研究生-表观遗传

真核生物基因表达调控表观遗传表观遗传学•英文名称：epigenetics•研究基因的DNA序列不发生改变的情况下，基因表达发生了可遗传变化的一门遗传学分支学科。•特征:(1)可遗传；(2)可逆性；(3)DNA不变表观遗传学表观遗传现象：•DNA甲基化（DNAmethylation）•x染色体失活（xchromsomeinactivation）•基因组印记（genomicimprinting）•染色质重塑（chromatinremodeling）•组蛋白修饰（histonmodification）•RNA相关沉默（RNAinterference等）•副突变（paramutation）•位置效应斑（positioneffectvariegation）•组蛋白密码（histoncode）•RNA编辑（RNAediting）……表观遗传学发展起源•几十年来,人们一直认为基因决定着生命过程中所需要的各种蛋白质,决定着生命体的表型。但随着研究的不断深入,科研人员也发现一些无法解释的现象:马、驴正反交的后代差别较大;同卵双生的两人具有完全相同的基因组,在同样的环境中长大后,他们在性格、健康等方面会有较大的差异,并不符合经典遗传学理论预期的情况。这说明：•在相应的基因碱基序列没有发生变化的情况下,一些生物体的表型却发生了改变。这是为什么呢？•人们对于这样一些现象无法用经典的遗传学理论去加以阐明。于是遗传学中的一个前沿领域:表观遗传学(Epigenetics)就这样慢慢发展起来,为人们提供了解答这类问题的新思路。•由此我们可以认为,基因组含有两类遗传信息：一类是传统意义上的遗传信息,即DNA序列所提供的遗传信息,另一类是表观遗传学信息,它提供了何时、何地、以何种方式去应用遗传信息的指令。表观遗传学是与遗传学相对应的概念•遗传学是指基于基因序列改变所致基因表达水平变化，如基因突变、基因杂合丢失及基因重组扩增等；•表观遗传学则是指基于基因序列不发生改变所导致的基因表达水平变化，如DNA甲基化和染色质构象变化等一、DNA甲基化•DNA甲基化(MethylationofDNA)：为DNA化学修饰的一种形式，能夠在不改DNA序列的前提下，改变遗传表現。DNA甲基化直接制约基因的活化状态。DNA甲基化的生物学意义在于：•基因表达的时空调控以及保护基因组稳定性。例如：•①有些基因在发育早期甲基化，发育晚期被诱导去甲基化使基因在不同发育时期特异表达；•②高度甲基化的基因处于失活状态：女性两条X染色体中的一条X染色体上的基因随机失活；•③抑癌基因的病理性再甲基化造成基因沉默；•④甲基化还可以抵御转座子沉默、病毒入侵；使一些基因转录抑制等。有专家指出,可以使用DNA甲基转移酶抑制剂来治疗人和小鼠的癌症,其疗效可能是由于这些抑制剂恢复了肿瘤抑制基因的活性。但是这种导致DNA低甲基化的治疗方式,可能在防止一些癌症发生的同时,也会造成基因组的不稳定并增加其他组织罹患癌症的风险。这些都是需要继续深入研究的问题。DNA甲基化已经成为表观遗传学和表观基因组学的重要研究内容。二、X染色体失活•在哺乳动物中,雌雄性个体X染色体的数目不同,这类动物需要以一种方式来解决X染色体剂量的差异。在雌性哺乳动物中,两条X染色体有一个是失活的,称为X染色体的剂量补偿(dosagecompensation)。•X染色体失活的选择和起始发生在胚胎发育的早期,这个过程被X失活中心(X-inactivationcenter,Xic)所控制,是一种反义转录调控模式。•X染色体的失活状态需要表观遗传修饰如DNA甲基化来维持。这种失活可以通过有丝或减数分裂遗传给后代。三、基因组印记•人们在研究中发现,来自双亲的某些等位基因,在子代的表达不同,有些只有父源的基因有转录活性,而母源的同一基因则始终处于沉默状态,另一些基因的情况则相反。•这是由于二倍体细胞中来自某一亲本的等位基因或它所在染色体发生了表观遗传修饰,导致不同亲本来源的两个等位基因只有一个可以表达，另一个因甲基化而沉默。