醫(yī)學(xué)遺傳學(xué)：表觀遺傳導(dǎo)論

1、Introduction of Epigenetics表觀遺傳導(dǎo)論遺傳、變異和環(huán)境是生物進(jìn)化的三大因素拉馬克主義（Lamarckism）：用進(jìn)廢退達(dá)爾文主義（Darwinism）：優(yōu)勝劣汰 孟德爾遺傳學(xué) 分子遺傳學(xué)第一節(jié) 概 述基因型(Genotype) - 表型(Phenotype)基因表達(dá)模式一個(gè)多細(xì)胞生物機(jī)體的不同類型細(xì)胞相同的基因型 不同的表型 基因表達(dá)模式可以可能受到環(huán)境因素的影響而發(fā)生改變 決定細(xì)胞類型的不是基因本身，而是基因表達(dá)模式(gene expression pattern)基因表達(dá)模式 組織和細(xì)胞特異性的基因表達(dá)模式在細(xì)胞世代之間通過細(xì)胞分裂來(lái)傳遞和維持從受精卵發(fā)育分化成

2、200多種不同類型細(xì)胞的調(diào)控機(jī)制是什么？導(dǎo)致同一個(gè)細(xì)胞內(nèi)DNA序列完全相同的等位基因發(fā)生表達(dá)差異的機(jī)制是什么？基因表達(dá)差異的建立，及其在連續(xù)的細(xì)胞傳代中維持下去的機(jī)制是什么？環(huán)境因素影響表型的機(jī)制是什么？需解釋的問題：表觀遺傳學(xué)(epigenetics)：研究不涉及DNA序列改變的基因表達(dá)和調(diào)控的可遺傳變化機(jī)制，或者說是研究從基因型演繹為表型的過程和機(jī)制的一門新興的遺傳學(xué)分支表觀遺傳的異常會(huì)引起表型的改變、機(jī)體結(jié)構(gòu)和功能的異常，甚至導(dǎo)致疾病 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)體世代間遺傳可逆性的基因表達(dá)調(diào)節(jié)，也描述為基因活性或功能的改變沒有DNA序列的改變或不能用DNA序

3、列變化來(lái)解釋表觀遺傳的特點(diǎn)基因組包含兩類遺傳信息；一類提供合成生命必須的RNA和蛋白質(zhì)的模板，稱遺傳編碼信息；另一類是表觀遺傳信息，提供何時(shí)、何地、以何種方式去應(yīng)用遺傳編碼信息表觀遺傳信息構(gòu)成了基因和表型間的關(guān)鍵信息界面。它拓展了經(jīng)典的遺傳信息所涵蓋的意義，使生物在保持遺傳穩(wěn)定的同時(shí)能夠更好地適應(yīng)環(huán)境Agouti小鼠的A基因編碼一種旁分泌的信號(hào)分子, 能使毛囊黑色素細(xì)胞從合成黑色素轉(zhuǎn)為合成黃色素。在鼠毛生長(zhǎng)的中間階段，A基因的一過性短暫表達(dá)在每根鼠毛的毛尖下方形成黃色條帶，使野生型Agouti小鼠呈現(xiàn)特征性的棕褐色 環(huán)境因素對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控在A基因5 端上游插入一個(gè)源自逆轉(zhuǎn)座子的IAP ( i

4、ntracisternal A particle) 序列后，A基因受IAP中的啟動(dòng)子調(diào)控而持續(xù)異位表達(dá)，造成攜有該突變的小鼠毛色變黃，肥胖。插入了IAP的A基因稱為AVY等位基因(Agouti viable yellow gene allele) J. Nutr. 127, 1902S1907S (1997). FASEB J. 12,949957 (1998). IAP啟動(dòng)子區(qū)域CpG島的甲基化會(huì)使有些細(xì)胞中的AVY基因表達(dá)受抑。所以，即使在近交系同窩仔鼠中，AVY小鼠也會(huì)出現(xiàn)以黃色為主到雜以大小不等的棕褐色斑塊的不同表型 J. Nutr. 127, 1902S1907S (1997). F

