植物表觀遺傳調節(jié)模式

1、 植物表觀遺傳調節(jié)模式植物表觀遺傳調節(jié)模式 經典遺傳學認為，核酸是遺傳的分子基礎，生命的遺傳經典遺傳學認為，核酸是遺傳的分子基礎，生命的遺傳信息儲存在核酸的堿基序列。如人類基因組（信息儲存在核酸的堿基序列。如人類基因組（genomegenome）有）有2000020000多個基因，但在成人體內的多個基因，但在成人體內的200 200 種左右細胞中每種細種左右細胞中每種細胞內都只有一部分特定基因會表達。通俗地說，每個個體內胞內都只有一部分特定基因會表達。通俗地說，每個個體內雖然所有細胞都含相同的遺傳信息，雖然所有細胞都含相同的遺傳信息， 但由于基因表達模式但由于基因表達模式不同，這些本來由同一個

2、受精卵分裂而成的細胞經過分化后不同，這些本來由同一個受精卵分裂而成的細胞經過分化后成了具有不同功能和形態(tài)的細胞，從而組成了不同的組織和成了具有不同功能和形態(tài)的細胞，從而組成了不同的組織和器官。器官。這種這種DNA DNA 序列不發(fā)生改變的情況下，基因表達發(fā)生可序列不發(fā)生改變的情況下，基因表達發(fā)生可遺傳改變的現(xiàn)象，就被定義為表觀遺傳（遺傳改變的現(xiàn)象，就被定義為表觀遺傳（epigeneticepigenetic）現(xiàn)象。）現(xiàn)象。 在經典遺傳學創(chuàng)立幾十年后，在經典遺傳學創(chuàng)立幾十年后，Waddington 于于1942 年提出表觀遺傳學的概念，并將其定義為研究生物發(fā)育機年提出表觀遺傳學的概念，并將其定義

3、為研究生物發(fā)育機制的學科。最初，人們認為表觀遺傳只是一種表型，但隨制的學科。最初，人們認為表觀遺傳只是一種表型，但隨著生命科學研究的發(fā)展，基因組學不能解釋的問題越來越著生命科學研究的發(fā)展，基因組學不能解釋的問題越來越多，表觀遺傳學在這樣的情況下不斷發(fā)展。多，表觀遺傳學在這樣的情況下不斷發(fā)展。20 世紀世紀70 年年代中期，人們對表觀遺傳的理解開始變化，代中期，人們對表觀遺傳的理解開始變化，Holliday 對對其進行了系統(tǒng)表述，即現(xiàn)在廣為接受的表觀遺傳學概念其進行了系統(tǒng)表述，即現(xiàn)在廣為接受的表觀遺傳學概念研究非研究非DNA 序列變化所致的可遺傳的基因表達變化。序列變化所致的可遺傳的基因表達變化

4、。在分子生物學空前發(fā)展的形勢下，在分子生物學空前發(fā)展的形勢下， 表觀遺傳學也在分子表觀遺傳學也在分子水平上得到了更為系統(tǒng)的研究，人們不僅發(fā)現(xiàn)了多種表觀水平上得到了更為系統(tǒng)的研究，人們不僅發(fā)現(xiàn)了多種表觀遺傳修飾方式，而且探究了其錯綜復雜的生物學作用。表遺傳修飾方式，而且探究了其錯綜復雜的生物學作用。表觀遺傳學現(xiàn)已成為生命科學領域的研究熱點之一，形成了觀遺傳學現(xiàn)已成為生命科學領域的研究熱點之一，形成了獨立的分支學科。獨立的分支學科。 表觀遺傳現(xiàn)象就是由表觀遺傳現(xiàn)象就是由環(huán)境因素環(huán)境因素引起的生物細胞內遺引起的生物細胞內遺傳物質變化的結果。在相當長一段時間內，表觀遺傳學傳物質變化的結果。在相當長一段

5、時間內，表觀遺傳學的研究集中在的研究集中在甲基化（甲基化（methylationmethylation）、小）、小RNARNA（small small RNARNA）和染色質重塑（）和染色質重塑（chromatin remodelingchromatin remodeling）等方面。等方面。此外，許多論文中描述了此外，許多論文中描述了副突變（副突變（paramutationparamutation）、親）、親代印記（代印記（parental imprintingparental imprinting）、性別相關的基因劑量）、性別相關的基因劑量補償效應（補償效應（gene dosage com

6、pensation effectgene dosage compensation effect）和轉基）和轉基因沉默（因沉默（transgene silencingtransgene silencing）等）等典型的表觀遺傳現(xiàn)象。典型的表觀遺傳現(xiàn)象。 表觀遺傳學的調節(jié)機制主要包括表觀遺傳學的調節(jié)機制主要包括: （1）DNA 甲基化（甲基化（DNA methylation）；）； （2）組蛋白修飾（）組蛋白修飾（histone modification）；）； （3）非編碼）非編碼RNA（noncoding RNA，ncRNA）作用等。）作用等。 這些調節(jié)模式易受環(huán)境影響，因此表觀遺傳學更加關注

