医学分子遗传学第四章 表观遗传学与疾病

DNA 染色质
1
被修饰的靶点
组蛋白
非组蛋白 cRNA
1
0.5 - 1.5 0.05
修饰与调控 染色质活性

染色质的基本组成单位——核小体（nucleosome）
• 八聚组蛋白形成核心(H2A、H2B、H3、H4)×2 • 约200bp DNA缠绕核心组蛋白约两周 • 核心DNA 146bp（缠绕1-3/4周）
in vivo
√
◦ 核小体的复制
八聚体保留复制
√
八聚体随机组合复制
◦ 组蛋白的共价修饰与组蛋白密码
组蛋白N端尾部无序结构延伸至核小体外 修饰类型：乙酰化（Lys/K） 、甲基化（Lys/K）、磷酸化 （Ser/S）、泛素化、SUMO化、ADP核糖基化等。
◦
组蛋白密码（Histone code）

基因组印迹是性细胞系特异性的表观遗传修饰

形成配子细胞时染色质表观修饰发生重编程
◦ 全基因组去甲基化 ◦ 重新形成性别特异性甲基化位点 ◦ 某基因选择性父本或母本表达失活 ◦ 哺乳动物孤雌生殖的不可能：可能源于缺乏 来自精卵细胞的大量印迹基因间的协调表达

印迹中心（imprinting centers，ICs）：成簇排列富含CpG岛的基因 表达调控元件，在父源和母源染色体上，这些调控元件的CpG岛呈现甲 基化型的明显差异，又称差异甲基化区域（differentially methylated region，DMR），并以此调控邻接基因的表达。 以IGF2-DMR-H19印迹域（imprinted domain）为例说明交互式调控


Beckwith-Wiedemann综合征（ Beckwith-Wiedemann syndrome， BWS）——印迹基因表达失衡导致的疾病
◦ 临床表现：过度生长综合征，常伴肥胖和先天脐疝，并有儿童期肿瘤易患倾向。 ◦ 疾病起源：染色体11p15.5区段的多种能造成该区段印迹基因表达失衡的遗传 学和表观遗传学调节机制异常。 ◦ 受影响的印迹调控区： IGF2-DMR-H19印迹域，CDKN1C（p57KIP2）印迹域， 印迹失调导致细胞的恶性增长。

维持性甲基化酶（Dnmt1）
表观修饰复合物内部相互调控
DNA甲基化状态指导恢复组蛋白
修饰 组蛋白修饰指导恢复DNA甲基化

特异性DNA序列被调控因子识别 在染色质特定位点建立表观遗传 修饰
◦ DNAห้องสมุดไป่ตู้头甲基化酶 （Dnmt3A/B）
◦ 组蛋白去乙酰化酶（HDACs） ◦ 组蛋白甲基转移酶 ◦ 异染色质结合蛋白（如HP1）

调控正常发育过程中基因的时空特异性表达
◦ DNA甲基化与组蛋白甲基化——关闭基因表达 ◦ DNA去甲基化与组蛋白乙酰化——开启基因表达

维持基因组与染色质结构的稳定性
◦ 着丝粒异染色质化保证染色体的正常分离 ◦ 端粒异染色质化稳定染色体结构
◦ 异染色质化的传导机制使重复序列中镶嵌的基因转录失活
◦ 异染色质化抑制基因组中转座元件的活性

表观遗传修饰的重编程对细胞内外环境变化非常敏感
◦ 体细胞核移植克隆成功率极低：体细胞核在卵细胞质中的表观基因组重新编 程往往难以成功。 ◦ 有报道显示经卵细胞质精子注射辅助后出生的儿童（第三代试管婴儿）中， 存在PWS/AS和BWS发生率增高的现象：胚胎发育早期的人工干预影响了表 观遗传组的重编程与遗传，导致患儿中H19，IGF2等多个印记基因表达异常。
• 连接DNA 8~114bp
• 组蛋白H1封闭DNA进出位点

细胞间期染色质的结构
2nm双链DNA→10nm纤维→30nm螺线管……
非活性染色质
活性染色质
细胞间期染色质的结构是动态的

核心组蛋白的组装与修饰
◦ 核心组蛋白与核小体组装
基本组装单位：H3-H4四聚体
in vitro
（H32-H42），H2A-H2B二聚体



个体发育过程中发生两次重要的大范围表观基因组重新编程
◦ 早期原始生殖细胞（primordial germ cells）携有体细胞样表观遗传型，进 入性腺前后，原有表观基因组被删除，随之建立两性性别特异（印记遗传） 和序列特异（决定精子与卵子发育进程）的表观遗传型。 ◦ 精卵融合受精后，受精卵基因组在卵细胞质环境中，生殖细胞成熟过程中建 立的、除印迹基因以外的全部表观遗传修饰标记被删除，重新建立胚 胎发育特异的表观遗传组，为发育进程发出正确指令。