5、ASEB J. 12,949957 (1998). Effect of maternal dietary supplementation on the phenotype and epigenotype of Avy/a offspring.Mol. Cell. Biol. 23, 52935300 (2003). （1）表觀遺傳修飾對(duì)環(huán)境因子的敏感性可以用來(lái)解釋遺傳學(xué)上完全一樣的個(gè)體在不同的環(huán)境中可產(chǎn)生明顯的表型差異，也提示表觀遺傳修飾在基因和環(huán)境的相互作用中起著重要的作用Agouti小鼠實(shí)驗(yàn)的深刻啟示在于： （2）基因組中可轉(zhuǎn)座因子的異常甲基化， 會(huì)引起個(gè)體在細(xì)胞水平上的表觀遺傳鑲嵌性，擴(kuò)

6、大了表型變化的范圍 遺傳學(xué)與表觀遺傳學(xué)表觀遺傳學(xué)（epigenetics）揭示了基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制的兩個(gè)特征：一是它們長(zhǎng)久地可以受到自然性的后天影響（可獲得性），二是它們可以遺傳（可遺傳性）。這兩種因素結(jié)合在一起，那么獲得性遺傳就是有可能的了如此，至少在某種程度上，表觀遺傳學(xué)讓拉馬克主義復(fù)活了，它也許能夠成為達(dá)爾文進(jìn)化思想的一個(gè)補(bǔ)充表觀遺傳機(jī)制DNA甲基化組蛋白修飾和組蛋白密碼染色質(zhì)重塑非編碼RNA調(diào)控第二節(jié) 表觀遺傳機(jī)制Quiz, J. Nature. 2006表觀遺傳信息：DNA甲基化和組蛋白密碼 基因組 DNA上胞嘧啶的第5位碳原子和甲基共價(jià)結(jié)合，被修飾為5甲基胞嘧啶 (5-methylc

7、ytosine，5-mC)，是最重要的表觀遺傳修飾形式之一1. DNA甲基化 (DNA methylation) 結(jié)構(gòu)基因5端附近富含CpG二聯(lián)核苷的區(qū)域稱為CpG島(CpG islands) DNA甲基化哺乳動(dòng)物基因組DNA中5-mC約占胞嘧啶總量的2%-7%，絕大多數(shù)5-mC存在于CpG二聯(lián)核苷(CpG doublets) 基因啟動(dòng)子所含CpG島中的5-mC會(huì)阻礙轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合體與DNA的結(jié)合，抑制轉(zhuǎn)錄 DNA甲基化序列與MeCP、MBD結(jié)合后，募集轉(zhuǎn)錄阻遏蛋白質(zhì)到局部，使組蛋白去乙?；⑷旧|(zhì)重構(gòu)、異染色質(zhì)化，抑制基因表達(dá)DNA甲基化調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄CpG 頻率5Rb基因3 通常，DNA甲基化

8、與基因沉默 (gene silence) 相關(guān)；非甲基化與基因活化 (gene activation) 相關(guān)；去甲基化與沉默基因的重新激活 (reactivation) 相關(guān) 從頭甲基化胚胎期，對(duì)稱，Dnmt3a、b完成 維持甲基化 成熟體細(xì)胞， Dnmt1完成DNA甲基化狀態(tài)的遺傳DNA甲基化狀態(tài)的保持DNA主動(dòng)去甲基化DNA全新甲基化 2. 組蛋白修飾與組蛋白密碼 組蛋白修飾與組蛋白密碼組蛋白的 N端是不穩(wěn)定的，延伸至核小體以外，會(huì)受到不同的化學(xué)修飾，如磷酸化、乙?；图谆刃揎椊M蛋白中被修飾氨基酸的種類、位置和修飾類型組成了組蛋白密碼（histone code）組蛋白的結(jié)構(gòu)修飾可使染色

