分子細胞生物學-7-基因表達調(diào)控與表觀遺傳學

基因表達調(diào)控與表觀遺傳學基因表達調(diào)控——基因表達概述轉(zhuǎn)錄前調(diào)控（表觀遺傳修飾）轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控轉(zhuǎn)錄后調(diào)控（加工、成熟）翻譯水平上的調(diào)控

翻譯后的蛋白質(zhì)修飾分子水平細胞水平個體水平真核基因表達調(diào)控——基因表達概述基因表達的時間特異性基因表達的階段與組織特異性珠蛋白的時空表達為什么地中海貧血不影響胎兒發(fā)育？甲胎蛋白的組織特異性真核基因表達調(diào)控——轉(zhuǎn)錄前調(diào)控染色體丟失：

馬蛔蟲生殖細胞全基因組，而體細胞基因組部分丟失

紅細胞細胞核丟失

原生動物四膜蟲

大核（營養(yǎng)核基因丟失）、小核（生殖核）基因擴增：

卵母細胞（非洲爪蟾）

rDNA（200拷貝）→在減數(shù)分裂期Ⅰ大量復制→200萬rDNA拷貝真核基因表達調(diào)控——轉(zhuǎn)錄前調(diào)控基因重排真核基因表達調(diào)控——轉(zhuǎn)錄前調(diào)控染色質(zhì)結(jié)構(gòu)：常染色質(zhì)、異染色質(zhì)真核基因表達調(diào)控——轉(zhuǎn)錄前調(diào)控甲基化與去甲基化真核基因表達調(diào)控——轉(zhuǎn)錄水平上的基因調(diào)控基因調(diào)控的順式作用元件(cisactingelements)啟動子（promotor）RNA聚合酶結(jié)合并起動轉(zhuǎn)錄的DNA序列。元件名稱共同序列結(jié)合的蛋白因子名稱分子量結(jié)合DNA長度TATAboxTATAAAATBP30,000～10bpGCboxGGGCGGSP-1105,000～20bpCAATboxGGCCAATCTCTF/NF160,000～22bpOctamerATTTGCATOct-176,000～10bpkBGGGACTTTCCNFkB44,000～10bp真核基因表達調(diào)控——轉(zhuǎn)錄水平上的基因調(diào)控基因調(diào)控的順式作用元件(cisactingelements)增強子（enhancer）能夠使與它連鎖的基因轉(zhuǎn)錄效率明顯增加的DNA序列。由若干組件構(gòu)成，基本核心組件常為8－12bp，可以單拷貝或多拷貝串連形式存在。必須有啟動子，與啟動子位置可遠近、方向可正反，增強效應，有組織或細胞特異性。真核基因表達調(diào)控——轉(zhuǎn)錄水平上的基因調(diào)控基因調(diào)控的順式作用元件(cisactingelements)沉默子（

silencer）抑制基因轉(zhuǎn)錄效率的DNA序列。沉默子的作用可不受序列方向的影響，也能遠距離發(fā)揮作用，并可對異源基因的表達起作用。真核基因表達調(diào)控——轉(zhuǎn)錄水平上的基因調(diào)控增強子（enhancer）研究技術(shù)真核基因表達調(diào)控——轉(zhuǎn)錄水平上的基因調(diào)控基因調(diào)控的反式作用因子(trans-actingfactors)轉(zhuǎn)錄因子(transcriptionfactors,TF)為球狀蛋白,具有DNA結(jié)合域和轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域。真核基因表達調(diào)控——轉(zhuǎn)錄水平上的基因調(diào)控基因調(diào)控的反式作用因子(trans-actingfactors)轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)類型——螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（helix-turn-helix，HTH）真核基因表達調(diào)控——轉(zhuǎn)錄水平上的基因調(diào)控基因調(diào)控的反式作用因子(trans-actingfactors)轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)類型——鋅指結(jié)構(gòu)（Znfinger）真核基因表達調(diào)控——轉(zhuǎn)錄水平上的基因調(diào)控基因調(diào)控的反式作用因子(trans-actingfactors)轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)構(gòu)類型——亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)（leucinezipper）真核基因表達調(diào)控——轉(zhuǎn)錄水平上的基因調(diào)控基因調(diào)控的蛋白與DNA、蛋白與蛋白作用真核基因表達調(diào)控——轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)hnRNA的修飾加工——戴帽真核基因表達調(diào)控——轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)hnRNA的修飾加工——加尾真核基因表達調(diào)控——轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)hnRNA的修飾加工——剪切真核基因表達調(diào)控——轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)mRNA前體的選擇性拼接真核基因表達調(diào)控——轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)mRNA的選擇性運輸

