表观遗传组信息学
1：表观遗传学概念及表观遗传的特点
概念：表观遗传学是指不需要核苷酸序列变异的基因表达的可遗传改变。
1．表观遗传指不改变基因而影响基因表达和表型的遗传修饰
特点：①可遗传；②可逆性；③DNA不变
表观遗传的特点有：
①可遗传性；
②可引起基因沉默，但其作用机制与由基因突变引起基因沉默不同，具有一定的可逆性；
③表观遗传可以影响遗传学过程；
④目前已知DNA甲基化和组蛋白修饰是细胞中最重要的表观遗传修饰。二者可以协作共同调节基因转录。
表观遗传组信息学(Epigenetic Informatics)：
应用及开发生物信息学方法（统计分析，模式识别等）解决生物医学相关的表观遗
传学问题。
2：染色质的分类以及它们的区别
分类：常染色质和异染色质
区别：
?常染色质：基因密度较高的染色质，多在细胞周期的S期进行复制，且通常具有转录活性，能够生产蛋白质。
?异染色质：间期细胞核中染色质丝折叠程度高，处于凝缩状态，碱性染料着色深。
异染色质以浓集状态存在，通常无法转录成为mRNA。
3：核小体定义
核小体定义：核小体的核心颗粒加上它的一个邻近的DNA连接子。核小体DNA长度约为165个碱基对，其中缠绕在组蛋白八聚体周围的核心DNA约1.65圈、合147个碱基对；相邻核小体间的自由区域为20-50个碱基长度。
4：核小体定位概念
?念珠状的核小体在基因组DNA分子上的精确位置称为核小体定位。
?进一步可分为：
1、描述DNA特定位点与核小体核心相对线性位置的平移定位
2、描述DNA双螺旋与组蛋白八聚体相对方向的旋转定位。
5：研究核小体的意义
1、核小体在基因组上的组装方式及其定位机制的研究，对于理解转录因子结合和转录调控机制等多种生物学过程具有十分重要的作用。
2、在真核生物细胞中，核小体在诸如转录调控、DNA复制和修复等过程中扮演着重要角色。核小体定位是一个涉及DNA、转录因子、组蛋白修饰酶和染色质重塑复合体等分子间相互作用的复杂过程。
6：核小体定位的检测方法
1、MNase-Seq法
2、MNase-chip 法
3、CHIP-chip 法
7：组蛋白的分类
核小体由核心组蛋白八聚体（H2A\H2B\H3\H4)及缠绕其外周长度为146碱基对的DNA 组成，组蛋白H1的作用是连接核小体与DNA结合
6中类型：H1、H2A、H2B、H3、H4及古细菌组蛋白
8：组蛋白修饰的分类
组蛋白末端的乙酰化，甲基化，磷酸化，泛素化，ADP核糖基化等等
9：组蛋白修饰的命名方法
一个组蛋白修饰的精确表示由三部分组成：组蛋白名称+组蛋白尾巴上的位点+修饰（个数）。
例如基因转录起始位点富集普遍存在H3K4me3修饰，它是组蛋白H3上，具体的位置为第四个位置即赖氨酸（Lysine, K），该位置存在三个甲基基团。
又如H3K9ac，代表组蛋白H3上第九个位置即赖氨酸上发生的乙酰化修饰。
又如H3K9me，则表示组蛋白H3上的第九位置上的甲基化修饰，但并没有指定甲基集团的数目，则泛指组蛋白甲基化修饰，这些模糊记法已被广泛地使用
10：活性和抑制性组蛋白修饰与基因表达间的关系。
基因表达是一个受多因素调控的复杂过程.组蛋白是染色体基本结构-核小体中的重要组成部分，其N-末端氨基酸残基可发生乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、多聚ADP糖基化等多种共价修饰作用.组蛋白的修饰可通过影响组蛋白与DNA双链的亲和性，从而改变染色质的疏松或凝集状态，或通过影响其它转录因子与结构基因启动子的亲和性来发挥基因调控作用.组蛋白修饰对基因表达的调控有类似DNA遗传密码的调控作用.
11：印记基因的概念
印记基因是指仅一方亲本来源的同源基因表达,而来自另一亲本的不表达。
12：基因组印记的概念
基因组印记是指来自父方和母方的等位基因在通过精子和卵子传递给子代时发生了修饰，使带有亲代印记的等位基因具有不同的表达特性，这种修饰常为DNA甲基化修饰，也包括组蛋白乙酰化、甲基化等修饰
13：检测组蛋白修饰的chip-chip方法和chip-seq方法的异同点。
ChIP-Seq相比ChIP-chip的优势：
（1）ChIP-Seq能实现真正的全基因组分析。目前所能获得的芯片上固定的探针只能代表全基因组部分序列，所获得的杂交信息具有偏向性；
（2）对于结合位点分析，ChIP-Seq通过寻找“峰”，结合分辨率可精确到10~30 bp，而芯片上探针由于长度所限，无法精确定位，即使目前最高水平的商业芯片都无法提供可与ChIP-Seq媲美的分辨率；
（3）是所需样本数量。ChIP-chip 需要多达4~5 μg的起始样本，在杂交之前需要进行LM-PCR，但可能导致背景增高，竞争性扩增等导致假阳性。而ChIP-Seq仅需要纳克级起始材料，如SOLiD起始材料可低至20ng。
见PPT表格
14：组蛋白修饰数据的基本分析方法：
应用Macs软件找出富集组蛋白修饰的peak，或者应用RPKM计算组蛋白修饰在某一感兴趣的基因组区域的富集程度。
15:DNA甲基化概念
DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性，DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。
16：哺乳动物DNA甲基转移酶的分类及功能
1 . DNMT1：持续性DNA 甲基转移酶——作用于仅有一条链甲基化的DNA 双链,使其完全甲基化, 可参与DNA 复制双链中的新合成链的甲基化,DNM T1 可能直接与HDAC (组蛋白去乙酰基转移酶) 联合作用阻断转录；
2 . DNMT3a、DNM T3b从头甲基转移酶：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。
17：DNA甲基化影响基因转录的机制
（1）DNA甲基化阻碍转录因子的结合
（2）DNA甲基化识别染色质标记
（3）DNA甲基化募集其它蛋白引起染色质沉默
（4）DNA甲基化影响核小体定位
18：根据甲基化检测技术前期对DNA处理的不同可以分为几类
1、基因组整体水平的甲基化检测
2、特异性位点的甲基化检测
19：DNA甲基化检测技术BS-seq（WGBS）、MBD-seq、MRE-seq和Illumina 450K Infinium Methylation BeadChip的差异。
20：WGBS检测方法得到的两类样本差异甲基化基因的分析方法。
先找出差异甲基化区域再去对到基因上
直接先计算基因的甲基化水平再筛选差异甲基化的基因
21：癌症中DNA甲基化的特征
全基因组范围内的低甲基化和启动子区域CpG岛特定位点的超甲基化
22：超高甲基化和超低甲基化与癌症的关系
1、DNA低甲基化与癌症
基因组DNA的低甲基化(hypomethylation)是癌细胞表观遗传的重大改变之一。
癌细胞的低甲基化水平主要是由于DNA重复序列的低甲基化以及基因编码区和外显子的去甲基化所致。
