表观遗传学导论（提纲）

表观遗传学导论（提纲）

表观遗传（epigenetic inheritance）是指DNA序列不发生变化但基因表达却发生了可遗传的改变，即基因型未发生变化而表型却发生了改变。换言之，这是一种DNA序列外的遗传方式。表观遗传学（epigenetics）则是研究不涉及DNA序列改变的基因表达和调控的可遗传变化的，或者说是研究从基因演绎为表型的过程和机制的遗传学分支。

现代研究发现，基因组含有两类遗传信息：一类是传统意义上的遗传信息，即DNA序列所提供的遗传信息；另一类是表观遗传学信息，它提供了何时、何地、以何种方式去应用遗传信息的指令。表观遗传学信息通过表观遗传修饰（epigenetic modification）来体现，主要有两类，一是DNA分子的特定碱基的结构修饰，如胞嘧啶的甲基化；二是染色质构型重塑（chromatin remodeling），如组蛋白的修饰及构型变化，这种修饰可通过细胞分裂和增殖周期进行传递。表观遗传学主要是对染色质重塑、DNA甲基化及组蛋白修饰、X染色体失活、非编码RNA调控等多方面进行研究。

表观遗传的异常会引起表型的改变，机体结构和功能的异常，导致发生肿瘤、自身免疫病、衰老、神经精神异常和多种儿科综合征。对表观遗传中各种因子的突变导致疾病的研究，将有助我们了解表观遗传机制、基因表达和环境之间的关系，并期望能纠正或降低那些能够导致疾病的表观基因的不稳定性，指导疾病的诊治和新药的研制。

一、表观遗传修饰 （一）DNA甲基化

表观遗传修饰最重要的形式是DNA甲基化（DNA methylation）。DNA甲基化是在在DNA甲基转移酶(DNAmethyltransferase，DNMT)的作用下，以S—腺苷甲硫氨酸(SAM)为甲基供体，可以将甲基基团转移到基因组DNA胞嘧啶第5位碳原子(C5)上。在哺乳动物中，C5的甲基化主要发生在CpG二核苷酸（CpG doublets）上，这些CpG不均匀地分散于基因组中。基因组CpG位点高度密集的区域，称为CpG岛（CpG islands），其长度常超过500bp，G+C的比例大于55％，CpG位点的密度至少达到理论密度(1／16)的0.65(即l／25)。在CpG岛中，CpG位点的密度大约是非CpG岛区域的10倍。人类基因组中有4．5万个这样的CpG岛，约占基因组的1％。几乎所有的看家基因和部分组织特异性表达基因含CpG岛(共约60％)，这种CpG岛大部分处于非甲基化状态。CpG岛位于结构基因启动子的核心序列和转录起始点，CpG的5-mC会阻碍转录因子复合体与DNA的结合，所以DNA甲基化一般与基因沉默（gene silence）相关联；而非甲基化（non-methylated）一般与基因的活化(gene activation)相关联。去甲基化（demethylation）则往往与一个沉默基因的重新激活（reactivation）相关联。基因组中大约80％的CpG位点处于甲基化状态，它们主要分布于占基因组99％的非CpG岛区、X染色体、重复序列、原病毒等寄生性DNA序列中。细胞分裂复制的DNA子链必须进行适当的甲基化修饰，否则其遗传性不稳定、易变异，其染色体脆性增加、易断裂。

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图2-13 CpG二核苷酸的C5的甲基化

DNA甲基化包括维持甲基化和从头甲基化。维持甲基化是指在DNA半保留复制过程中，根据亲链上特异的甲基化位点，在新生链相应位置上进行甲基化修饰的过程，是表观遗传学的重要基础。从头甲基化是在原来没有甲基化的DNA双链上进行甲基化的过程，然后由维持甲基化的酶来维持稳定的甲基化状态，与哺乳动物基因组DNA甲基化型的建立、维持和改变相关。参与DNA甲基化的酶有3种，即DNMTl、DNMT2和DNMT3(3a、3b)。DNMTl参与DNA 复制双链中的新合成链的甲基化，主要起维持甲基化作用。DNMT3a和DNMT3b则以从头甲基化为主，它们可甲基化CpG, 使其半甲基化, 继而全甲基化。从头甲基转移酶可能参与细胞生长分化调控, 其中DNM T3b在肿瘤基因甲基化中起重要作用。

图2-14 维持甲基化和从头甲基化

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图2-15 启动子甲基化与基因转录

（二）组蛋白修饰和组蛋白密码

组成核小体的组蛋白可以被多种化合物所修饰，如组蛋白的某些赖氨酸能够发生单、双、三甲基化，精氨酸可发生单或双甲基化，其他修饰方式还有乙酰化、磷酸化、泛素化以及ADP化。它们的联合组成了组蛋白密码，并通过与其他蛋白的作用调控染色质组装和基因的表达。

图2-16 组蛋白修饰方式示意图

1．组蛋白甲基化

组蛋白甲基化是由组蛋白甲基化转移酶(histonemethyl transferase，HMT)完成的。甲基化可发生在组蛋白的赖氨酸和精氨酸残基上，而且赖氨酸残基能够发生单、双、三甲基化，而精氨酸残基能够单、双甲基化，这些不同程度的甲基化极大地增加了组蛋白修饰和调节基因表达的复杂性。甲基化的作用位点在赖氨酸(Lys)、精氨酸(Arg)的侧链N原子上。组蛋白H3的第4、9、27和36位，H4的第20位Lys，H3的第2、l7、26位及H4的第3位Arg都是甲基化的常见位点。组蛋白甲基化可以与及基因抑制有关，也可以与基因的激活相关，这取决于被修饰的氨酸酸的种类和位置。研究表明，组蛋白精氨酸甲基化是一种相对动态的标记，精氨酸甲基化与基因激活相关，而H3和H4精氨酸的甲基化丢失与基因沉默相关。