7、這些調節(jié)模式易受環(huán)境影響，因此表觀遺傳學更加關注環(huán)境誘導的表觀遺傳變異。環(huán)境誘導的表觀遺傳變異。1 1 表觀遺傳調節(jié)模式表觀遺傳調節(jié)模式1.1 DNA 甲基化及其生理生化效應甲基化及其生理生化效應 DNA 高度甲基化首先會影響高度甲基化首先會影響DNA結構，進而阻遏基因轉錄，結構，進而阻遏基因轉錄，引起基因沉默。引起基因沉默。 真核細胞內甲基化狀態(tài)有真核細胞內甲基化狀態(tài)有3 種：種：持續(xù)的低甲基化狀態(tài)持續(xù)的低甲基化狀態(tài)（如持家（如持家基因的甲基化）、基因的甲基化）、誘導的去甲基化狀態(tài)誘導的去甲基化狀態(tài)（如一些發(fā)育階段特異性（如一些發(fā)育階段特異性基因的修飾）和基因的修飾）和高度甲基化狀態(tài)高度甲基

8、化狀態(tài)（X 染色體的甲基化修飾）。染色體的甲基化修飾）。 DNA 甲基化的具體反應過程是甲基化的具體反應過程是DNA 甲基轉移酶（甲基轉移酶（DNA Methyltransferase，DNMT）將將S-腺苷甲硫氨酸上的甲基轉移到腺苷甲硫氨酸上的甲基轉移到DNA 雙鏈中胞嘧啶的第雙鏈中胞嘧啶的第5 位碳原子上，位碳原子上， 形成形成5-甲基胞嘧啶（甲基胞嘧啶（5-mC）。）。 催化該反應的催化該反應的DNA 甲基轉移酶主要有甲基轉移酶主要有4 種：種：DNMT1、DNMT3A、DNMT3B 和和DNMT3L。在在DNA 復制完成后，復制完成后，DNMT1 是催化甲基轉移是催化甲基轉移至新合成的

9、至新合成的DNA 鏈上的甲基化位點反應中最主要的酶，這一現(xiàn)象稱為鏈上的甲基化位點反應中最主要的酶，這一現(xiàn)象稱為維持甲基化維持甲基化（maintenance methylation）；）； 而而DNMT3A 和和DNMT3B 則負責催化核酸鏈上新的甲基化位點發(fā)生反應，稱為則負責催化核酸鏈上新的甲基化位點發(fā)生反應，稱為形成甲基化形成甲基化（de novo methylation）。）。DNMT3L 在在DNA 甲基轉移酶家族中屬于不具有甲基轉移酶家族中屬于不具有甲基轉移酶活性的調節(jié)酶，其主要作用是調節(jié)其他甲基轉移酶的活性。甲基轉移酶活性的調節(jié)酶，其主要作用是調節(jié)其他甲基轉移酶的活性。 DNA 甲基

10、化主要發(fā)生在胞嘧啶和鳥苷酸（甲基化主要發(fā)生在胞嘧啶和鳥苷酸（CpG）二核酸中的胞嘧啶）二核酸中的胞嘧啶（C）上，）上，基因組中的基因組中的CpG 約有約有60%90%會發(fā)生甲基化會發(fā)生甲基化。在。在DNA 雙鏈中雙鏈中5-CpG-3 及其互補鏈中的及其互補鏈中的3-GpC-5 中的中的C 都會被甲基化，這些都會被甲基化，這些CpG 是是基因組中的維持甲基化位點?；蚪M中的維持甲基化位點。 在結構基因的啟動子或轉錄起始位點有大量未甲基化的在結構基因的啟動子或轉錄起始位點有大量未甲基化的CpG（在大約（在大約200bp 堿基對中堿基對中CpG 含量超過含量超過60%），），這些這些CpG 簇被稱為

11、簇被稱為CpG 島（島（CpG island）。）。如果如果CpG 島發(fā)生高甲基化，基因表達就會被完全抑制。島發(fā)生高甲基化，基因表達就會被完全抑制。DNA 甲甲基化對基因表達影響的機制已經研究得較為透徹，基化對基因表達影響的機制已經研究得較為透徹，甲基化會使甲基化會使DNA 雙鏈在雙鏈在三維結構上發(fā)生變化，阻滯甲基化敏感的轉錄因子三維結構上發(fā)生變化，阻滯甲基化敏感的轉錄因子（TFs， 包括包括E2F、CREB、AP2、cMyc/Myn、NF-kB、cMyb 和和ETS 等）等）的的DNA 結合活性。結合活性。與此同時，與此同時， 甲基化不敏感的甲基化不敏感的methyl-CpG 結合蛋白結合蛋

