表观遗传学 Epigenetics 基础医学院 细胞生物学暨遗传学教研室 李清
多莉：：死掉了…… Dolly Ian Wilmut伊恩·维尔穆特爵士 多莉：生于1996年7月5日，死于2003年2月14日
同卵双生的双胞胎虽然具有相同的DNA序列，却存在表型的差异和疾病易感性的差异
复杂疾病的产生
Beckwith-Wiedemann syndrome,BWS 贝威氏综合征 1. 小头 2.巨舌 3. 胎盘增生
单单从DNA序列上寻找众多疾病的病因是片面的，往往事倍功半，对于某些疾病甚至可能永远找不到答案。
1857年，奥地利的一名神父孟德尔在他所在的修道院后院开始进行长达8年的豌豆杂 交实验。1865年，孟德尔根据豌豆杂交实验的结果，发表了著名的论文《植物杂交 试验》，阐述了他所发现的显性、隐性遗传现象和两个重要遗传学规律——分离规律和自由组合规律。
基因：可遗传 遗传的基本功能单位 2. 基因由DNA编码 3. 一个基因编码一条蛋白质 4. 基因序列的改变可能导致功能及表型的改变 基因型(Genotype) -> 表型(Phenotype)
基因的结构
人类基因组计划 1. 搞清楚人类基因组的DNA碱基的内容和顺序 2. 编码区(编码蛋白的DNA序列)：占基因组的 <2% 3. 非编码区：功能？ a. 非编码RNA：具有调控功能 b. 重复片段：维持基因组的结构？ c. 转座子
基因概念的延伸：生物体的复杂性 人类基因组：~22，000个基因vs. 100,000个蛋白质——可变剪切 2. 表观遗传学
遗传信息的传递：中心法则 1. DNA自身通过复制传递遗传信息； 2. DNA转录成RNA； 3. RNA自身能够复制(RNA病毒)； 4. RNA能够逆转录成DNA； 5. RNA翻译成蛋白质。
基因组含有两类遗传信息 1. 遗传编码信息：提供生命必需蛋白质的模板 2. 表观遗传学信息：何时、何地、以何种方式去应用遗传信息 (1) DNA的甲基化：CpG位点，>5,000万个 (2) 组蛋白修饰：组蛋白密码(Histone code)
表观遗传学 1. 概念：基因的DNA序列不发生改变的情况下， 基因的表达水平与功能发生改变，并产生可遗传 3. 表观遗传学的现象： (1) DNA甲基化 (2) 组蛋白修饰 (3) 非编码RNA调节 (4) Genomic imprinting
表观遗传学的研究已成为基因组测序后的人类基因组重大研究方向之一。这一飞速发展的科学领域从分子水平揭示了复杂的生物学现象，为解开人类和其他生物的生命奥秘、造福人类健康带来了新希望。
从现在的研究情况来看，表观遗传学变化主要集中在三大方面： DNA甲基化修饰：基因选择性转录表达的调控 非编码RNA的调控作用：基因转录后的调控 组蛋白修饰：蛋白质的翻译后修饰
这三个方面各自影响特有的表观遗传学现象，而且它们还相互作用，共同决定复杂的生物学过程。 因此，表观遗传学也可理解为环境和遗传相互作用的一门学科。
DNA甲基化 DNA甲基化是指在甲基化酶的作用下，将一个甲基添加在DNA分子的碱基上。 DNA甲基化的部位通常在CpG岛的胞嘧啶 DNMT1 S-腺苷甲硫氨酸SAM 胞嘧啶 5-甲基胞嘧啶 胞嘧啶甲基化反应
在结构基因的调控区段，CpG二联核苷常常以成簇串联的形式排列。结构基因5’端附近富含CpG二联核苷的区域称为CpG岛(CpG islands)。
CpG岛的甲基化会稳定核小体之间的紧密结合而抑制基因的表达。
当一个基因的启动子序列中的CpG岛被甲基化以后，尽管基因序列没有发生改变，但基因不能启动转录，也就不能发挥功能，导致生物表型的改变。 DNA甲基化抑制基因表达
DNA甲基化模式可以在DNA复制后被保持下来
