14表觀遺傳學(xué) 課件

Chapter15EpigeneticsLeiHuang,DepartmentofMedicalGeneticsleihuang@Biologicalexamplesof

epigeneticphenotypesAllis,C.D.etal,EpigeneticsFig.3-1表觀遺傳的概念?

不同類型的細(xì)胞之間存在著基因表達(dá)模式（geneexpressionpattern）的差異。也就是說(shuō)，決定細(xì)胞類型的不是基因本身，而是基因表達(dá)模式。?

基因表達(dá)模式在細(xì)胞世代之間的遺傳并不完全依賴細(xì)胞內(nèi)DNA的序列信息。?

通過(guò)有絲分裂或減數(shù)分裂來(lái)傳遞非DNA序列信息的現(xiàn)象稱為表觀遺傳（epigeneticinheritance）。?

表觀遺傳學(xué)（epigenetics）則是研究不涉及DNA序列改變的基因表達(dá)和調(diào)控的可遺傳變化,或者說(shuō)是研究從基因演繹為表型的過(guò)程和機(jī)制的一門新興的遺傳學(xué)分支。表觀遺傳的異常會(huì)引起表型的改變，機(jī)體結(jié)構(gòu)和功能的異常，甚至導(dǎo)致疾病的發(fā)生。Outline?

Mechanismofepigeneticmodification?

Epigeneticinheritanceanddiseases?

Epigeneticinheritanceandcancer?

Epigeneticinheritanceandaging?

Biologicalsignificantofepigeneticinheritance基因表達(dá)模式的信息標(biāo)記，或表觀遺傳修飾（epigeneticmodification）主要有兩類:?DNA分子的特定堿基的結(jié)構(gòu)修飾（如胞嘧啶的甲基化）；?染色質(zhì)構(gòu)型重塑（chromatinremodeling）如組蛋白的磷酸化、乙?；图谆echanismofepigeneticmodificationDNAMethylation

(DNA甲基化)ChromatinRemodeling

(染色質(zhì)重朔)GenomicImprinting

（基因組印跡）GeneReprogramming

(基因表達(dá)的重編程)XInactivation

(X染色體失活)RNAinterference(RNA干擾)Mechanismofepigeneticmodification1.DNAMethylationDMT1SAM5-甲基胞嘧啶胞嘧啶(DMT-DNA(SAM-S-aden，DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶

)腺苷甲硫氨酸)Mechanismofepigeneticmodification結(jié)構(gòu)基因中，5’端CpG島中的5-mC會(huì)阻礙轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合體與DNA結(jié)合，因此DNA甲基化一般與基因沉默相關(guān)；非甲基化(non-methylated)或去甲基化(demethylation)一般與基因的活化(geneactivation)相關(guān)聯(lián)；MechanismofepigeneticmodificationMaintenanceofDNAmethylationCH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3DNA復(fù)制酶DNA甲基轉(zhuǎn)移酶CH3DNA甲基化型在DNA復(fù)制中的維持機(jī)制是表觀遺傳學(xué)的重要基礎(chǔ)Mechanismofepigeneticmodification人類基因組DNA甲基化型的建立、維持和改變還涉及到DNA去甲基化酶（DNAdemethylase）和不依賴半甲基化DNA分子中的甲基化模版鏈而從頭開(kāi)始合成5mC的從頭甲基化酶（denovomethylase），如Dnmt3a和Dnmt3b。Mechanismofepigeneticmodification2.ChromatinRemodelingMechanismofepigeneticmodificationMechanismofepigeneticmodification2.ChromatinRemodelingHistonemotification：Phosphrylation、

