第7章 基因組表觀遺傳學(xué)6

第十章基因組表觀遺傳

（epigenetics）1958Crick提出遺傳信息傳遞的中心法則堿基序列（基因）決定性狀，序列改變，引起性狀的改變。影響基因表達(dá)的遺傳變異因素基因突變（錯(cuò)義突變）基因缺失/倍增染色體結(jié)構(gòu)及數(shù)目變異問題：基因表達(dá)的變化（或性狀的變化）一定是DNA序列變異的結(jié)果嗎？BUT…

“Someauthorsusetheterm“variation”inatechnicalsense,asimplyingamodificationdirectlyduetothephysicalconditionsoflife;and“variations”inthissensearesupposednottobeinherited;butwhocansaythatthedwarfedconditionofshellsinthebrackishwatersoftheBaltic,ordwarfedplantsonAlpinesummits,orthethickerfurofananimalfromfarnorthwards,wouldnotinsomecasesbeinheritedforatleastafewgenerations(Darwin,1859)?”Lamarckwasthefirstmanwhoseconclusionsonthesubjectexcitedmuchattention.Thisjustlycelebratednaturalistfirstpublishedhisviewsin1801...hefirstdidtheeminentserviceofarousingattentiontotheprobabilityofallchangesintheorganic,aswellasintheinorganicworld,beingtheresultoflaw,andnotofmiraculousinterposition.（Darwin,

1861）Jean-BaptisteLamarck

(1744-1829)獲得性遺傳（Inheritanceofacquiredcharacteristics）問題環(huán)境的作用能否改變個(gè)體的遺傳特性，并傳遞給下一代?

這種被稱為“拉馬克學(xué)說”(Lamarckism)的觀點(diǎn)一直被正統(tǒng)的生物學(xué)家拒之門外。一種結(jié)論：個(gè)體在發(fā)育和生長(zhǎng)過程中獲得的環(huán)境影響，被遺傳給了后代。瑞典一個(gè)科學(xué)家小組的研究:對(duì)于生于1890-1920年的瑞典男人的孫輩而言，如果其祖父在青少年期間吃得很好，那么孫輩因糖尿病而死亡的概率就很高；如果其祖父是在饑餓中長(zhǎng)大的．那么孫輩死于心臟病的機(jī)會(huì)就很少。也就是說，祖父輩的飲食狀態(tài)影響到了孫輩的健康狀態(tài)。什么決定基因？多莉：生于1996年7月5日，死于2003年2月14日DollyIanWilmut伊恩·維爾穆特爵士

多莉：：死掉了……Dr.EvilDr.EvilDr.Evil’sClone“MiniMe”葉酸:很重要？ThecalicocatRainbowCopyCatAllie?同卵雙生的雙胞胎雖然具有相同的DNA序列，卻存在表型的差異和疾病易感性的差異xx馬騾驢騾騾子更象誰(shuí)？單單從DNA序列上尋找眾多疾病的病因是片面的，往往事倍功半，對(duì)于某些疾病甚至可能永遠(yuǎn)找不到答案。人類基因組：~30，000個(gè)基因vs.100,000個(gè)蛋白質(zhì)——可變剪切2.表觀遺傳學(xué)基因概念的延伸：生物體的復(fù)雜性

由此我們可以認(rèn)為，基因組含有兩類遺傳信息，一類是傳統(tǒng)意義上的遺傳信息，即DNA序列所提供的遺傳信息，另一類是表觀遺傳學(xué)信息，它提供了何時(shí)、何地、以何種方式去應(yīng)用遺傳信息的指令。

Science

7April2000:Vol.288.no.5463,p.38WasLamarckJustaLittleBitRight?MichaelBalterAlthoughJean-BaptisteLamarckisrememberedmostlyforthediscreditedtheorythatacquiredtraitscanbepasseddowntooffspring,newfindingsinthefieldof