基因组印记与DNA甲基化密切相关 1956年Prader-Willi综合征(Prader-Willi Syndrome,PWS)，患者肥胖、矮小、中度智力低下。染色体核型分析表明为 父源染色体15q11-13区段缺失。
1968年Angelman综合征(Angelman Syndrome，AS)，共济失调、智力低下和失语。母源染色体15q11-13区段缺失
PWS和AS综合症表明，父亲和母亲的基因组在个体发育中有着不同的影响，这种现象称为基因组印迹(genomic imprinting)。 由于源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在子代细胞中表达不同。在基因组中的这类现象就是基因组印记。
基因印记 1. 父系印记基因: 来自父系的等位基因的表达被抑制 来自母系的等位基因表达 2. 母系印记基因: 来自母系的等位基因的表达被抑制 来自父系的等位基因表达
印记基因的特征 1. 每一个印记基因簇由一个印记控制元件(imprint control element, ICE) 所调控 2. 也称为印记控制区域(imprint control region, ICR)或者印记中心(imprinting centre, IC) 3. 绝大多数都有CpGislands，能够发生DNA甲基化 4. 在CpGislands内或附近通常有成簇的、有向的重 复片段
第一个印迹调控区 印迹调控区 母源 P 父源 E E DMR1 E Igf2 CTCF H19 父源 E 第一个印迹调控区 启动子（P）、差异甲基化区（DMR1）、锌指蛋白（CTCF）和增强子（E）对Igf2和H19的交互易换式印迹调节模式示意图 （ 为非甲基化CpG岛， 为甲基化CpG岛）。
涉及到不同亲本来源的印迹基因的DNA甲基化型都是在生殖细胞成熟过程中建立的。 原始性细胞 （2n） 涉及到不同亲本来源的印迹基因的DNA甲基化型都是在生殖细胞成熟过程中建立的。 配子 （n） 合子 （2n） 印迹基因的DNA甲基化型在生殖细胞成熟过程中的建立
基因组印迹是性细胞系的一种表观遗传修饰，这种修饰有一整套分布于染色体不同部位的印迹中心来协调。 印迹中心直接介导了印迹标记的建立及其在发育全过程中的维持和传递，并导致以亲本来源特异性方式优先表达两个亲本等位基因中的一个，而使另一个沉默。
研究表明，在哺乳动物中相当数量的印迹基因是与胎儿的生长发育和胎盘的功能密切相关的。 迄今已发现的印迹基因已有150余个，大多成簇排列，其中许多是疾病基因。虽多数印迹基因的作用机制尚不清楚，然而几乎都与DNA甲基化型的异常相关联。
组蛋白修饰
DNA Packing 如何将10,000公里长的蚕丝 (半径~10-5米)装入一个篮球中。 2. 蚕丝的体积：3.14*10-3m3 3. 折叠、缠绕…
染色体上的不同区域 Euchromatin: 常染色质 Heterochromatin: 异染色质 E->H或H->称为染色质重塑(Chromatin Remodeling) 分子机理：DNA甲基化， 组蛋白修饰，染色质重塑复 合物的协同作用。
常染色质与异染色质 1. 常染色质：基因表达 活跃的区域，染色体结 构较为疏松 2. 异染色质：基因表达 沉默的区域，染色体结 构致密
组成核小体的组蛋白可以被多种化合物所修饰，如磷酸化、乙酰化和甲基化等，组蛋白的这类结构修饰可使染色质的构型发生改变，称为染色质构型重塑。
组蛋白中不同氨基酸残基的乙酰化一般与活化的染色质构型常染色质(euchromatin)和有表达活性的基因相关联；而组蛋白的甲基化则与浓缩的异染色质(hetero-chromatin)和表达受抑的基因相关联。