海膽囊胚細胞中有20000種hnRNA，而僅有13000種mRNA；成體腸細胞中有25000種hnRNA，而僅有3000種mRNA。真核基因表達調(diào)控——翻譯和翻譯后加工水平的調(diào)控

非編碼RNA的mRNA調(diào)控

真核基因表達調(diào)控——翻譯和翻譯后加工水平的調(diào)控RNA結(jié)合蛋白的mRNA調(diào)控

真核基因表達調(diào)控——翻譯和翻譯后加工水平的調(diào)控RNA結(jié)合蛋白的miRNAs調(diào)控

真核基因表達調(diào)控——翻譯和翻譯后加工水平的調(diào)控RNA結(jié)合蛋白的RBPs/RBPs調(diào)控

真核基因表達調(diào)控——翻譯和翻譯后加工水平的調(diào)控RNA結(jié)合蛋白的RBPs/RBPs調(diào)控

真核基因表達調(diào)控——翻譯和翻譯后加工水平的調(diào)控RNA結(jié)合蛋白的RBPs/RBPs調(diào)控

真核基因表達調(diào)控——翻譯和翻譯后加工水平的調(diào)控mRNA翻譯起始的調(diào)控

真核基因表達調(diào)控——翻譯和翻譯后加工水平的調(diào)控

蛋白質(zhì)的修飾

糖基化甲基化乙?；核鼗疭UMO化磷酸化表觀遺傳學——現(xiàn)象表觀遺傳學——現(xiàn)象奧利維亞（左）與伊莎貝拉表觀遺傳學——現(xiàn)象杰克·阿姆斯壯和湯姆·阿姆斯壯表觀遺傳學——現(xiàn)象IanWilmutDolly多莉：生于1996年7月5日，死于2003年2月14日表觀遺傳學——現(xiàn)象Epigeneticdifferences：monozygotictwins表觀遺傳學——環(huán)境對表型的作用研究JirtleRWaterlandRA

由于Agouti基因(A)編碼一種旁分泌的信號分子能使毛囊黑色素細胞從合成黑色素轉(zhuǎn)為合成黃色素，因此在鼠毛生長的中間階段，A基因的一過性短暫表達在每根鼠毛的毛尖下方形成黃色條帶，使野生型Agouti小鼠呈現(xiàn)特征性的棕褐色。表觀遺傳學——環(huán)境對表型的作用研究

在A基因5’端上游插入了一個源自逆轉(zhuǎn)座子的IAP序列后，使A基因受隱含在IAP中的啟動子調(diào)控而持續(xù)異位表達，從而造成攜有該突變的小鼠毛色變黃，插入了IAP的A基因稱為AVY等位基因。表觀遺傳學——環(huán)境對表型的作用研究