12、白（如（如Sp1、CTF 和和YY1 等）等）會結合在會結合在DNA 上，這些蛋白是轉錄抑制因子，它們都含有保守的甲基上，這些蛋白是轉錄抑制因子，它們都含有保守的甲基化化DNA 結合結構域（結合結構域（methylated DNAbindingdomain，MBD）。）。DNA 甲甲基化影響基因表達的方式如圖所示，選擇性地結合于甲基化基化影響基因表達的方式如圖所示，選擇性地結合于甲基化DNA 的特異轉的特異轉錄抑制子錄抑制子MeCP2（methyl-CpG binding protein 2），即甲基化），即甲基化CpG 結合結合蛋白，與組蛋白去乙酰化酶（蛋白，與組蛋白去乙?；福╤iston

13、e deacetylase，HDAC）共存于一個復）共存于一個復合物中。合物中。 DNA 甲基化在生物體內有多方面的重要生理意義。正常的甲甲基化在生物體內有多方面的重要生理意義。正常的甲基化對于維持細胞的生長及代謝等是必需的，具體的體現(xiàn)如維持基化對于維持細胞的生長及代謝等是必需的，具體的體現(xiàn)如維持染色質結構、基因印記、染色質結構、基因印記、X 染色體失活、細胞分化和胚胎發(fā)育等。染色體失活、細胞分化和胚胎發(fā)育等。1.2 組蛋白修飾及其生理生化效應組蛋白修飾及其生理生化效應 由于被修飾，一些蛋白失去活性，一些蛋白獲得活性，一些蛋白改變由于被修飾，一些蛋白失去活性，一些蛋白獲得活性，一些蛋白改變功能

14、，因此蛋白修飾是功能蛋白質庫的功能，因此蛋白修飾是功能蛋白質庫的“擴增擴增”因素。組蛋白修飾因素。組蛋白修飾（histone modifications）是表觀遺傳修飾的一種重要方式，具有特殊）是表觀遺傳修飾的一種重要方式，具有特殊的生理生化功能。的生理生化功能。 在細胞的生長狀態(tài)下，在細胞的生長狀態(tài)下，DNA 以染色質形式存在于細胞核當中。以染色質形式存在于細胞核當中。染色質的基本染色質的基本單位是核小體（單位是核小體（nucleosome），核小體由），核小體由145147 對對DNA 堿基纏繞在組蛋白堿基纏繞在組蛋白H2A、H2B、H3 和和H4 各各2 個單位組成的八聚體核心周圍而形成

15、，每個核小體間個單位組成的八聚體核心周圍而形成，每個核小體間由長度約為由長度約為60bp 的的DNA 連接連接，組蛋白，組蛋白H1 就結合在這些接頭就結合在這些接頭DNA（linker DNA）上。也就是說，染色質由上。也就是說，染色質由DNA 結合組蛋白形成的核小體串組成，結合組蛋白形成的核小體串組成， 組蛋白是染色組蛋白是染色質的基本結構蛋白。組蛋白折疊基序（質的基本結構蛋白。組蛋白折疊基序（folding domain）常位于）常位于C-端，參與組蛋端，參與組蛋白分子間互作并與白分子間互作并與DNA 纏繞有關。組蛋白的另一個重要結構域稱為組蛋白尾纏繞有關。組蛋白的另一個重要結構域稱為組蛋

16、白尾（histone tail），約占組全長的），約占組全長的25%，常位于，常位于N-端（但在組蛋白端（但在組蛋白H2A 則處于則處于C-端），可與端），可與DNA、調節(jié)蛋白、酶和其他染色質蛋白相互作用，大部分的組蛋白翻、調節(jié)蛋白、酶和其他染色質蛋白相互作用，大部分的組蛋白翻譯后修飾都發(fā)生在這個結構域的第譯后修飾都發(fā)生在這個結構域的第1538 個氨基酸殘基上。另外，組蛋白尾在染個氨基酸殘基上。另外，組蛋白尾在染色質組裝和凝聚成高度有序結構的過程中發(fā)揮重要作用，而染色質的凝集程度會色質組裝和凝聚成高度有序結構的過程中發(fā)揮重要作用，而染色質的凝集程度會直接影響直接影響DNA 復制、重組和轉錄。復

17、制、重組和轉錄。組蛋白結構組蛋白結構 組蛋白表觀遺傳修飾方式有組蛋白表觀遺傳修飾方式有甲基化（甲基化（methylation）、乙?；?、乙?；╝cetylation）、磷酸化（）、磷酸化（phosphorylation）、泛素化）、泛素化（ubiquitination）、）、SUMO 化（化（sumoylation）、腺苷酸化）、腺苷酸化（adenylation）、）、ADP-核糖基化（核糖基化（ADP-ribosylation）、生物素化）、生物素化（biotinylation）和脯氨酸異構化（）和脯氨酸異構化（proline isomerization）等，）等，這些這些修飾方式靈活地