9、質(zhì)的構(gòu)型發(fā)生改變，與基因的表達(dá)調(diào)控密切相關(guān)乙?；捍蠖喟l(fā)生在H3、H4的 Lys 殘基上，一般與活化的染色質(zhì)構(gòu)型相關(guān)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(guān)，也可以與基因的激活相關(guān)，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(guān)泛素化： 一般是C端Lys修飾，啟動(dòng)基因表達(dá)SUMO（一種類泛素蛋白）化： 可穩(wěn)定異染色質(zhì)組蛋白修飾種類組蛋白修飾種類 染色質(zhì)重塑是由染色質(zhì)重塑復(fù)合物介導(dǎo)的以核小體變化為基本特征的生物學(xué)過程染色質(zhì)是一種動(dòng)態(tài)的（dynamic）的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)狀態(tài)決定該區(qū)段的基因是否表達(dá)，與細(xì)胞和基因的功能密切相關(guān)有多種酶參

10、與染色質(zhì)重塑ATP依賴型重塑復(fù)合體：SWI/SNF復(fù)合體組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶和去乙?；D(zhuǎn)移酶3. 染色質(zhì)重塑（chromatin remodeling）染色質(zhì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)DNA甲基化、組蛋白乙酰化、染色質(zhì)重塑與轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)4. RNA 調(diào)控RNA研究歷程 1961 1970 1978 1982 1989 1991 1993 2000 2001 mRNArRNAtRNAsnRNAsnoRNARibonuclease PSRP-7sRNAH19XistLin-4(first miRNA)Let-7(first human miRNA)miRNA screen&nomenclature 真核細(xì)胞中,存在著一個(gè)由

11、DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)重塑和ncRNA系統(tǒng)組成的一個(gè)表觀遺傳修飾網(wǎng)絡(luò)，能動(dòng)地調(diào)控著具有組織和細(xì)胞特異性的基因表達(dá)模式。機(jī)體的表觀遺傳模式的變化在整個(gè)發(fā)育過程中是高度有序的，也是嚴(yán)格受控的 表觀遺傳調(diào)控作用基因組印跡基因表達(dá)重新編程X染色體失活第三節(jié) 表觀遺傳現(xiàn)象基因表達(dá)模式1956年, A.Prader 和 H.Willi 父源染色體15q11-13區(qū)段缺失Prader-Willi 綜合征Angelman綜合征 1968年H.Angelman 母源染色體15q11-13區(qū)段缺失 PWS和AS這一對(duì)綜合征表明父親和母親的基因組在個(gè)體發(fā)育中有著不同的影響，這種現(xiàn)象被稱為基因組印跡(g

12、enomic imprinting)。也稱為遺傳印記（genetic impriting） 基因組印記 (genomic imprinting) 是在受精卵形成過程中，特異性地對(duì)源于父親或母親的等位基因做一印記，使其只表達(dá)父源或母源等位基因，在子代中產(chǎn)生不同表型。是一種不符合孟德爾遺傳規(guī)律的表觀遺傳現(xiàn)象近年研究表明，基因組印跡是兩個(gè)親本等位基因的差異性甲基化造成了一個(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。 在父源和母源染色體上，這些調(diào)控元件的CpG島呈現(xiàn)甲基化型的明顯差異。 在PWS和AS患者中發(fā)現(xiàn)，微小染色體缺失集中的區(qū)域有成簇排列的富含CpG島的基因表達(dá)調(diào)控元件，稱為印

