基因组印记d

第五章基因组印记一、印记的发现基因组印记？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•HelenCrouse于1960年在昆虫中首次提出XX×一、印记的发现•McGrath和Solter的小鼠核移植实验(1984)：种质细胞在受精发育过程中雄原核替代雌原核胚胎组织雌原核替代雄原核胎盘组织胚胎死亡可见，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、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雌性敲除小鼠，它们后代的个体大小也没有变化进一步的实验证实父系的等位基因被敲除后，Igf2不再表达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、印记的发现2020年1月23日6遗传印迹2020年1月23日6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•1993年Rainier等和Wgawa等首次发现基因组印记也存在于人类，印记松驰或缺失可能导致癌症；•90年代末到现在，相继在羊、牛和猪等家畜中也发现印记基因的存在，一些印记基因还是重要经济性状的主效基因，对家畜的胚胎发育和出生后生长起着重要的调控作用；一、印记的发现迄今为止，除人类和哺乳动物外，报道印记的物种还有有袋类动物和种子植物。而在鸟类、鱼类、爬行类和两栖动物中普遍认为不存在印记。一、印记的发现(1)印记基因成簇存在印记控制中心(imprintingcontrolelements，ICE)交互印记二、印记基因的特点(2)非编码RNA基因通常延伸数百kb，以顺式作用调控邻近编码基因的表达；“正义”RNA基因，如H19、XIST反义RNA基因，如Igf2r/Air、UBE3A/UBE3A-ASmicoRNA基因其他RNA基因(3)差异甲基化区域差异甲基化区域(differentiallymethylatedregion，DMR)，是指染色体上甲基化状态具有亲本特异性的区域，即来源于不同亲本的DNA序列甲基化状态不同的区域差异甲基化主要发生在基因的启动子区，少数在外显子，现已发现的印记基因大多数具有DMR或受DMR调控。二、印记基因的特点(4)印记具有组织及发育阶段多态性小鼠Dcn仅在胎盘中为母系表达，但在15.5天后的胎儿组织中则表现为双亲表达(Mizunoetal.,2002)人KCNQ1基因在多数组织表现为父系印记，但在心脏中则表现为双亲表达(Leeetal.,1997)小鼠Grb10基因在多数组织器官中是父系印记，但在大脑中是双等位基因表达，而成体的大脑中则倾向于父本等位基因表达(Hikichietal.,2003)二、印记基因的特点(5)印记基因遗传印记的保守性即大多数印记基因在不同的物种中印记状态与印记方向一致；如PEG10基因在人、鼠、牛、猪、羊等物种中均表现为母系印记。二、印记基因的特点基因名位置(染色体)印记状态人小鼠人小鼠COMMD1211否父系PLAGL1610母系母系IGF2R617父系父系GRB10711多态多态PEG1076母系母系PPP1R9A76父系父系DLX576父系父系MEST76母系母系COPG276母系父系H19117父系父系IGF2117母系母系IGF2AS117母系母系TSPAN32117否母系TSSC4117否父系KCNQ1117父系父系KCNQ1OT1117母系母系CDKN1C117父系父系在人类和小鼠中签定的印记基因(部分)6833144人类共同小鼠514382012年12月://三、基因组印记的分子机制(1)、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；1、印记基因表达调控的经典实例增强子阻遏蛋白(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(2)、Igf2r和Air的印记盒调控模式ADS：等位基因差别信号DNS：重新甲基化信号ADP：ADS特异结合蛋白DNP：DNS特异结合蛋白H1-H4甲基化位点AirAirAirXist基因Tsix启动子PXiXist基因PXaXa：有活性的X染色体Xi：失活的X染色体甲基化(3)、XIST基因的反义转录调控模式父源染色体母源染色体非印记基因印记基因DNA甲基化2、DMR的形成机制DMR形成印记基因与非印记基因的甲基化在生命周期中变化的异同点：相同点：都要经历两次去甲基化和重新甲基化的过程；不同点：印记基因在经历第一次去甲基化和重新甲基化后甲基化状态保持不变，非印记基因则在第二次去甲基化和重新甲基化后甲基化状态保持不变；印记基因的父源与母源等位基因在经历了第一次重新甲基化后甲基化状态不同，而非印记基因则在两次去甲基化和重新甲基化的过程中甲基化状态始终一致；3、关于揭示印记机制的关键性问题配子中，甲基化如何区分父系印记基因、母系印记基因和非印记基因？