以基因型為a/a的母鼠及其孕育的基因型為AVY/a的仔鼠作實驗對象。孕鼠分為兩組，試驗組孕鼠除喂以標準飼料外，從受孕前兩周起還增加富含甲基的葉酸、乙酰膽堿等補充飼料，而對照組孕鼠只喂飼標準飼料。結(jié)果實驗組孕鼠產(chǎn)下的仔鼠大多數(shù)在身體的不同部位出現(xiàn)了大小不等的棕色斑塊，甚至出現(xiàn)了以棕褐色為主要毛色的小鼠。而對照組孕鼠的仔鼠大多數(shù)為黃色。表觀遺傳學——概念表觀遺傳(epigeneticinheritance)：通過有絲分裂或減數(shù)分裂來傳遞非DNA序列信息的現(xiàn)象。表觀遺傳學(epigenetics)：則是研究不涉及DNA序列改變的基因表達和調(diào)控的可遺傳變化的?；蛘哒f是研究從基因演繹為表型的過程和機制的一門新興的遺傳學分支。

可遺傳的，即這類改變通過有絲分裂或減數(shù)分裂，能在

細胞或個體世代間遺傳；可逆性的基因表達調(diào)節(jié)，也有較少的學者描述為基因活性或功能的改變；沒有DNA序列的改變或不能用DNA序列變化來解釋。表觀遺傳學——概念的起源與發(fā)展1942年沃丁頓(Waddington)在Endeavour雜志首次提出表觀遺傳學。

基因型的遺傳(heredity)是遺傳學研究的主旨,而表型的形成則是屬于表觀遺傳學研究的范疇?；蛐捅硇突蛐捅碛^遺傳學——概念的起源與發(fā)展1987年,霍利德(Holliday)指出可在兩個層面上研究高等生物的基因?qū)傩?。遺傳學——基因的世代間傳遞的規(guī)律。表觀遺傳學——生物從受精卵到成體的發(fā)育過程中基因活性變化的模式。表觀遺傳學——基因表達模式基因表達模式相同的基因型

不同的表型表觀遺傳學——遺傳學與表觀遺傳學的區(qū)別表觀遺傳學——調(diào)控機制組蛋白修飾2RNA調(diào)控3DNA甲基化1表觀遺傳學調(diào)控機制——DNA甲基化

DNA甲基化(DNAmethylation)是研究得最清楚、也是最重要的表觀遺傳修飾形式，主要是基因組DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基間的共價結(jié)合，胞嘧啶由此被修飾為5甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5-mC)。S-腺苷蛋氨酸DNA甲基轉(zhuǎn)移酶DNMT1（維持）

DNMT3a和DNMT3b（從頭)表觀遺傳學調(diào)控機制——DNA甲基化表觀遺傳學調(diào)控機制——DNA甲基化結(jié)構(gòu)基因5’端附近富含CpG二聯(lián)核苷的區(qū)域稱為CpG島(CpGislands)。表觀遺傳學調(diào)控機制——DNA甲基化CH3DNA復制酶CH3CH3CH3DNA甲基轉(zhuǎn)移酶CH3CH3CH3CH3DNA復制后甲基化型的維持表觀遺傳學調(diào)控機制——DNA去甲基化主動去甲基化表觀遺傳學調(diào)控機制——DNA去甲基化復制相關(guān)的去甲基化表觀遺傳學調(diào)控機制——甲基化的轉(zhuǎn)錄調(diào)控直接抑制基因表達表觀遺傳學調(diào)控機制——甲基化的轉(zhuǎn)錄調(diào)控間接抑制基因表達MeCP1andMeCP2能夠與甲基化的DNA結(jié)合；MeCP2能夠招募Sin3a,HDACs，形成復合物，阻遏轉(zhuǎn)錄。表觀遺傳學調(diào)控機制——甲基化的轉(zhuǎn)錄調(diào)控間接抑制基因表達表觀遺傳學調(diào)控機制——組蛋白的化學修飾染色質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)——核小體（nuclesome）Kornberg（1974）微小球菌核酸酶降解染色質(zhì)得到200bp×n。