AcetylationandMethylation；組蛋白的這類結(jié)構(gòu)修飾可使染色質(zhì)的構(gòu)型發(fā)生改變，稱為染色質(zhì)構(gòu)型重塑。乙酰化一般與活化的染色質(zhì)構(gòu)型常染色質(zhì)（euchromatin）和有表達(dá)活性的基因相關(guān)聯(lián)；甲基化則根據(jù)發(fā)生的不同位置將產(chǎn)生不同的效應(yīng)。MechanismofepigeneticmodificationHP1:Heterochromatinprotein1MechanismofepigeneticmodificationDNA甲基化和組蛋白的修飾在DNA復(fù)制中的維持機(jī)制是表觀遺傳學(xué)的重要基礎(chǔ)Allis,C.D.etal,EpigeneticsEpigeneticmodificationisregulatedbychromatingenesDNA甲基化修飾過(guò)程接受來(lái)自染色質(zhì)的指令。對(duì)單細(xì)胞真核生物，如紅色鏈孢霉Neurosporacrassa的研究表明，編碼H3Lys9甲基轉(zhuǎn)移酶的基因是DNA甲基化所必需的組蛋白的修飾又會(huì)受到RNA干擾（RNAinterference,RNAi）的指令。在裂殖酵母Schizosaccharomycepombe中，編碼RNAi相關(guān)蛋白質(zhì)的基因一旦被knockout，就會(huì)導(dǎo)致H3Lys9甲基化的丟失和位于染色體的異染色質(zhì)區(qū)的著絲粒功能受損。Mechanismofepigeneticmodification3.GenomicImprintingPrader-willisyndromeAngelmansyndrome父源15q11-13缺失：肥胖，矮小，并伴有中度智力低下母源15q11-13缺失：兒童期共濟(jì)失調(diào)，智力嚴(yán)重低下和失語(yǔ)3.GenomicImprintingpaternalmaternal3.GenomicImprinting1997年，T.Kishino等的研究證實(shí)位于該區(qū)段的泛素—蛋白連接酶（ubiqitin-proteinligase）的編碼基因UBE3A突變或失表達(dá)（lossofexpression）可以引起AS。AS患者中該基因的失表達(dá)是由于母源染色體上包括IC在內(nèi)的染色體片段缺失所致。而PWS患者是由于該區(qū)段的多個(gè)父源印跡基因的缺失或錯(cuò)誤表達(dá)（misexpression）所致。這種錯(cuò)誤表達(dá)的后果是鄰近基因啟動(dòng)子的從頭甲基化和隨后產(chǎn)生的基因沉默。Mechanismofepigeneticmodification3.1PWS&AS印跡中心（ICs）：在染色體的某一區(qū)域,成簇排列的富含CpG島的基因表達(dá)調(diào)控元件。差異甲基化（differentialmethylation）：在父源和母源染色體上，調(diào)控元件的CpG島呈現(xiàn)甲基化型的明顯差異，即父源和母源染色體上的ICs的甲基化呈現(xiàn)出分化狀態(tài)的現(xiàn)象。3.GenomicImprintingGenomicImprinting（基因組印跡）：來(lái)自父親和母親的基因組在個(gè)體發(fā)育中有著不同影響的現(xiàn)象?；蚪M印跡是由于兩個(gè)親本等位基因的差異性甲基化型造成了一個(gè)親本等位基因的沉默，致使另一等位基因保持單等位基因活性（monoallelicactivity）。3.GenomicImprinting3.2Beckwith-WiedemannsyndromeOvergrowthsyndrome(過(guò)度生長(zhǎng)綜合征

)肥胖和先天性臍疝等癥狀兒童期腫瘤易患傾向染色體11p15.5區(qū)段印跡基因表達(dá)失衡增強(qiáng)子-染色體屏障調(diào)控模式3.GenomicImprinting增強(qiáng)子-染色體屏障調(diào)控模式Imprintingcontrolregion1Imprintingcontrolregion211p15.51000kb12imprintedgenesCTCFMaternalPaternalIGF2IGF2DMRH19H19EEDMR3.GenomicImprinting在這個(gè)印跡調(diào)控區(qū)，相對(duì)增強(qiáng)子作用而言，DMR1起了一個(gè)染色質(zhì)屏障作用，被稱為隔離子(insulator)，在印跡中起關(guān)鍵調(diào)控作用。第2印跡調(diào)控區(qū)包括CDKNIC(p57KIP2),細(xì)胞分裂周期相關(guān)的基因KCNQ1甲離子通道基因，調(diào)控IGF2的印跡。3.GenomicImprintingThemolecularlesionsthatcauseBWS1.

