表观遗传学 基因组印记

表观遗传学第五章 基因组印记Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC内容纲要r1. r2. r3. r4. r5. r6.基那印印配印因些记记子记组基是基发的印 因 如 因 育 维生记 是 何 的 过 持物印 判 介 程 和w秀w记 读 绍 中 修-w基 的 印 改专.b因 ？ 记心b？ 机i做o制o生.c是物o如m何启动的？Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC基因印记物 r1. 由表观遗传修饰决定的，来源于双亲 (Parent生 of-origin) 的特异性表达的基因。

心做 .com |A. 两个等位基因中只有一个印记基因表达 -专 ioo |B. 可遗传的修饰，并且不改变基因序列的组成生物w秀ww.bb r2. 由双亲基因组功能的不对称性所决定Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC基因印记r1. 父系印记基因:物 |来自父系的等位基因的表达被抑制 做生om |来自母系的等位基因表达 (mono-allelic) -专心bioo.c r2. 母系印记基因: 秀 .b |来自母系的等位基因的表达被抑制 生物www |来自父系的等位基因表达 (mono-allelic)Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC印记基因物 r1. 在小鼠中已发现>80个印记基因 生 |一般认为在人中具有大致相等数量的印记基因 做 om |基因表达谱的分析结果表明可能有更多的印记基因-专心bioo.c r2. 主要功能: 出生前的生长发育; 秀 .b |父系基因的表达 à 胚胎发育能力增强 生物 ww |母系基因的表达 à 胚胎发育能力削弱w r3. 在特定细胞系及神经发育方面有重要功能Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC基因组印记的相关理论r1. 两性之战 (Kinship)，遗传斗争 (Genetic Conflict),物 双亲投资 (Parental Investment) 做生 m |1. 许多印记基因与胎儿 (fetus) 和胎盘 (placenta)的生长和 心 .co 发育相关 -专 ioo |2. 父系：希望后代健康，能够延续基因的存在。

父系表 b 达的基因，例如 Igf2, Peg3能够促进胎儿的生长以及营养 秀 .b 的摄取，可能会损害母系的健康 生物 ww | 3. 母系：产生更多的后代，延续自己的基因。

母系表达 w 的基因，例如Igf2R, Mash2, Gnas等能够抑制胎儿的生长，减少营养的开支，从而提高生育后代的数量。

Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC基因组印记的相关理论 (2)r1. 进化能力模型 (Evolvability Model): 通过印记的方物 式，保护一些等位基因免受选择压力的影响，从而 生 提高群体对环境变化的适应能力 做 om |生物体感知环境变化，决定等位基因是沉默还是表达 心 o.c |例如，如果发育增强有好处，并且该等位基因已出现，则-专 io 其印记状态将被改变 秀 .bb r2. 卵巢里的时间炸弹 (Ovarian time bomb): 避免卵巢滋养细胞疾病 (ovarian Trophoblastic disease)生物 ww |孤雌胚胎 (parthenogenetic embryos)的生长和发育：葡萄 w 胚，卵子不能成熟，持续生长以致形成癌症等；|如果改变孤雌胚胎的基因组，如删除特定的母系印记基 因，能够存活并类似父系基因组的印记模式Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC印记基因的特征r1. 通常成簇出现生物 r2. 一个簇中一般有3~11个印记基因 做 om |绝大多数多时编码可表达蛋白质的基因 心 o.c |至少有一个起拮抗作用的ncRNA基因，具有双亲特异 -专 io 性的表达模式生物w秀ww.bb r3. 在染色体上的分布较为分散Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC生物KKwCC秀NNwQQ-11wO专T.1b心bi做oo生.c物om表达模式: 母系 父系 双等位 未知PWS/AS SNURF-SNRPN UBE3A-UBE3A-ASIGF2-H19Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC印记基因的特征r1. 每一个印记基因簇由一个印记控制元件 (imprint生物 control element, ICE) 所调控 做 om r2. 