10-表觀遺傳與人類疾病-090926研究生

第10章表觀遺傳與人類疾病新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院楊保勝教授2009.09E-mail:ybs@Tel:3029960(O)http://www.epigenome.org/1楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@表觀遺傳學（epigenetics），主要研究在沒有DNA序列變化的基礎上，基因表達的可遺傳性的改變。在基因組中除了DNA和RNA序列以外，還有許多調控基因的信息，它們雖然本身不改變基因的序列，但是可以通過基因修飾，蛋白質與蛋白質、DNA和其它分子的相互作用，而影響和調節(jié)基因的功能和特性，并且通過細胞分裂和增殖周期影響遺傳。這一迅速發(fā)展的學科在分子水平揭示了復雜的臨床現(xiàn)象，為解開生命奧秘及征服疾病帶來希望。2楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@第一節(jié)

表觀遺傳學概述

通過DNA的甲基化、組蛋白修飾、染色質重塑和非編碼RNA調控等方式來控制表觀遺傳的沉默。有人甚至形容：基因的DNA序列是木偶，而epigenetics

是牽線人；或DNA序列是琴鍵，而epigenetics

決定哪一個鍵何時、何處發(fā)聲。表觀遺傳學不僅對基因表達、調控、遺傳有重要作用，而且在腫瘤、免疫系統(tǒng)等疾病的發(fā)生和防治中亦具有十分重要意義。人類基因組含有兩類遺傳信息，遺傳學信息提供了合成生命所必需蛋白質的模板，而表觀遺傳學信息提供了何時、何地和怎樣地應用遺傳學信息的指令；遺傳學和表觀遺傳學的關系有如“陰陽”，它們既相區(qū)別又協(xié)同參與調節(jié)生命活動。表觀遺傳學現(xiàn)代的定義為:基因功能的改變，凡未牽涉到DNA的序列，又可通過有絲或減數(shù)分裂而遺傳者，稱為表觀遺傳。3楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@

人類表觀基因組計劃（HumanEpigenome

Project，HEP）：繼人類基因組計劃（HGP）完成之后，于2003年10月7日正式啟動HEP。這是世界上首項針對控制人類基因“開”和“關”的主要化學變化進行的圖譜繪制工作，它將幫助科學家建立人類遺傳與疾病之間的關鍵聯(lián)系。目標：確定DNA甲基化位點在人類基因組中的分布與頻率。methylationvariablepositions(MVP)4楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@第二節(jié)表觀遺傳現(xiàn)象及其分子機制表觀遺傳學有如下三層含義：①可遺傳的,即這類改變通過有絲分裂或減數(shù)分裂，能在細胞或個體世代間遺傳；②是基因表達的改變；③沒有DNA序列的變化或不能用序列變化來解釋。它和DNA的改變所不同的是，許多表觀遺傳的改變是可逆的，這就為疾病的治療提供了樂觀的前景。表觀遺傳修飾是基因組信息精細的調節(jié)方式，在哺乳動物生長發(fā)育中有兩次基因組重編程均與大規(guī)模的表觀遺傳修飾改變有關。表觀遺傳修飾方式主要包括:DNA甲基化和組蛋白乙酰化等,同時,非編碼RNA也參與了表觀遺傳修飾的調節(jié),在早期胚胎發(fā)育中表觀遺傳修飾起著重要的作用。5楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@一、DNA甲基化DNA甲基化是表觀遺傳學的重要研究內容之一。DNA甲基化現(xiàn)象廣泛存在于細菌、植物和哺乳動物中，是DNA的一種天然的修飾方式。在哺乳動物中，由DNA甲基轉移酶(DNAmethyltransferase,DNMT)

催化，通常發(fā)生在雙核苷酸CpG中的胞嘧啶，形成5-甲基胞嘧啶（用mC來表示），構成甲基化的CpG（圖12－1）。在整個基因組中，CpG島通常位于基因的啟動子區(qū)域，在正常情況下，CpG島是以非甲基化形式存在于基因的啟動子內。DNA甲基化及去甲基化，再加上組蛋白修飾，直接制約基因的活化狀態(tài)。因此，DNA甲基化有其重要的生物學上的意義。6楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@圖