PaternalduplicationsencompassingIGF2;2.

PaternalUPDfor11p15.5(UniparentalDisomy,單親二倍體);3.

Loss-of-functionmutationsonthematernalalleleofCDKN1C;4.

TranslocationsonthematernalchromosomedisruptingKCNQ1whichaffectimprintingofIGF2;5.

Mostcommly,lossofimprintingforICR2/KCNQ1whichaltersimprintingofIGF2迄今發(fā)現(xiàn)的印跡基因已有50多個(gè),分布于基因組的12個(gè)區(qū)域,其中許多是疾病基因；基因組印跡是生殖細(xì)胞系的一種表觀遺傳修飾，這種修飾有一整套分布于染色體不同部位的印跡中心來(lái)協(xié)調(diào)，印跡中心直接介導(dǎo)了印跡標(biāo)記的建立及其在發(fā)育全過(guò)程中的維持和傳遞，并導(dǎo)致以親本來(lái)源特異性方式優(yōu)先表達(dá)兩個(gè)親本等位基因中的一個(gè)，而使另一個(gè)沉默。4.GeneReprogrammingAllis,C.D.etal,Epigeneticsfig3-4第一次是在受精卵細(xì)胞發(fā)育早期，第二次是發(fā)生在后來(lái)胚胎中分化成的早期原始生殖細(xì)胞上（PGC）。1997,I.Wilmut

&K.H.CampbellcreateDollybytransferringmammaryglanddonornucleustoenucleatedoocyte.2006，ShinyaYamanakaandcolleaguesgeneratesinducedpluripotentstem(iPS)cells，theproductofsomaticcellreprogrammingtoanembryonic-likestate.NATuREREvIEwS|molecularcellbiology2008Vol.94.GeneReprogramming只有經(jīng)過(guò)重新編程的表觀基因組才具有發(fā)育的全能性，滿足胚胎所有細(xì)胞發(fā)育和專一性分化的需要，才能為胚胎發(fā)育和分化發(fā)出正確的指令

;表觀遺傳修飾的重新編程對(duì)環(huán)境變化非常敏感。1.在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，改變胚胎培養(yǎng)液不但會(huì)引起異常甲基化和印跡基因IGF2和H19的表達(dá)失調(diào)，甚至造成印跡性疾病。2.輔助生育是在配子生成和胚胎發(fā)育早期干預(yù)生殖，而這個(gè)時(shí)期正是表觀遺傳編程獲得和維持的關(guān)鍵時(shí)期。K.H.Orstavik等曾報(bào)道經(jīng)卵細(xì)胞胞質(zhì)精子注射（intracytoplasmicsperminjection，ICSI）輔助后出生的兒童中，PWS/AS和BWS發(fā)生率增高現(xiàn)象，并在患兒中檢測(cè)到包括H19，IGF2在內(nèi)的多個(gè)印跡基因表達(dá)異常。這些結(jié)果提示有必要對(duì)經(jīng)輔助生育技術(shù)孕育的孩子作表觀遺傳學(xué)監(jiān)測(cè)。5.XInactivation1961年,M.F.Lyon提出了闡明哺乳動(dòng)物劑量補(bǔ)償效應(yīng)的X染色體失活假設(shè)或稱

X染色體萊昂化假設(shè)。①正常雌性哺乳動(dòng)物體細(xì)胞中的兩個(gè)

X染色體之一在遺傳性狀表達(dá)上是失活的；(XCS失活)②在同一個(gè)體的不同細(xì)胞中，失活的

X染色體可來(lái)源于雌性親本，也可來(lái)源于雄性親本；（隨機(jī)性）③失活現(xiàn)象發(fā)生在胚胎發(fā)育的早期，一旦出現(xiàn)則從這一細(xì)胞分裂增殖而成的體細(xì)胞克隆中失活的都是同一來(lái)源的染色體。（終身性）5.XInactivation1996年，G.D.Penny等發(fā)現(xiàn)X染色體q13.3區(qū)段的失活中心。Xist(X-inactivespecifictranscript):產(chǎn)生包裹RNA；Xce(X-chromosomecontrollingelement):失活選擇；Tsix:CTCF的結(jié)合位點(diǎn)；

