分子細(xì)胞生物學(xué)-7-基因表達(dá)調(diào)控與表觀遺傳學(xué)

基因表達(dá)調(diào)控與表觀遺傳學(xué)基因表達(dá)調(diào)控——基因表達(dá)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(xì)胞水平個(gè)體水平真核基因表達(dá)調(diào)控——基因表達(dá)概述基因表達(dá)的時(shí)間特異性基因表達(dá)的階段與組織特異性珠蛋白的時(shí)空表達(dá)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(dá)調(diào)控——轉(zhuǎn)錄前調(diào)控染色體丟失：

馬蛔蟲生殖細(xì)胞全基因組，而體細(xì)胞基因組部分丟失

紅細(xì)胞細(xì)胞核丟失

原生動(dòng)物四膜蟲

大核（營(yíng)養(yǎng)核基因丟失）、小核（生殖核）基因擴(kuò)增：

卵母細(xì)胞（非洲爪蟾）

rDNA（200拷貝）→在減數(shù)分裂期Ⅰ大量復(fù)制→200萬(wàn)rDNA拷貝真核基因表達(dá)調(diào)控——轉(zhuǎn)錄前調(diào)控基因重排真核基因表達(dá)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(dá)調(diào)控——轉(zhuǎn)錄前調(diào)控甲基化與去甲基化真核基因表達(dá)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(dòng)子（promotor）RNA聚合酶結(jié)合并起動(dòng)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(zhǎng)度TATAboxTATAAAATBP30,000～10bpGCboxGGGCGGSP-1105,000～20bpCAATboxGGCCAATCTCTF/NF160,000～22bpOctamerATTTGCATOct-176,000～10bpkBGGGACTTTCCNFkB44,000～10bp真核基因表達(dá)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(qiáng)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(dòng)子，與啟動(dòng)子位置可遠(yuǎn)近、方向可正反，增強(qiáng)效應(yīng)，有組織或細(xì)胞特異性。真核基因表達(dá)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(yuǎn)距離發(fā)揮作用，并可對(duì)異源基因的表達(dá)起作用。真核基因表達(dá)調(diào)控——轉(zhuǎn)錄水平上的基因調(diào)控增強(qiáng)子（enhancer）研究技術(shù)真核基因表達(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(dá)調(diào)控——轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)節(jié)mRNA的選擇性運(yùn)輸

海膽囊胚細(xì)胞中有20000種hnRNA，而僅有13000種mRNA；成體腸細(xì)胞中有25000種hnRNA，而僅有3000種mRNA。真核基因表達(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(dá)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(xué)——現(xiàn)象表觀遺傳學(xué)——現(xiàn)象奧利維亞（左）與伊莎貝拉表觀遺傳學(xué)——現(xiàn)象杰克·阿姆斯壯和湯姆·阿姆斯壯表觀遺傳學(xué)——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(xué)——現(xiàn)象Epigeneticdifferences：monozygotictwins表觀遺傳學(xué)——環(huán)境對(duì)表型的作用研究JirtleRWaterlandRA

由于Agouti基因(A)編碼一種旁分泌的信號(hào)分子能使毛囊黑色素細(xì)胞從合成黑色素轉(zhuǎn)為合成黃色素，因此在鼠毛生長(zhǎng)的中間階段，A基因的一過(guò)性短暫表達(dá)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(xué)——環(huán)境對(duì)表型的作用研究

在A基因5’端上游插入了一個(gè)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(dòng)子調(diào)控而持續(xù)異位表達(dá)，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(xué)——環(huán)境對(duì)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(shí)驗(yàn)對(duì)象。孕鼠分為兩組，試驗(yàn)組孕鼠除喂以標(biāo)準(zhǔn)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(bǔ)充飼料，而對(duì)照組孕鼠只喂飼標(biāo)準(zhǔn)飼料。結(jié)果實(shí)驗(yàn)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(duì)照組孕鼠的仔鼠大多數(shù)為黃色。表觀遺傳學(xué)——概念表觀遺傳(epigeneticinheritance)：通過(guò)有絲分裂或減數(shù)分裂來(lái)傳遞非DNA序列信息的現(xiàn)象。表觀遺傳學(xué)(epigenetics)：則是研究不涉及DNA序列改變的基因表達(dá)和調(diào)控的可遺傳變化的?；蛘哒f(shuō)是研究從基因演繹為表型的過(guò)程和機(jī)制的一門新興的遺傳學(xué)分支。

可遺傳的，即這類改變通過(guò)有絲分裂或減數(shù)分裂，能在

細(xì)胞或個(gè)體世代間遺傳；可逆性的基因表達(dá)調(diào)節(jié)，也有較少的學(xué)者描述為基因活性或功能的改變；沒(méi)有DNA序列的改變或不能用DNA序列變化來(lái)解釋。表觀遺傳學(xué)——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(xué)。