DonaldE.Olins和AdaL.(1976)用雞紅細胞核的染色質(zhì)作電鏡觀察。表觀遺傳學調(diào)控機制——組蛋白的化學修飾染色質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)——核小體（nuclesome）X晶體衍射——染色質(zhì)由蛋白質(zhì)八聚體構(gòu)成。染色質(zhì)重組實驗——5000bpSV40噬菌體DNA與組蛋白混合，獲得23個顆粒。表觀遺傳學調(diào)控機制——組蛋白的化學修飾染色質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)——核小體（nuclesome）H2AH2BH3H4各兩分子形成組蛋白八聚體核心顆粒，148bpDNA以1.75圈纏繞在核心顆粒外側(cè)。平均60bp連接DNA將兩個相鄰的核心顆粒連接在一起，H1與連接DNA結(jié)合。表觀遺傳學調(diào)控機制——組蛋白的化學修飾染色質(zhì)構(gòu)型和基因轉(zhuǎn)錄的關(guān)系表觀遺傳學調(diào)控機制——組蛋白的化學修飾組蛋白化學修飾表觀遺傳學調(diào)控機制——組蛋白的化學修飾組蛋白化學修飾乙酰化甲基化磷酸化泛素化SUMO表觀遺傳學調(diào)控機制——組蛋白的化學修飾組蛋白乙?；ǔ０l(fā)生在蛋白質(zhì)的賴氨酸(K)上；可逆的生化反應：A.Histoneacetyltransferase，HAT(>30)B.Histonedeacetylase,HDAC(18)分子效應：中和賴氨酸上的正電荷，增加組蛋白與DNA的排斥力生物學功能：

A.基因轉(zhuǎn)錄活化B.DNA損傷修復表觀遺傳學調(diào)控機制——組蛋白的化學修飾

組蛋白乙?；概c復合體表觀遺傳學調(diào)控機制——組蛋白的化學修飾

組蛋白去乙酰化酶與復合體表觀遺傳學調(diào)控機制——組蛋白的化學修飾表觀遺傳學調(diào)控機制——組蛋白的化學修飾組蛋白甲基化主要發(fā)生在賴氨酸(K)或精氨酸(R)上；參與的酶

HKMTs(histonelysinemethyltransferases)PRMTs(proteinargininemethyltransferases)分子效應：增加賴氨酸上的疏水力生物學功能：A.基因轉(zhuǎn)錄活化B.基因轉(zhuǎn)錄沉默C.X染色體失活D.異染色質(zhì)致密狀態(tài)(heterochromatincompaction)表觀遺傳學調(diào)控機制——組蛋白的化學修飾表觀遺傳學調(diào)控機制——組蛋白的化學修飾組蛋白乙?；?、甲基化以及DNA甲基化的關(guān)系

MBD結(jié)合甲基化的DNA,招募HDAC,組蛋白去乙?；?招募HMT,甲基化組蛋白,轉(zhuǎn)錄沉默；組蛋白無乙?；揎?MBD結(jié)合甲基化的DNA,再與SET結(jié)合，甲基化組蛋白；甲基化的組蛋白尾部招募DNMT，對基因長期沉默。表觀遺傳學調(diào)控機制——組蛋白的化學修飾轉(zhuǎn)錄狀態(tài)向沉默狀態(tài)轉(zhuǎn)變表觀遺傳學調(diào)控機制——組蛋白的化學修飾

組蛋白磷酸化——絲氨酸(S)/蘇氨酸(T)轉(zhuǎn)錄調(diào)控：H3K10被Rsk-2磷酸化異染色質(zhì)的形成：H4S1的磷酸化DNArepair:H2AX(組蛋白2A變異體)磷酸化表觀遺傳學調(diào)控機制——組蛋白的化學修飾組蛋白泛素化

通常發(fā)生在賴氨酸(K)上；可逆的生化反應：相關(guān)酶（E1，E2&E3，DUBs）

分子效應：小蛋白質(zhì)，可能改變底物的結(jié)構(gòu)生物學功能：蛋白質(zhì)降解表觀遺傳學調(diào)控機制——組蛋白的化學修飾H2B的泛素化平衡組蛋白H3K4和H3K36的甲基化水平表觀遺傳學調(diào)控機制——組蛋白的化學修飾組蛋白SOMU化通常發(fā)生在賴氨酸(K)上；可逆的生化反應：A.E1,E2,&E3；B.SENPs生物學功能：A.轉(zhuǎn)錄沉默B.抑制組蛋白的乙?；图谆碛^遺傳學調(diào)控機制——組蛋白的化學修飾