DXPas34:富含CpG，調(diào)控作用。5.XInactivation6.RNAinterferencesiRNAmicroRNAEpigeneticinheritanceanddiseases表觀遺傳修飾異常引起的疾病主要可分為兩大類：發(fā)育的重新編程中造成的特定基因表觀修飾的異常，或稱表觀突變(epimutation)；與表觀修飾相關(guān)的蛋白質(zhì)編碼基因的突變，如DNA甲基轉(zhuǎn)移酶基因，CpG結(jié)合蛋白CTCF。EpigeneticinheritanceanddiseasesRettSyndrome1966年由

Rett報(bào)道;發(fā)病率為1/10000-1/15000女孩，又稱頭小綜合征；遺傳性進(jìn)行性神經(jīng)系統(tǒng)疾病,患者均為女性；出生后7-18個(gè)月出現(xiàn)發(fā)育停滯,

高級(jí)腦功能迅速惡化和嚴(yán)重癡呆等癥狀;X連鎖的甲基結(jié)合蛋白MeCP2的基因突變。StructureofMeCP2gene.486AAinsize,MBD-methyl-CpGbindingdomain;TRD-transcriptionrepressiondomainBDNF(brainderivedneurotrophicfactor)EpigeneticinheritanceanddiseasesICFsyndrome（immunodeficiency，centromericregioninstabilityandfacialanomaliessyndrome）伴有免疫缺陷(immunodeficiency)，免疫球蛋白減少或缺失；著絲粒不穩(wěn)定(centromeric

instability)；面容異常(facialanomalies)，智力低下；常染色體隱性遺傳??；催化DNA從頭甲基化的蛋白DNMT3B基因突變。FragileXsyndromeHeritancementalretardation(遺傳性智力障礙)GenerelatednamedFMR1atXq27.3CCGoverrepeatsin5’UTRofFMR1causedisease6-50

normal52-200premutation(前突變)200-2000mutation（全突變）—FMR1silenceDiseaseSymptomAetiologyATR-Xsyndromentellectual

disabilities,_-thalassaemiaMutationsinATRXgene,hypomethylationofcertainrepeatandsatellitesequencesFragileX

syndromeICFsyndromeChromosomeinstability,ExpansionandmethylationofCGGrepeatinFMR15_UTR,intellectual

disabilitiespromotermethylationChromosomeinstability,immunodeficiencyDNMT3bmutations,DNAhypomethylationAngelman’sIntellectualdisabilitiesDeregulationofoneormoreimprintedgenesat15q11–13syndrome(maternal)Prader–WilliObesity,intellectualdisabilitiesDeregulationofoneormoreimprintedgenesat15q11–13syndrome(paternal)BWSOrganovergrowthIntellectualdisabilitiesAnaemiaDeregulationofimprintedgenesat11p15.5RettsyndromeMeCP2mutations_-Thalassaemia(onecase)Methylationof_2-globinCpGisland,deletionofHBA1andHBQ123VariouscancersMicrosatelliteinstabilityDenovomethylationofMLH129DisruptionofRb,p53pathwayDenovomethylationofvariousgenepromoters4MutationsinSNF5,BRG1,BRM36DisruptionofchromatinremodellingcomplexOverexpressionofIGF2,silencing

LossofimprintingofCDKN1CLeukaemiaDisturbedhaematopoiesisIntellectualdisabilitiesIntellectualdisabilitiesChromosomaltranslocationsinvolvingHATsandHMTs62Rubinstein–TaybisynMutationinCREB-bindingprotein(histoneacetylation)Coffin–LowryMutationin

Rsk-2(histonephosphorylation)syndromeEpigeneticinheritanceandcance