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

不同的表型表觀遺傳學(xué)——遺傳學(xué)與表觀遺傳學(xué)的區(qū)別表觀遺傳學(xué)——調(diào)控機(jī)制組蛋白修飾2RNA調(diào)控3DNA甲基化1表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)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(jià)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(xué)調(diào)控機(jī)制——DNA甲基化表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)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(xué)調(diào)控機(jī)制——DNA甲基化CH3DNA復(fù)制酶CH3CH3CH3DNA甲基轉(zhuǎn)移酶CH3CH3CH3CH3DNA復(fù)制后甲基化型的維持表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制——DNA去甲基化主動(dòng)去甲基化表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制——DNA去甲基化復(fù)制相關(guān)的去甲基化表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制——甲基化的轉(zhuǎn)錄調(diào)控直接抑制基因表達(dá)表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制——甲基化的轉(zhuǎn)錄調(diào)控間接抑制基因表達(dá)MeCP1andMeCP2能夠與甲基化的DNA結(jié)合；MeCP2能夠招募Sin3a,HDACs，形成復(fù)合物，阻遏轉(zhuǎn)錄。表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制——甲基化的轉(zhuǎn)錄調(diào)控間接抑制基因表達(dá)表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制——組蛋白的化學(xué)修飾染色質(zhì)的一級(jí)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(xì)胞核的染色質(zhì)作電鏡觀察。表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制——組蛋白的化學(xué)修飾染色質(zhì)的一級(jí)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(shí)驗(yàn)——5000bpSV40噬菌體DNA與組蛋白混合，獲得23個(gè)顆粒。表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制——組蛋白的化學(xué)修飾染色質(zhì)的一級(jí)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(gè)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(xué)調(diào)控機(jī)制——組蛋白的化學(xué)修飾染色質(zhì)構(gòu)型和基因轉(zhuǎn)錄的關(guān)系表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制——組蛋白的化學(xué)修飾組蛋白化學(xué)修飾表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制——組蛋白的化學(xué)修飾組蛋白化學(xué)修飾乙?；谆姿峄核鼗疭UMO表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制——組蛋白的化學(xué)修飾組蛋白乙酰化通常發(fā)生在蛋白質(zhì)的賴氨酸(K)上；可逆的生化反應(yīng)：A.Histoneacetyltransferase，HAT(>30)B.Histonedeacetylase,HDAC(18)分子效應(yīng)：中和賴氨酸上的正電荷，增加組蛋白與DNA的排斥力生物學(xué)功能：

A.基因轉(zhuǎn)錄活化B.DNA損傷修復(fù)表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制——組蛋白的化學(xué)修飾

組蛋白乙?；概c復(fù)合體表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制——組蛋白的化學(xué)修飾

組蛋白去乙?；概c復(fù)合體表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制——組蛋白的化學(xué)修飾表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制——組蛋白的化學(xué)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(yīng)：增加賴氨酸上的疏水力生物學(xué)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(xué)調(diào)控機(jī)制——組蛋白的化學(xué)修飾表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制——組蛋白的化學(xué)修飾組蛋白乙?；⒓谆约癉NA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(wú)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(duì)基因長(zhǎng)期沉默。表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制——組蛋白的化學(xué)修飾轉(zhuǎn)錄狀態(tài)向沉默狀態(tài)轉(zhuǎn)變表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制——組蛋白的化學(xué)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(xué)調(diào)控機(jī)制——組蛋白的化學(xué)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(yīng)：相關(guān)酶（E1，E2&E3，DUBs）

分子效應(yīng)：小蛋白質(zhì)，可能改變底物的結(jié)構(gòu)生物學(xué)功能：蛋白質(zhì)降解表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制——組蛋白的化學(xué)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(xué)調(diào)控機(jī)制——組蛋白的化學(xué)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(yīng)：A.E1,E2,&E3；B.SENPs生物學(xué)功能：A.轉(zhuǎn)錄沉默B.抑制組蛋白的乙?；图谆碛^遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制——組蛋白的化學(xué)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(xué)延伸，決定了基因表達(dá)調(diào)控的狀態(tài)，并且可遺傳。表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制——ncRNA的調(diào)節(jié)作用lncRNA的表觀調(diào)控表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)制——ncRNA的調(diào)節(jié)作用小RNA的表觀調(diào)控表觀遺傳學(xué)調(diào)控機(jī)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(xué)調(diào)控機(jī)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(xué)調(diào)控機(jī)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(xué)的現(xiàn)象——基因組印跡表觀遺傳學(xué)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(dòng)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(xué)的現(xiàn)象——基因組印跡Angelman綜合征(AS)：表現(xiàn)為快樂(lè)的木偶、極愛(ài)傻笑、蹦蹦跳跳、極跳極停、嚴(yán)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(xué)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(gè)體發(fā)育中影響不同的現(xiàn)象。表觀遺傳學(xué)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(gè)印跡基因。

復(fù)制不同步性時(shí)間特異性：小鼠胚胎早期Igf2和Mash2為雙等位基因表達(dá)，胚胎

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

臟中無(wú)印跡?；虻谋Ｊ匦员碛^遺傳學(xué)的現(xiàn)象——基因組印跡的特征表觀遺傳學(xué)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(huì)導(dǎo)致某個(gè)抑癌基因的唯一有功能拷貝的丟失或不表達(dá)。

表觀遺傳學(xué)的現(xiàn)象——基因組印跡的遺傳表觀遺傳學(xué)的現(xiàn)象——基因組印跡的特征印跡基因在進(jìn)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(xiǎn)性。表觀遺傳學(xué)的現(xiàn)象——X染色體失活1949年MLBarr

英國(guó)學(xué)者Lyon1962年提出Barr小體的生物學(xué)意義：正常雌性動(dòng)物的細(xì)胞中的兩個(gè)X染色質(zhì)，一個(gè)在遺傳上失活，不能產(chǎn)生mRNA，并且DNA復(fù)制遲緩。雌性個(gè)體為嵌合體，父源和母源X染色質(zhì)失活是隨機(jī)的。在一個(gè)細(xì)胞中，一旦某條X染色質(zhì)失活，其子代細(xì)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(yīng)。表觀遺傳學(xué)的現(xiàn)象——X染色體失活