epigenetics,thestudyofchangesingeneticexpressionthatarenotlinkedtoalterationsinDNAsequences,arereturninghisnametothescientificliterature.AlthoughthesenewfindingsdonotsupportLamarck'soverallconcept,theyraisethepossibilitythat"epimutations,"astheyarecalled,couldplayaroleinevolution.Epigeneticscomesofage“Themajorproblem,Ithink,ischromatin…youcaninheritsomethingbeyondtheDNAsequence.That’swheretherealexcitementofgeneticsisnow”(Watson,2003).由Bellvitge生物醫(yī)學(xué)研究協(xié)會(huì)癌癥表觀遺傳與生物學(xué)研究組ManelEsteller領(lǐng)導(dǎo)的研究組，發(fā)表題為“DNAmethylationprofilingintheclinic:applicationsandchallenges”的綜述文章，概況了近期在應(yīng)用表觀遺傳學(xué)研究方面的最新進(jìn)展，強(qiáng)調(diào)了這一領(lǐng)域的研究將能用于預(yù)測(cè)腫瘤的行為和弱點(diǎn)。NatureReviewsGenetics,2012Oct;13(10)MGMT和GSTP1甲基化的兩項(xiàng)研究檢測(cè)，證明這兩個(gè)表觀遺傳修飾在預(yù)測(cè)腦癌是否對(duì)替莫唑胺藥物敏感，以及區(qū)分前列腺癌和良性增長(zhǎng)等方面，發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。MGMT(O6-甲基鳥嘌呤-DNA甲基轉(zhuǎn)移酶):是細(xì)胞修復(fù)DNA損傷的一種酶,修復(fù)細(xì)胞DNA烷基化損傷.GlutathioneS-transferase(GST)

是谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶。是體內(nèi)生物轉(zhuǎn)化最重要的Ⅱ相代謝酶之一，是細(xì)胞抗損傷、抗癌變的主要解毒系統(tǒng)。北卡羅來(lái)納州大學(xué)醫(yī)學(xué)院進(jìn)行了一項(xiàng)研究，首次在人體兩種最基本的表觀遺傳學(xué)標(biāo)簽之間建立了聯(lián)系，這兩種基礎(chǔ)表觀遺傳學(xué)標(biāo)簽就是組蛋白修飾和DNA甲基化。該文于2012年9月30日發(fā)表在NatureStructural&MolecularBiology雜志上。UHRF1的蛋白參與了表觀遺傳學(xué)標(biāo)簽的維持.Epigenetics（Waddington1942年提出）epigeneticsUponorbeyond研究沒有DNA序列變化的、可遺傳的基因表達(dá)的改變(ThestudyofheritablechangesingenefunctionthatoccurwithoutachangeinthesequenceofgenomicDNA.

)在實(shí)踐方面：已經(jīng)在癌癥和遺傳疾病研究與治療、流行病學(xué)研究、克隆、農(nóng)業(yè)、生態(tài)學(xué)等諸多方面得到了廣泛的應(yīng)用；一、表觀遺傳學(xué)概念表觀遺傳學(xué)有如下三層含義：(1)可遺傳的，即這類改變通過有絲分裂或減數(shù)分裂，能在細(xì)胞或個(gè)體世代間遺傳；(2)是基因表達(dá)的改變，沒有DNA序列的變化或不能用序列變化來(lái)解釋；(3)許多表觀遺傳的改變是可逆的，這就為疾病的治療提供了樂觀的前景。表觀遺傳學(xué)的發(fā)展歷史1941年，HermannJ.Muller發(fā)現(xiàn)Positioneffectvariegation(PEV)——第一種表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象。1942年，Waddington提出現(xiàn)代Epigenetics的概念，認(rèn)為基因型通過一些“偶然的、不確定的機(jī)制”決定了不同的表型。1958年，R.A.Brink發(fā)現(xiàn)paramutation現(xiàn)象。1961年，MaryLyon發(fā)現(xiàn)X染色體失活現(xiàn)象。1983年，DNA甲基化的發(fā)現(xiàn)。DNA或組蛋白的共價(jià)修飾（如DNA甲基化，組蛋白乙?；㏑NA編輯副突變(paramutation即一個(gè)基因被另一個(gè)與其同源的基因所抑制)親本印跡（等位基因來(lái)自不同親本）位置效應(yīng)（基因的染色體位置改變）X染色體失活等機(jī)制1、副突變（paramutation）是指一個(gè)等位基因可以使其同源基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生穩(wěn)定可遺傳變化。也就是基因或DNA本身沒有變化，屬于一種后天的改變。即具有同一位點(diǎn)的兩個(gè)等位基因之間的相互作用，它導(dǎo)致其中一個(gè)等位基因發(fā)生一個(gè)可遺傳的變化。Paramutation一個(gè)沉默的基因常常導(dǎo)致等位基因也發(fā)生沉默maizeP-rrgene：Myb轉(zhuǎn)錄因子原因一：染色體發(fā)生交聯(lián)，使得等位基因受到影響；原因二：RNA參與調(diào)控2、基因組印跡（genomicimprinting）二倍體細(xì)胞中來(lái)自某一親本的等位基因或它所在染色體發(fā)生了表觀遺傳修飾，導(dǎo)致不同親本來(lái)源的兩個(gè)等位基因只有一個(gè)可以表達(dá)，另一個(gè)因甲基化而沉默?；蚪M印跡是兩個(gè)親本等位基因的差異性甲基化型造成了一個(gè)親本等位基因的沉默，另一個(gè)親本等位基因保持單等位基因活性(monoallelicactivity)。BAAB表達(dá)沉默表達(dá)沉默不同親本來(lái)源的印跡基因的DNA甲基化型都是在生殖細(xì)胞成熟過程中建立的。原始性細(xì)胞（2n）配子（n）合子（2n）遺傳印跡正交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-2m類胰島素生長(zhǎng)因子IGF-2普-威綜合征（Prader-Willisyndrome,PWS）PWS的大部分患者的致病原因?yàn)槿旧w15q11-13缺失，缺失主要發(fā)生在父源染色體。與基因組印記的調(diào)節(jié)有重要關(guān)系。位置效應(yīng)（positioneffect）在生物學(xué)中，由于染色體畸變改變了一個(gè)基因與其鄰近基因或與其鄰近染色質(zhì)的位置關(guān)系，從而使它的表型效應(yīng)也發(fā)生變化的現(xiàn)象。