18、影響著染色質的結構與功能，既可以阻遏也可以促進基修飾方式靈活地影響著染色質的結構與功能，既可以阻遏也可以促進基因的轉錄。因的轉錄。 參與組蛋白修飾的酶主要有參與組蛋白修飾的酶主要有組蛋白甲基轉移酶（組蛋白甲基轉移酶（histone methyltransferase，HMT）、組蛋白乙酰轉移酶（）、組蛋白乙酰轉移酶（histone acetyltransferase，HAT）、組蛋白激酶（）、組蛋白激酶（histone kinase）和組蛋白）和組蛋白泛素化酶（泛素化酶（histone ubiquitylase）等）等，這些酶是催化相應的基團結合到，這些酶是催化相應的基團結合到組蛋白氨基殘基上

19、所必需的酶。同時相應地，組蛋白氨基殘基上所必需的酶。同時相應地， 也有組蛋白去甲基化酶也有組蛋白去甲基化酶（histone demethylase，HDM）、組蛋白脫乙酰基酶（）、組蛋白脫乙酰基酶（histone deacetylase，HDAC）、組蛋白磷酸酶（）、組蛋白磷酸酶（histone phosphatase）和組）和組蛋白去泛素化酶（蛋白去泛素化酶（histone deubiquitylase），），這些酶可去除結合在組蛋這些酶可去除結合在組蛋白端氨基殘基上的分子基團。白端氨基殘基上的分子基團。 組蛋白翻譯后修飾類型多，且相互之間息息相關，彼此影組蛋白翻譯后修飾類型多，且相互之間息

20、息相關，彼此影響，響， 形成一個錯綜復雜但井然有序的網絡來影響基因的表形成一個錯綜復雜但井然有序的網絡來影響基因的表達。組蛋白翻譯后修飾影響基因表達的途徑有達。組蛋白翻譯后修飾影響基因表達的途徑有3種：種：（1）改變其周圍的環(huán)境）改變其周圍的環(huán)境（如電荷量和（如電荷量和pH 值等），增強或減值等），增強或減弱轉錄因子或轉錄輔因子與弱轉錄因子或轉錄輔因子與DNA 間的作用；間的作用； （2）直接改變染色質結構和凝集狀態(tài)）直接改變染色質結構和凝集狀態(tài)， 進而影響蛋白間和蛋白與進而影響蛋白間和蛋白與DNA 間的相互作用；間的相互作用；（3）作為信號影響下游蛋白）作為信號影響下游蛋白，進而調控基因表達

21、。，進而調控基因表達。 例如組蛋白乙酰化，當乙?；Y合在組蛋白上時，就會中和后者例如組蛋白乙酰化，當乙?；Y合在組蛋白上時，就會中和后者的正電荷，這樣組蛋白末端就能以比較弱的作用力結合在帶負電荷的正電荷，這樣組蛋白末端就能以比較弱的作用力結合在帶負電荷的的DNA 鏈上，鏈上， 這種寬松的染色質結構便可以使特異轉錄因子等相關這種寬松的染色質結構便可以使特異轉錄因子等相關蛋白與蛋白與DNA 結合。結合。 組蛋白乙?；腿ヒ阴；^程組蛋白乙酰化和去乙?；^程 組蛋白甲基化通常發(fā)生在組蛋白甲基化通常發(fā)生在組蛋白組蛋白H3 和和H4 N-末端的精氨酸（末端的精氨酸（Arg，R）和賴氨酸（）和賴氨酸（Ly

22、s，K）殘基上）殘基上，另外組蛋白的球狀結構域有時也，另外組蛋白的球狀結構域有時也會被甲基化。根據每一位點甲基化的程度不同，會被甲基化。根據每一位點甲基化的程度不同， 組蛋白甲基化形式組蛋白甲基化形式可被分為可被分為單甲基化、二甲基化和三甲基化單甲基化、二甲基化和三甲基化?；诩谆稽c和受作?；诩谆稽c和受作用基因的不同，組蛋白甲基化對基因表達的影響也不同。用基因的不同，組蛋白甲基化對基因表達的影響也不同。 組蛋白去甲基化組蛋白去甲基化 大量的研究證明大量的研究證明組蛋白修飾是一個動態(tài)可逆的過程，基團的添加和組蛋白修飾是一個動態(tài)可逆的過程，基團的添加和去除就是由一系列的酶催化反應形成的。

23、去除就是由一系列的酶催化反應形成的。一般的組蛋白修飾需要一個一般的組蛋白修飾需要一個或多個不同的共價修飾發(fā)生協(xié)同或拮抗作用，這些多樣性修飾及它們或多個不同的共價修飾發(fā)生協(xié)同或拮抗作用，這些多樣性修飾及它們時間和空間上的組合形成大量的特異信號，這些信號類似于密碼并可時間和空間上的組合形成大量的特異信號，這些信號類似于密碼并可被相應的調節(jié)蛋白識別，影響一系列蛋白質的活動，從而調控真核生被相應的調節(jié)蛋白識別，影響一系列蛋白質的活動，從而調控真核生物的基因表達，這就是物的基因表達，這就是“組蛋白密碼假說組蛋白密碼假說”（histone code hypothesis）。）。組蛋白密碼的組合變化繁多，因