DNA低甲基化在癌症的发生发展中扮演着十分重要的角色,一方面可能通过影响染色体的稳定性, 造成癌细胞中常见的染色体异常；另一方面通过激活原癌基因(如Ras、Myc、HOX11等)的表达, 从而促进肿瘤的发生。
2、DNA超甲基化与癌症
启动子区CpG岛特异性位点的超甲基化(hypermethylation)是癌细胞的另一个重要表观遗传改变。一般情况下, 细胞的CpG岛大多处于非甲基化状态。
在癌细胞中，某些抑癌基因的启动子区的CpG岛通常发生甲基化, 引起抑癌基因的表观沉默,进而导致细胞周期调控紊乱,促进肿瘤的发生发展。
在癌细胞中存在高甲基化现象, 这些基因主要涉及DNA损伤修复、细胞周期调控、转录调节、转录因子、细胞凋亡、信号转导、药物解毒、激素受体、肿瘤细胞的转移等超甲基化具有癌症的特异性。如GSTP1基因在前列腺肿瘤中表现为高甲基化,但是在急性骨髓性白血病中却未出现甲基化, 同样在急性骨髓性白血病中, RB基因也未表现出超甲基化，但这种升高不是平均或随机分布，而是因基因而异，形成局部高甲基化。因此，癌甲基化图谱呈多样性。这一特征在直肠癌、膀胱癌、前列腺癌、结肠癌、肺癌、乳腺癌，睾丸癌、脑瘤、白血病中均已有报告。
一、肿瘤的异质性
?肿瘤的异质性是恶性肿瘤的特征之一，是指肿瘤在生长过程中，经过多次分裂增殖，其子细胞呈现出分子生物学或基因方面的改变，从而使肿瘤的生长速度、侵袭能力、对药物的敏感性、预后等各方面产生差异。
?同一肿瘤中可以存在有很多不同的基因型或者亚型的细胞。
二、DNA甲基化的异质性
表观遗传学与疾病及其研究进展概述 摘要：表观遗传学是在基因组DNA 序列不发生变化的条件下，基因表达发生的改变也是可以遗传的，导致可遗传的表现型变化。表观遗传学主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、非编码RNA调控、基因组印记、假基因、内含子、核糖开关等。和表观遗传学相关的疾病主要有肿瘤、心血管病、成瘾、自身免疫系统性病等。本文就表观遗传学与疾病进行综述。 关键词：表观遗传学疾病 一、表观遗传学的基本概念 经典遗传学认为遗传的分子基础是核酸，生命的遗传信息储存在核算的碱基序列上，碱基序列的改变会引起生物体表现型的改变，而这种改变可以从上一代传递到下一代。然而，随着遗传学的发展，人们发现，DNN、组蛋白、染色体水平的修饰也会造成基因表达模式的变化，并且这种改变是可以遗传的。这种通过有丝分裂或减数分裂来传递非DNA序列遗传信息的现象成为表观遗传，表观遗传学是研究不涉及DNA序列改变的基因表达和调控的可遗传修饰，即探索从基因演绎为表型的过程和机制的一门学科[1]。Epigenetics这一名词的中文译法有多种，常见的有“表观遗传学”、“表现遗传学”、“后生遗传学”、“外因遗传学”、“表遗传学”、“外区遗传学”等等。表观遗传学是Waddington于1942年在描述生物体的基因型与表型之间的因果关系时提出的，他指出基因型的遗传(heredity)或传承(inheritance)是遗传学研究的主旨，而基因型产生表型的过程则属于表观遗传学研究的范畴，他把表观遗传学描述为一个控制从基因型到表现型的机制。随着遗传学的快速发展，这个词的意思越来越窄[ 2]。1987年，Holliday指出可在两个层面上研究高等生物的基因属性：第一个层面是基因的世代间传递的规律，这是遗传学；第二个层面是生物从受精卵到成体的发育过程中基因活性变化的模式，这是表观遗传学。1994年，Holliday又指出基因表达活性的变化不仅发生在发育过程中，而且也发生在生物体已分化的细胞中；基因表达的某种变化可通过有丝分裂的细胞遗传下去，他进一步指出表观遗传学研究的是“上代向下代传递的信息，而不是DNA序列本身”，是一种“不以DNA序列的改变为基础的细胞核遗传”。1999年，Wollfe把表观遗传学定义为研究没有DNA序列变化的、可遗传的基因表达的改变。 表观遗传学 (epigenetics) 与遗传学是一个对应的关系，是研究表观遗传变异的遗传学分支的学科。它现在有很多新的定义，在非神经学中它的定义是不依赖于染色体上DNA序列的改变却能稳定遗传的表型变化。在Allis et al最近的一本书中可以找到两种定义，一个是：表观遗传是和DNA突变无关的可遗传的表型变化；另一个定义是：染色质调节的基因转录水平的变化，这种变化不涉及DNA序列的改变[ 3]。从1989到2008年期间和表观遗传相关的著作将近6000多本，不论人们怎样定义表观遗传学，它始终在研究中占有重要地位，The National Institutes of Health 把表观遗传学描述为：在控制基因的活性和表达方面和遗传的变化相关，是一个细胞转录水平长期、稳定的改变因素，但并不一定是必须的遗传因素。本文就针对表观遗传学的内容以及与其相关的疾病进行综述。
基因组的表观遗传调控有哪些主要方式 1 DNA甲基化（DNA methylation） 甲基化是指生物分子在特定的酶系统催化下加上甲基（-CH3）的生物化学反应，是普遍存在原核生物和真核生物中的DNA修饰作用。甲基化没有改变基因序列，但对基因表达起调控作用。在哺乳动物DNA分子中，甲基化一般发生在胞嘧啶（C）碱基上。在DNA甲基转移酶（DNA methyltransferases,DNMTs）催化下，甲基从S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethione）转移至胞嘧啶5位上，形成5- 甲基胞嘧啶（m5C）。在发生甲基化的胞嘧啶后通常紧跟着一个鸟嘌呤（G）碱基。因此，通常称胞嘧啶- 磷酸- 鸟嘌呤或CpG的甲基化。在基因组中富含CpG位点的区域称为CpG岛（CpG islands），人基因组序列约有29,000 CpG岛，约60%的人基因与CpG岛关联。CpG岛通常与基因表达的启动序列区域（promoter regions）相关，CpG是否甲基化在基因表达中起重要作用。一般说来，DNA甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则可诱导基因的重新活化和表达。脊椎动物基因的甲基化状态有三种：（1）高度甲基化状态, 如女性两条X染色体中的一条处于失活状态；（2）持续的低甲基化状态, 如细胞存活所需的一直处于活性转录状态的管家基因；（3）去甲基化状态, 如生物发育的某一阶段或细胞分化的某种状态下，原先处于甲基化状态的基因，也可以被诱导去除甲基化，而出现转录活性。健康人基因组中，CpG岛中的CpG 位点通常是处于非甲基化状态，而在CpG岛外的CpG位点则通常是甲
