表觀遺傳學基礎

表觀遺傳學

Epigenetics

2015/3/23動物科學技術學院嚴果果表觀遺傳學的形成經典遺傳學認為，基因既是一個結構單位又是一個功能單位?；蚪Y構的改變必將引起生物體表型的的改變。幾十年來，人們一直認為基因決定著生命過程中所需要的各種蛋白質和生命體表型。表觀遺傳學的形成馬、驢正反交的后代差別較大（騾和駃騠）同卵雙生的兩個人具有完全相同的基因組，在同樣的環(huán)境中長大后，其性格、健康等出現較大差異克隆動物未老先衰復雜疾病的發(fā)生

然而，隨著研究的不斷深入，科研人員發(fā)現了一些無法用經典遺傳學來解釋的現象：研究表明，在DNA之中或者之外存在更高的遺傳信息，主要包括非編碼RNA、DNA甲基化、組蛋白修飾、染色體重塑。表觀遺傳學定義：在不改變基因DNA序列的情況下，基因功能發(fā)生可遺傳的遺傳信息變化，并最終導致可遺傳的表型變化，而且這種改變在發(fā)育和細胞增殖過程中能穩(wěn)定傳遞且具有可逆潛能。表觀遺傳學信息，它決定了何時、何地、以何種方式去應用遺傳信息的指令。表觀遺傳學的形成可遺傳性：可通過有絲分裂或減數分裂在細胞或者個體世代間遺傳；可逆性的基因表達調節(jié)（基因活性或功能改變）沒有DNA序列的變化或不能用DNA序列變化來解釋表觀遺傳學的形成轉錄過程中的調控：1.DNA甲基化(DNAmethylation)

2.組蛋白共價修飾(histonmodification)

3.染色質重塑(chromationremodeling)4.基因組印記(genomicimprinting)5.RNA編輯(RNAediting)6.基因沉默(Genesilencing)…………轉錄后的調控：1.非編碼RNA(Non-codingRNA)2.微小RNA(microRNA)3.反義RNA4.核糖開關5.…………表觀遺傳學的研究熱點定義：DNA甲基化是指在甲基化酶的作用下，將一個甲基添加在DNA分子的堿基上。部位：DNA甲基化的部位通常在啟動子區(qū)域CpG島的胞嘧啶形成5-甲基胞嘧啶(5-mC)，也有少量N6-甲基腺嘌呤(N6-mA)和7-甲基鳥嘌呤(7-mG)。DNMT1S-腺苷甲硫氨酸SAM胞嘧啶5-甲基胞嘧啶1.DNA甲基化(DNAmethylation)