也称为印记控制区域 (imprint control region, ICR)心 o.c 或者印记中心 (imprinting centre, IC) -专 bio r3. 绝大多数都有CpG islands，能够发生DNA甲基化 秀 .b r4. 在CpG islands内或附近通常有成簇的、有向的重生物www 复片段Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o mr 1. 具有等位基因不同的甲基化区域(differentially methylated regions, DMRs)|有些是在所有细胞里，有些具有组织特异性|有些甲基化的DMR 存在于激活的等位基因中，有些则存在于失活的等位基因中r 2. 通常具有不同的组蛋白修饰，染色体结构等r 3. DNA 复制不同步|父系的拷贝较早发生复制生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o mr 1. IC/ICR/ICE|较长的、顺式作用的序列|调控多个基因r 2. 等位基因特异性的甲基化在生殖系(germ line)建立并维持|通过印记机制双亲之一的等位基因的ICE 活性r 3. 通过表观遗传修饰相关的顺式调控因子来调控印记基因簇|Differentially methylated regions (DMRs)|一般在双亲之一的等位染色体上发生甲基化|DNA 甲基化，组蛋白修饰以及polycomb 蛋白质的协同作用生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o m生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o m1. 通过CpG 岛或者启动子的差异甲基化来实现物秀-专心做生物w .b b i o o .c o m生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o m生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o m抑制子与未被甲基化的沉默元件结合，沉默基因的表达。

而当沉默单元甲基化后，抑制子不再结合2. 差异性的将沉默因子结合到顺式沉默元件上生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o m例如CCCTC-binding factor (CTCF) 能够与未甲基化的等位基因结合，从而阻断上游启动子与下游增强子之间的联系，从而使得上游基因的转录被抑制3.差异性的甲基化边界元件/绝缘子生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o m4. 反义转录本与CpG 岛或启动子的甲基化联合作用机制物秀-专心做生物w .b b i o o .c o mr 1. SiRNA 与RNAi 效应分子组成复合物，并招募组蛋白甲基转移酶r 2. 通过RNA-DNA 结合到作用位点r 3. H3K9发生甲基化r 4. Chromodomain (CD)蛋白质(HP1)结合H3K9r 5. 进一步甲基化，保证基因沉默状态生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o mr 沉默不重叠的基因r 模型1#: RNA 介导的靶向定位|具有抑制性的染色质修饰和DNA 甲基化标记，例如Xist ncRNA 决定X-inactivation |因ncRNA 较小，很难验证其是否决定印记基因簇中所有基因的沉默|ncRNA 结合到靶位的DNA 序列上生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o mr 沉默不重叠的基因r 模型2#: 转录诱导的沉默|(A) ncRNA 的转录激活待转录单元中的抑制元件区域|抑制元件区域顺式的诱导沉默Ü染色质发生抑制性的修饰Ü染色质的修饰向两边扩散|受到限制: (1) 边界元件；(2) 缺乏允许修饰向两边扩散的DNA 序列生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o mr 沉默不重叠的基因r 模型2#: 转录诱导的沉默|(B) ncRNA 的转录抑制待转录单元中的活化元件区域|例如：Ig 基因的染色体附近区域|ncRNA 的转录能够替换活化元件区域的结合蛋白质Ü从而阻止增强子与启动子的结合Ü阻止通过活化因子调控的基因表达|ncRNA 不需要与靶位的DNA 结合生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o mPP抑制元件区域活化元件区域生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o mr 第一类: 母系印记簇|E.g. Igf2R, Kcnq1, Pws, Gnas 的基因印记簇Ü互补链上包含反义的ncRNA |在母系的等位ICE 发生甲基化Ü抑制ncRNA 