染色质复制后的状态
◦ 亲代链CpG岛全甲基化→子代链 CpG岛半甲基化
◦ 新旧核心组蛋白H3-H4四聚体与 H2A-H2B二聚体随机组合——旧 组蛋白修饰状态（可能）被保留， 新组蛋白未被修饰

表观修饰状态的恢复
◦ DNA维持性甲基化酶（Dnmt1） ——CpG岛半甲基化→全甲基化 ◦ 表观修饰复合物相互调控
◦ RNA聚合酶复合体
……
活性染色质
非活性染色质
核小体在染色质上的分布是
均匀的吗？
常染色质与异染色质的边界
如何界定？
表观遗传修饰状态如何形成
与维持、遗传？

核基质附着区（matrix attachment region，MAR）：与细胞核内基质结合的 DNA片段（尚未发现特殊共有序列），可 将染色质分割成不同的区段（结构域）。 每个结构域内功能独立，不同结构域间无 相互影响。
DNA甲基化状态指导恢复组蛋白 修饰 组蛋白修饰指导恢复DNA甲基化

异染色质结合蛋白沿染色质扩散， 终止于绝缘子 表观修饰复合物相互调控——扩 散区域DNA甲基化修饰与组蛋白 修饰（甲基化为主）

表观遗传修饰的建立
表观遗传修饰的维持
基因组印迹
发育重编程

Prader-Willi Syndrome（PWS）
◦ 生殖发育中的印记遗传

表观遗传与疾病

定向分化与诱导多能干细胞（iPS）
诱导多能干细胞来 自终末分化细胞， 两者的基因组DNA 序列不存在差异， 但细胞功能迥异。

表观遗传学（epigenetics）：研究基因的核苷酸序列不 发生改变的情况下，基因功能的可逆的、可遗传的变化的 一门遗传学分支学科。也指生物发育过程中包含的程序的 研究。


活性染色质（active chromatin）：具有转录等功能活性的常染色质 。 非活性染色质（inactive chromatin）：不具有转录等功能活性的染 色质，包括异染色质和部分常染色质。

染色质（chromatin）的化学组成
染色质的主要化学成份是DNA，组蛋白，非组蛋白和
少量的RNA（cRNA）。组成染色质的各种化学成份的比 例大致是：
Prader-Willi综合征
与Angelman综合征 的致病机制
父源染色体
母源染色体

发育：受精卵→由200多种结构与功能各异的细胞（具有相同的基因组） 组成的功能精密而协调的整体。 建立和维持组织细胞特异性基因表达模式的相关信息存在于基因组的表 观遗传修饰状态之中，又称为表观基因组（epigenome）。 表观遗传修饰信息可以通过细胞分裂而遗传，也具备可以被删除和重建 的特性（分化过程中施加在基因组的发育限制不是永久的遗传改变，而 是可逆的表观遗传修饰，具有动态的可塑性，受细胞内外环境的调控， 是决定细胞分化进程中不同基因表达有序演进的核心因素）。
表观遗传修饰异常与体细胞
遗传疾病（肿瘤、衰老）

Rett综合征（伴X染色体显性遗传）
◦ 致病基因：位于X染色体上的McCP2基因突变失活，McCP2基因编 码一种甲基结合蛋白（MBP），能特异性识别并结合DNA上的甲基 化CpG岛，并募集染色质修饰复合物以阻遏基因转录。 ◦ 临床表现：患者均为女性，出生后7-18个月出现发育停滞，高级 脑功能的迅速恶化和严重痴呆。
DNA与核心组蛋白的共价修 饰是表观遗传学的分子基础

常染色质（euchromatin）：纤丝包装密度比分裂期小的多，胞核内 均匀分散分布，占胞核绝大部分。 异染色质（heterochromatin）：纤丝包装十分致密，与分裂期相似， 胞核中形成分散的小块，没有转录活性。
◦ 组成型异染色质（constitutive heterochromatin ）：着丝粒、 端粒、其他卫星DNA等 ◦ 兼性异染色质（facultative heterochromatin ）：barr小体、 表达受表观调控的基因等