基化的。这种甲基化的形式在细胞分裂的过程中能够稳定的保留。当肿瘤发生时，抑癌基因CpG岛以外的CpG序列非甲基化程度增加，而CpG岛中的CpG则呈高度甲基化状态，以致于染色体螺旋程度增加及抑癌基因表达的丢失。DNA甲基化不仅影响细胞基因的表达，而且这种影响还可随细胞分裂而遗传并持续下去。哺乳动物一生中DNA甲基化水平经历2次显著变化，第一次发生在受精卵最初几次卵裂中，去甲基化酶清除了DNA分子上几乎所有从亲代遗传来的甲基化标志；第二次发生在胚胎植入子宫时，一种新的甲基化遍布整个基因组，甲基化酶使DNA重新建立一个新的甲基化模式。细胞内新的甲基化模式一旦建成，即可通过甲基化以“甲基化维持”的形式将新的DNA甲基化传递给所有子细胞DNA分子。 2组蛋白修饰（histone modification） 组蛋白是一类小分子碱性蛋白质，作为真核生物染色体的基本结构蛋白质。组蛋白的共价修饰包括赖氨酸残基乙酰化、丝氨酸残基和苏氨酸残基的磷酸化、谷氨酸残基的ADP-核糖基化、赖氨酸残基的泛素化与类泛素化（sumolyation）、赖氨酸残基和精氨酸残基的甲基化等。赖氨酸残基的-氨基可形成一甲基化、二甲基化或三甲基化物，精氨酸残基可形成一甲基化或二甲基化物。这些修饰成为组蛋白印记（histone imprints），现在也称为“组蛋白密码”（histone code）。组蛋白密码可被一系列特定的蛋白质所识别，并将其转译成一种特定的染色质状态，以实现对特定基因表达的调节，扩大了遗传密码的信
表观遗传的调控机制 摘要: 表观遗传是非DNA 序列遗传信息的传递, 它不涉及基因序列的改变, 不符合孟德尔式的遗传方式。表观遗传学研究的是生物可遗传的染色质修饰。目前，其主要研究内容包括DNA 甲基化、翻译后组蛋白修饰、组蛋白组成变化。其中DNA 甲基化是一种重要的表观遗传修饰方式, 是调节基因组功能的重要手段。组蛋白修饰作为表观传中重要的调控机制之一, 在包括基因表达调控等多种生物学过程中起着重要作用。组蛋白甲基转移酶和组蛋白去甲基化酶共同参与形成和维持不同的组蛋白甲基化状态, 继而通过多种分子参与对组蛋白甲基化修饰的识别而引起下游过程的发生。组蛋白乙酰化和去乙酰化修饰也是调控表观遗传机制之一。最近人们还发现非编码的RNA也参与了表观遗传调控。 关键词：表观遗传，DNA甲基化，组蛋白修饰，RNA调控。 一 DNA甲基化调控表观遗传 经典遗传学认为，生命的遗传信息储存在 DNA的碱基序列上，几乎所有的生命活动都受基因调控。但是，作为开放的复杂系统，生命活动从来就不是由一种因素就能完全决定的。随着科学的发展，人们发现一些 DNA 或染色体水平的修饰也会造成基因表达模式的改变。这种通过有丝分裂或减数分裂来传递非DNA 序列遗传信息的现象称为表观遗传（epigenetic inheritance）。由于它不涉及基因序列的改变，不符合孟德尔式的遗传方式，因此它是一种全新的遗传机制。表观遗传修饰有许多，其中 DNA 甲基化是基因组DNA 的一种最重要的表观遗传修饰方式，是调节基因组功能的重要手段。在植物中，DNA 甲基化参与细胞的许多生物学过程，在植物生长发育及进化过程中起着重要的调节作用。 1 植物DNA胞嘧啶甲基转移酶 植物DNA的甲基化是在 DNA 甲基转移酶（DNAMethyltransferase,DMT）的作用下，将 S- 腺苷甲硫氨酸上的甲基基团转移到 DNA 分子的胞嘧啶碱基上。在植物细胞中广泛存在的有三类结构和功能上不同的胞嘧啶甲基转移酶[1,2]。第一类是 MET1 甲基转移酶家族，它在甲基化酶中处于统治地位。第一个编码植物 DNA 甲基转移酶的基因是由 Finnegan 等人[1]从一个转基因的拟南芥品系中分离出来的，即 MET1 甲基转移酶。MET1 编码的蛋白在结构上类似于哺乳动物的甲基化酶 DnmtⅠ，二者在结构域上有 50%的同源性。MET1 的主要功能是在重复和单拷贝的 DNA 序列中维持甲基化，同样对许多形态特征、花期调控、移植变化和胚胎发育等有影响作用[1]。最近的研究表明它在从头甲基化 CG 岛过程中与一个发起甲基化的 RNA 片段有应答[3]。现已在胡箩卜、豌豆、西红柿、玉米等植物中鉴定出了 MET1 及其同源物[4]。第二类是结构域重排甲基转移酶（DRM），包括DRM1、DRM2 和 Zmet3 三个成员。它的结构与哺乳动物的 Dnmt3 甲基化酶类似[5]。但它的催化结构域的保守基序排列方式是与众不同的，为Ⅳ-Ⅸ-Ⅹ-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ-Ⅳ-Ⅴ。其作用是在非对称位点从头甲基化 DNA 序列和维持失活转座子及转基因沉默位点的胞嘧啶甲基化修饰，并且对与外源 SiRNA 同源的 DNA 中所有的胞嘧啶进行从头甲基化[6]。第三类是染色质甲基化酶（CMT），该酶为植物所特有[7]，负责维持 CpNpG（N 是 A，T，C 或 G）三核苷酸中胞嘧啶的甲基化。其结构也是与哺乳动物的 DnmtⅠ相似，但是在 CMT 中有一个新的有色域氨基酸基元插入到了两个正则甲基转移酶基元之间。CMT 同时具有一个染色体结构域和 C- 甲基化催化活性，对对称结构上的甲基化有特殊作用。在拟南芥中已经识别了至少 3 个 CMT 编码基因[1]，其中 CMT1 被认为是没有功能的。CMT 与 DRM 一起，共同维持 CpNpG 和 Cp-NpN（N 非 G）核苷酸序列中胞嘧啶的甲基化。此外，植物中还存在第四类甲基转移酶，如玉米中的 DMT104 和拟南
课程信息 当前位置：首页 > 教育教学 > 研究生教育 > 课程信息 表观遗传学 061M4021H 学期：2015-2016学年秋| 课程属性：| 任课教师：曹晓风等 教学目的、要求 本课程为遗传与发育生物学专业研究生的专业核心课，同时也可作为细胞生物学、基因组学和分子生物学等相关学科研究生的选修课。表观遗传学是研究非DNA序列改变、可遗传的表达改变的科学，是遗传学的深入和补充，与分子生物学、细胞生物学、生物化学、基因组学和结构生物学相互交融，是后基因组时代重要的生命科学学科之一。表观遗传学机制参与动、植物生长发育调控和环境适应的各个方面，其调控异常会导致人类癌症和其他疾病的发生。本课程将讲授表观遗传学现象和发展简史；详细阐释表观遗传调控的分子机制及相关的生物学过程，重点包括真核基因转录调控、DNA甲基化和去甲基化、组蛋白共价修饰和变体、非编码RNA、染色质重塑、染色质高级结构、表观遗传学与动植物发育/疾病、表观遗传组学、表观遗传继承性的概念、研究进展、新技术和新方法的原理和方法，旨在使研究生系统掌握所在学科的完整知识体系、理论框架、发展历史与现状，为研究生今后从事系统性、基础性和前沿性的科研工作实践提供理论知识，为设计研究课题的技术路线和方案奠定基础。 预修课程 分子生物学，遗传学，生物化学 教材 生命科学学院 主要内容 1. 经典表观遗传学现象（3学时，曹晓风）9月15日 2. 真核基因转录调控（3学时，朱冰）9月22日 3. DNA甲基化（3学时，慈维敏）9月29日 4. DNA去甲基化（3学时，慈维敏）10月8日 5.组蛋白共价修饰（3学时，李国红）10月13日 6. 组蛋白变体（3学时，李国红）10月20日 7. 非编码RNA和RNA修饰（3学时，杨运桂）10月27日 8. 染色质重塑（3学时，李国红）11月3日 9. 染色质结构与功能（3学时，李国红）11月10日10. 染色质高级结构（3学时，朱平）11月