催化DNA甲基化的生物酶甲基化維持酶：在每個DNA復制周期，DNA甲基化的保持是維持甲基化活性所必須的。DNA甲基轉移酶（DNMT）是在復制結束后，DNMT1對子鏈進行甲基化，也即是復制過程中子鏈的甲基化模式的保持。重新甲基化酶：DNMT3A,DNMT3B都是重新甲基化酶負責無甲基化DNA雙鏈上進行甲基化和發(fā)育需要的重新DNA甲基化。DNA甲基化特點：通常高甲基化抑制基因表達，低甲基化促進基因表達。人類染色體CpG二核苷酸是最主要的甲基化位點，DNA甲基化不僅影響基因表達過程，而且這種影響可隨細胞的有絲分裂和減少分裂遺傳并持續(xù)下去。研究方向：DNA甲基化再生物發(fā)育某個階段或者細胞分化的某種狀態(tài)是可以逆轉的，這是研究的關鍵。DNA甲基化狀態(tài)受多種酶的調節(jié)，因此研究調節(jié)DNA甲基化狀態(tài)的酶直觀重要。DNA甲基化意義：DNA甲基化修飾決定基因表達的模式，即決定從親代到子代可遺傳的基因表達狀態(tài)。細的來說，有研究表明DNA甲基化直接阻礙轉錄因子結合到DNA序列的靶點上面進而阻礙轉錄。DNA甲基化能持久的沉默重復元件以及染色體的選擇性沉。最后，在發(fā)育和分化的過程中，甲基化狀態(tài)可能發(fā)生轉變，從而介導基因的組織特異性表達。DNA甲基化的檢測方法同裂酶：在測序方法發(fā)明之前，人們常常利用甲基化敏感的同裂酶檢測DNA甲基化程度。缺點就是少于5%的甲基化胞嘧啶被錯估在給定的DNA序列中。亞硫酸鹽修飾方法：經過亞硫酸鹽修飾后，未甲基化的胞嘧啶轉變成尿嘧啶，而發(fā)生甲基化的則不轉變甲基化特異PCR(methylation-specificPCR,MSP)：MSP法的優(yōu)點在于積極顯示甲基化的胞嘧啶，以及描繪出給定DNA序列的整體甲基化狀態(tài)。它將DNA先用重亞硫酸鹽處理，這樣未甲基化的胞嘧啶轉變?yōu)槟蜞奏?，而甲基化的不變，隨后行引物特異性的PCR。MS-PCR中設計兩對引物，并要求：1.引物末端均設計至檢測位點結束；2.兩對引物分別只能與重亞硫酸鹽處理后的序列互補配對，即一對結合處理后的甲基化DNA鏈，另一對結合處理后非甲基化DNA鏈。檢測MSP擴增產物，如果用針對處理后甲基化DNA鏈的引物能擴增出片段，則說明該被檢測的位點存在甲基化；若用針對處理后的非甲基化DNA鏈的引物擴增出片段，則說明被檢測的位點不存在甲基化。下圖是MSP的原理圖。DNA甲基化的檢測方法甲基化DNA免疫免疫沉淀法:由于高通量技術，全基因組及芯片平臺技術應用于腫瘤中特定的甲基化類型檢測。methylatedDNAimmunoprecipitationMeDIP是一種富集DNA的方法。它依據的原理是基因組DNA可以被超聲波裂解而隨意進行修剪，同時被特異性5-甲基胞苷的抗體免疫沉淀。它可以用來測定整體基因組甲基化程度以及鑒別異常甲基化基因。甲基化CpG島擴增：是基于在甲基化敏感性酶如僅在未甲基化位點進行剪切，在胞嘧啶于鳥苷酸間留下平端SamI酶對基因組DNA的消化作用一種方法。染色質是由組蛋白和DNA組成的。2.組蛋白共價修飾(histonmodification)組蛋白修飾是表觀遺傳研究的重要內容。組蛋白的N端是不穩(wěn)定的、無一定組織的亞單位，其延伸至核小體以外，會受到不同的化學修飾，這種修飾往往與基因的表達調控密切相關。被組蛋白覆蓋的基因如果要表達，首先要改變組蛋白的修飾狀態(tài)，使其與DNA的結合由緊變松，這樣靶基因才能與轉錄復合物相互作用。因此，組蛋白是重要的染色體結構維持單元和基因表達的負控制因子。組蛋白修飾種類乙?；?-一般與活化的染色質構型相關聯(lián)，乙酰化修飾大多發(fā)生在H3、H4的Lys殘基上。甲基化--發(fā)生在H3、H4的Lys和Asp殘基上，可以與基因抑制有關，也可以與基因的激活相關，這往往取決于被修飾的位置和程度。