哺乳动物基因组印记

L/O/G/O哺乳动物基因组印记基因组印记•基因组印迹是基因遗传外重编程决定的父源或母源特异等位基因的差异表达,这种依赖于亲本起源的特殊等位基因上产生修饰并引起等位基因表达不对称的现象称为基因组印迹。•基因组印迹是贯穿于生命生长和发育整个过程的重要生物学机制,印迹基因的错误转录和表达导致胚胎发育异常和多种印迹疾病。研究背景•经典的孟德尔遗传理论的一个基本假设是在二倍体生物的基因组中,一个等位基因无论来自父方还是母方,其遗传性质和表型特征是相同的,即在同一位点的等位基因中父方基因与母方基因的作用是无区别的,认为双亲的性状具有等同的遗传性,而且可以预测遗传性状在后代中的分离。然而有些种间杂交后代的性状表现与此理论不符•公驴与母马杂交生成骡,而公马与母驴杂交后代是駃騠。•在一个人或家畜的家族中,某个子女的一个特征长得像其父,而另一个子女的同一特征则长得像其母。•另外,有些人类或家畜的数量性状也只有继承父系或母系遗传特征的现象,而不是表现父母同一性状的平均值。•随着科学技术的进步和人类对遗传学研究的深入,已有越来越多的研究资料表明,来自双亲的同源染色体或等位基因在功能上存在差异:即基因的是否活动和是否转录,与基因来自父系还是母系有直接的关系(等位基因是否表达取决于它来自哪个亲本)。亲本印记，配子印记及基因组印记•在一些哺乳类(包括鼠、人、绵羊)的若干常染色体基因的传递过程中,有些基因只有父方等位基因有转录活性,而母方的同一基因则始终处于缄默状态;另一些性状则相反,来自母方的基因有转录活性,而父方基因保持缄默。这种类型基因的表达结果是子代的某些表型特征或者完全模仿父本,或者完全模仿母本。一般称这种基因的表型效应为亲本印记(Parentalimprinting),称携带这种基因的配子为配子印记(Gameticimprinting),相应的基因组印记称为基因组印记（Genomicimprinting)印迹基因的特征依据亲本起源进行单等位基因表达,相邻的基因可以具有相反的印迹作用模式富含CpG岛,易于被高度甲基化修饰.印迹基因大多呈簇排列,很少单独存在,具有一个或几个印迹控制中心(IC).
印迹基因大多通用,在鼠中发现的
印迹
基因大部分在其它哺乳动物也表现印迹特征,但也有例外No.1No.2No.3No.4印迹基因的特征基因印迹作用的发生与个体发育阶段密切相关
印迹作用的发生具有组织特异性,在有些器官中表现印迹现象的基因在其他器官中可能不表现出印迹作用多数印迹基因与胚胎生长发育及胎盘的功能有关,一般父源基因表达促进生长,母源基因表达抑制生长。No.5No.6No.3甲基化•DNA甲基化是哺乳动物最常见的基因组印迹机制,被认为是控制印迹的关键机制,也是研究的最好的机制。迄今已有大量的研究结果表明,甲基化控制等位基因的表达,如鼠基因组的12号染色体末端的Dlk1-Gtl2区域有大量的基因簇。一个基因间差异甲基化区域存在于Dlk1和Gtl2基因间,IG-DMR调节印迹基因的父源或母源单等位基因表达胚胎发育早期胚胎的非印迹基因去甲基化生殖细胞期甲基化水平上升,母源和父源染色体的印迹消失，基因组印迹相继建立起来植入后期二倍体基因组的重新甲基化,包括次级印迹的建立,并将存在于机体整个生命过程.受精后受精的胚胎维持甲基化，其中一些甲基化定位在印迹基因上,而多数的甲基化处于非印迹基因序列.生殖细胞的甲基化印记卵细胞精子在卵母细胞生长时期,基因组中母源印迹消失。并且印迹不会同时都建立起来,相反,每一个印迹基因都有特殊时期被甲基化。尽管精子的特性影响甲基化的程度,但是决定父母源基因是否甲基化的主要原因在于卵母细胞的特点。与卵细胞一样,精子在发育过程中印迹也消失,DNA甲基化水平的增长不仅有助于建立父源印迹,还建立其他非印迹序列的甲基化。哺乳动物甲基化修饰特点•哺乳动物体细胞中约有2%～5%的胞嘧啶被甲基化。甲基化的胞嘧啶多位于CpG岛,在DNA双链中呈对称性分布。在不同组织或同一类型细胞的不同发育阶段,基因组DNA上各CpG位点甲基化状态的差异构成基因组DNA甲基化谱。组织特异的DNA甲基化谱是哺乳动物基因组的一个显著特征。甲基化版保留复制这类酶可以根据亲本链上特异的甲基化位点,在DNA半保留复制出的新生链相应位置上进行甲基化修饰按催化类型甲基化酶可分为三类•将腺嘌呤转化成N62甲基腺嘌呤•将胞嘧啶转化成N42甲基胞嘧啶•将胞嘧啶转化成C52甲基胞嘧啶上述DNA甲基转移酶羧基端都含有一个500氨基酸残基的保守结构域。