组蛋白的乙酰化 中和赖氨酸的正电荷，C=O具有一定的负电，能够增加与DNA的斥力，使得DNA结构变得疏松，从而导致基因的转录活化
组蛋白的甲基化 组蛋白甲基化可以与基因抑制有关，也可以与基因的激活相关，这往往取决于被修饰的赖氨酸处于什么位置。 基因转录沉默 基因转录活化
精氨酸和赖氨酸甲基化的过程
组蛋白修饰主要是氨基端的甲基化修饰和(或)乙酰化修饰，特定组蛋白的氨基酸残基被甲基化和(或)乙酰化既可激活基因的表达，也可抑制基因的表达。 特定组蛋白羧基端的泛素化同样影响蛋白质的降解过程，从而也可调节基因的表达。 目前研究还发现组蛋白修饰与CpG岛的甲基化密切相关。
Histone Code 染色质蛋白并非只是一种包装蛋白，而是在DNA和细胞其他组分之间构筑了一个动态的功能平台。
非编码RNA调节 无论是DNA修饰还是组蛋白修饰，都是基因活性调节的中间参与者，而真正诱导基因活性改变的最大可能者是功能性非编码RNA。 非编码RNA:一般指不能翻译蛋白质的RNA。 （ncRNA：miRNA和siRNA）
非编码RNA不仅能对整个染色体进行活性调节，也可对单个基因活性进行调节，它们对基因组的稳定性、细胞分裂、个体发育都有重要的作用。RNA干扰是研究人类疾病的重要手段，通过其它物质调节RNA干扰的效果以及实现RNA干扰在特异的组织中发挥作用是未来RNA干扰的研究重点。
X染色体失活 X染色体失活就是非编码RNA所介导的一个重要表观遗传学现象，可以说是表观遗传学中由RNA引导的DNA甲基化和组蛋白修饰共同参与的一个复杂的过程。 哺乳动物的雌性个体中仅有随机的一条X染色体有活性，而失活的X染色体是由自身的一个失活中心（X inactivation center）调控的。
X染色质 失活的X染色体被称为Barr body
X染色体失活：Lyon假说 1.1961年，The Lyon Hypothesis, 由英国遗传学家Mary Lyon提出。
TSIX的不对称表达决定了X染色体失活的选择性 1.在将要失活的X染色体上，TSIX沉默保证XIST的表达 2.在将要活化的X染色体上，TSIX激活保证XIST的沉默
XIC失活基因编码出对应的RNA，这些RNA包裹在合成它的X染色体上，当达到某一水平后，在DNA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。
基因表达的重新编程 已完全分化的细胞，其基因组在特定条件下经历表观遗传修饰重建而为胚胎发育中的基因表达重新编程(reprogramming)并赋予发育全能性，为胚胎发育和分化发出正确的指令。 胚胎发育中表观基因组重新编程的差误将会导致多种表观遗传缺陷性疾病。
DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA均参与基因表达重新编程的过程中。 真核细胞中存在着一个由RNA干扰、组蛋白结构修饰和DNA甲基化系统组成的一个表观遗传修饰网络，能动地调控着具有组织和细胞特异性的基因表达模式。机体的表观遗传模式的变化在整个发育过程中是高度有序的，也是严格受控的。
表观遗传学对医学的影响 1. 环境对基因表达的调控作用 表型=基因型+环境 2. 环境因素对人的影响 (1) 癌症 (2) 衰老 (3) 基因印记异常 (4) 自身免疫性疾病 3. 表观治疗
表观基因组学和人类表观基因组计划 表观遗传学使人们认识到,同基因组的序列 一样,基因组的修饰也包含有遗传信息。 人类表观基因组计划是要绘制出不同组织类型和疾病状态下的人类基因组甲基化可变位点(methylation variable position ,MVP) 图谱。
思考题： 1.什么是表观遗传学？它主要研究什么内容？ 2.什么是甲基化，在调控基因表达过程中起什么作用？