的表达Ü表达编码蛋白质的基因|在父系的等位ICE 不发生甲基化ÜncRNA 表达Ü抑制编码蛋白质的基因表达|Igf2R, Kcnq1: 采用ncRNA 介导的沉默机制生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o mr 第一类: 父系印记簇|E.g. Igf2 and Dlk1的基因印记簇|在父系的等位ICE 发生甲基化|包含与正义基因不重叠的ncRNA |采用基于绝缘子的沉默机制生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o mr E.g. Igf2R/Air, Kcnq1/Kcnq1ot1印记基因簇|印记调控ncRNA 的表达|由ncRNA 顺式的沉默簇中的其他mRNA 基因|尽管ncRNA 在互补链上，但是沉默机制并不需要与正义基因相重叠|可通过扩散的方式沉默染色质生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o mM PM PPrimary targetSilent geneActive gene生物秀-专心做生物w w .b b i o o .c o mr ICE –母系印记|调控Air ncRNA 的表达|Air ncRNA 对于抑制父系的Igf2R ,Scl22a3和Slc22a2表达是必须的|父系的等位ICE 不被甲基化à父系ncRNA (Air )表达à抑制重叠的以及周围的正义基因的表达(父系)|DMR 在Igf2r 的第二个内含子中，也在Air 的启动子中Ü如果删除DMR àAir 不表达à印记丢失Ü在人中，虽然存在DMR ，但没有差异的组蛋白修饰，因此Air 不表达，因此IGF2R/M6PR 是双等位表达的生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o mr Air 的转录本部分与Igf2R 重叠|不仅仅是简单的启动子竞争或RNAi 机制Ü能够顺式的沉默不重叠的Scl22a3和Slc22a2Ü截短的Air 转录本被印记但不能沉默其他基因，表明全长序列是必须的|沉默可能是由染色质介导的Ü在大脑中Igf2R 无DMR ,在灵长类生物中亦无ÜSlc22a2/a3未发生甲基化修饰ÜAir ncRNA 可能通过覆盖对应的序列来招募异染色质因子(HMTs, HDACs, repressors)生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o mr 1. 母系染色体上的情况是怎样的？r 2. IGF2: 具有促细胞分裂能力；IGF2R ：IGF2的竞争因子母系印记生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o mr Kcnq1: Potassium channel Q1|其他基因：Cdkn1c , cyclin-dependent kinase inhibitor 1c r Kcnq1ot1: KCNQ1 overlapping transcript 1|启动子在ICE 中|母系甲基化àKcnq1ot1被抑制àKcnq1, Cdkn1c etc. 等基因表达r ICE –父系的等位ICE 不发生甲基化|àKcnq1ot1表达àKcnq1, Cdkn1c etc. 等基因表达被抑制生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o mr Kcnq1ot1的启动子在Kcnq1的第十个内含子中|转录本仅仅与Kcnq1相重叠|因此，沉默机制并不是dsRNA/RNA 干扰r ncRNA 的调控机理类似Air|截短的Kcnq1ot1ncRNA 能够父系表达，但是不能沉默两侧的基因|ncRNA 的表达对于沉默是不足够的|Kcnq1的表达不干扰Kcnq1ot1的表达，因此沉默的机理不是启动子竞争|母系的Kcnq1ot1截短没有任何影响生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o mr Kcnq1ot1转录本的长度决定了对其两侧基因的沉默|野生型中转录本长为9.2kb，能够有效地发挥沉默作用：较长的转录本能够依附在较长的染色质上à更好的传播染色质的沉默修饰|较长的转录本增强组蛋白修饰的水平|首先是重叠基因的启动子H3-K9me1，接着H3-K9me3，然后是非重叠的基因r Igf2-H19簇|绝缘子在ICE/ICR 中，当发生甲基化的时候被抑制|活性的绝缘子抑制增强子的活性|ncRNA (H19) 与mRNAs (Igf2, Ins2)表达负相关，但在沉默中的机制未知生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o mr 未发生甲基化的ICE (母系) –染色质的绝缘子|在内胚叶中与CTCF (CCCTC-binding factor)结合|阻止增强子与Igf2的启动子发生作用|允许增强子与H19的启动子发生作用|CTCF 