24、此組蛋白共價修飾是組蛋白密碼的組合變化繁多，因此組蛋白共價修飾是精細、有序的基因表達和生理調控方式，研究清楚這樣的過程不論在精細、有序的基因表達和生理調控方式，研究清楚這樣的過程不論在理論上還是在實踐中都可能取得巨大的成果。理論上還是在實踐中都可能取得巨大的成果。1.3 非編碼非編碼RNA 及其生理生化作用及其生理生化作用 在復雜的生物體內，基因表達受到很多因素影響。在高在復雜的生物體內，基因表達受到很多因素影響。在高通量基因組水平的分析中，越來越多的證據表明非編碼通量基因組水平的分析中，越來越多的證據表明非編碼RNA 在調控基因表達過程中發(fā)揮了很大作用。在所有輸出的轉錄在調控基因表達過程中發(fā)

25、揮了很大作用。在所有輸出的轉錄本中，編碼蛋白的本中，編碼蛋白的RNA 數(shù)量不足數(shù)量不足1.5%，剩下的是，剩下的是非編碼非編碼RNA（noncoding RNA，ncRNA）。）。根據長度分類，介導根據長度分類，介導表觀遺傳修飾的表觀遺傳修飾的ncRNA 可分為可分為long ncRNA （lncRNA）和）和small ncRNA（sncRNA）。）。 lncRNA 指長度超過指長度超過200nt 的非編碼的非編碼RNA，其長度范圍大概從，其長度范圍大概從50kb 到幾百到幾百kb，其序列不具保守性，且不與任何目的基因同源，通過順式，其序列不具保守性，且不與任何目的基因同源，通過順式作用調節(jié)

26、基因表達，使之沉默。作用調節(jié)基因表達，使之沉默。 目前認為目前認為lncRNA 的來源途徑主要有：的來源途徑主要有： （1）蛋白編碼基因受多種因素作用而斷裂，形成）蛋白編碼基因受多種因素作用而斷裂，形成lncRNA； （2）染色質重排中兩分開區(qū)域緊密靠攏，形成）染色質重排中兩分開區(qū)域緊密靠攏，形成lncRNA； （3）非編碼基因轉錄形成）非編碼基因轉錄形成lncRNA； （4）小非編碼）小非編碼RNA 中某段序列多次復制形成中某段序列多次復制形成lncRNA； （5）轉錄因子中插入一段序列形成）轉錄因子中插入一段序列形成lncRNA 等。等。 這些這些lncRNAs 雖不編碼蛋白，但可調節(jié)表觀

27、遺傳過程。雖不編碼蛋白，但可調節(jié)表觀遺傳過程。sncRNA 長度通常小于長度通常小于30nt， 包括包括micro-RNA（miRNA）、）、small interfering RNA （siRNA） 和和piwi -interacting RNA（piRNA）。）。sncRNA 一般是在一般是在2 個水平上對基因表達進行調控：個水平上對基因表達進行調控： 轉錄水平，被稱為轉錄基因沉默（轉錄水平，被稱為轉錄基因沉默（transcriptional gene silencing，TGS）；）； 轉錄后水平，轉錄后水平， 即轉錄后基因沉默（即轉錄后基因沉默（post-TGS，PTGS）。）。 TG

28、S 抑制轉錄的發(fā)生是通過染色質修飾和異染色質化抑制轉錄的發(fā)生是通過染色質修飾和異染色質化（heterochromatinization），而），而PTGS 則通過降解則通過降解mRNA或阻止或阻止mRNA 翻譯來影響翻譯來影響RNA 的翻譯?？傊?，的翻譯。總之，TGS 和和PTGS最終都是使基因最終都是使基因沉默。沉默。sncRNA 調控基因表達的機理相對于調控基因表達的機理相對于lncRNA 來說簡單而且單一，來說簡單而且單一，因為不論是因為不論是TGS 和和PTGS，其作用機制都是，其作用機制都是sncRNA 的序列與目的基因的序列與目的基因相匹配，兩者配對、結合使基因不能發(fā)生轉錄，或相匹

29、配，兩者配對、結合使基因不能發(fā)生轉錄，或mRNA 不能發(fā)生翻譯。不能發(fā)生翻譯。2 表觀遺傳調節(jié)的效應表觀遺傳調節(jié)的效應2.1 基因組印記基因組印記 在一個基因或基因組域上發(fā)生雙親來源信息的生化標記的生物在一個基因或基因組域上發(fā)生雙親來源信息的生化標記的生物學現(xiàn)象，叫做學現(xiàn)象，叫做基因組印記（基因組印記（genomic imprinting），），或遺傳印記、或遺傳印記、基因印記。所發(fā)生的基因印記。所發(fā)生的“印記印記”可以是可以是共價標記（如共價標記（如DNA甲基化），甲基化），也可以是也可以是非共價標記（如非共價標記（如DNA-蛋白質互作、蛋白質互作、DNA RNA互作和核基互作和核基因組定位