该结构域在序列上与细菌Ê型DNA甲基转移酶明显同源,含有五个高度保守的DNA胞嘧啶甲基转移酶基序,是催化转甲基反应的活性部位。甲基化与哺乳动物的胚胎发育•半定量甲基化分析表明,原祖性腺细胞、成熟的卵细胞和囊胚的基因组DNA甲基化水平相对较低。•迄今为止,对于DNA重新甲基化修饰的机制仍不太清楚。关于基因组DNA广泛的去甲基化,有人提出被动丢失机制。即,在桑椹胚期,细胞增生活跃,DNA连续多次复制,缺乏维持性甲基转移酶活性导致甲基化DNA所占比例越来越少。从而形成甲基化的被动丢失。•另一方面,在桑椹胚和囊胚中,许多单拷贝基因中的限制酶HpaÊ和HhaÉ位点表现为去甲基化,却又不是所有的CpG位点都发生去甲基化,表现这种去甲基化具有选择性。•关于非随机性的广泛的DNA重新甲基化,人们推测可能存在CpG岛特异的因子。这些因子选择性地保护CpG岛不被重新甲基化,从而对建立正常的体细胞甲基化谱起重要作用基因组印迹与胚胎发育•基因组印迹与胚胎发育有关,大多数印迹基因可以调节胚胎的生长和发育。印迹功能的紊乱将导致多种发育异常及死胎。基因组印迹的特征是亲本特异基因的表达。这种印迹在性细胞发育过程中即已建立,用以区别印迹基因的亲本来源。雌核发育和雄核发育的胚胎均不能完成发育的全过程。雄核发育的胚胎生长不良,而胎盘发育相对较好。雌核发育则呈现相反状态。推测父源性印迹基因促进胎盘生长,而母源性印迹基因有利于胚胎生长。许多研究表明甲基化至少在维持体细胞基因的印迹状态中起作用。甲基化与肿瘤•肿瘤发生是一个多步骤、多阶段的复杂过程,包括原癌基因激活和抑癌基因失活。近来,人们发现肿瘤细胞的总体甲基化水平比正常细胞低,但是伴有某些CpG岛甲基化程度增高。位于广泛表达基因启动子附近的CpG岛通常处于非甲基化状态。而在肿瘤细胞中,这些CpG岛变为甲基化状态,其相关基因的表达亦被关闭。因此认识到肿瘤的发生不仅仅在于DNA突变,抑制基因启动子的异常甲基化可能也是一个重要因素。甲基化程度的降低抑制小鼠小肠息肉瘤的形成Wilms瘤患者的癌前病变期可见H19基因启动子呈异的双等位基因甲基化自对散发性错配修复缺陷的直肠癌研究野生型VHL启动子的甲基化可见于家族性VHLDNA甲基化在癌症病变前起重要作用证据甲基化与宿主防御•所有真核生物基因组中均含有寄生序列,如转座子元件和病毒的残存序列等。寄生序列的移位和表达,破坏了基因组的结构与正常有序的表达,诱发新的突变,给宿主带来不利影响•哺乳动物细胞已形成一套完善的细胞核防御体系,可以识别并且不可逆地灭活绝大多数寄生序列。宿主通过DNA2DNA配对机制区分寄生序列和其他的真核基因组序列胞嘧啶甲基化可通过两种效应防御寄生序列•（1）通过寄生序列的甲基化关闭寄生序列基因的表达,防止转座介导的DNA重排;或通过阻断寄生序列启动子通读转录至相邻的宿主基因而防止宿主基因不适当的表达•（2）甲基化区域的同源重组率下降,可能是寄生序列的甲基化抑制了基因组不同部位重复序列间的重组,防止了转位或其他染色体重排的发生组蛋白修饰与基因组印迹•组蛋白转译后修饰对染色质调节执行了一种重要的功能。组蛋白赖氨酸甲基化是一种表观遗传学标记,涉及许多生物学过程,包括异染色质形成、X染色体失活、基因组印迹和转录调节。与哺乳动物基因组印记•哺乳动物基因组印记区中包含有大量非编码RNA基因,据统计非编码RNA占到印记转录产物的30%,并且每个印记区都至少包含一个非编码RNA基因印记非编码RNA种类丰富,包括反义RNA(antisenseRNA)、核仁小分RNA(snoRNA)，microRNA•基因组印记现象只出现在胎盘哺乳类和显花植物这些进化的高等类群中,表明这是一种被自然选择所偏爱的、先进的遗传方式•哺乳动物的非编码RNA有两方面显著的•变化:大量的非编码RNA新基因在印记区出现非编码RNA的转录水平发生改变或者出现新的非编码RNA转录产物基因•BWS印记区的H19DLK1-DIO3印记区的microRNA和snoRNA基因簇•PWS-AS印记区的snoRNA基因簇X染色体失活中心(XIC)的众多非编码RNA4321的进化•snoRNA是一类富集于细胞核仁的小分子RNA,也是基因组印记区中最大的非编码RNA家族,其结构与功能在生物进化中表现出高度多样性•印记snoRNA成员的数量在哺乳类的主要类群间变化显