非组蛋白与特定序列DNA的结合可界定核小体定位 高频转录的基因处往往不形成核小体结构（rDNA）

异染色质在特殊序列处形成核心
（DNA甲基化与组蛋白甲基化等）

募集异染色质蛋白（如HP1） 异染色质蛋白自主聚集，沿染色
质扩散，终止于绝缘子

从头合成甲基化酶（Dnmt3A，Dnmt3B）
◦ 母源染色体：DMR为非甲基化，染色质屏障调节蛋白CTCF结合于DMR起绝 缘作用，远端增强子激活H19基因的转录（为非编码RNA）。 ◦ 父源染色体：DMR甲基化，使H19基因表达沉默，同时CTCF不能结合，远 端增强子激活IGF2基因转录，编码胰岛素样生长因子（insulin-like growth factor 2）。

ICF综合征（immunodeficiency，centromeric region instability and facial anomalies syndrome，常染色体隐性 遗传）

表观遗传修饰的位点
◦ DNA甲基化：胞嘧啶→5-甲基胞嘧啶，大部分发生在CpG 岛（CpG island）
◦ （CpG island，基因组中CpG序列高频出现的区域）
◦ 核心组蛋白的共价修饰
甲基化（methylation） 乙酰化（acetylation） 磷酸化（phosphorylation）


结合的非组蛋白
◦ 组蛋白乙酰转移酶（HATs） ◦ 转录调控因子
DNA甲基化修饰（CpG岛） 组蛋白去乙酰化修饰 组蛋白甲基化修饰 结合的非组蛋白
◦ 组蛋白去乙酰化酶（HDACs） ◦ 组蛋白甲基转移酶（如 SUV39H1） ◦ DNA甲基转移酶（Dnmts） ◦ 异染色质结合蛋白（如HP1） ……

生物化学证据

染色质结构域中的功能元件
◦ 绝缘子（insulator）：能阻断基因激活或失活效应的DNA元件， 通过结合特异蛋白发挥功能，尚未发现序列特异性。
◦ 基因座控制区域（locus control region，LCR）：含DNA超敏位 点，可控制整个染色质结构域的活性。
LCR

超敏位点（hypersensitive site）：染色体中被DNaseⅠ优先切割的 DNA位点，通常DNA裸露，反映染色质中非组蛋白对DNA的可及性。 受保护序列：被非组蛋白识别并结合的位点。
定义：组蛋白不同氨基酸 残基的不同共价修饰所代 表的生物学信息（表观遗 传信息）。 主要修饰靶点：H3，H4 修饰稳定性：甲基化>乙 酰化>磷酸化
◦ 组蛋白的共价修饰控制基因 的转录活性
非 活 性
◦ 组蛋白的共价修饰是动态的
活 性 染 色 质

DNA无甲基化修饰 组蛋白乙酰化修饰
医学分子遗传学

∑(细胞事件)=个体的生命事件？如何看待一个个体 的一生？


扁鹊见蔡桓公说的话与表观遗传学有关系吗？
第三代试管婴儿安全吗？会有哪些潜在风险？

一卵双生的差异=表观遗传的差异？

什么是表观遗传学 表观遗传修饰的机制
◦ 表观遗传修饰的位点
◦ 染色质的物理结构
◦ 表观遗传状态的遗传与改变

维持正常的基因表达剂量
◦ 生殖细胞的基因组印迹使印迹中心处的两个等位基因只选择性表达其一
◦ 女性体细胞内一条X染色体通过异染色质化随机失活

赋予每个个体表观遗传的镶嵌性即一定程度的表型可变性，在 保持基因组稳定的前提下，提高机体对环境的适应能力。
表观遗传相关调控蛋白缺陷 导致的遗传疾病 通过表观遗传修饰机制异常 而发病的遗传疾病
◦ 表现：早期发育畸形，肥胖，矮小，
中度智力低下
◦ 病因：染色体15q11-q13区段缺失
父源染色体

Angleman Syndrome（AS）
◦ 表现：共济失调，智力严重低下，失语 ◦ 病因：染色体15q11-q13区段缺失
母源染色体

基因组印迹（genomic imprinting）：两
个亲本等位基因的差异性甲基化导致遗传自双 亲的等位基因间表达行为存在差异（一个亲本 等位基因沉默，另一个亲本等位基因保持单等 位基因活性）。