30、等），因組定位等）， 印記方式與整個細胞周期中維持雙親表觀記號的特印記方式與整個細胞周期中維持雙親表觀記號的特定核內酶的作用有關?；蚪M印記使得基因依親代的不同而有不同定核內酶的作用有關?；蚪M印記使得基因依親代的不同而有不同的表達，還可能導致細胞中兩個等位基因的一個表達而（不同親源的表達，還可能導致細胞中兩個等位基因的一個表達而（不同親源的）另一個不表達。的）另一個不表達。2.2 母性效應母性效應 母性效應（母性效應（maternal effect），或稱母性影響，是指子代某一），或稱母性影響，是指子代某一性狀的表型由母體核基因型決定，性狀的表型由母體核基因型決定， 而不受本身基因型支配。而

31、不受本身基因型支配。有名的例子是椎實螺（有名的例子是椎實螺（pond snail）的螺殼，有左旋和右旋之）的螺殼，有左旋和右旋之分，旋轉方向的遺傳符合母性效應。分，旋轉方向的遺傳符合母性效應。 母性效應常與印記效應相關，研究表明相關基因的差異性甲基化、母性效應常與印記效應相關，研究表明相關基因的差異性甲基化、磷酸化以及選擇性的蛋白互作與母性效應的形成和維持有很大關系。磷酸化以及選擇性的蛋白互作與母性效應的形成和維持有很大關系。2.3 基因沉默基因沉默 基因沉默（基因沉默（gene silencing）也稱基因沉寂，是真核生物細）也稱基因沉寂，是真核生物細胞基因表達調節(jié)的重要手段之一?；虺聊?/p>

32、緣于異染色質胞基因表達調節(jié)的重要手段之一?；虺聊＞売诋惾旧|（heterochromatin）形成，被沉默的基因區(qū)段高度濃縮。受控于）形成，被沉默的基因區(qū)段高度濃縮。受控于ncRNA 的的RNAi（RNA 干擾）與轉錄后基因沉默在分子層次上干擾）與轉錄后基因沉默在分子層次上實際是同一現(xiàn)象?；虺聊姆磻^程包括實際是同一現(xiàn)象?；虺聊姆磻^程包括組蛋白組蛋白N-端賴端賴氨酸殘基的去乙?；⒓谆揎?、以及甲基化組蛋白與氨酸殘基的去乙?；⒓谆揎?、以及甲基化組蛋白與其結合蛋白（其結合蛋白（MBP）誘發(fā)異染色質形成等。）誘發(fā)異染色質形成等。 基因沉默一方面是遺傳修飾生物實用化、商品化

33、的障礙，另一方基因沉默一方面是遺傳修飾生物實用化、商品化的障礙，另一方面也是生物抗逆性（如植物抗病毒）的重要反應，為植物工程育種等面也是生物抗逆性（如植物抗病毒）的重要反應，為植物工程育種等提供了策略（例如提供了策略（例如RNA 介導病毒抗性技術的發(fā)展）。介導病毒抗性技術的發(fā)展）。2.4 核仁顯性核仁顯性 核仁顯性（核仁顯性（nucleolar dominance）指在動植物雜合體中，）指在動植物雜合體中，核核糖體位點基因受到抑制，糖體位點基因受到抑制， 使染色體遺傳自父母中的一方，而表現(xiàn)出使染色體遺傳自父母中的一方，而表現(xiàn)出的顯性效應。的顯性效應。其機理是，來自父或母方的其機理是，來自父或母

34、方的RNA 聚合酶聚合酶I 在核糖體在核糖體RNA（rRNA）基因轉錄過程中呈現(xiàn)出可逆的沉默。由于）基因轉錄過程中呈現(xiàn)出可逆的沉默。由于rRNA 基基因跨越數(shù)百萬因跨越數(shù)百萬bp， 成簇存在于核仁組織區(qū)，不難理解核仁顯性是成簇存在于核仁組織區(qū)，不難理解核仁顯性是染色體沉默中的一種主要機制，本質上是染色體沉默中的一種主要機制，本質上是rRNA 染色質因化學修飾染色質因化學修飾而沉默的結果，而沉默的結果， 但具體機制并沒有定論。由于核仁顯型，雜交動植但具體機制并沒有定論。由于核仁顯型，雜交動植物中整組親代物中整組親代rRNA 基因可能被關閉?；蚩赡鼙魂P閉。2.5 表觀遺傳修飾的其他效應表觀遺傳修

35、飾的其他效應 染色質重塑（染色質重塑（chromosome remodeling）：）：核小體在真核小體在真核細胞核細胞DNA 上重新定位的過程，上重新定位的過程， 引起染色質變化，與組蛋引起染色質變化，與組蛋白修飾和核小體結構改變有關；白修飾和核小體結構改變有關； 副突變（副突變（paramutation）：）：是指一個等位基因可以使其同是指一個等位基因可以使其同源基因的轉錄產生穩(wěn)定可遺傳變化的途徑，涉及配子與合子源基因的轉錄產生穩(wěn)定可遺傳變化的途徑，涉及配子與合子之間的之間的RNA 轉移；轉移； RNA 編輯（編輯（RNA editing）：）：基因轉錄產生的基因轉錄產生的mRNA 分子分

