ApobEC-1）的胞嘧啶脱氨酶所介导，这是一种锌离子依赖的脱氨酶，具有胞嘧啶脱氨酶活性。二、RNA编辑线粒体基因组RNA编辑锥虫线粒体基因组中，细胞色素c氧化酶亚基II（coxII）mRNA在移码位点附近有4个尿嘧啶插入，导致其编码的蛋白质中产生了一个额外的氨基酸，也使其可读框得以恢复。这表明在锥虫线粒体某些成熟的mRNA序列中，有些核苷酸产生于RNA编辑过程中。二、RNA编辑线粒体基因组RNA编辑锥虫coxII基因的mRNA相对于基因组DNA序列出现了移码，只有在插入4个尿嘧啶后才能产生正确的读码二、RNA编辑线粒体基因组RNA编辑在编辑过程中，gRNA起模版作用。gRNA长度是60~80个核苷酸，由单独的基因转录，具有3'端寡聚U的尾巴，中间有一段与被编辑的mRNA精确互补的序列，5'端是一个锚定序列，它同非编码的mRNA序列互补。在编辑时，形成一个编辑体，以gRNA内部的序列作为模板进行转录物的校正，同时产生编辑的mRNA.二、RNA编辑将被编辑的RNA和gRNA在待编辑区的两侧进行配对，gRNA为尿嘧啶的插入提供模板，插入后额mRNA与gRNA完全互补。二、RNA编辑叶绿体基因组RNA编辑大多数植物叶绿体都存在RNA编辑，与植物线粒体系统相似，都是由C→U的转变来改变密码子而引起氨基酸的转变。维管植物叶绿体mRNA中约有30个C被转换为U，这些转换的C通常位于密码子的第二位，所以编辑就造成了编码蛋白结构的改变。在低等陆生植物，如苔藓植物金鱼藻及蕨类植物中RNA编辑位点非常普遍，包括U→C的编辑，但在绿藻及苔藓植物地钱中很少发生。二、RNA编辑RNA编辑的作用由于编辑发生在RNA的一级结构序列，因此会直接影响基因的表达。RNA编辑的生物学作用表现在如下几个方面：校正作用如锥虫coxII插入了4个U,其中三个增加一个氨基酸残基，剩下一个可以校正阅读框，保证编码蛋白质的正确。调控翻译在一些转录物5’端可创造性生成起始密码子AUG，以调节翻译活性。二、RNA编辑RNA编辑的作用扩展遗传信息锥虫coxIIImRNA编辑后的长度增长了55%。④调节mRNA的剪接哺乳动物编辑酶ADAR2经过自体编辑产生可变剪接位点，使受体亚基获得潜在的自主反馈机制。表观遗传学——表观遗传与人类疾病三、表观遗传学与人类疾病DNA甲基化是目前研究的比较深入的一类表观遗传现象，在维持正常细胞功能、遗传印记、胚胎发育过程中起着重要的作用。DNA甲基化异常表现在正常情况下甲基化序列的去甲基化和非甲基化序列获得甲基化，表现为抑癌基因的转录失活、基因组范围的低甲基化、印迹丢失、基因组内转座元件的再激活以及染色质相关基因的遗传缺陷。三、表观遗传学与人类疾病1、肿瘤的发生癌基因启动