表观遗传学 大家晚上好！很高兴有机会和大家交流，我最近看了一些这方面的材料，借这个机会和大家交流一下，讲的不一定对，就是自己的理解，有问题的地方大家可以讨论。我想从以下几个方面进行介绍： 1、表观遗传学概念 2、表观遗传学的研究内容 一、表观遗传学概念 经典遗传学认为遗传的分子基础是核酸, 生命的遗传信息储存在核酸的碱基序列上，碱基序列的改变会引起生物体表现型的改变，而这种改变可以从上一代传递到下一代。然而，随着遗传学的发展，人们发现,，DNA、组蛋白、染色质水平的修饰也会造成基因表达模式的变化，并且这种改变是可以遗传的。这种基因结构没有变化，只是其表达发生改变的遗传变化叫表观遗传改变。表观遗传学是一门研究生命有机体发育与分化过程中，导致基因发生表观遗传改变的新兴学科。 1939年，生物学家Waddington CH 首先在《现代遗传学导论》中提出了epihenetics这一术语，并于1942年定义表观遗传学为他把表观遗传学描述为一个控制从基因型到表现型的机制。 1975年，Hollidy R 对表观遗传学进行了较为准确的描述。他认为表观遗传学不仅在发育过程，而且应在成体阶段研究可遗传的基因表达改变，这些信息能经过有丝分裂和减数分裂在细胞和个体世代间传递，而不借助于DNA序列的改变，也就是说表观遗传是非DNA序列差异的核遗传。 Allis等的一本书中可以找到两种定义，一种定义是表观遗传是与DNA突变无关的可遗传的表型变化；另一种定义是染色质调节的基因转录水平的变化，这种变化不涉及DNA序列的改变。 二、表观遗传学研究内容 从现在的研究情况来看，表观遗传学变化主要集中在三大方面：DNA甲基化修饰、组蛋白修饰、非编码RNA的调控作用。这三个方面各自影响特有的表观遗传学现象，而且它们还相互作用，共同决定复杂的生物学过程。因此，表观遗传学也可理解为环境和遗传相互作用的一门学科。 DNA甲基化 组蛋白共价修饰 染色质重塑 基因组中非编码RNA 微小RNA（miRNA） 反义RNA 内含子、核糖开关等 基因印记 1、DNA甲基化(DNA methylation)是研究得最清楚、也是最重要的表观遗传修饰形式，主要 是基因组DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基间的共价结合，胞嘧啶由此被修饰为5甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5mC)。
生物体存在表观遗传现象 【教学目标】 知识与技能 1．了解表观遗传现象和表观遗传学的研究内容。 2．了解DNA甲基化和组蛋白乙酰化的表观遗传修饰。 过程与方法 通过问题的思考分析培养学生分析问题，解决问题的能力。 情感态度价值观 通过了解表观遗传现象，让学生感受养成良好生活习惯的重要性。 【教学重点】 了解表观遗传现象和表观遗传学的研究内容。 【教学难点】 了解DNA甲基化和组蛋白乙酰化的表观遗传修饰。 【教学准备】 网络视频、图片、文字资料。 【教学过程】 一、明确目标 多媒体教学银幕上显示本堂课的教学目标。了解表观遗传学的概念和表观遗传现象。二、重点、难点的学习与目标完成过程 引言：经典遗传学已经阐明，DNA是遗传信息的携带者，生物体性状的表现和遗传是由DNA所控制的，更确切地说是由基因控制的。 提问：由于父母的某种生活经历或者不良嗜好，对子女产生了影响——瘾君子吸毒以后产生的后代，长大后有可能步父母的后尘；父母因故情绪受到重创，子女有可能被多愁善感缠绕一生，缺乏愉悦的能力和体验；甚至一些不经意的习惯，都会影响后代……这些听起来有些不可思议，那么是否真的？你们身边有这样的例子吗？ 学生讨论： 提问：我们身边的确存在很多这样的例子，那么这种现象又该如何解释呢？它与性状的表现和遗传由基因控制的说法存在矛盾吗？
讲述：生物体的基因通过控制蛋白质的合成决定了其性状表现，一般来说，在基因型相同的情况下，表型也应该相同，生活习惯的改变不会影响下一代的性状。但是在现实中，却存在着另外一些现象。 （一）表观遗传现象 1．拜格林的调查研究结果 2．小鼠、果蝇和线虫的相关研究结果。 讲述：即使亲代传递给后代的DNA序列没有改变，亲代在生活中由于生活环境或生活习惯的改变而引起的身体状况变化，也会通过某种途径遗传给下—代，即父母的生活经历可以通过DNA序列以外的方式遗传给后代。生物学家将这种遗传现象称为表观遗传现象（epigenetic phenomena)。 （二）表观遗传学的研究内容 基因序列改变所致基因表达水平的变化遗传学 非基因序列改变所致基因表达水平的变化表观遗传学 总结：表观遗传学研究不涉及DNA序列改变的基因表达的可遗传的改变，或者研究从基因演绎为表型的过程及机制，是一门新兴的分子遗传学分支。 提问：为什么有些改变了的表型是可以遗传的呢？ 阅读《小资料：小鼠的表型改变后遗传给后代》 讲述：DNA分子的特殊结构决定了基因及其“开关”是被隐藏起来的。 （三）表观遗传修饰 1．DNA甲基化 基因组DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基间的共价结合，胞嘧啶由此被修饰为5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine，5mC），相当于该DNA戴上隐身帽子，使基因内存储的信息无法被读取。 2．组蛋白乙酰化 用乙酰基把氨基上的正电荷屏蔽起来，好像给组蛋白中的一些带正电的基团（-NH2）戴上一顶帽子。组蛋白的正电荷一旦减少，与带负电的DNA分子片段（某基因）缠绕的力量就会减弱，随之松开，里面的信息就可以被读取，即进行转录。 （四）表观遗传机制的利弊 利：可以使生物打破DNA变化缓慢的限制，使后代能迅速获得亲代应对环境因素做出的反应而发生的变化，有利于生物种群的生存和繁衍。 弊：通过表观遗传传递下去的性状并不总是有利，如亲代经历的不良环境和生活习惯对后
表观遗传学对基因表达的调控及其机制 生物遗传信息表达正确与否，既受控于DNA序列，又受制于表观遗传学信息。表观遗传学主要通过DNA修饰、蛋白质修饰与非编码RNA调控3个层面上调控基因表达。 1 DNA甲基化（DNA methylation） 甲基化是指生物分子在特定的酶系统催化下加上甲基（-CH3）的生物化学反应，是普遍存在原核生物和真核生物中的DNA修饰作用。甲基化没有改变基因序列，但对基因表达起调控作用。在哺乳动物DNA分子中，甲基化一般发生在胞嘧啶（C）碱基上。在DNA甲基转移酶（DNA methyltransferases,DNMTs）催化下，甲基从S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethione）转移至胞嘧啶5位上，形成5- 甲基胞嘧啶（m5C）。在发生甲基化的胞嘧啶后通常紧跟着一个鸟嘌呤（G）碱基。因此，通常称胞嘧啶- 磷酸- 鸟嘌呤或CpG的甲基化。在基因组中富含CpG位点的区域称为CpG岛（CpG islands），人基因组序列约有29,000 CpG岛，约60%的人基因与CpG岛关联。CpG岛通常与基因表达的启动序列区域（promoter regions）相关，CpG是否甲基化在基因表达中起重要作用。一般说来，DNA甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则可诱导基因的重新活化和表达。脊椎动物基因的甲基化状态有三种：（1）高度甲基化状态, 如女性两条X染色体中的一条处于失活状态；（2）持续的低甲基化状态, 如细胞存活所需的一直处于活性转录状态的管家基因；（3）去甲基化状态, 如生物发育的某一阶段
