基因组表观遗传

基因组表观遗传小组成员：20085078莫楚20085090张浩浩20085096李睿主要内容1.表观遗传的定义2.表观遗传的现象3.表观遗传的机制（重点介绍）4.研究表观遗传的意义一、表观遗传学（epigenetics）定义：对表观遗传学的定义在所包含的内容方面有宽泛和狭窄之别，但在两个主要点上是一致的：①表观遗传学研究基因如何发挥其功能以及基因之间的互作关系；②表观遗传学研究的范畴仅涉及DNA序列之外的使基因表达模式发生改变并可使之在世代之间稳定遗传的因素。1992年Hall将其定义为：在发育过程中遗传因子和非遗传因子作用与细胞使其选择性控制基因的表达，并逐步增加表型复杂性的过程。20世纪90年代中期之后，epigenetics的定义逐步向狭义方向发展，Russo等将其描述为：不涉及DNA序列的变异但基因的表达模式发生了可遗传的改变，并能通过有丝分裂和减数分离将改变的基因表达模式传递给子细胞或下一代的过程。二、表观遗传现象：古有云：“橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳，叶徒相似，其实味不同”；同一种中药材在不同产地，其药效差距甚远。说明相同基因型的生物在不同的环境条件下表型有很大差别。在经典遗传学中，人们发现在玉米中有一种叶鞘花色素的表型变异不涉及基因突变，可通过等位基因的互作改变基因的表达模式并可以传递给下一代，这种现象称为副突变。在果蝇中发现，一个决定复眼颜色的基因由于染色体区段倒位而转移到靠近异染色质位置时，可使该基因沉默，但基因本身并未发生突变，这种现象称为位置效应。还有因为等位基因来自上一代性别不同的亲本而使表达模式发生可遗传变化的基因组印记。虽然表观遗传学现象不涉及基因或DNA序列改变，但表观遗传仍然具有物质基础，它们同DNA的序列组成、基因的空间位置、染色质的构型变化和DNA的碱基修饰有关。主要的机制有：1、染色质重建2、DNA甲基化3、位置效应三、表观遗传机制：在细胞分裂周期的间期，染色体转变为分布在整个细胞核基质内疏松纤丝状态的染色质，分为常染色质和异染色质。在常染色质区，转录调控因子可以和DNA分子接触促使基因表达。异染色质处于收缩状态，转录调控因子无法与DNA分子结合，基因保持沉默。细胞分化过程伴随着染色质构型的改变，这种改变的状态在同类型上下代细胞间是可遗传的，也是一种典型的不涉及DNA序列改变却使基因表达模式发生改变的表观遗传。染色质状态的改变称为染色质重组。1、染色质重建染色质状态的改变有可逆和非可逆之分。染色质重组可以包括整条染色体，如X染色体失活；也可以涉及某个染色质区段，如果蝇体节发育模式完成之后许多同源异型基因必须关闭，有一组称为Pc-G的蛋白质在其中起关键作用。他们将核小体的空间排列进行压缩，使染色质的构型转变成异染色质状态。这种构型改变是持久性的，可传递给子细胞。染色质重建与表观遗传真核生物中基因表达在很大程度上受到染色质结构的影响，组蛋白及其他包装蛋白并非只是简单的结构成分，它们也参与基因的表达调控。染色质的包装可分为2种水平，即核小体和30nm的染色质纤维。染色质结构至少在2方面对基因表达施加影响：1、染色体的某一区段包装程度决定位于该区段的基因是否表达；2、假如某一基因可以接触，基因所在的核小体位置及其周边环境会影响到该基因的表达。核小体与基因表达核小体是染色质的基本结构单位，其核心八聚体与DNA结合可以阻止转录因子的接触染色质重建影响到染色质的精细结构，有足够的数据证明他对基因表达同样有重要影响。这一过程涉及一组成为染色体重建装置的蛋白质。真核生物活细胞很少有裸露的DNA存在，即使处于活跃转录时期的DNA也或多或少的与转录装置及RNA聚合酶结合。未转录的DNA则始终保持与核小体核心组蛋白的结合，一方面阻止转录因子与其接触，另一方面可避免收到细胞中游离的核酸酶及其他化合物的伤害。转录的起始和延伸同染色质结构的动态变化有关。现有两种模型用于解释染色质中间的机制：先入模型，动态模型。2、DNA甲基化DNA分子的化学修饰主要是甲基化。DNA的甲基化在基因的表达调控中起重要作用。基因组的甲基化模式可影响表型并能通过体细胞遗传，但不改变细胞的基因型。例如：脊椎动物肌肉细胞的前身是肌原细胞，在肌原细胞分化过程中，基因组发生的显著变化是许多已经甲基化的DNA的胞嘧啶发生去甲基化。如果在体外培养的肌原细胞中掺入5-氮脱氧胞苷使其在DNA复制时取代正常的胞嘧啶从而改变DNA的甲基化状态，培养的肌原细胞在没有外源诱导因子的作用下可以分化为肌肉细胞。如果将已分化的肌肉细胞DNA提取并纯化，然后注射到肌原细胞中，也能使肌原细胞分化为肌肉细胞。DNA甲基化与表观遗传这一实验结果表明：①细胞命运的确定与基因组的甲基化状态有关；②DNA甲基化是决定基因表达模式的重要因素；③DNA甲基化模式可以在上下代细胞间传递；④DNA甲基化只限于碱基的修饰，并不改变DNA的序列组成。概念：传给子代的亲本基因在子代中表达的状况取决于基因来自母本还是父本的现象。该现象在合子形成时已经决定，是涉及基因表达调控的遗传。机制：基因组在传递遗传信息的过程中，通过基因组的化学修饰（DNA的甲基化；组蛋白的甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等）而使基因或DNA片段被标识的过程。基因组印记1717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-2m1818由正反交实验可以看出：印迹基因的正反交结果不一致、不符合孟德尔定律。小鼠Igf-2基因总是母本来源的等位基因被印迹，父本来源的等位基因表达，因此是母本印迹。基因印迹使基因的表达受到抑制，导致被印迹的基因的生物功能的丧失。基因组印记的特点基因组印迹依靠单亲传递某种性状的遗传信息，被印迹的基因会随着其来自父源或母源而表现不同，即源自双亲的两个等位基因中一个不表达或表达很弱。不遵循孟德尔定律，是一种典型的非孟德尔遗传，正反交结果不同。父本PWS印记中心缺失母本AS印记中心缺失近年来人们对高等生物基因组甲基化咋基因表达与调控中的重要作用表现出极大的兴趣与关注，Feinverg为此提出了一个专门的名词用来描述活细胞中基因组甲基化的状态——甲基化组，并认为它们与转录物组和蛋白组一样对阐明基因组活性具有同等意义。高等生物基因组甲基化有三个显著的特征（1）范围广（2）可逆性（3）组织特异性3、位置效应：位置效应有两种不同类型：一是因为染色质的物理状态处于极度收缩而造成细胞中的活化因子无法接触内部基因而使其关闭；另一种是在基因本身的调控序列之外还有其他的位于5’上游区域的DNA序列对下游一组基因的表达进行调控，这些调控序列称之为座位调控区（LCR）。四、研究表观遗传的意义表观遗传学，这一迅速发展的学科在分子水平揭示了复杂的临床现象，为揭开生命奥秘及征服疾病带来希望。在过去的几年，人们对表观遗传疾病的机理有了新的认识，对这些疾病的探讨为表观遗传机制的研究提供了很好的模型，有助于生物医学的研究。另外，表观遗传学在研究生物进化机制以及改良作物方面也具有重要的意义。