在基因组中的这类现象就是基因组印记(genomicimprinting)。•机制：等位基因的抑制(allelicrepression)被印记控制区(imprintingcontrolregions,ICRs)所调控,该区域在双亲中的一个等位基因是甲基化的。不符合孟德尔式遗传。三、基因组印记•基因组印记的研究促使人们去重新思考遗传学的“中心法则”。人们知道环境可以影响到由遗传因素所决定的表型,“中心法则”向人们阐述了遗传因素的作用原理,但无法说明环境因素作用于基因表达过程的分子机制。基因组印记给了研究者合理的解释:环境变化可以促成基因表观修饰,表观修饰也可能引起基因突变,这种变化可以发生在生殖细胞中,并传递给下一代。这样就很好地解释了环境因素对于遗传的影响过程。•“返祖”现象可以这样去认识:这些现象可能是因为一组基因,它们的活性已经被表观修饰所抑制了,后来由于一些因素的作用造成它们表观修饰的变化而恢复了活性。四、染色质构象变化•真核细胞基因组和组蛋白紧密地包装在一起，形成一个个核小体，核小体是构成染色质的基本单位。基因的表达需要改变染色质的状态：染色质压缩程度高时基因沉默（即无转录活性），染色质压缩程度较低时基因表达（即有转录活性）。染色质这种动态构象转换是靠DNA甲基化和组蛋白乙酰化修饰可逆调节的。•这个染色质构象变化过程涉到及几个酶，包括：DNA甲基转移酶(DNMTs)、组蛋白去乙酰化酶(HDACs)、组蛋白乙酰化酶等。•染色质活性区域即压缩程度低的区域均有去甲基化DNA和高水平的乙酰化组蛋白。•相反在染色质非活性区域即压缩程度高的区域，有甲基化DNA和高水平的去乙酰化组蛋白。•这种可逆的修饰使得基因表达可以受激素、饮食以及药物等外界因素的调控。促进转录抑制转录左图组蛋白乙酰化组蛋白与DNA的结合松弛，染色质压缩程度低，有转录活性，右图则相反，去乙酰化染色质结构紧密无转录活性。组蛋白乙酰化可活化染色质，而DNA和组蛋白的甲基化则使染色体失活。五、组蛋白修饰•组蛋白的修饰可控制基因转录活性。•修饰发生在组蛋白N-端末尾，特别是H3和H4。组蛋白N－端末尾20个氨基酸组成，其中有很多修饰位置。•在组蛋白修饰中一般乙酰化与活性染色质相联系，甲基化与失活染色质相联系.关于表观遗传学中组蛋白修饰的机制•两种假说：旧假说：认为组蛋白修饰是通过改变组蛋白尾部静电状态，使DNA松散，有利于转录因子结合。新假说：提出组蛋白可以共价修饰而发生乙酰化、甲基化和磷酸化，由此构成多种多样的组蛋白密码。即：组蛋白氨基端的修饰的组合方式构成组蛋白密码•关于组蛋白密码假说（Histonecodehypothesis）不同的组蛋白修饰酶（乙酰化酶、脱乙酰化酶、甲基化酶、脱甲基化酶、泛素化酶、脱泛素化酶等）对组蛋白进行修饰。特定的蛋白质复合体使被修饰的组蛋白装配起来，不同修饰的组合与基因的表达状况密切相关。组蛋白N-末端的各种修饰为其效应蛋白的结合提供了作用位点，而各种效应蛋白对修饰后组蛋白末端的结合效应控制着染色质的状态，从而进一步影响DNA的复制、基因的表达调控、X染色质的失活和基因组印迹等表观遗传现象。这就是所谓的组蛋白密码假说。表观遗传学和人类疾病1.表观基因异常的临床结局授精后，来自父系染色体基因很快发生DNA去甲基化和组蛋白修饰，随后来自母系染色体基因也逐渐去甲基化，最终新形成的胚胎基因甲基化才进行开始，以维持其自身的基因表型。这一过程中的任何差错都会导致先天畸形和儿科多系统病症，或者获得散发性肿瘤和神经退化性疾病的易感性。2.癌症与表观遗传癌症是一个多步发生的疾病，多个遗传和表观遗传异常的事件积累作用下，将一个正常细胞转化为肿瘤细胞。DNA甲基化状态的改变影响了癌症相关基因的表达。DNA的低甲基化它可以使染色体失去稳态进而激活了癌基因，而DNA的高甲基化使抑癌基因沉默。3.衰老无论DNA甲基化水平增高还是减低，都与人的衰老过程相关。