或细胞分化的某种状态下，原先处于甲基化状态的基因，也可以被诱导去除甲基化，而出现转录活性。健康人基因组中，CpG岛中的CpG 位点通常是处于非甲基化状态，而在CpG岛外的CpG位点则通常是甲基化的。这种甲基化的形式在细胞分裂的过程中能够稳定的保留。当肿瘤发生时，抑癌基因CpG岛以外的CpG序列非甲基化程度增加，而CpG岛中的CpG则呈高度甲基化状态，以致于染色体螺旋程度增加及抑癌基因表达的丢失。DNA甲基化不仅影响细胞基因的表达，而且这种影响还可随细胞分裂而遗传并持续下去。哺乳动物一生中DNA甲基化水平经历2次显著变化，第一次发生在受精卵最初几次卵裂中，去甲基化酶清除了DNA分子上几乎所有从亲代遗传来的甲基化标志；第二次发生在胚胎植入子宫时，一种新的甲基化遍布整个基因组，甲基化酶使DNA重新建立一个新的甲基化模式。细胞内新的甲基化模式一旦建成，即可通过甲基化以“甲基化维持”的形式将新的DNA甲基化传递给所有子细胞DNA分子。 2组蛋白修饰（histone modification） 组蛋白是一类小分子碱性蛋白质，作为真核生物染色体的基本结构蛋白质。组蛋白的共价修饰包括赖氨酸残基乙酰化、丝氨酸残基和苏氨酸残基的磷酸化、谷氨酸残基的ADP-核糖基化、赖氨酸残基的泛素化与类泛素化（sumolyation）、赖氨酸残基和精氨酸残基的甲基化等。赖氨酸残基的-氨基可形成一甲基化、二甲基化或三甲基化物，精氨酸残基可形成一甲基化或二甲基化物。这些修饰成为组蛋白印记
农业基础科学现代农业科技2012年第6期 1表观遗传 1.1表观遗传学基本概念 表观遗传学的概念是1957年由Waddington[1]提出的。随着现代生物科学的发展，表观遗传学的定义也在逐渐完善。目前，研究领域对其的定义为：基因功能的改变凡未牵涉到DNA的序列，又可通过细胞的有丝分裂而遗传者，称为“epigenetics”[2]。由此说明，在基因组中，除序列含有遗传信息外，也有一部分遗传信息记载在其修饰上。当前，学者对植物表观遗传学的研究集中在DNA甲基化、组蛋白密码、染色质重塑等方面内容。 1.2DNA甲基化 DNA甲基化（DNA Methylation）普遍存在于动植物细胞以及细菌基因组中，是在DNA甲基转移酶的作用下，使S 腺苷甲硫氨酸（Sadomet，SAM）的甲基基团转移到胞嘧啶或腺嘌呤残基上（主要是胞嘧啶，腺嘌呤偶有发现），从而完成DNA的修饰[3]。DNA甲基化能够影响DNA和蛋白质的相互作用，抑制基因的表达。因此，在基因表达、植物细胞分化以及系统发育中起着非常重要的作用。 1.3组蛋白密码 组蛋白在翻译后的共价修饰中会发生改变，如发生甲基化、乙酰化、泛素化等，从而提供一种识别的标志，为其他蛋白与DNA的结合产生协同或拮抗效应，它是一种动态转录调控成分，称为组蛋白密码（histone code）[4]。这些组蛋白密码可以被一些特定的蛋白质识别，继而将其翻译成一种特定的染色质状态，进而实现对特定基因的调节。因此，组蛋白密码能够显著地扩大DNA密码子对所携带遗传信息的存储量。1.4染色质重塑 染色质通常通过核小体改变结构。这类伴随着基因表达调节的染色质结构产生的变化被称作染色质重塑（chromatin remodeling），其包括2种类型：一种是依赖共价结合反应的化学修饰，也就是所谓的组蛋白密码[5]；另一种是依赖ATP的物理修饰，靠ATP水解所释放的能量改变染色质。 2植物开花过程的调控 植物能否开花的重要环节就是植物由营养生长向生殖生长转变的过程。随着分子生物学分子遗传学的发展，对植物开花途径的研究也逐渐明确[6]。 2.1春化作用途径 温度是影响植物开花的重要环境因素之一。对于冬性和二年生植物，如果不经低温诱导处理，其开花过程可以推迟几周甚至几个月。低温对开花的促进作用称为春化作用[7]。目前，十字花科的拟南芥和禾本科的小麦、大麦等应用于春化相关的基因研究[8-9]。在拟南芥中，与春化作用有关的基因有FRI、FLC、VRN1、VRN2和VIN3等[10]。研究表明，单基因FRI控制冬性发育特性的拟南芥[11]，如果其编码的盘绕蛋白发生突变，可导致拟南芥过早开花。FLC属于MADS盒基因[12]，其编码的蛋白转录因子是一个强的开花抑制因子，高水平表达对开花具有抑制作用。FLC对开花的抑制作用由于显性等位基因FRI的存在而加强。促进植物开花的过程中，低温春化抑制FLC的表达是通过FRI转录及蛋白表达水平的负调控来实现的[13]。研究发现，拟南芥的春化作用进程中还有基因VRN1、VRN2和VRN3的参与[14]。 2.2光周期途径 光是植物生长发育的一个重要条件，只有通过光周期的调控影响，植物才能顺利完成整个生长发育进程[15-16]。拟南芥是典型的长日照植物，其光周期途径是由光受体感受光信号开始的，在短日照条件下抑制开花，长日照条件下促进 表观遗传对植物开花相关基因表达的调控 燕瀚翔1纳小凡2蒋玉婷3史程圆1乌日汗1毕玉蓉4* （1中央民族大学生命与环境科学学院，北京100081；2宁夏大学生命科学学院；3内蒙古农业大学农学院；4兰州大学生命科学学院） 摘要综述表观遗传对植物开花过程中基因表达的调控。目前，对表观遗传的研究越来越深入，对植物开花过程中的基因调控过程也有很大程度上的把握，但二者的结合即表观遗传对植物开花过程中基因表达的调控还处于初级的探索阶段。因此，对这方面进行深入的研究有助于加深对植物生命周期调控机制的理解，并且对农业生产具有较大的指导意义。 