組蛋白密碼（histonecode）：組蛋白中被修飾氨基酸的種類、位置和修飾類型，為遺傳密碼的表觀遺傳學延伸，決定了基因表達調(diào)控的狀態(tài)，并且可遺傳。表觀遺傳學調(diào)控機制——ncRNA的調(diào)節(jié)作用lncRNA的表觀調(diào)控表觀遺傳學調(diào)控機制——ncRNA的調(diào)節(jié)作用小RNA的表觀調(diào)控表觀遺傳學調(diào)控機制——ncRNA的調(diào)節(jié)作用核內(nèi)RNAi的表觀調(diào)控——1表觀遺傳學調(diào)控機制——ncRNA的調(diào)節(jié)作用核內(nèi)RNAi的表觀調(diào)控——2表觀遺傳學調(diào)控機制——ncRNA的調(diào)節(jié)作用核內(nèi)RNAi的表觀調(diào)控——3表觀遺傳學的現(xiàn)象——基因組印跡表觀遺傳學的現(xiàn)象——基因組印跡1956年A.Prader和H.Willi父源染色體15q11-13區(qū)段缺失帕德維利綜合癥：常染色體顯性遺傳病，胎兒期胎動減少，肥胖，肌張力低下，腦發(fā)育延遲，身材矮小，性腺發(fā)育延遲和手足短小。表觀遺傳學的現(xiàn)象——基因組印跡Angelman綜合征(AS)：表現(xiàn)為快樂的木偶、極愛傻笑、蹦蹦跳跳、極跳極停、嚴重智力低下。1968年H.Angelman母源染色體15q11-13區(qū)段缺失表觀遺傳學的現(xiàn)象——基因組印跡

基因組印跡(genomicimprinting)：父親和母親的基因組在個體發(fā)育中影響不同的現(xiàn)象。表觀遺傳學的現(xiàn)象——基因組印跡的特征分布的集群性：15q11-13區(qū)段包括ZNF127、VBE3A、5NRPN、PAR-SN、PAR5、PAR1、NDN(necdin)、IPW、GABRG3、GABRB3、GABRA5和FNZ127等12個印跡基因。

復制不同步性時間特異性：小鼠胚胎早期Igf2和Mash2為雙等位基因表達，胚胎

形成后期表現(xiàn)為母源等位基因表達?？臻g特異性：人類KvLQT1基因在大多數(shù)組織中為母源表達，在心

臟中無印跡。基因的保守性表觀遺傳學的現(xiàn)象——基因組印跡的特征表觀遺傳學的現(xiàn)象——基因組印跡的案例印跡的抑癌基因的雜合性丟失（LOH）、突變失活可能會導致某個抑癌基因的唯一有功能拷貝的丟失或不表達。

表觀遺傳學的現(xiàn)象——基因組印跡的遺傳表觀遺傳學的現(xiàn)象——基因組印跡的特征印跡基因在進化論意義：有效地防止了單性生殖，維持了遺傳多樣性。

但也增加了隱性突變轉(zhuǎn)為顯性的危險性。表觀遺傳學的現(xiàn)象——X染色體失活1949年MLBarr

英國學者Lyon1962年提出Barr小體的生物學意義：正常雌性動物的細胞中的兩個X染色質(zhì)，一個在遺傳上失活，不能產(chǎn)生mRNA，并且DNA復制遲緩。雌性個體為嵌合體，父源和母源X染色質(zhì)失活是隨機的。在一個細胞中，一旦某條X染色質(zhì)失活，其子代細胞失活同一條染色質(zhì)。失活發(fā)生在胚胎發(fā)育早期（16天）。劑量效應。表觀遺傳學的現(xiàn)象——X染色體失活