磷酸化--發(fā)生與Ser殘基，一般與基因活化相關。泛素化--一般是C端Lys修飾，啟動基因表達。SUMO（一種類泛素蛋白）化--可穩(wěn)定異染色質。其他修飾乙?；腿ヒ阴；谆腿ゼ谆M蛋白共價修飾與表達調控的關系這些修飾反應會影響組蛋白與DNA分子的相互作用，從而導致基因轉錄、DNA修復與復制、染色體的重排生理過程發(fā)生改變?？傮w上，組蛋白乙酰化與轉錄激活相關聯(lián)，而去乙?；瘎t與轉錄抑制有關。乙?；饔每芍泻臀挥诮M蛋白尾部的賴氨酸殘基電荷，減少組蛋白尾部與DNA結合鍵的長度。這種現象表明核小體更加容易接近轉錄因子而發(fā)揮生物學作用。組蛋白的甲基化作用對轉錄過程起到積極地或消極地影響。伴隨著DNA的甲基化作用與組蛋白不同類型的修飾同時發(fā)生，染色質的修飾效果將會發(fā)生明顯改變。這一領域是目前研究的熱點。組蛋白修飾檢測方法質譜分析方法：質譜分析方法可以很方便且準確地對染色質的修飾程度進行檢測。但是，這些技術僅局限于實驗室使用，而且對儀器設備的要求較高。DNA測序技術：為了闡述組蛋白修飾的真正生物學意義，DNA序列的詳細信息也是必需的。最佳的檢測技術為染色質免疫沉淀反應（chromatinimmunoprecipitation，ChIP）聯(lián)合特異地與組蛋白修飾變化反應的抗體DNA測序技術。依然回到染色質的結構，核小體是染色質的基本結構單元核小體是由組蛋白和DNA組成。遺傳物質在有限的空間中完成復制和轉錄,并且在有限的體積中保證基因失活和活化狀態(tài)的轉變。由于組蛋白與DNA的緊密結合為基因的表達設置了障礙,所以要使基因正常表達,就要通過染色質去凝集、核小體變成疏松的開放式結構等方式,使轉錄因子等調節(jié)因子更容易接近和結合核小體DNA。在基因表達的復制和重組過程中,對應基因尤其是基因調控區(qū)的染色質包裝狀態(tài),核小體和組蛋白以及對應的DNA分子會發(fā)生一系列的改變,與基因表達調節(jié)所伴隨的這類染色質結構和位置的改變的現象稱為染色質重塑。3.染色質重塑(chromationremodeling)染色質重塑發(fā)生的位置染色質重塑的發(fā)生和組蛋白N端末尾的修飾密切相關,尤其是組蛋白H3和H4的修飾直接影響核小體的結構,并為其他蛋白質提供了與DNA結合的位點。染色質重塑類型依賴ATP的物理修飾:在ATP水解所釋放的能量驅動下,組蛋白和DNA的構象發(fā)生局部變化。化學修飾：組蛋白含有乙酰轉移酶和脫乙酰酶的化學修飾。染色質重塑和其他調控的關系染色質重塑復合物、組蛋白修飾酶的突變均和轉錄調控、DNA甲基化、DNA重組、細胞周期、DNA復制和修復的異常相關,這些異?？梢鹕L發(fā)育畸形,智力發(fā)育遲緩,甚至導致癌癥。4.基因組印記(genomicimprinting)定義是指來自父方和母方的等位基因在通過精子和卵子傳遞給子代時發(fā)生了某種修飾，這種作用使其后代僅表達父源或母源等位基因的一種，這種現象被稱作基因印記（geneimprinting）或基因組印記（genomiceimprintng）基因組印記中來自父親和母親的印記基因在子代的表型是不同的。根據孟德爾遺傳定律，來自父母雙親的位于同源染色體上的等位基因應進行同等表達，而基因組印記現象顯然不符合孟德爾式遺傳?；蚪M印記特點基因組印記遍布基因組：例如在人基因組中有100多個印記基因，成簇時形成染色體印記區(qū)，連鎖時會有不同的印記效應；基因組印記的內含子?。盒坌杂∮浕蛑亟M頻率高于雌性印記基因；印記基因組織特異性表達：例如小鼠中Ins1、Ins2是等位印記基因，在卵黃中Ins1單等位基因表達，在胰腺中Ins1、Ins2同時表達；基因組印記在世代中可以逆轉：個體產生配子時上代印記消除，打上自身印記。基因組印記與基因表達調控的關系