13、跡中心(imprinting centers , ICs)SNRPN的23個(gè)CpG二聯(lián)核苷父源非甲基化完全甲基化母源例如 差異甲基化(differential methylation)：父源和母源染色體上的ICs的甲基化呈現(xiàn)出分化狀態(tài) 基因組印跡是性細(xì)胞系的一種表觀遺傳修飾，已發(fā)現(xiàn)的印跡基因，與胎兒的生長(zhǎng)發(fā)育和胎盤的功能密切相關(guān) 印跡基因的DNA甲基化型是在生殖細(xì)胞成熟過程中建立的，在發(fā)育全過程中的維持和傳遞。以親本來(lái)源特異性方式優(yōu)先表達(dá)兩個(gè)親本等位基因中的一個(gè)，而使另一個(gè)沉默。印跡基因的DNA甲基化型在生殖細(xì)胞成熟過程中的建立原始性細(xì)胞（2n）配子（n）合子（2n）發(fā)育是一個(gè)高度有序的生物學(xué)

14、過程，是從一個(gè)全能的受精卵開始，到建成一個(gè)由200多種結(jié)構(gòu)和功能各異的細(xì)胞組成的整體的過程基因表達(dá)重新編程 (reprogramming)一個(gè)生物機(jī)體的所有細(xì)胞雖具有完全一樣的基因組，卻有不一樣的基因表達(dá)模式。與組織和細(xì)胞特異性的基因表達(dá)模式的建立和維持相關(guān)的細(xì)胞信息，必需是可以通過細(xì)胞分裂而遺傳的，同時(shí)也應(yīng)該具備被刪除和重建的潛在可能性 “多莉”克隆綿羊的誕生雄辯地證明：一個(gè)來(lái)自成年的哺乳動(dòng)物的高度分化的體細(xì)胞仍然保持發(fā)育成為完整個(gè)體的能力，也就是說細(xì)胞的分化并沒有造成不可逆的遺傳物質(zhì)修飾 已完全分化的細(xì)胞，其基因組在特定條件下可經(jīng)表觀遺傳修飾重建而為胚胎發(fā)育中的基因表達(dá)重新編程，賦予發(fā)育全

15、能性，為胚胎發(fā)育和分化發(fā)出正確的指令。胚胎發(fā)育中表觀基因組重新編程的差誤將會(huì)導(dǎo)致多種表觀遺傳缺陷性疾病 多莉：死掉了Ian WilmutDolly多莉：生于1996年7月5日，死于2003年2月14日早期原始生殖細(xì)胞在沿著生殖系統(tǒng)管腔移行時(shí)，原屬體細(xì)胞型的表觀遺傳修飾(包括基因組印跡)會(huì)被刪除。在生殖細(xì)胞發(fā)生與成熟過程中表觀遺傳標(biāo)記重新建立受精后，會(huì)進(jìn)行除印跡基因以外的表觀遺傳修飾的刪除與重建，重建后的表觀基因組在組織特異性定型后被穩(wěn)定地維持 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，改變胚胎培養(yǎng)液會(huì)引起異常甲基化和印跡基因Igf2和H19的表達(dá)失調(diào)，造成印跡性疾病輔助生育是在配子生成和胚胎發(fā)育早期干預(yù)生殖 ，這正是表觀遺

16、傳編程獲得和維持的關(guān)鍵時(shí)期，提示有必要對(duì)經(jīng)輔助生育技術(shù)孕育的孩子作表觀遺傳學(xué)監(jiān)測(cè)表觀遺傳修飾的重新編程對(duì)環(huán)境變化非常敏感 1949年,Barr在雌貓神經(jīng)元的核中發(fā)現(xiàn)緊貼核膜有深染，呈圓、橢圓、三角形的小體，而雄貓中沒有。其它哺乳類（包括人類）都有這一現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)命名為Barr小體，現(xiàn)在稱X染色質(zhì)雄 雌X染色體失活 雌性哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)僅有一條X染色體是有活性的，另一條在遺傳上是失活的，在間期細(xì)胞核中固化為異染色質(zhì)。因此，雌雄兩性細(xì)胞中都只有一條X染色體保持轉(zhuǎn)錄活性，使X連鎖基因產(chǎn)物的量保持相同水平失活發(fā)生在胚胎早期（第16天）X染色體的失活是隨機(jī)的，失活后是恒定的失活的X染色體上仍有部分基因是有活