36、子中，因核苷酸缺失、插入或置換，而造成轉錄物序列不與基中，因核苷酸缺失、插入或置換，而造成轉錄物序列不與基因編碼序列互補，產生不同于基因編碼信息的蛋白質氨基酸因編碼序列互補，產生不同于基因編碼信息的蛋白質氨基酸組成的現(xiàn)象；組成的現(xiàn)象； 休眠轉座子激活（休眠轉座子激活（dormant transposon activation）：）：轉轉座子重新進行轉座，使插入位點失活。也是研究較多的表觀座子重新進行轉座，使插入位點失活。也是研究較多的表觀遺傳修飾效應。遺傳修飾效應。3 植物表觀遺傳學研究植物表觀遺傳學研究 在一定范圍內，在一定范圍內， 植物表觀遺傳學的相關進展相當突出。植物表觀遺傳學的相關進展

37、相當突出。表觀遺傳學的一些重要現(xiàn)象，如轉基因沉默、副突變等最表觀遺傳學的一些重要現(xiàn)象，如轉基因沉默、副突變等最初就是在植物體系中發(fā)現(xiàn)的。植物表觀遺傳學也有一些獨初就是在植物體系中發(fā)現(xiàn)的。植物表觀遺傳學也有一些獨特之處，如特之處，如DNA 甲基化的種類和調控甲基化的種類和調控DNA 甲基化的酶類甲基化的酶類等。植物表觀遺傳學特異性現(xiàn)象和機制的揭示是理解表觀等。植物表觀遺傳學特異性現(xiàn)象和機制的揭示是理解表觀遺傳學全貌的重要內容。遺傳學全貌的重要內容。3.1 植物轉基因沉默植物轉基因沉默 目前許多種轉基因植物已經問世，有的已經用于農業(yè)生產，但所目前許多種轉基因植物已經問世，有的已經用于農業(yè)生產，但所

38、轉入的目的基因沉默而不表達，或不穩(wěn)定、不完全表達已經成為植物轉入的目的基因沉默而不表達，或不穩(wěn)定、不完全表達已經成為植物遺傳改良的突出障礙；沉默基因的消除是一個重要的課題。轉基因沉遺傳改良的突出障礙；沉默基因的消除是一個重要的課題。轉基因沉默就是轉基因失活，默就是轉基因失活， 指的是當把外源基因導入生物體內時，相應序指的是當把外源基因導入生物體內時，相應序列內源基因被抑制而不能表達的基因調控現(xiàn)象。轉基因沉默屬于同源列內源基因被抑制而不能表達的基因調控現(xiàn)象。轉基因沉默屬于同源性決定的或重復序列誘導的基因失活。此時，其他基因并不受影響；性決定的或重復序列誘導的基因失活。此時，其他基因并不受影響；沉

39、默基因恢復表達活性的時機是所轉入外源基因與內源同源基因重組沉默基因恢復表達活性的時機是所轉入外源基因與內源同源基因重組分離或減數(shù)分裂分離之后。分離或減數(shù)分裂分離之后。 植物轉基因沉默發(fā)現(xiàn)于植物轉基因沉默發(fā)現(xiàn)于1990 年，研究人員在將查爾酮合成酶年，研究人員在將查爾酮合成酶（chalcone synthase）基因向紫色矮牽牛（）基因向紫色矮牽牛（Petunia）中轉移時，）中轉移時，發(fā)現(xiàn)外源基因與內源同源查爾酮合成酶基因一起發(fā)生了抑制（共抑發(fā)現(xiàn)外源基因與內源同源查爾酮合成酶基因一起發(fā)生了抑制（共抑制，制，co-suppression）。后來，人們發(fā)現(xiàn)植物受病毒侵染也會造成）。后來，人們發(fā)現(xiàn)植

40、物受病毒侵染也會造成基因沉默，與上述轉基因沉默一樣屬于轉錄后基因沉默（基因沉默，與上述轉基因沉默一樣屬于轉錄后基因沉默（post-transcription gene silencing，PTGS）。）。 20 世紀末到世紀末到21 世紀初的大量研究成果隨轉基因沉默的發(fā)現(xiàn)而世紀初的大量研究成果隨轉基因沉默的發(fā)現(xiàn)而產生。人們在反義基因誘導果蠅（產生。人們在反義基因誘導果蠅（Drosophila）pal-1 基因沉默的基因沉默的研究中發(fā)現(xiàn)了研究中發(fā)現(xiàn)了雙鏈雙鏈RNA（dsRNA）可致基因沉默）可致基因沉默，隨即又在線蟲，隨即又在線蟲（Caenorhabditis elegans）中發(fā)現(xiàn)）中發(fā)現(xiàn)ds

