发布时间 : 星期五 文章表观遗传学导论（提纲）更新完毕开始阅读138158fdf61fb7360b4c654b
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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蛋白甲基转移酶（histone methyltransferase）作用在同一位置加合上甲基，则会形成一个异染色质蛋白HI（heterochromatin protein 1, HP1）或其他抑制性染色质因子的结合位点。HP1的结合转而会导致DNA分子上特定CpG岛的甲基化和稳定的基因沉默。真核细胞中,存在着一个由DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质结构重塑和ncRNA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。
二、基因组印迹
基因组印迹(genomic imprinting)是指亲代来源依赖性基因表达。除性染色体上的基因外，子代从亲代获得全部双拷贝基因，但是不是所有的基因都表达。有些基因仅来源于父系或母系一方的单等位基因表达，而来源于另一方的等位基因失活。这种亲代来源依赖性单等位基因表达现象称为基因组印迹。印迹基因是否表达取决于其在上一代是位于雄性还是雌性细胞染色体上。基因组印迹不遵循孟德尔遗传规律，是一种非遗传性基因调控方式。 基因印迹的异常往往会导致多种遗传性疾病。1956年A.Prader 和H.Willi 等医师报道了一种因父源染色体15q11-13区段缺失而引起的儿童早期发育畸型，患儿特征是肥胖，矮小，并伴有中度智力低下，称为Prader-Willi 综合征(Prader-Willi Syndrome, PWS)。1968 年H.Angelman医师报道因母源染色体同一区段缺失引起的一种在儿童期以共济失调，智力严重低下和失语等为特征的综合征，称为Angelman综合征(Angelman Syndrome，AS)。PWS 和AS这一对综合征表明父亲和母亲的基因组在个体发育中有着不同的影响，不同亲本来源的等位基因缺失会引起不同的表型改变。Beckwith-Wiedemann综合征(Beckwith-Wiedemann Syndrome，BWS) 是一种过度生长综合征，常伴有肥胖和先天性脐疝等症状，并有儿童期肿瘤易患倾向,它是由于染色体11p15.5区段的表观遗传机制异常导致基因印迹丢失所引起。 基因组印迹的形成是配子或合子中的某些基因经过表观修饰（epigenetic modification），造成后代体细胞中两个亲本等位基因中一个亲本等位基因的沉默，另一个亲本等位基因保持单等位基因活性（monoallelic activity）的等位基因差异性表达现象。目前的研究表明，差异性甲基化修饰是产生基因组印迹的主要表观修饰机制。在PWS和AS患者缺失的15q11-13微小染色体区段分析发现，这一区域有成簇排列的、富含CpG岛的基因表达调控元件，称为印迹中心（imprinting centers , ICs）。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，在遗传自母源的染色体上的CpG二联核苷完全被甲基化，而遗传自父源的染色体的CpG二联核苷则全都为非甲基化。即父源和母源染色体上的ICs的甲基化呈现出分化状态，或者叫差异甲基化（differential methylation）。
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图2-19 印记基因差异性表达
BWS患者染色体11p15.5区段的一个长约1Mb（相当于1000kb）的片段中至少有12个成簇排列的印迹基因(imprinted genes)，其中有些呈父源等位基因表达模式，另一些呈母源等位基因表达模式，这些基因分属两个印迹域(imprinted domain)，它们的印迹状态分别受控于两个印迹调控区(impriting control regions，ICR)。BWS提供了一个具有一定典型意义的研究印迹机制的模型（图2-20）。在第一个印迹调控区，主要有印迹基因胰岛素样生长因子(insulin-like growth factor 2, IGF 2)基因，H19基因，和一个富含CpG岛的差异甲基化区域(differentially methylated region，DMR)，三者的排列次序是：5’-IGF2-DMR-H19-3’。IGF2是一种父源等位基因表达的胚胎生长因子，它的表达上调对BWS的病理过程非常重要。H19是一种母源等位基因表达的polⅡ转录子，它的转录物是丰度很高但功能不详的非编码RNA，并不翻译为蛋白质。DMR是一个印迹调控区，有染色体屏障调节蛋白CTCF结合位点，具有染色质隔离子(insulator)功能，（图15-2）H19和IGF2的表达要竞争位于H19 3’下游的一个增强子。在母源染色体上，DMR1是非甲基化的，它允许CTCF与它相结合，从而隔断了IGF2和位于H19下游的增强子，所以该增强子只活化H19的转录。在父源染色体上，DMR1是甲基化的，它不仅使H19基因沉默，CTCF也因此不能与之结合，结果是父源IGF2基因在增强子作用下活化表达。由此可见，DMR的差异性甲基化对IGF2和H19的表达起到了交互易换式的印迹调节(reciprocal imprinting regulation)作用。
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图2-20 Igf2-H19印迹机制的模型
迄今发现的印迹基因已有100多个，分布于整个基因组区域，大多成簇排列，这些成簇的基因被位于同一条链上的顺式作用位点所调控，该位点被称做印记中心(imprinting center, IC)，其中有许多是疾病基因。印记丢失不仅影响胚胎发育并可诱发出生后的发育异常，从而导致癌症发生。如果抑癌基因有活性的等位基因失活便提高了发生癌症的几率，例如IGF2基因印记丢失将导致多种肿瘤,如Wilm’s 瘤。和印记丢失相关的疾病还有成神经细胞瘤，急性早幼粒细胞性白血病，横纹肌肉瘤和散发的骨肉瘤等。与基因组印记相关的疾病常常是由于印记丢失导致两个等位基因同时表达，或突变导致有活性的等位基因失活所致。调控基因簇的印记中心发生突变将导致一系列基因不表达，引发复杂综合征。基因组印记的本质仍为DNA修饰和蛋白修饰，所以和印记相关的蛋白发生突变也将导致表观遗传疾病。 基因组印记异常与肿瘤的相关。例如BWS患者的Wilm’s瘤的发病率比对照群体高出1000倍。对肺癌，神经胶质瘤（glioma），乳腺癌和结肠癌的分析表明IGF2等基因的印迹丢失（loss of imprinting，LOI）是肿瘤危险因子，也是最常见的表观遗传改变。LOI的机制还涉及到CTCF和另一种印迹调控蛋白BORIS（brother of regulator of imprinted sites）在染色体上的结合靶位的甲基化状态的改变，以及印迹调控蛋白质复合体对染色质结构重塑的影响。
三、X染色体失活
1961年，M.F.Lyon提出了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，认为这是一种基因剂量补偿（dosage compensation）的机制。X染色体失活发生在胚胎早期（第16天），X染色体的失活是随机的，在一个细胞中，有一条X染色体是完全失活并呈异染色质状态，而在另一个细胞中同一条X染色体又可以是活化的且呈常染色质状态。但一旦失活状态建立，就会在细胞谱系中稳定地遗传下去。因此，X染色体失活是典型以整条染色体为目标的表现遗传现象。
有关X染色体失活的机制近年来才逐渐被认识。X染色体的Xq13.3区段有一个X失活中心(X-inaction center)，X-失活是从Xic区段开始启动，然后扩展到整条染色体的。Xic长约1Mb，包括4个已知基因：Xist、Xce、Tsix、和DXPas34，X染色体失活特异性转录子（X-inactive specific transcript，Xist）基因是X染色体上启动转录最早的基因，但它的转录产物不编码蛋白质。两条X染色体的Xist 基因都能从上游启动子启动Xist RNA的稳定转录，其中一条 X染色体产生的Xist RNA将这条染色体自身整体包裹，并启动异染色质化和失活过程。而另一条X染色体转录的Xist RNA会很快裂解，这条X染色质则呈常染色质状
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