在一些组织中，衰老细胞的甲基化水平降低，这可能导致基因不稳定性增高，进而增加了肿瘤发生的危险。而在另一些组织中，如结肠，高水平甲基化随年龄的增长使大肠癌的风险性也增加了。4.基因组印迹异常基因印迹是指二倍体细胞的一对基因（父本和母本）只有一个可以表达，另一个因甲基化而沉默。基因印迹的异常往往会导致多种遗传性疾病。Prader–Willi，AngelmanandBeckwith–Weidemann综合症都是印迹异常引起的。Prader–WilliandAngelman综合症是15号染色体的表观遗传异常。Beckwith–Wiedemann综合症是11号染色体表观遗传突变导致基因印迹丢失引起的。5.神经精神疾病如：基因高甲基化抑制脑组织中Reelin蛋白的表达，Reelin蛋白是维持正常神经传递、大脑信息存储和突触可塑性所必需的蛋白，在精神分裂症患者脑组织中，Reelin蛋白表达水平异常偏低。此外，还有很多研究证实，表观遗传与神经精神疾患密切相关。表观遗传学涵盖范围很广，而且在越来越受到各国家生物学家们的重视，这一迅速发展的学科在分子水平揭示了复杂的临床现象，为解开生命奥秘及征服疾病带来希望。表观治疗•1.DNA甲基化抑制剂–(1)CpG岛的异常甲基化：癌症发生早期–(2)小分子抑制剂：特异性不高–(3)研究前景：选择性抑制甲基化，激活保护性基因•2.组蛋白去乙酰化酶抑制剂–(1)组蛋白的乙酰化酶(HATs)：增强转录因子活性–(2)组蛋白的去乙酰化酶(HDACs)：减弱转录因子活性–(3)抑制去乙酰化：增强转录保护性基因–(4)对特异性要求不高小分子RNA对基因表达的调控microRNA(miRNA)是内源性的大小在20-25nt的一类非编码RNAs，由具有发夹结构的约70-90个碱基大小的单链RNA前体（pre-miRNA）加工而来，具有调节基因表达活性的功能，广泛存在于真核生物体内，并在进化中保守。miRNA基因常以单拷贝、多拷贝或基因簇等多种形式存在于基因组中,在基因组中有固定的基因座位，70％~90％位于蛋白基因的基因间隔区，其余在内含子，还有个别在编码区的互补链，说明它们的转录独立于其他的基因,具有本身的转录调控机制。MicroRNAmiRNA的成熟：基因组DNA在RNA聚合酶Ⅱ的作用下产生原始miRNA转录本(primarytranscripts,Pri-miRNA)。Pri-miRNA在5′端具有甲基化的鸟嘌呤,而3′端具有多聚腺嘌呤碱基。pri-miRNA被剪切为约70个核苷酸长度，具有茎环结构的miRNA前体(precusorofmiRNA,pre-miRNA)。然后从核内被运输到细胞质中。在细胞质中,第二种RNA内切酶Ⅲ,称为Dicer(双链RNA专一性RNA内切酶),把miRNA前体剪切成21~25个核苷酸长度的双链miRNA。随后，在解旋酶的作用下，双螺旋解旋，其中一条结合到RNA诱导的基因沉默复合物(RNA-inducedsilencingcomplex，RISC)中，形成非对称RISC复合物(asymmetricRISCassembly)。该复合物会结合到目标靶mRNA上，从而引起靶mRNA的降解或者翻译抑制。MicroRNA两种作用机制：在大多数情况下(如在动物细胞中)，复合物中的单链miRNA与靶mRNA的3‘UTR不完全互补配对，阻断该基因的翻译过程，从而调节基因表达。这种方式只影响蛋白表达水平，并不影响mRNA的稳定性。另一种作用方式是，当miRNA与mRNA完全互补配对时，引起目的mRNA在互补区的特异性断裂，从而导致基因沉默，这种作用方式与siRNA类似。如大多数植物在可读框(ORF)中与它的靶位点几乎完全配对。MicroRNA翻译水平转录后水平miRNA表达水平的变化,导致了肿瘤基因或抑癌基因转录后的异常调控,从而导致肿瘤的发生。以miRNA为靶点或者以miRNA为治疗手段的设想,以后可能会成为焦点，并且将为肿瘤和其它疾病的治疗带来新的希望。Micr