四、印记基因的生理功能1、调节胚胎和出生后的生长发育2、调节神经系统的发育3、其他功能在生理上主要是调节细胞周期(分裂与凋亡)，表型上表现为：印迹基因在调节哺乳类动物胚胎发育中起重要作用，父源表达和母源表达的印迹基因对胚胎发育的影响不同。McGrath和Solter（1984）、Surani（1984）将核移植技术用于小鼠胚胎试验，使得小鼠受精卵单独从母源或父源获得两套染色体，仍形成二倍体受精卵，并使其在子宫内继续发育，分别称之为雌核发育（gynogenotes）和雄核发育（androgenotes）。五、印记基因与胚胎发育这种雌核发育和雄核发育的胚胎均不能完成发育的全过程。进一步观察发现雄核发育者胚胎生长不良，而胎盘发育相对良好；雌核发育则呈现相反的状态，胚胎生长良好，胎盘发育较差。认为父源基因组的印迹基因表达促进胎盘生长，而母源基因组的印迹基因表达则有利于胚胎生长，两者均为正常胚胎发育所必需。在人胚胎发育异常中所见到葡萄胎（hydatidiformmole）就是父本印迹的典型例子，这种发育异常的胚胎具有完好的胚外组织，高度增生的滋养层，水肿的绒毛，但无胎儿成分，这是由于一个卵细胞被两个精子受精，使卵细胞中的母亲基因不能参与发育，或在一个“空”卵中形成重叠的精子原核。而卵巢畸胎瘤（ovarianteratoma）由非受精卵在卵巢原位孤雌生殖发育而来，由多胚层组织构成，甚至含有毛发、牙齿、骨骼等结构，由于含有两套母系染色体，产生分化好但紊乱的胚胎组织，但胎盘结构从未发现过。六、与基因组印记异常有关的疾病1、PWS(Prader-WilliSyndrome)普拉德-威利症候群先天性神经异常发育综合征症状：智能障碍、婴儿时期肌肉张力低、发育迟缓、身材矮小、手掌及脚掌偏小、因过于旺盛的食欲导致肥胖并伴有早发性糖尿病。病因：15q11-q13区父本表达基因的缺失或母本的双亲二体(UPD)2、AS(Angel-manSyndrome)安格曼症候群快乐木偶综合征症状：智能障碍、常发笑、痉挛、缺乏语言能力、移动与平衡运动困难，有颤抖的步伐与颤动的四肢，时有癫痫症状。病因：15q11-q13区母本表达基因的缺失或父本的双亲二体(UPD)3、BWS(Beckwith-WiedemannSyndrome)贝克威思-威德曼症候群生长过剩综合征症状：舌巨大，脐膨出和生长过剩为三大主要特征，同时伴有内脏肿大（主要为肝、肾和脾的肿大），出生时低血糖，单侧肥大（身体的一侧生长过剩）等生长异常。病因：11p15.5印记区印记基因(主要是IGF2和CDKN1C)的表达异常4、RSS(Russell-SilverSyndrome)罗素-西弗氏症候群不对称身材-矮小-性发育异常综合征症状：身材矮小，发育迟缓，面部特征异常，四肢长度不对称，第五手指弯曲向内，单侧肥大（身体的一侧生长过剩）等生长异常。病因：11p15.5印记区印记基因(主要是IGF2和CDKN1C)的表达异常5、肿瘤(Tumours)症状：略。病因：任何印记基因的表达异常如：Wilmstumor(nephroblastoma)•在二倍体中，一些有害的退化性突变被隐藏而在单倍体中则显现出来，因而对生物而言，保持两套染色体较一套染色体更有利。为什么在一些二倍体生物的组织中，一些基因受印记控制，行为上类似于单倍体呢？七、基因组印记与进化？1、冲突假说基因作为选择的单位，通常编码一种“自私”策略，以使自身能够生存并传播到将来的世代在雌性哺乳动物怀孕期间，母亲提供给胎儿的营养总量一方面影响母亲未来的生殖潜能，另一方面也影响当前胎儿的生存状态对当前和未来生殖的权衡便构成了冲突假说的中心•父本基因使自己的后代尽量多地从母本吸收营养，因而父本基因尽量促进个体生长本身不表达抑制生长的基因父系印记•母本基因要尽量的减少营养被某个个体过多吸收，因而母本基因尽量抑制个体生长本身不表达促进生长的基因母系印记结论：根据营养冲突假说，母方使那些能促进胚胎和胎盘生长的基因发生印记，而父方却使那些抑制其生长的基因发生印记，即父本表达的印记基因是促进生长的基因，母本表达的印记基因是抑制生长的基因*大部分印记基因的功能支持冲突假说*卵生动物不存在印记基因与现实的矛盾：一些印记基因与生长无关；一些与生长有关的印记基因在其他物种中是非印记的；一些父系印记基因促进生长，母系印记基因抑制生长；2、适应假说印记是一种防御机制，可以区分两个亲本的基因组，从而防止孤性生殖、染色体增加或丢失、不利的体细胞突变等现象的发生。鱼类有单性生殖，鸟类有孤雌生殖，因而这些物种中不存在印记。问题与展望•为何印记？是进化还是退化？是大自然对生命无节制繁衍的制约？强调两性和谐、共生？为什么DNA甲基化能够区分父系印记基因、母系印记基因和非印记基因？•如何印记？差异甲基化是印记的原因还是结果？问题与展望