DNA甲基化發(fā)生在雙核苷酸CpG中的胞嘧啶7楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@圖

正常情況下CpG島是以非甲基化形式存在于啟動子內8楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@DNA甲基化與基因的轉錄活性密切相關。在原核生物中甲基化與非甲基化基因的轉錄活性相差103倍；而在真核細胞中，特別是在高等生物體內的甲基化和非甲基化基因的轉錄活性相差106倍。如果在基因的啟動子區(qū)域的CpG

島發(fā)生過度甲基化，那么該基因就可能失活。過低甲基化導致一些在正常情況下受到抑制的一些基因如癌基因，或相關因子得到大量表達。另外，DNA過低甲基化抑制了基因組中重復子的同源性重組，因而導致整個基因組的不穩(wěn)定性增加。曾報道在細胞染色體的中心粒周圍具有高度的甲基化區(qū)域,，如果這種甲基化DNA失去致密的甲基，就會導致基因的損傷。甲基化特征是通過保持甲基化酶活性來實現(xiàn)的。高度甲基化的基因，如女性兩條X染色體中的一條X染色體上的基因處于失活狀態(tài)。為細胞存活所需要而一直處于活動狀態(tài)的持家基因，則一直處于保持低水平的甲基化。在生物發(fā)育的某一階段或細胞分化的某種狀態(tài)，原先處于甲基化狀態(tài)的基因，也可以被誘導去除甲基化（demethylation）而出現(xiàn)轉錄活性。9楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@二、組蛋白修飾染色質的基本單位為核小體，核小體中部是由四種組蛋白(H2A、H2B、H3、H4)各兩個分子構成的八聚體核心，N端尾部為單一的H1。組蛋白可以共價修飾而發(fā)生乙?；?、甲基化和磷酸化，由此構成多種多樣的組蛋白密碼（圖）。組蛋白乙?；c基因活化以及DNA復制相關，組蛋白的去乙?；突虻氖Щ钕嚓P。組蛋白乙?；D移酶(histone

acetyltransferase，HATs)主要是在組蛋白H3、H4的N端尾上的賴氨酸加上乙酰基，去乙?；?histone

deacetylase，HDACs)則相反,不同位置的修飾均需要特定的酶來完成（圖）。乙酰化酶家族可作為輔激活因子調控轉錄，調節(jié)細胞周期，參與DNA損傷修復，還可作為DNA結合蛋白。去乙酰化酶家族則和染色體易位、轉錄調控、基因沉默、細胞周期、細胞分化和增殖以及細胞凋亡相關。10楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@11楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@CREB結合蛋白(CREBbindingprotein,CBP)、E1A結合蛋白p300(E1Abindingproteinp300,EP300)和鋅指蛋白220(zincfinger220,ZNF220)均為乙酰化轉移酶。組蛋白的乙?；图谆?2楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@組蛋白賴氨酸的甲基化在表觀遺傳調控中起著關鍵作用。組蛋白H3的K4、K9、K27、K36、K79和H4的K20均可被甲基化。組蛋白H3第9位賴氨酸的甲基化與基因的失活相關連；組蛋白H3第4位賴氨酸和第36位賴氨酸的甲基化與基因的激活相關連；組蛋白H3第27位賴氨酸的甲基化與同源盒基因沉默、X染色體失活、基因印記等基因沉默現(xiàn)象有關；組蛋白H3第79位賴氨酸的甲基化與防止基因失活和DNA修復有關（圖）。與此同時，組蛋白的去甲基化也受到更為廣泛的關注。13楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@組蛋白賴氨酸的甲基化在表觀遺傳調控中的作用

14楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@三、染色質重塑染色質重塑指染色質位置和結構的變化，即在能量驅動下核小體的置換或重新排列。它改變了核小體在基因啟動子區(qū)的排列，增加了基礎轉錄裝置和啟動子的可接近性。主要涉及密集的染色質絲在核小體連接處發(fā)生松解造成染色質解壓縮，從而暴露基因轉錄啟動子區(qū)中的順式作用元件，為反式作用因子(轉錄因子)與之結合提供了一種稱為可接近性狀態(tài)（圖）。染色體重塑過程由兩類結構介導：ATP依賴型核小體重塑復合體和組蛋白修飾復合體。前者通過水解作用改變核小體構型；后者對核心組蛋白N端尾部共價修飾進行催化。修飾直接影響核小體的結構，并為其他蛋白提供了和DNA作用的結合位點。染色質重塑的發(fā)生和組蛋白N端尾巴修飾密切相關，尤其是對組蛋白H3和H4的修飾。修飾直接影響核小體的結構，并為其他蛋白提供了和DNA作用的結合位點。染色質重塑和組蛋白修飾均由各自特異的復合物來完成，兩者發(fā)生的先后順序與啟動子序列的特異性有關；后與啟動子結合的復合物有助于維持兩個復合物與啟動子的穩(wěn)定結合，且兩復合物又可相互加強對方的功能。15楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@染色質重塑16楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@17楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@染色質的重塑與基因轉錄表達18楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@四、基因組印記一個個體的同源染色體或相應的一對等位基因，由于分別來自父方或母方而在功能上表現(xiàn)出一定的差異，即同一個基因由于來源親代的性別不同在子代有完全不同的表達，產生不同的表型，這種現(xiàn)象稱為遺傳印跡(geneticimprinting)或稱為基因組印跡，也稱為親代(parental)印跡。這類疾病或性狀的遺傳不符合孟德爾遺傳。19楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@遺傳印跡20楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@轉錄起始：1,Structuralpreparation:chromatinmodulation >30nm10nm(beads-on-a-string);2,Formationofpre-initiationcomplex.染色質調整chromatinmodulation啟動子“暴露”promoterclearance轉錄起始復合體形成pre-initiationcomplexformation轉錄起始transcription核心組蛋白修飾核小體重塑轉錄因子、組蛋白、DNA相互作用激活21楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@T-淋巴細胞經ConA活化后染色質結構的變化a,靜止淋巴細胞；b,c,d,激活后1,4,16小時。acdHCECNHC22楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@依賴ATP的染色質重塑復合體－作用方式23楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@24楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@核心組蛋白N-末端尾部修飾位點。綠箭頭標記的位點是在完整核小體中容易被胰蛋白酶切割的位點。acK:乙?；馁嚢彼?；meK:甲基化的賴氨酸；meR:甲基化的精氨酸；PS:磷酸化的絲氨酸；uK:泛素化的賴氨酸。組蛋白共價修飾和相互作用區(qū)的類型和方式。(a)修飾的類型；BrD:與乙?；馁嚢彼嵯嗷プ饔玫匿鍏^(qū)；ChrD:與甲基化的賴氨酸相互作用的染色質區(qū)。(b)修飾的方式；成對的修飾、改變的順序與轉錄激活或抑制有關。組蛋白共價修飾的語言—組蛋白密碼(histonecode)25楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@核心組蛋白N-尾部的共價修飾。A：乙?；籑：甲基化；P：磷酸化26楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@27楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@

思考與練習

1．比較表觀遺傳學與遺傳學概念的異同。2．解釋并區(qū)分下列各組名詞:(1)表觀遺傳學與表觀基因組學(2)人類表觀基因組計劃與人類后基因組計劃

(3)染色質重塑與X染色體失活(4)DNA甲基化與遺傳印記

(5)組蛋白修飾與DNA修飾(6)非編碼RNA與RNA干擾

3．歸納表觀遺傳現(xiàn)象的分子機制。

4．概述表觀遺傳學與人類疾病的關系，并舉例說明。28楊保勝新鄉(xiāng)醫(yī)學院基礎醫(yī)學院ybs@參考文獻與網站1張永彪，褚嘉祐.表觀遺傳學與人類疾病的研究進展［J］.遺傳,2005,27(3):466-4722張春燕,鄒平.表觀遺傳學及其研究進展［J］.四川生理科學雜志,2006,28(2):72-743????表觀遺傳學－原理、技術與實踐。上海，上?？茖W技術出版社，20064Eckh