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1、表观遗传学非基因突变导致的可遗传的变异,医学遗传学教研室,受困于经典的分子生物学理论,现代遗传学的发展曾经受到极大的阻碍,表观遗传学的出现修补了经典理论,开创了遗传学研究的新局面,当前,表观遗传学研究的强度大大增强,但是,繁杂多变的表观遗传学因素、表象让很多入门者迷惑,4,概述,1,2,3,5,表观遗传修饰,遗传印记,X染色体失活,基因表达的重新编程,表观遗传与疾病,6,内容,概述,1.基本概念,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,并产生可遗传的表型。,表观遗传差异:同卵双生,2.表观遗传的特征,可遗传;可逆性;DNA不变。,3.表观遗传学发展简史,1942年,C
2、onrad Hal Waddington提出现代Epigenetics的概念,认为基因型通过一些“偶然的、不确定的机制”决定了不同的表型1941年,Hermann J.Muller发现Positioneffect variegation(PEV)第一种表观遗传学现象1958年,R.A.Brink发现paramutation现象1961年,Mary Lyon发现X染色体失活现象1983年,DNA甲基化的发现。,表观遗传修饰,DNA甲基化RNA相关沉默组蛋白修饰,1.DNA甲基化,DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶(DNMTs)的作用下,将一个甲基添加在DNA分子的碱基上,最常见的是加在胞嘧啶上
3、,形成5-甲基胞嘧啶(5mC)。5mC占胞嘧啶总量的2-7,约70的5mC存在于CpG二连核苷。结构基因含有很多CpG 结构,基因组中60 90 的CpG 都被甲基化,未甲基化的CpG 成簇地组成CpG 岛,位于结构基因启动子的核心序列和转录起始点。,(1)DNA甲基转移酶的类型及功能,DNMTl在细胞分裂过程中维持DNA复制时新生链的甲基化状态与方式;DNMT2与DNA特异位点结合,但其作用还不清楚,从结构上说DNMT2仅仅含有催化区域,而缺失整个调节区域。DNMT3A和DNMT3B催化DNA甲基化新生位点,DNMT3A/DNMT3B对着丝粒卫星DNA重复序列甲基化。,(2)DNA甲基化的功
4、能,DNA甲基化可引起基因组中相应区域的染色质结构变化,使DNA失去DNA酶的敏感位点和限制性内切酶的切割位点;DNA 甲基化可使染色质高度螺旋化,凝缩成团,失去转录活性。,(3)DNA甲基化的意义,宿主防御模型转座子的活性对机体非常有害甲基化抑制转座子的活性,基因调控模型DNA甲基化的主要功能是转录沉默建立特定的基因表达模式:组织特异性、生殖特异性基因印记、X染色体失活,2.RNA相关沉默,RNA干扰(RNAi)作用是生物体内的一种通过双链RNA分子在mRNA水平上诱导特异性序列基因沉默的过程。由于RNAi发生在转录后水平,所以又称为转录后基因沉默(post-transcriptional
5、gene silencing,PTGS)。,(1)RNAi的研究历程,siRNA,结构:21-23nt的双链结构,序列与靶mRNA有同源性,双链两端各有2个突出非配对的3碱基。功能:是RNAi 作用的重要组分,是RNAi发生的中介分子。内源性siRNA使细胞能够抵御转座子、转基因和病毒的侵略。,miRNA,结构:21-25nt长的单链小分子RNA,5端有一个磷酸基团,3端为羟基,由具有发夹结构的约70-90个碱基大小的单链RNA前体经过Dicer酶加工后生成。特点:具有高度的保守性、时序性和组织特异性。,(2)参与RNA干扰的主要分子,siRNA介导的RNAi,3.组蛋白修饰,乙酰化-一般与活
6、化的染色质构型相关联,乙酰化修饰大多发生在H3、H4的 Lys 残基上。甲基化-发生在H3、H4的 Lys 和 Asp 残基上,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位置和程度。磷酸化-发生与 Ser 残基,一般与基因活化相关。泛素化-一般是C端Lys修饰,启动基因表达。SUMO(一种类泛素蛋白)化-可稳定异染色质。其他修饰,位点:通常发生在蛋白质的赖氨酸(K)上;可逆的生化反应:乙酰化和去乙酰化分子效应:中和赖氨酸上的正电荷,增加组蛋白与DNA的排斥力,使DNA结构变得疏松,从而导致基因的转录活化。生物学功能:A.基因转录活化;B.DNA损伤修复,(1)组蛋白的乙酰
7、化,(2)组蛋白的甲基化,位点:主要发生在赖氨酸(K)或精氨酸(R)上;分子效应:增加赖氨酸上的疏水力生物学功能:A.基因转录活化(H3-K4);B.基因转录沉默(H3-K9);C.X染色体失活,(3)组蛋白的磷酸化,位点:主要发生在丝氨酸(S)/苏氨酸(T)功能:A.转录调控:H3K10被Rsk-2磷酸化B.异染色质的形成:H4S1的磷酸化C.DNA repair:H2AX磷酸化,遗传印记,DNA甲基化是产生遗传印记的主要原因。,1.概念,遗传印记(gene imprinting)是指基因组在传递遗传信息的过程中,通过基因组的化学修饰(DNA的甲基化;组蛋白的甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等