关键词表观遗传；春化作用；基因表达；调控 中图分类号Q943.2文献标识码A文章编号1007-5739（2012）06-0034-03 Regulation of Related Gene Expression about Flowering in Plants by Epigenetic YAN Han-xiang1NA Xiao-fan2JIANG Yu-ting3SHI Cheng-yuan1Wurihan1BI Yu-rong4* （1College of Life and Environmental Sciences，Minzu University of China，Bejing100081；2College of Life Science，Ningxia University；3Agricultural College of Inner Mongolia Agricultural University；4College of Life Science，Lanzhou University）Abstract This paper reviewed the flowering plant epigenetic regulation of gene expression process.The research about epigenetic became more deeply，heprocess of flowering plants in the process of gene regulation have the extent of certainty，but the combination of the two flowering plants that epigenetic process of gene expression at an early exploration stage.Consequently，depth of research in this area would gain a deeper understanding of plant life-cycle regulation mechanisms，and had directive significance for agricultural production. Key words epigenetic；vernalization；gene expression；regulation 基金项目宁夏大学科学研究基金项目。 作者简介燕瀚翔（1985-），男，山西长治人，在读硕士研究生。研究方 向：植物开花表观遗传。 *通讯作者 收稿日期2012-02-22 34
表观遗传学对医学的影响 张小蔫 摘要：随着人们对表观遗传学的深入了解，人们对表观遗传疾病的机理及表观遗传治疗的研究也得到了进一步发展。这些疾病与基因印记、DNA的甲基化、组蛋白修饰等表观遗传过程相关。这些非DNA序列的改变导致了可遗传的表型变化，也引发了一些疾病的产生。本文就表观遗传学及其在医学方面的研究进展做一综述。 关键词：表观遗传；DNA甲基化；组蛋白修饰；基因印记；表观遗传治疗 The Impact of Epigenetics on Medical Abstract：With in-depth understanding of the epigenetics, mechanism of epigenetic disease and the study of epigenetic therapy has been further developed. These diseases are related to genomic imprinting , DNA methylation, histone modifications and other epigenetic processes. These non - DNA sequence changes lead to heritable phenotypic changes also led to the generation of a number of diseases . In this paper, epigenetics and its progress in medical research are reviewed . Keywords:epigenetics;DNA methylation; histone modifications; genomic imprinting;epigenetic therapy 在经典遗传学的理论中，遗传的分子基础是核酸，生命的遗传信息贮存在核酸的碱基序列上，几乎所有的生命活动都受基因调控，甚至人类的精神活动也与基因表达有关。但是作为开放的复杂系统，生命活动从来就不是由一种因素就能完全决定的。随着现代遗传学和生物信息学的发展，人们发现，不仅DNA序列包含遗传信息，而且DNA、组蛋白或染色体水平的修饰也会造成基因表达模式的改变，并且这种改变和经典的遗传信息一样可以遗传，基因能否表达往往受这些修饰的调控。这种通过有丝分裂或减数分裂来传递非DNA序列遗传信息的现象称为表观遗传（epigenetic inheritance）。表观遗传学（epigenetics）是研究不涉及DNA序列改变的基因表达和调控的可遗传修饰，即探索从基因演绎为表型的过程和机制的一门新兴学科，它的诞生对经典遗传学说做了很好的补充。 表观遗传学已经成为生命科学研究关注的前沿，它对全国揭示基因组的功能，阐述人类的遗传机制将有重大贡献，必将在功能基因组的研究中扮演越来越重要的角色。高等生物个体中不同类型细胞的基因型是相同的，然而它们的表型差异很大，这表明不同类型的细胞之间存在着基因表达模式的巨大差异，这种差异是由表观遗传修饰的不同造成的。通过细胞分裂来传递和稳定地维持具有组织和细胞特异性的基因表达模式对于整个机体的结构和功能协调是至关重要的，它决定着机体生长发育及内外作用下的自稳平衡。由于它不涉及基因序列的改变，不符合孟德尔式遗传的遗传方式，是一种全新的遗传机制。研究表明，各种表观遗传现象不仅能独立遗传，而且它们之间也存在着复杂的相互关系，它们当中的某个环节被打乱就可能导致基因的表达异常或沉寂，导致机体的功能障碍和疾病的发生。表观遗传机制的揭示不仅加深对遗传机制的认识，具有重大理论意义，而且具有重大的应用价值。 在过去的几十年中，人们发现几种表观遗传调节以及表观遗传特征变化同多种疾病相关。通常地说，表观遗传相关疾病的遗传特点不能用精确遗传方式来完全解释。表观遗传疾病也表现出遗传印记。例如孕期母体的食谱以及其他作用于孕期子宫的因素能影响到子代成年后发育或疾病。由于DNA甲基化在长时间中的错误不断积累，受到表观遗传影响的疾病主要包括几种癌症，例如乳腺癌、肝癌、肺癌、结肠癌、2型糖尿病、肠道疾病和心血管疾病。 1 表观遗传学与代谢类综合征 近些年在全世界范围内出现了代谢综合征——包括葡萄糖和胰岛素代谢紊乱，过多的腹部