X染色體失活（X-chromosomeinactivation）雌性哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的兩條X染色體中會(huì)有一條發(fā)生隨機(jī)失活。X染色體的Xq13.3區(qū)段有一個(gè)X失活中心(X-inactioncenter，Xic)，存在著X染色體失活相關(guān)的特異性轉(zhuǎn)錄基因Xist，這個(gè)基因轉(zhuǎn)錄一段17kb不翻譯的RNA與X染色體結(jié)合，引發(fā)失活。失活從Xic區(qū)段開始啟動(dòng)，然后擴(kuò)展到整條染色體。雌性的一條X染色體完全失去活性RainbowCopyCatAllieX染色體失活X染色體失活XXXYXYXXBarrbodyX染色體的失活狀態(tài)需要表觀遺傳修飾如DNA甲基化來(lái)維持。X染色體失活特點(diǎn)組蛋白H4不被乙酰化CpG島的高度甲基化X染色體失活障礙引發(fā)疾病Wiskott-AldrichSyndrome免疫缺陷性疾病PuckJM,etal.NEnglJMed.1998從現(xiàn)在的研究情況來(lái)看，表觀遺傳學(xué)變化主要集中在三大方面：DNA甲基化修飾：基因選擇性轉(zhuǎn)錄表達(dá)的調(diào)控非編碼RNA的調(diào)控作用：基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控組蛋白修飾：蛋白質(zhì)的翻譯后修飾，染色體組裝這三個(gè)方面各自影響特有的表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象，而且它們還相互作用，共同決定復(fù)雜的生物學(xué)過程。因此，表觀遺傳學(xué)也可理解為環(huán)境和遺傳相互作用的一門學(xué)科。遺傳與表觀遺傳真核生物全部遺傳信息遺傳密碼組蛋白密碼

？密碼基因組DNA序列組蛋白氨基端修飾

？DNA與染色質(zhì)相同的基因型不同的表現(xiàn)型基因表達(dá)模式基因表達(dá)模式(geneexpressionpattern)決定細(xì)胞類型的不是基因本身，而是基因表達(dá)模式，通過細(xì)胞分裂來(lái)傳遞和穩(wěn)定地維持具有組織和細(xì)胞特異性的基因表達(dá)模式對(duì)于整個(gè)機(jī)體的結(jié)構(gòu)和功能協(xié)調(diào)是至關(guān)重要的?；虮磉_(dá)模式在細(xì)胞世代之間的可遺傳性并不依賴細(xì)胞內(nèi)DNA的序列信息?；虮磉_(dá)模式的信息標(biāo)記表觀遺傳修飾(epigeneticmodification)DNA分子的特定堿基的結(jié)構(gòu)修飾(如胞嘧啶的甲基化)染色質(zhì)構(gòu)型重塑(chromatinremodeling)(如組蛋白的構(gòu)型變化)Quiz,J.nature.2006對(duì)基因組而言，不僅僅是序列包含遺傳信息，而且其修飾也可以記載遺傳信息。這種在基因組的水平上研究表觀遺傳修飾的領(lǐng)域被稱為表觀基因組學(xué)(epigenomics)。1999年在歐洲成立了一個(gè)研究表觀基因組的機(jī)構(gòu)，即人類表觀基因組協(xié)會(huì)(HumanEpigenomeConsortium，HEC，http://www.E)。該協(xié)會(huì)在2003年10月正式宣布開始實(shí)施人類表觀基因組計(jì)劃(HumanEpigenomeProject，HEP)。人類表觀基因組計(jì)劃是要繪制出不同組織類型和疾病狀態(tài)下的人類基因組甲基化可變位點(diǎn)

