表观遗传学&基因与基因组学

第十三章 表观遗传学

第一节 概 述

基因的表达相同的基因型不同的表型

一．表观遗传学(epigenetic)：

DNA的序列不发生变化、基因表达改变、并且这种改变可稳定遗传。 二．表观遗传学研究的内容：

1. 基因选择性转录、表达的调控。 2. 基因转录后调控。

(表观遗传通常被定义为DNA的序列不发生变化但是基因表达却发生了可遗传的改变，也就是说基因型未变化而表型却发生了改变，这种变化是细胞内除了遗传信息以外的其他可遗传物质的改变，并且这种改变在发育和细胞增殖的过程中能稳定的传递下去。

表观遗传学研究内容具体来说主要包括DNA甲基化表观遗传、染色质表观遗传、表观遗传基因表达调控、表观遗传基因沉默、细菌的限制性基因修饰等。从更加广泛的意义上来说，DNA甲基化、组蛋白甲基化和乙酰化、基因沉默、基因组印记、染色质重塑、RNA剪接、RNA编辑、RNA干扰、x染色体失活等等都可以归入表观遗传学的范畴，而其中任何一个过程的异常都将影响基因结构以及基因表达，导致某些复杂综合症、多因素疾病或癌症。) 三．表观遗传修饰从多个水平上调控基因表达：

1.RNA水平：非编码RNA可通过某些机制实现对基因转录以及转录后的调控，例如microRNA、RNA干扰等

2.蛋白质水平：通过对蛋白质的修饰或改变其构象实现对基因表达的调控，例如组蛋白修饰 3.染色质水平：通过染色质位置、结构的变化实现对基因表达的调控，例如染色质重塑

以上几个水平之间相互关联，任何一方面的异常都将影响染色质结构和基因表达。

四．表观遗传学的研究意义：

1. 表观遗传学补充了“中心法则”所忽略的两个问题，即哪些因素决定了基因的正常转

录和翻译以及核酸并不是存储遗传信息的唯一载体。

2. 表观遗传信息可以通过控制基因的表达时间、空间和方式来调控各种生理反应。所

以许多用DNA序列不能解释的现象都能够找到答案。

3. 与DNA序列的改变不同，许多表观遗传的改变是可逆的，这使表观遗传疾病的治

愈成为可能。

第二节 表观遗传修饰

一.DNA甲基化(DNA methylation)

DNA甲基化是目前研究得最清楚、也是最重要的表观遗传修饰形式。通过甲基供体——S-腺苷甲硫氨酸，并在DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase，DNMT)的催化下，CpG二核苷酸中的胞嘧啶环上5’位置的氢被活性甲基所取代，从而转变成5-甲基胞嘧啶(5-mC) 。

DNA复制后甲基化型的维持

胞嘧啶甲基化反应

真核生物中存在两种甲基转移酶：

一种起维持甲基化的作用，主要是甲基转移酶1（DNMT 1），在模板链的指导下，它能使半甲基化的DNA双链分子上与甲基胞嘧啶相对应的胞嘧啶甲基化；

另一种起形成甲基化的作用，主要是甲基转移酶3a和3b（DNMT 3a、DNMT 3b），它们能在未发生甲基化的DNA双链上进行甲基化，并且该过程不需要模板链的指导。

图：CpG岛（CpG island）

在某些区域CpG序列的密度比平均密度高出许多，其长度大于200个碱基，这些区域命名为CpG岛。CpG岛位于基因上游调控区的启动子，这些基因为管家基因或组织特异表达基因。

图：甲基化抑制基因的表达

(一般而言，DNA甲基化会抑制基因的表达。发生在基因启动子或其附近区域的甲基化将直接阻碍转录因子与启动子结合，使基因不能转录或降低基因的转录水平。同时，基因5’端的调控元件发生甲基化后能结合特定甲基化CpG序列结合蛋白（methyl CpG binding protein，MBP），从而间接阻止转录因子与启动子形成转录复合体。 甲基化还能改变染色质的构象，使染色质凝缩成非活性的高级结构。)

? DNA甲基化→基因沉默(gene silence)

? 非甲基化(non-methylation)→基因活化(gene activation)

? 去甲基化(demethylation)→沉默基因的重新激活（reactivation）

DNA高甲基化：基因启动子区的CpG岛在正常状态下一般是非甲基化的，当发生甲基化时，

基因转录沉寂，使一些重要基因如抑癌基因、DNA修复基因等丧失功能，从而导致正常细胞的生长分化调控失常以及DNA损伤不能被及时修复，这与多种肿瘤形成密切相关。 DNA低甲基化：整个基因组普遍低甲基化，这种广泛的低甲基化会造成基因的不稳定，这与多种肿瘤的发生有关。DNA的低甲基化也可能在异常组蛋白修饰的协同下引起某些T细胞基因的异常活化、导致自身免疫性疾病的发生。