第3章遗传的分子基础第5节生物体存在表观遗传现象 1．可遗传变异是生物的遗传物质发生改变而导致的变异,但是科学家却发现一些特别的变异：虽然DNA的序列没有改变,但是变异却可以遗传给后代,把这种现象称为表观遗传.下列关于基因和性状的关系说法错误的是（） A．基因可以通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状,也可以通过控制酶的合成来控制代谢过程进而控制生物体的性状 B．基因与基因,基因与基因产物,基因和环境之间相互作用,共同调控生物的性状 C．表观遗传中,核内遗传物质在亲子代之间传递不再遵循孟德尔遗传规律 D．表观遗传的一种解释：基因在转录和翻译过程中发生了一些稳定性的改变 【答案】C 【解析】 A、基因可以通过控制蛋白质的结构直接控制生物体的性状,也可以通过控制酶的合成来控制代谢过程进而控制生物体的性状,A正确； B、基因与基因,基因与基因产物,基因和环境之间相互作用共同调控生物的性状,B正确； C、表观遗传中,核内遗传物质在亲子代之间传递仍然遵循孟德尔遗传规律,C错误； D、生物体基因的碱基序列保持不变,但基因表达（转录和翻译）过程中发生变化导致表型发生可遗传变化的现象,叫作表观遗传,D正确. 故选C. 2．下列关于表观遗传的说法不正确的是（） A．表观遗传的分子生物学基础是DNA的甲基化等 B．表观遗传现象中,生物表型发生变化是由于基因的碱基序列改变 C．表观遗传现象与外界环境关系密切 D．DNA甲基化的修饰可以遗传给后代,使后代出现同样的表型 【答案】B 【解析】 AB、表观遗传是指生物体基因的碱基序列保持不变,但基因表达和表型发生可遗传变化的现象.这一现象出现的原因是DNA的甲基化、染色体上的组蛋白发生甲基化等,A正确,B错误； C、外界环境会引起细胞中DNA甲基化水平变化,从而引起表观遗传现象的出现,C 正确； D、DNA甲基化的修饰可以通过配子传递给后代,使后代出现同样的表型,D正确. 故选B. 3．研究表明：长翅果蝇幼虫在25℃的环境中培养,最终都表现为长翅.而将卵化后4~7天的长翅果蝇幼虫在35~37℃环境下处理6~24小时后,得到了某些残翅果蝇.此实验说明（） A．此现象为静观遗传的体现 B．低温诱导果蝇的遗传物质改变
表观遗传学 摘要： 表观遗传学是研究基因的核苷酸序列不发生改变的情况下，基因表达了可遗传的变化的一门遗传学分支学科。表观遗传的现象很多，已知的有DNA甲基化（DNA methylation），基因组印记（genomic impriting），母体效应（maternal effects），基因沉默（gene silencing），核仁显性，休眠转座子激活和RNA编辑（RNA editing）等。 表观遗传学是研究基因的核苷酸序列不发生改变的情况下，基因表达了可遗传的变化的一门遗传学分支学科。表观遗传的现象很多，已知的有DNA甲基化（DNA methylation），基因组印记（genomic impriting），母体效应（maternal effects），基因沉默（gene silencing），核仁显性，休眠转座子激活和RNA编辑（RNA editing）等。 目录[隐藏] ? 1 简介 ? 2 染色质重塑 ? 3 基因组印记 ? 4 染色体失活 ? 5 非编码RNA 表观遗传学简介 表观遗传学 表观遗传学是与遗传学(genetic) 相对应的概念。遗传学是指基于基因序列改变所致基因表达水平变化，如基因突变、基因杂合丢失和微卫星不稳定等；而表观遗传学则是指基于非基因序列改变所致基因表达水平变化，如DNA甲基化和染色质构象变化等；表观基因组学(epigenomics)则是在基因组水平上对表观遗传学改变的研究。
所谓DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶的作用下，在基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶5'碳位共价键结合一个甲基基团。正常情况下，人类基因组“垃圾”序列的CpG二核苷酸相对稀少，并且总是处于甲基化状态，与之相反，人类基因组中大小为100—1000 bp左右且富含CpG二核苷酸的CpG岛则总是处于未甲基化状态，并且与56％的人类基因组编码基因相关。人类基因组序列草图分析结果表明，人类基因组CpG岛约为28890个，大部分染色体每1 Mb就有5—15个CpG 岛，平均值为每Mb含10．5个CpG岛，CpG岛的数目与基因密度有良好的对应关系[9]。由于DNA甲基化与人类发育和肿瘤疾病的密切关系，特别是CpG岛甲基化所致抑癌基因转录失活问题，DNA甲基化已经成为表观遗传学和表观基因组学的重要研究内容。 表观遗传学染色质重塑 依赖的染色质重塑与人类疾病 表观遗传学重塑 染色质重塑复合物依靠水解ATP提供能量来完成染色质结构的改变，根据水解ATP的亚基不同，可将复合物分为SWI/SNF复合物、ISW复合物以及其它类型的复合物。这些复合物及相关的蛋白均与转录的激活和抑制、DNA的甲基化、DNA 修复以及细胞周期相关。 ATRX、ERCC6、SMARCAL1均编码与SWI/SNF复合物相关的ATP酶。ATRX突变引起DNA甲基化异常导致数种遗传性的智力迟钝疾病如：X连锁α-地中海贫血综合征、Juberg-Marsidi综合征、Carpenter- Waziri综合征、Sutherland-Haan综合征和Smith-Fineman-Myers综合征，这些疾病与核小体重新定位的异常引起的基因表达抑制有关。ERCC6的突变将导致Cerebro-Oculo-Facio-Skeletal综合征和B型Cockayne综合征。前者表现为出生后发育异常、神经退行性变、进行性关节挛缩、夭折；后者表现出紫外线敏感、骨骼畸形、侏儒、神经退行性变等症状。这两种病对紫外诱导的DNA损伤缺乏修复能力，表明ERCC6蛋白在DNA 修复中有重要的作用。SMARCAL1的突变导致Schimke免疫性骨质发育异常，表
1 植物多倍化过程中的表观遗传现象 表观遗传变异是指基因表达改变但不涉及DNA 序列的变化。也就是在整个生命过程中,表观遗传变异能在不改变DNA 序列的情况下,在碱基序列外的各种修饰和与之相关的各种蛋白质或RNA 的协同作用下,调控基因的表达,以完成生命周期或适应环境变化,而且这种变化还能在代与代之间传递。就目前的研究来看,表观遗传现象主要包括基因沉默、DNA 甲基化、核仁显性、转座因子激活和基因组印记等多个方面。 (1) 基因沉默 基因沉默是指基因组中的基因由于受遗传或表观遗传因素的影响表达降低或完全不表达的现象。1990 年Napoli 等在研究转查尔酮合成酶(chalconesyntha se ,CHS) 基因chs 的矮牵牛植株中发现,由于外源的chs 基因不能表达,内源的chs 基因表达也发生了沉默。自从植物中发现了基因沉默以来,陆续在线虫、真菌、昆虫、原生动物以及小鼠中也发现了基因沉默的现象。目前的研究认为基因沉默可分为两类: 一是由于外源基因插入基因座两侧的DNA 或插入特定的染色质部位对插入的基因起到抑制的位置效应(po sition effect) ;二是由于多拷贝的外源基因存在于同一染色体中而诱发的表观遗传现象,由于是同源或互补的序列所诱导,也称为同源依赖的基因沉默( homology dependent gene silencing ,HDGS) 。Comai 严格地将由表观遗传因素引发无效等位基因(null allele) 的过程称为基因沉默,认为这主要是多倍体基因组中基因表达调控方式改变的结果,不涉及DNA 序列的变化;而将由于突变导致基因失去表达活性的现象称为基因失活(gene inactivation) ,认为这是假基因化的过程。