41、RNA 比單鏈的反義比單鏈的反義RNA（antisense RNA）能更有效誘導基因失活，于是產生了）能更有效誘導基因失活，于是產生了RNA 干擾干擾（RNA interference，RNAi；即；即RNA 介導的基因沉默）的概念：介導的基因沉默）的概念：這是一種這是一種PTGS 式的基因調節(jié)模式，其中非編碼式的基因調節(jié)模式，其中非編碼dsRNA 分子（小分子（小干擾干擾RNA, small interfering RNA，siRNA) 介導靶介導靶mRNA 的序列的序列特異性降解。特異性降解。siRNAs 是是2123 個核苷酸的個核苷酸的dsRNA，含有對稱的，含有對稱的23 個核苷酸的

42、個核苷酸的3 突出末端，并有突出末端，并有5和和3 羥基端。羥基端。 siRNA 的結構的結構 發(fā)生發(fā)生RNAi 時，時， 長的長的dsRNA 分子被分子被Dicer 酶裂解，酶裂解， 產生產生siRNA。隨即，隨即，siRNA 分子摻入一個多蛋白因子的分子摻入一個多蛋白因子的RNA 誘導沉默復合體誘導沉默復合體（multiprotein RNA-inducing silencing complex，RISC）中；）中；dsRNA 解鏈，其中的反義鏈（解鏈，其中的反義鏈（anti-sense strand）引導）引導RISC到互補到互補的的mRNA 上，上， 執(zhí)行后續(xù)的核酸內切裂解反應（執(zhí)行后

43、續(xù)的核酸內切裂解反應（endonucleolytic cleavage）。）。 植物的轉基因沉默可以發(fā)生在植物的轉基因沉默可以發(fā)生在DNA 水平（位置效應，水平（位置效應，position effect）、轉錄水平（轉錄失活，）、轉錄水平（轉錄失活，transcription inactivation）和）和轉錄后水平（轉錄后基因沉默，轉錄后水平（轉錄后基因沉默，PTGS）。）。 由于所轉入的外源基因向宿主基因組的插入具有隨機性，若插由于所轉入的外源基因向宿主基因組的插入具有隨機性，若插入到轉錄不活躍區(qū)，就會發(fā)生位置效應所致基因低表達或不表達。入到轉錄不活躍區(qū)，就會發(fā)生位置效應所致基因低表達或

44、不表達。在染色質中，在染色質中， 兩個核基質結合區(qū)（兩個核基質結合區(qū)（nuclear matrix attachment region，MAR）間的基因片段被界定成一個獨立的染色質環(huán)，作為）間的基因片段被界定成一個獨立的染色質環(huán)，作為隔離子（隔離子（insulator）阻止附近順式調控元件對環(huán)內基因表達的干擾。）阻止附近順式調控元件對環(huán)內基因表達的干擾。當轉基因在受體基因組內整合后，有可能在當轉基因在受體基因組內整合后，有可能在MAR 作用下形成環(huán)形作用下形成環(huán)形結構單元。這可以解釋結構單元。這可以解釋DNA水平轉基因沉默的成因及提高轉基因表水平轉基因沉默的成因及提高轉基因表達水平的機理。達水

45、平的機理。 轉基因所形成的轉基因所形成的DNA 異位配對可造成異位配對可造成異染色質化或從頭甲基化異染色質化或從頭甲基化，進而抑制轉錄，這一效應也可由進而抑制轉錄，這一效應也可由DNA-RNA 協(xié)同協(xié)同作用造成。這就誘發(fā)作用造成。這就誘發(fā)了轉錄水平的基因沉默。了轉錄水平的基因沉默。 甲基化是活細胞中最常見的甲基化是活細胞中最常見的DNA 共價修飾形式，共價修飾形式， 通常發(fā)生于通常發(fā)生于GC 和和GNC序列的序列的C 上，幾乎所有植物轉基因沉默都與啟動子甲基化有關；上，幾乎所有植物轉基因沉默都與啟動子甲基化有關；GC 和和GNC 序列的序列的C 上的甲基化雖不是轉錄水平的轉基因沉默的前提，上的甲基化雖不是轉錄水平的轉基因沉默的前提， 但卻是維持這種沉默的必要方式。另外，但卻是維持這種沉默的必要方式。另外，多拷貝重復基因在宿主基因多拷貝重復基因在宿主基因組內的整合，形成異位配對，引起基因組防御系統(tǒng)識別而被甲基化或組內的整合，形成異位配對，引起基因組防御系統(tǒng)識別而被甲基化或造成異染色質化；造成異染色質化； 轉基因受染色體包裝影響，轉錄因子的接觸機會發(fā)轉基因受染色體包裝影響，轉錄因子的接觸機會發(fā)生改變等，均是造成轉錄水平轉基因失活的可能機理。生改變等，均是造成轉錄水平轉基因失活的可能