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相反，赖氨酸甲基化似乎是基因表达调控中一种较为稳定的标记。例如，H3第4位的赖氨酸残基甲基化与基因激活相关，而第9位和第27位赖氨酸甲基化与基因沉默相关。此外，H4—K20的甲基化与基因沉默相关，H3—K36和H3—K79的甲基化与基因激活有关。 2．组蛋白乙酰化

组蛋白乙酰化主要发生在H3、H4的N端比较保守的赖氨酸位置上，是由组蛋白乙酰转移酶和组蛋白去乙酰化酶协调进行。组蛋白乙酰化呈多样性，核小体上有多个位点可提供乙酰化位点，但特定基因部位的组蛋白乙酰化和去乙酰化是以一种非随机的、位置特异的方式进行。乙酰化可能通过对组蛋白电荷以及相互作用蛋白的影响，来调节基因转录。早期对染色质及其特征性组分进行归类划分时就有人总结指出：异染色质结构域组蛋白呈低乙酰化，常染色质结构域组蛋白呈高乙酰化。最近有研究发现，某些HAT复合物含有一些常见的转录因子，某些HDAC复合物含有已被证实的阻遏蛋白。这些发现支持了高乙酰化与激活基因表达、低乙酰化与抑制基因表达有关的看法。 3．组蛋白的其他修饰方式

组蛋白不同氨基酸残基的乙酰化一般与活性的常染色质(euchromatin)和基因激活相关；而相对而言，组蛋白的甲基化修饰方式是最稳定的，所以最适合作为稳定的表观遗传信息。而乙酰化修饰具有较高的动态，另外还有其他不稳定的修饰方式，如磷酸化、腺苷酸化、泛素化、ADP核糖基化等等。这些修饰更为灵活的影响染色质的结构与功能，通过多种修饰方式的组合发挥其调控功能。所以有人称这些能被专识别的修饰信息为组蛋白密码。这些组蛋白密码组合变化非常多，因此组蛋白共价修饰可能是更为精细的基因表达方式。另外研究发现，H2B的泛素化可以影响H3K4和H3K79的甲基化，这也提示了各种修饰间也存在着相互的关联。

图2-17 组蛋白不同的修饰对基因表达的影响

（三）染色质的构型改变

真核细胞的基因组DNA在细胞核里是以染色质形式存在的。 染色质是细胞间期真核生

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物基因组DNA存在的方式，它由蛋白质(分为组蛋白和非组蛋白)、DNA和少量RNA组成。组蛋白有H1、H2A、H2B、H3、H4五种。DNA包装时，由各两个H2A、H2B、H3、H4组成一个八聚体核小体，每个八聚体可缠绕146 bpDNA(称为核心DNA)。H1联系相邻的核小体，有利于DNA更高级的包装。重复的核小体结构加上连接DNA，通过组蛋白及其他非组蛋白进一步地折叠、压缩，形成高度有序的染色质结构。

染色质是一种动态的（dynamic）多级包装的蛋白质—DNA—RAN复合物，染色质结构状态决定该区段的基因是否表达，与细胞和基因的功能密切相关，在基因的表达调控中起着重要的作用。染色质结构的动态变化也称为染色质重塑（remodeling），主要涉及密集的染色质丝在核小体连接处发生松解造成染色质解压缩，从而暴露基因转录启动子区中的顺式作用元件，为反式作用蛋白（转录因子）与之结合提供了一种称为可接近性（accesibility）的状态。染色质重塑受两类酶复合体调适，并和DNA甲基化相互作用。两类酶复合体包括ATP依赖型核小体重塑复合体和组蛋白修饰复合体，前者通过水解作用改变核小体构型；后者对核心组蛋白N端尾部的进行乙酰化、甲基化等共价修饰。通常，DNA甲基化、组蛋白甲基化和染色质的压缩状态和DNA的不可接近性，以及基因处于抑制和静息状态相关；而DNA的去甲基化、组蛋白的乙酰化和染色质压缩状态的开启，则与转录的启动、基因活化和行使功能有关。

图2-18 染色质重塑对基因表达的影响

组蛋白乙酰化是一个动态过程，乙酰化和去乙酰化处于动态平衡状态。催化组蛋白乙酰化的酶是组蛋白乙酰转移酶(histoneacetyltransferases，HAT)，催化组蛋白去乙酰化的酶是组蛋白去乙酰酶(histonedeacetylase，HDAC)。现在较公认的是，具有HAT活性的蛋白质是转录激活因子，具有HDAC活性的蛋白质是转录抑制因子。基因转录是一个多因子参与的复杂过程，而转录调控的特异性是由一些能与特定的DNA序列结合的转录因子决定的。这些转录因子与DNA结合后，可以募集一些转录共激活因子，从而影响基本转录系统及染色质结构，最终影响转录。转录共激活因子是有重要的作用，它们可以整合不同的转录因子传来的信息，并决定转录的最终水平。

例如，组蛋白H3的第9位氨基酸赖氨酸（H3Lys9）的乙酰化修饰是和基因活性表达相关联的，一旦经组蛋白脱乙酰酶（histone deacetylase, HDAC）作用而脱去乙酰基，又经组

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