Galili 等通过研究普通小麦(AABBDD) 不同倍性植株胚乳中所包含的蛋白种类,发现D 基因组对A 或B(或A 和B) 基因组某些基因的表达具有抑制作用,D 基因组的存在会使这些基因的表达水平降低或完全不表达,表现基因沉默的现象。大量的研究表明,环境因子、发育因子、DNA 修饰、组蛋白乙酰化程度、基因拷贝数、生物的保护性限制修饰以及基因的过度转录等都与基因沉默有关。 (2) DNA 甲基化 DNA 甲基化(DNA methylation) 是活体细胞中最常见的一种DNA 共价修饰形式,它通常发生在基因5′端的5′Cp G3′(偶尔为5′CpNp G3′) 的胞嘧啶碱基上。一般情况下,胞嘧啶甲基化的频率在人类及高等植物中分别可达4 %和36 %。甲基化修饰在基因表达、植物细胞分化以及系统发育中起着重要的调节作用。 在植物中,基因组DNA 甲基化主要限于转座因子和其他的重复序列,基因甲基化模式的改变可以影响植物的花期、育性、花及叶片的形态等。小麦远缘杂种F1 基因组中存在着与亲本不同模式的胞嘧啶甲基化,而不同模式DNA 甲基化的频率可达13 %;在小麦-黑麦杂种、拟南芥属Arabidopsis 异源多倍体中也观察到与此相同的现象。Cao 等报道在植物Arabidop sis thaliana 中,DRM(Domains Rearranged Methyla se ) 和CMT3 ( Chromomethylase3) 甲基转移酶基因的共同作用控制着非对称的特异基因座和CpNp G的甲基化。李旭刚等在利用农杆菌介导将β-葡萄醛酸酶(uidA) 基因导入烟草时,发现部分外源uidA 基因转录失活,这可能是由于启动子区域甲基化而引起。已有的研究表明,植物多倍体甲基化模式改变涉及的序列有低拷贝序列、重复序列(如反转座子) 、启动子、rRNA 基因、转录因子、抗病基因、代谢相关基因及细胞周期调控基因等。 (2)蛋白编码基因的快速沉默 表观遗传修饰和核仁显性的早期研究认为:在植物杂交及异源多倍化时,核糖体基因的高度重复可能诱发了蛋白编码基因的表观遗传变化- 快速沉默。这种猜测在几种模式植物中已被证实。Comai 及他的同事们在利用Arabidop sis thaliana (2n = 2x = 26) 和C. areno sa (2n = 4x = 32) 合成人工异源多倍体的两项研究显示,异源四倍体的形成引发部分转录子发生表观遗传式的快速基因沉默,包括具有不同生物学功能的不同种类的基因。现在看来至少有些沉默事
表观遗传调控与肿瘤形成的分子机制 摘要染色质发生改变与肿瘤的发生、发展的各个阶段密切相关。特征性地表现在表观遗传调控引起基因转录沉默，转录沉默与调控细胞重要功能基因的启动子甲基化相关。最近发现在肿瘤发生早期，表观遗传的改变首先引起肿瘤细胞的信号传导途径发生改变，由于信号通路改变促使细胞信号途径中其他基因突变，由此细胞获得选择优势促进肿瘤的发生和发展。逆转表观遗传调控的基因沉默有可能应用于肿瘤的干预和治疗。 通常认为肿瘤是由渐进性的遗传异常驱动的一种疾病，这些遗传异常包括肿瘤抑制基因与致癌基因突变和染色体异常。然而，肿瘤显然也是由表观遗传改变引起的一种疾病，表观遗传是指不引起基因序列改变的可遗传改变，这种改变影响基因表达的变化。表观遗传的变化包括DNA甲基化的丢失、获得，以及组蛋白修饰的改变。目前发现越来越多的肿瘤抑制基因和潜在的肿瘤抑制基因在转录水平上被抑制，这种抑制与DNA甲基化水平改变相关。通过这种沉默机制，肿瘤细胞中的肿瘤抑制基因的表达降低或者完全消除，这可能也是遗传变异的一种替代机制。 人们越来越清楚的认识到表观遗传改变对于肿瘤发生的重要性，该领域的研究已经从研究经典的肿瘤抑制基因沉默的影响发展到根据启动子区域是否高甲基化来寻找可能的肿瘤抑制基因，甚至已经开始研究肿瘤细胞整个基因组或者基因组上某一特定区域的甲基化和染色质状态的改变。最近的研究表明在肿瘤形成的早期，表观遗传的改变会引起癌前细胞的扩增。这部分细胞最先是发生表观遗传的改变，表观遗传的改变决定了随后的遗传改变，遗传改变则促使这些克隆恶变。基因组的甲基化模式已经用于肿瘤分型、肿瘤危险评估、早期检测、监控和诊断的标志以及评估肿瘤易感性或治疗后反应的指标。 概要 ●表观遗传调控的基因沉默是癌症中基因功能缺失的一个重要的机制，这种基因沉默与启动子甲基化的异常及转录抑制相关。 ●表观遗传调控的基因沉默发生在人类肿瘤发生的早期（发生转移前的病灶），干扰或激活关键的信号通路。 ●肿瘤早期发生的基因沉默事件，通过使关键的细胞信号通路改变，促使细胞发生异常的早期克隆性扩增。 ●早期的基因沉默事件有可能诱导细胞依赖某一癌症相关细胞信号通路，并使得遗传变异在统一信号通路中累积，从而促使肿瘤的发 生发展。 沉默的基因 肿瘤细胞基因组呈现出整体甲基化水平降低和基因启动子特异性的甲基化水平升高的状态。最近的一些综述针对甲基化水平升高如何调控转录水平上基因沉默的机制进行了讨论。目前还不清楚肿瘤恶化过程中基因组整体甲基化水平为何降低，但是整体甲基化水平降低可能会引起基因组不稳定、染色质结构改变以及一些基因表达上升。目前的研究主要集中在启动子的甲基化和随后的基因表达降低，这些变化对于肿瘤生物学的影响变得越来越明显。在肿瘤细胞中许多基因是由于表观遗传修饰而丧失功能，而不是通过遗传缺失。 在研究人结肠癌细胞株HCT116中发现，遗传改变和表观遗传调控的基因沉默共同决定了肿瘤细胞的表型。HCT116细胞中一些基因发生了突变，肿瘤抑制基因失活而致癌基因被激活，这就导致了关键的信号通路和细胞的功能发生紊乱（表1）。这些基因突变包括MLH1和p16蛋白的基因，其表达产物分别调控错配修复和cyclin D-RB1控制的细胞周期途径。发生突变的基因还有转化生长因子βⅡ受体（TGFβ2R），该基因的突变导致影响细胞分化的信号通路失调。并且，HCT116细胞中还有一些基因因突变而激活，比如β-catenin，最终导致Wnt信号的持续激活和细胞增殖。 然而，除了这些特异性的基因突变，在这些细胞中还发现至少14个表观遗传调控沉默的基因。当用DNA去甲基化药物处理细胞或者沉默编码DNA甲基转移酶的基因后，受表观遗传调控沉默的基因又能够重新被激活。这些基因重新激活则导致细胞表型发生改变，包括减少增殖、诱导凋亡（表1）。此外，在HCT116细胞中MLH1和CDKN2A（编码p16蛋白）基因同时发生表观遗传异常和遗传异常。当细胞中这些基因的一个等位基因发生突变，那么野生型的等位基因则由于甲基化水平升高而沉默。因此，在肿瘤细胞中，遗传和表观遗传的改变共同阻止一些功能性的基因表达。 HCT116细胞中表观遗传和遗传改变共同发生作用的情况还出现在Wnt信号途径中。在Wnt信号通路中frizzled相关基因家族的四个成员（SFRP1、SFRP2、SFRP3和SFRP4）编码分泌型Wnt拮抗蛋白，在HCT116细胞中，这四个基因被表观遗传调控而沉默，导致Wnt信号异常激活，这一现象甚至在β-catenin发生激活性突变的细胞中发生。另外，编码转录因子GATA4和GATA5的基因以及它们下