17、性的Lyon 化現(xiàn)象 X染色體的劑量補(bǔ)償（dosage compensation）顏色控制基因-X連鎖黃色-顯性黑色-隱性玳瑁色 1991年，發(fā)現(xiàn)X染色體Xq13.3區(qū)段有一個(gè)X失活中心 (X-inaction center，Xic)，X-失活從Xic區(qū)段開始啟動(dòng)，然后擴(kuò)展到整條染色體X染色體失活的機(jī)制Nature 349, 38-44 (3 January 1991)X染色體失活過程模式圖 X染色體失活相關(guān)的疾病多是由X染色體的不對(duì)稱失活使攜帶有突變等位基因的X染色體在多數(shù)細(xì)胞中具有活性所致 Wiskott-Aldrich綜合征：由于WASP基因突變所致 自身免疫性疾?。号砸赘幸埠蚗染色體

18、失活相關(guān)，因?yàn)榕詾榍逗象w，如果自身免疫性T細(xì)胞不能耐受兩個(gè)X染色體所編碼的抗原，則會(huì)導(dǎo)致自身免疫缺陷性疾病，如紅斑狼瘡等 與X染色體失活相關(guān)的疾病 Rett綜合征是一種X連鎖遺傳性進(jìn)行性神經(jīng)系統(tǒng)疾病，其疾病基因是X染色體上編碼McCP2 蛋白質(zhì)的基因Rett綜合征 早在1979年R.Holliday就曾經(jīng)提出DNA甲基化可能在癌變過程中起著重要的作用。 1983年，發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞中DNA甲基化的總體水平低于正常細(xì)胞，腫瘤細(xì)胞的低 甲 基化頻繁發(fā)生于重復(fù)序列和在生物進(jìn)化過程中引入的寄生性DNA，造成基因組不穩(wěn)定第四節(jié) 表觀遺傳與腫瘤 除DNA甲基化的總體水平降低之外，癌細(xì)胞往往出現(xiàn)局部序列的高甲基

19、化，高甲基化通常集中在抑癌基因啟動(dòng)子附近的GpG島 DNA甲基化的異?？赡苁前┘?xì)胞中某些抑制惡性生長(zhǎng)的基因沉默的原因 抑癌基因啟動(dòng)子GpG島的甲基化改變表觀遺傳異常與腫瘤發(fā)生組織特異性甲基化遺傳印記X-染色體失活轉(zhuǎn)座重復(fù)順序的靜息化 抑癌基因的啟動(dòng)子CpG島的高甲基化全景性的去甲基化 5mC 的高變異性T正常細(xì)胞腫瘤細(xì)胞DNA CpG 甲基化腫瘤細(xì)胞的表觀遺傳變化甲基化和去乙酰化藥物治療腫瘤 表觀遺傳學(xué)是建立在經(jīng)典遺傳學(xué)理論基礎(chǔ)上，研究基因功能實(shí)現(xiàn)機(jī)制的遺傳學(xué)分支學(xué)科 遺傳學(xué)研究基因序列改變所致基因表達(dá)變化，如基因突變、基因雜合丟失和微衛(wèi)星不穩(wěn)定等；而表觀遺傳學(xué)則研究基于非基因序列改變所致基因

20、表達(dá)變化，如DNA甲基化和染色質(zhì)構(gòu)象變化等 結(jié)束語(yǔ)Epigenetic: Refers to mitotically or meiotically heritable changes in gene expression that do not involve a change in DNA sequence.Epigenome：The global epigenetic patterns that distinguish or are variable between cell types. These patterns include DNA methylation, histone modifications and chromatin associated proteins. SUMMARYGenomic imprinting：The epigenetic marking of a locus on the basis of parental origin, which results in monoallelic gene expression.DNA methylation： DNA methylation occurs predominantly in repetitive genomic regions