(methylationvariableposition，MVP)圖譜。MVP也就是指在不同組織類型或疾病狀態(tài)下,基因組序列中甲基化胞嘧啶的分布和發(fā)生概率。二、DNA甲基化DNMT1SAM胞嘧啶5-甲基胞嘧啶S-腺苷甲硫氨酸DNA甲基化修飾決定基因表達(dá)的模式，即決定從親代到子代可遺傳的基因表達(dá)狀態(tài)。DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNAmethyltransferase,DNMTs)DNA甲基化C–>5mC–>T?5-Methylcytosine(5mC)?胞嘧啶甲基化后產(chǎn)生5-甲基化胞嘧啶能夠自發(fā)的脫氨基形成胸腺嘧啶(Thymine)：m5C->TDEAMINATIONDeamination:去氨基化反應(yīng)AnenzymetoremoveitfromDNA:uracil-N-glycosylase.哺乳動(dòng)物中，~1%的DNA堿基能夠發(fā)生甲基化修飾DNA甲基化的分布：(1)轉(zhuǎn)座子(2)逆轉(zhuǎn)錄病毒衍生的重復(fù)序列(3)大多數(shù)功能基因的編碼區(qū)DNA甲基化(1)DNA甲基化的模式：(1)線蟲：無(wú)甲基化的胞嘧啶(2)果蠅：極少量的甲基化胞嘧啶，識(shí)別模式CpT(主要)vs.CpG(極少)(3)哺乳動(dòng)物：CpG(~70%)或者CpNpG(4)高等植物：CpG

