1、Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC表观遗传学第五章基因组印记Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC内容纲要r1. 基因组印记r2. 那些基因是印记基因？r3. 印记是如何判读的？r4. 印记基因的介绍r5. 配子发育过程中印记机制是如何启动的？r6. 印记的维持和修改生物秀-专心做生物Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC基因印记r1. 由表观遗传修饰决定的，来源于双亲(Parent-of-origin) 的特异性表达的基因。|A. 两个等位基因中只有一个印记基因表
2、达|B. 可遗传的修饰，并且不改变基因序列的组成r2. 由双亲基因组功能的不对称性所决定生物秀-专心做生物Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCr1. 父系印记基因: |来自父系的等位基因的表达被抑制|来自母系的等位基因表达(mono-allelic)r2. 母系印记基因:|来自母系的等位基因的表达被抑制|来自父系的等位基因表达(mono-allelic)基因印记生物秀-专心做生物Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC印记基因r1. 在小鼠中已发现80个印记基因|一般认为在人中具有大致相等数量的印记基因|基因表
3、达谱的分析结果表明可能有更多的印记基因r2. 主要功能: 出生前的生长发育;|父系基因的表达胚胎发育能力增强|母系基因的表达胚胎发育能力削弱r3. 在特定细胞系及神经发育方面有重要功能生物秀-专心做生物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), 双亲投资(Parental Investment)|1. 许多印记基因与胎儿(fetus) 和胎盘(placenta)的生长和发育相关|2. 父系：希望后代健康，能够延续基因的存在。父系表达的基因，例如Igf2,
4、Peg3能够促进胎儿的生长以及营养的摄取，可能会损害母系的健康|3. 母系：产生更多的后代，延续自己的基因。母系表达的基因，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。生物秀-专心做生物Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCr1. 进化能力模型(EvolvabilityModel): 通过印记的方式，保护一些等位基因免受选择压力的影响，从而提高群体对环境变化的适应能力|生物体感知环境变化，决定等位基因是沉默还是表达|例如，如果发育增强有好处，并且该等位基因已出现，则其印记状态将被改变r2. 卵巢
5、里的时间炸弹(Ovarian time bomb): 避免卵巢滋养细胞疾病(ovarian Trophoblasticdisease)|孤雌胚胎(parthenogeneticembryos)的生长和发育：葡萄胚，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基因组印记的相关理论(2)(生物秀-专心做生物Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC印记基因的特征r1. 通常成簇出现r2. 一个簇中一般有311个印记基因|绝大多数多时编码可表达蛋白质的基因|至少有一个起拮抗作用的n
6、cRNA基因，具有双亲特异性的表达模式r3. 在染色体上的分布较为分散生物秀-专心做生物Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC表达模式:母系父系双等位未知IGF2-H19PWS/ASSNURF-SNRPNUBE3A-UBE3A-ASKCNQ1OT1KCNQ1生物秀-专心做生物Epigenetics, 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 control element, ICE) 所调控r2. 也称为印记控制区域(imprint control region, I
7、CR) 或者印记中心(imprinting centre, IC)r3. 绝大多数都有CpGislands，能够发生DNA甲基化r4. 在CpGislands内或附近通常有成簇的、有向的重复片段 生物秀-专心做生物Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC印记基因的特征生物秀-专心做生物Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCr1. 具有等位基因不同的甲基化区域(differentially methylatedregions, 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
8、因中，有些则存在于失活的等位基因中r2. 通常具有不同的组蛋白修饰，染色体结构等r3. DNA复制不同步|父系的拷贝较早发生复制印记基因的特征生物秀-专心做生物Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC印记的判读机制r1. IC/ICR/ICE|较长的、顺式作用的序列|调控多个基因r2. 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r3. 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
9、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Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC基因组印记的建立生物秀-专心做生物Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC1. 通过CpG岛或者启动子的差异甲基化来实现Methyl-C binding proteins (MBPs) Dnmt1 (maintenance DMT)HDACs关闭染色体构像，形成异染色质印记的判读机制生物秀-专心做生物Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCDN
10、A甲基化vs. 基因组印记s. 生物秀-专心做生物Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCCpG岛的差异甲基化生物秀-专心做生物Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC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印记的判读机制生物秀-专心做生物Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC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
11、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/绝缘子印记的判读机制生物秀-专心做生物Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC4. 反义转录本与CpG岛或启动子的甲基化联合作用机制反义转录本一般父系表达(母系中印记沉默) 起源于正义基因内的内含子序列，启动子可能与正义的基因重叠调控正义基因的表达: (1) promoter exclusion; (2) 改变DNA甲基化或染色质结构; (3) RNAi机制；(4) 沉默不重叠的基因等印记的判读机制生物秀-专心做生物Epigenetics, 2008-2009, Semest
12、er 1, USTC反义转录本的调控r 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Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC转录依赖的沉默r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XistncRNA决定X-inactivation|因ncRNA较小，很难验证其是否决定印记基因簇
13、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Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCr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染色质发生抑制性的修饰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序列转录依赖的沉默生物秀-专心做生物Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCr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
14、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从而阻止增强子与启动子的结合阻止通过活化因子调控的基因表达|ncRNA不需要与靶位的DNA结合转录依赖的沉默生物秀-专心做生物Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCPP转录依赖的沉默抑制元件区域活化元件区域生物秀-专心做生物Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTC两类印记基因簇r第一类: 母系印记簇|E.g. Igf2R, Kcnq1, Pws, Gnas的基因印记簇互补链上包含反义的ncRNA|在母系的等位ICE发生甲
15、基化抑制ncRNA的表达表达编码蛋白质的基因|在父系的等位ICE不发生甲基化ncRNA表达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Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCr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两类印记基因簇生物秀-专心做生物Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCncRNA介导的沉默机制rE.g. Igf2R/Air,
16、 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Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCMPMPPrimary targetncRNA介导的沉默机制Silent gene Active gene生物秀-专心做生物Epigenetics, 2008-2009, Semester 1, USTCrICE 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不被甲基化父系ncRNA (Air)表达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的启动子中如果删除DMR Air不表达印记丢失在人中，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Igf2R/AirI f /生物秀-专心做生物