整个基因组中普遍存在着低甲基化，主要发生在DNA重复序列中，如微卫星DNA、长散步元件(LINES)、中度重复顺序Alu顺序等。 二． 组蛋白修饰

DNA以染色质的形式存在，染色质通常由DNA、组蛋白、非组蛋白以及少量RNA包装而成，其中组蛋白是染色质的基本结构蛋白。

组蛋白的N-末端可通过共价作用从而发生乙酰化、甲基化、泛素化以及磷酸化等翻译后的修饰，这些修饰的信息构成了丰富的组蛋白密码，其中乙酰化和甲基化是最为重要的修饰方式。

组蛋白乙酰化：是由组蛋白乙酰基转移酶(HAT)和组蛋白去乙酰基酶 (HDAC)协调催化完成，修饰的部位一般位于N-末端保守的赖氨酸残 基上。组蛋白乙酰化是一个可逆的动力学过程，可以调节基因的转录。 组蛋白甲基化：组蛋白甲基化多发生于组蛋白H3、H4的赖氨酸和精

氨酸残基上，由特异的组蛋白赖氨酸甲基转移酶(histone methyltransferase, HMT) 催化完成，也是一个可调控的动态修饰过程。而组蛋白的去甲基化是 由赖氨酸去甲基酶(lysine-specific demethylase 1, LSD1)催化完成。

组蛋白的其他修饰：组蛋白泛素化由E1、E2、E3级联酶催化修饰，也是一个可逆的动力学过程。

所有组蛋白的组分均能磷酸化。 组蛋白的各种修饰不是相互独立的，而是互相联系的，例如H3-Serl0的磷酸化可以促进H3-K14乙酰化，而H3-K9的甲基化则会阻止H3-Serl0的磷酸化。

三．染色质重塑(remodeling)

染色质重塑是指染色质位置、结构的变化，主要包括紧缩

的染色质在核小体连接处发生松动造成染色质的解压缩，从而暴露了基因转录启动子区中的顺式作用元件，为反式作用因子的结合提供了可能。

染色质重塑与基因转录

染色体重塑的过程由两类结构所介导：ATP依赖型的核小体重塑复合体和组蛋白共价修饰复合体。前者通过水解的作用改变核小体构型；后者则对核心组蛋白N-末端尾部的共价修饰进行催化。这种修饰直接影响核小体的结构，并为其他蛋白提供了和DNA作用的结合位点

四．非编码RNA调控(ncRNA)

功能性非编码RNA在表观遗传修饰中发挥极其重要的作

用。ncRNA按照大小可分为两类：长链非编码RNA和短链非编码RNA。

长链非编码RNA在基因簇乃至于整个染色体水平上发挥顺式调节作用，短链RNA在基因组水平对基因的表达进行调控。

1)长链非编码RNAX染色体的失活就是长链ncRNA所介导的甲基化和组蛋白修饰共同参与的一个复杂的过程。x染色体上的失活基因编码出相应RNA，这些RNA包裹在x染色体上，达到某一水平后，在甲基化和组蛋白修饰的参与下共同导致并维持x染色体的失活。 此外长链ncRNA常在基因组中建立单等位基因表达模式，在核糖核蛋白复合物中充当催化中心，对染色质结构的改变发挥着重要的作用。

2)短链非编码RNA短链非编码RNA(又称小RNA)能够介导mRNA的降解，诱导染色质结构的改变，决定着细胞的分化命运，还对外源的核酸序列有降解作用以保护本身的基因组。

五．不同表观遗传学修饰之间的相互调控:表观遗传修饰从多个水平上调控基因表达，而不同水平的调控之间也是相互关联的，任何一方面的异常都可能影响到其他水平的表观遗传修饰。事实上不同水平的表观遗传修饰在真核细胞中构成了一个完整的表观遗传调控网络。 第三节 表观遗传疾病 一.DNA甲基化与疾病

① DNA甲基化与肿瘤肿瘤细胞中的DNA甲基化一般表现为总体的低甲基化水平和特

定区域的高甲基化，这些变化可以同时发生在同一肿瘤组织内。基因总体甲基化水平降低导致染色体不稳定、DNA修复基因、细胞周期调控基因、细胞凋亡基因相应的CpG岛的甲基化沉默，进而促进了肿瘤细胞的形成。

原癌基因(oncogene)：较低水平的原癌基因对于细胞的生长、发育、分化和信号传导都是必需的，当发生突变或基因异常表达时癌症就产生了。研究发现原癌基因通常在肿瘤新生物中呈现低甲基化状态。

肿瘤抑制基因(tumor suppression gene)：肿瘤抑制基因的产物能够抑制细胞的生长，失去其功能将促进细胞的转化；与原癌基因在激活方式上的不同在于肿瘤抑制基因的激活

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