8、)而使基因或DNA片段被标识的过程。基因组印记依靠单亲传递某种性状的遗传信息,被印迹的基因会随着其来自父源或母源而表现不同,即源自双亲的两个等位基因中一个不表达或表达很弱。不遵循孟德尔定律,是一种典型的非孟德尔遗传,正反交结果不同。,29,29,正交,反交,正常小鼠,矮小型小鼠,矮小型小鼠,矮小型小鼠,正常小鼠,正常小鼠,30,30,由正反交实验可以看出:印迹基因的正反交结果不一致、不符合孟德尔定律。小鼠 Igf-2 基因总是母本来源的等位基因被印迹,父本来源的等位基因表达,因此是母本印迹。基因印迹使基因的表达受到抑制,导致被印迹的基因的生物功能的丧失。,2.主要功能,出生前的生长发育;父系基
9、因的表达-胚胎发育能力增强母系基因的表达-胚胎发育能力削弱在特定细胞系及神经发育方面有重要功能,印记去除(去甲基化)印记形成(重新甲基化)印记维持(甲基化维持)父源基因组的去甲基化是将甲基直接去除;而母源基因组的去甲基化则多数是因甲基转移酶DNMT1活性受阻而使甲基化维持失败。,3.印记过程,4.遗传印记的特点,遗传印记遍布基因组印记基因的内含子小,雄性印记基因重组率高于雌性印记基因印记基因表达具有组织特异性印记基因在世代传递中可以逆转,5.印记基因的调控方式,母源等位基因簇E.g.H19 的基因印记簇采用ncRNA介导的沉默机制父源等位基因簇E.g.Igf2 的基因印记簇采用基于绝缘子的沉默
10、机制,X染色体失活,1961年M.F.Lyon就提出了关于雌性哺乳动物体细胞的两条X染色体中会有一条发生随机失活的假说,并认为这是一种基因剂量补偿的机制。1996年G.D.Penny等发现X染色体的Xq13.3区段有一个X失活中心(X-inaction center,Xic),X-失活从Xic区段开始启动,然后扩展到整条染色体。,1.失活X染色体特点:,组蛋白H4不被乙酰化CpG岛的高度甲基化,2.X染色体失活过程(起始阶段),两条染色体都表达不稳定的Xist RNA,X染色体失活过程(进展阶段),其中一条X染色体表达的Xist RNA包裹自身并启动异染色质化过程,X染色体失活过程(终末阶段)
11、,活性X染色体停止表达不稳定的Xist RNA,已有的Xist RNA很快降解。,基因表达的重新编程,近几年,哺乳动物克隆取得较大进展,体细胞克隆已在多种哺乳动物获得成功,但成功率仍很低,面临着许多问题:重构胚难以植入子宫、流产率高、胎盘过大、出生个体体重过重、许多个体有呼吸循环系统疾病等。这些异常表型的高发性和穿越种间的相似性说明:这些问题主要不是由遗传信息的改变引起的而是由外遗传信息的改变导致的,其主要原因就是基因没有获得正确的重新编程。,1.配子发生和胚胎发育中的甲基化现象,甲基化状态在分化的体细胞上是稳定和可遗传的,但在哺乳动物中至少有两个时期,一个是配子发生期,另一个是胚胎期,基因组
12、的甲基化状态发生广泛的重新编程。,(1)配子发生中的甲基化现象,在小鼠,全局性的去甲基化发生在原始生殖细胞(PGC,primordial germ cells)发育早期。一旦PGC去甲基化,雄性生殖细胞的有丝分裂和雌性生殖细胞的减数分裂都将停止。几天后,雄性生殖细胞开始再甲基化,再甲基化将有助于生殖细胞有丝分裂的重新开始及随后的减数分裂。雌性生殖细胞的再甲基化则发生在出生后卵的生长期,Dnmt3A/3B是可能的参与者,但不确定。,(2)胚胎发育中的甲基化现象,在胚胎期,同样发生全局性的去甲基化和再甲基化过程。当精子进入卵子,在精子DNA未复制之前,精子基因组就已发生广泛的去甲基化。因为细胞核中
13、没有Dnmtl,卵子的基因组则经过一个被动去甲基化过程,直至桑椹胚。当囊胚植入子宫后,立即发生由Dnmt3A/3B介导的从头甲基化,但仅作用在内细胞团(inner cellmass),滋养外胚层不被从头合成甲基化,此时需别的外遗传标记使基因组序列被甲基化或不被甲基化。,2.配子发生和胚胎发育中的遗传印迹现象,印记基因的“印记”形成于配子发育晚期,并且独立于胚胎发育中的全局性去甲基化作用和甲基化作用;在配子发生晚期,将建立印记基因亲本特异的甲基化标志,若此标志一旦丢失,除非经过生殖系(germ line)的传递,否则将不可能再次获得。胚胎期,在精子进入卵子时发生的主动去甲基化中,一些父系表达的印迹基因将受保护不被去甲基化。,3.哺乳动物克隆过程中的基因重新编程,哺乳动物克隆过程中基因的重新编程有其显著的特殊性,最主要在于它没有经过配子发生这一阶段,重新编程必须在供核进入卵子和重构胚基因组开始转录这一短暂阶段发生。重新编程后有3种结果:(1)没有得到重新编程,克隆胚胎立即死亡;(2)部分重新编程,将导致各种异常表型和(或)死于发育的各个阶段;(3)正确重新编程,产生正常克隆动物。,表观遗传与疾病,