与未甲基化的DNA 结合，从而使之不发生甲基化r 甲基化的ICE (父系)|H19的启动子沉默|阻止CTCF 的结合DMR 2生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o mr Chromatin-loop model|DMR2在Igf2的最后一个外显子上|在母系染色体上，未被甲基化的DMR 与DMR1结合àIgf2 沉默|在父系染色体上，甲基化的DMR 与DMR2结合à激活Igf2，并使之接近增强子生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o mr DMR1 –在中胚叶中为组织特异性的沉默子|甲基化敏感的沉默子，在未发生甲基化的母系染色体上与抑制因子结合à抑制母系的Igf2表达|在发生甲基化的父系染色体上，阻止与抑制因子的结合à促使父系Igf2的表达r ICE 上游的组织特异性的增强子(yellow)的调控作用使得Igf2在大脑的部分区域中，两个等位基因都可表达生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o mr H19 –非编码的RNA ，功能未知|基因敲除不能观察到明显的表型|Clean knock-out has no discernable phenotype |高度的序列保守型(77% 小鼠/人)r Igf2–类胰岛素的生长因子|突变引起的印记紊乱导致先天的生长失控——Beckwith-Wiedermann syndrome (BWS)生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o mr 1. 小头r 2. 巨舌r 3. 胎盘增生生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o m生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o mr IC 具有双向的、长程的、顺式的作用机制：|母系中，AS-IC 通过抑制PWS-IC 沉默两侧基因(甲基化)|PWS-IC: 阻止顺式基因的甲基化|AS-IC 对于PWS-IC 的甲基化是必须的|活性的AS-IC 的能够激活Ube3a 的表达|AS-IC 片段的缺失àAS àUbe3a 沉默生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o mr AS-IC 在父系的染色体上无功能/失活àPWS-IC 活化à父系等位基因的表达r PWS-IC 定位于SNRPN 的5’端附近|母系中DNA 发生甲基化；父系中由于PWS-IC 的保护机制，避免了甲基化|遗传/表观遗传的突变àPWS ，父系表达的基因沉默à两边的等位基因都被沉默生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o m做生物c o mr Prader-Willi syndrome and Angelman syndrome: 智力迟钝r PWS patients:前额窄, 手足较小，生殖功能不全，多食易胖r Angelman (AS): 小头、枕骨较平，乐天，类似木偶的运动(Happy Puppet syndrome).生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o m生物秀-专心做生w w w .b b i o o .c o mr 原生殖细胞(PGCs)：起源于胚胎原始生殖期的一种具有多向分化潜能的干细胞r 体细胞：不具分化潜能的终端细胞r 胚胎发育早期：非印记的基因发生去甲基化，印记基因的甲基化模式保留r 原生殖细胞自E10.5 ~ E 12.5发生去甲基化|去除遗传的印记模式r 体细胞的基因印记模式保留终生生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o mr 精原细胞中发生de novo sex-specific methylation|起始于出生前的有丝分裂的精母细胞中，出生后基本结束，在减数分裂的粗线期完全结束|DNA 甲基转移酶Dnmt3a 以及共作用因子Dnmt3L 自出生后的E12.5期开始表达，而Dnmt3b 自出生后表达水平增加|在青春期，由于有丝分裂的持续，Dnmt1s 在精母细胞中的表达量升高，以维持甲基化模式|Dnmt1s 在减数分裂的粗线期表达量降低：不能翻译的Dnmt1p 可变剪切异构体的表达，竞争关系|缺失Dnmt3a 和Dnmt3L 的小鼠精子发生过程严重受损，并出现父系印记的缺陷生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o mr 雄性特异性的模式建立所依赖的因子/因素：|保护ICR 不被甲基化的因子|促使ICR 被甲基化的因子生物秀-专心做生物w w w .b b i o o .c o m。