、CpNpG，~20-30%的C被甲基化

CpG–CytosinephosphateGuanine難以被DNA修復(fù)系統(tǒng)所識(shí)別：CG→TG是可遺傳的DNA甲基化(2)CpG島的甲基化(1)1.CpG島：富含CpG區(qū)域，長(zhǎng)度500~1000bp，GC含量超過55%2.非隨機(jī)出現(xiàn)：~60%的編碼基因的5’UTR區(qū)域（轉(zhuǎn)錄起始區(qū)域）含有CpG島。3.C-T轉(zhuǎn)換率是其他堿基對(duì)轉(zhuǎn)換率的10-40倍以上4.例如：人類腫瘤細(xì)胞中的p53基因，50%的點(diǎn)突變都發(fā)生在CpG上。CpG島的甲基化(2)1.CpG在重復(fù)片段以及基因的3’UTR區(qū)域能夠發(fā)生甲基化2.CpG島通常不被甲基化3.哺乳動(dòng)物中：26,000-45,000CpG島。常分布在持家基因和一些組織表達(dá)特異性基因的啟動(dòng)子區(qū)域4.CpG島：可以被HpaII酶(C|CGG)切成小片段，因此也叫HTF島DNA甲基化的檢測(cè)1.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法Methylation-sensitiverestrictionenzymesMethylation-specificenzymeMcrBC2.現(xiàn)代方法MeDIP:methylatedDNAimmunoprecipitationassayMBD：methylationbindingdomain3.DNA甲基化位點(diǎn)的確定：BisulfitegenomicsequencingDNA甲基化的檢測(cè)甲基化特異性PCR（MSP）測(cè)序:非甲基化的C將被測(cè)序成T，反鏈為A精確的功能有待進(jìn)一步研究，一般學(xué)術(shù)界公認(rèn)的兩類功能是:宿主防御模型(TheHostDefenceModel)基因調(diào)控模型(TheGeneRegulationModel)DNA甲基化的功能宿主防御模型1.轉(zhuǎn)座子的甲基化2.人類基因組~45%的區(qū)域是轉(zhuǎn)座子3.高度甲基化，細(xì)胞中90%的甲基化CpG位于轉(zhuǎn)座子中4.轉(zhuǎn)座子的活性：對(duì)機(jī)體非常有害5.宿主防御模型：抑制轉(zhuǎn)座子的活性DNA甲基化vs.轉(zhuǎn)座子葉酸：很重要逆轉(zhuǎn)錄病毒IAP(intracis-ternalAparticle)對(duì)小鼠的侵襲力最強(qiáng)非甲基化：異常表達(dá)Agouti甲基化：正常表達(dá)以基因型為a/a的母鼠及其孕育的基因型為AVY/a的仔鼠作實(shí)驗(yàn)對(duì)象。孕鼠分為兩組，試驗(yàn)組孕鼠除喂以標(biāo)準(zhǔn)飼料外，從受孕前兩周起還增加富含甲基的葉酸、乙酰膽堿等補(bǔ)充飼料，而對(duì)照組孕鼠只喂飼標(biāo)準(zhǔn)飼料。人類基因組中：甲基化與轉(zhuǎn)座子沉默L1重復(fù)序列位于AT富集區(qū)Alu重復(fù)序列位于GC富集區(qū)檢測(cè)一段606kp的基因組序列發(fā)現(xiàn)，553個(gè)甲基化位點(diǎn)有315個(gè)位于重復(fù)序列，其中，與CpG島相連的基因中，內(nèi)部的L1和Alu均被甲基化，但是啟動(dòng)子區(qū)域未甲基化?；蛘{(diào)控模型1.DNA甲基化的主要功能：轉(zhuǎn)錄沉默(silencingtranscription)(1)基因的啟動(dòng)子區(qū)域通常不被甲基化修飾(2)建立特定的基因表達(dá)模式：組織特異性、生殖特異性…(3)基因印記、X染色體失活基因調(diào)控模型2.DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)制：(1)干擾轉(zhuǎn)錄因子對(duì)DNA元件的識(shí)別和結(jié)合(2)將轉(zhuǎn)錄因子的DNA識(shí)別序列轉(zhuǎn)變?yōu)樽枰治锏淖R(shí)別序列(3)DNA甲基化有利于招募染色質(zhì)重塑或修飾因子3.DNA甲基化：是轉(zhuǎn)錄沉默的結(jié)果和維持，而不是原因DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)制Long-termsilencing直接干擾機(jī)制間接機(jī)制Themethyl-CpG-bindingproteinsMeCP1andMeCP2能夠與甲基化的DNA結(jié)合MeCP2能夠招募Sin3a,HDACs，形成復(fù)合物，阻遏轉(zhuǎn)錄MeCP2真核生物的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶1.哺乳動(dòng)物:DNMT1,DNMT3A,DNMT3B，DNMT3L,DNMT22.擬南芥：DRM2,MET1，DNMT2,

CMT33.粗糙脈孢菌(Neurosporacrassa):DIM2,dim-5,RIDDNA甲基轉(zhuǎn)移酶DNA甲基轉(zhuǎn)移酶:系統(tǒng)發(fā)育分析哺乳動(dòng)物的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶?daughterstrand?daughterstrandDNMT1:maintenancemethyltransferasesDNMT3A&DNMT3B:denovomethyltransferases–胚胎移植過程中高表達(dá)DNA甲基化的維持：兩種模型PCNA:在染色體上滑動(dòng)UHRF1：特異性的與半甲基化位點(diǎn)結(jié)合DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的功能DNA甲基轉(zhuǎn)移酶物種主要功能DNMT1哺乳動(dòng)物Maintenance，denovo(CpG)DNMT3A哺乳動(dòng)物denovo(CpG)DNMT3B哺乳動(dòng)物denovo(CpG)DNMT3L哺乳動(dòng)物DNMT3輔助因子，無(wú)活性中心DNMT2哺乳動(dòng)物tRNAAsp的甲基化DRM2擬南芥denovo(CpN)MET1擬南芥Maintenance(CpG)DNMT2擬南芥未知CMT3擬南芥Maintenance(CpNpG)DIM2粗糙脈孢菌denovo(CpN)RID粗糙脈孢菌RIP必須DNA甲基化狀態(tài)的遺傳和保持：DNA復(fù)制后，新合成鏈在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶DNMT1