3.5生物体存在表观遗传现象课件-2023-2024学年高一下学期生物浙科版必修2

表观遗传效应 表观遗传描述了核酸不同状态的能力，这种能 力可产生不同的表型后果，且在不改变DNA 序列的 情况下遗传下去。 这意味着在某一可控制效应的基因座上拥有相 同DNA 序列的两个个体可表现出不同的表型。 一、什么是表观遗传效应 1.染色质重塑； 2.组蛋白修饰； 3.DNA 甲基化； 4.非编码RNA的作用； 5.蛋白质聚集体控制新亚基构象； 二、表观遗传效应的类型 1、染色质重塑(异染色质) A Normal Ce Cancer Ce Heterochroma 核小体致 密化 Nucleosom ccessibilit 某些染色体或染色体的某 些部分染色质丝包装折叠紧密 具有强嗜碱性，染色深。与常 染色质相比，异染色质是转录 不活跃的部分。 histor ene activatio RNA transcripts Euchromatin or silencing 异染色质分为结构异染色质和功能异染色质两种类型。 结构异染色质是指各类细胞在整个细胞周期内处于凝集状 态的染色质，多定位于着丝粒区、端粒区，含有大量高度重复 顺序的脱氧核糖核酸(DNA), 称为卫星DNA(satellite DNA)。 功能异染色质只在一定细胞类型或在生物一定发育阶段 凝集。 异染色质的形成与特 定蛋白质结合到染色质上 有关，例如哺乳动物中的 HP1蛋白、酵母中的SIR 复合体等。 染色质的凝聚使得基 因表达所需装置不能进入。 活性基因 异染色质 异染色质扩展 失活基因 基 因 活性基因 失活基因 活性 1930年，缪勒诱变获得花斑眼果蝇，原因是红眼基因 所在染色体片段易位到异染色质旁边。不同细胞表型不同， 说明染色质非活性结构延伸长度是随机的。 雌性哺乳动物胚胎发育过程中，细胞中的两条X染色体 会随机失活一条。这是一种剂量补偿效应。 哺乳动物X染色体整体异染色质化 为什么红绿色盲 和血友病没有表现出 杂合子性状差异呢? 基因型同为XHXh的 三色猫 2、组蛋白修饰 · 组蛋白的N 端延伸至核小体以外，会受到不同的化学修饰。 · 被组蛋白覆盖的基因如果要表达，首先要改变组蛋白的修饰 状态，使其与DNA 的结合由紧变松，这样靶基因才能与转录 基因可以表达 基因 组蛋白尾巴 DNA 紧绕组蛋白， 基因无法表达 复合物相互作用。 组蛋白 组蛋白修饰种类 ●乙酰化--一般与活化的染色质构型相关联，乙酰化 修饰大多发生在H3、H4 的 Lys 残基上。 ●甲基化--发生在H3、H4 的 Lys 和 Arg 残基上，可 以与基因抑制有关，也可以与基因的激活相关，这往 往取决于被修饰的位置和程度。 ●磷酸化--发生与 Ser 残基，一般与基因活化相关。 ●泛素化--一般是C端Lys修饰，启动基因表达。 ●SUMO (一种类泛素蛋白)化--可稳定异染色质。 ●其他修饰(如ADP 的核糖基化) □ A. 异染色质沉默：组蛋 白去乙酰化；甲基化 H3K9; 招 募HPi; 形成 异染色质 □ B. 常染色质沉默：转录 因子E2F通过Rb招募 HP1-Suv29h1; Suv29h1甲基化H3K9; HP1 与H3K9 结合，沉默 基因的表达 异染色质与常染色质的组蛋白修饰相关基因沉默 K9-Ao HDAC Suv39h1 or clr4 K14-Ao H3 K Deacetylation H3 K Mothylation E2F (1-5) E2F Suv39h1 Rb Tranacription Factor Binding 力 Rb Complex Reoruitment H3 HP1 Self-association 力 力JJ JlH³KON atsyaton K9 力 HP1 Binding M _ Suv39ht Hp E2F Suv39ht t E2F Ab Suv39h1 E2F Kg I H3 K9-CHta Rccognition A ei i romatin ng ch enc tero K9-CH₃ HP1 Euchromatin siloncing Rb Rb 低温 26Sprotecmoro peb( Den FXI FLC失活 开花 未经低温处理时， FLC转录起始位点 H3K4me3, 排斥HP1, 处于活化状态。 低温诱导VRN1、 VRN2 等蛋白质将FLC所 在部位组蛋白脱乙酰化 和甲基化，FLC 失活。 一个组蛋白修饰导致基因失活的实例——春化作用 春化作用 2018年，中科院植物所种 康院士团队发现VRN3 基因的 H3K4me3 和H3K27me3 的 变 化使得VRN3在开花调控网络 中成为整合春化和光周期两种 环境信号的节点。 023010) 7 adsgte650 AGda0ssd2017 ag09 we LD Toe 78600 eM 0) wN2 ndsgtooto A1ndgp 405 FDU2ar 2p2 20) cOFraastg727105 ra32g⁴8057) o rad302500 PHr8(Bradtg p043 300 A Tecd 57 s6 159 00) OPI @rad0g57007 Autonomous 三Ynoom) FCA o24006z PH0A Bnd1g10520) cAr 0 465201 ic adOg⁴204) ct 00rad7g50050) VRN3 GA2 os1g00950) AP1(VNha u⁰) Flowering 2n o ro 00g LUXBms2062067) Vernalization F(Bras1g01520) AOL19(Bod3g92090) AOu2(Bdu 5520 0 w2ast w 003 c2 suuag³00 M 7040 52 GA 0ELUA Bras1g110 09 nocha00 n nod 8 4 g1830 Bad2g57940 co 1 2052 000 1000 pR 5ng90077 Aat6630) 4040) X g60350) comi vP 1g72160 0) o) 0 PRR37Vpdn(Bradlg164901 sgs7647) w w o4L DHE@ 3、DNA 甲基化 在结构基因的5′端启动子区域，CpG 二连核苷常常以成簇 串联形式排列，该区域称为CpG 岛，大小为500-1000bp, 约 56%的编码基因含该结构。CpG 岛是甲基化的主要位点，5mC 会直接阻碍转录因子与DNA 的结合，还会与一些蛋白质形成转 录抑制复合物，导致基因沉默。卫星DNA 是另一靶位点。 胞嘧啶 5-甲基胞嘧啶 0 The two main components DNA methylation Methyl marks added to certain DNA bases repress gene activity. Histone modification A combination of different Chromosome M e Me Histone tails Histones molecules can attach to the 'tails' of proteins called histones.These ed i yd . DNA them of the arou activ pe th p r wra alte of the epigenetic code 小鼠agouti 基因编码agouti 信号肽， 在毛发生长周期第4-6天集中表达，竞 争性结合毛囊黑素细胞刺激激素受体， 毛囊黑素细胞在这段时间转而合成黄 色色素，导致毛末梢附近有黄色环带， 小鼠呈胡椒面色。agouti 基因座的显 性突变Av 基因是在第1外显子前插入一 段强启动子，持续表达，导致小鼠通 体黄色。若Ay 基因甲基化，AVVA型小 鼠会表现为胡椒面色与黄色之间的一 系列中间色。 DNA 甲基化导致基因失活的实例——小鼠agouti毛色 or L hpRNA Dicer siRNA duplexes Ago OH RISC RISC formation amplification of siRNA siRNA/RISC complex RISC —5'Target mRNA siRNA/mRNA complex 一 一 一 4、非编码RNA的作用——RNAi Degraded target mRNA( silencing) RdRP-mediated Recycling of dsRNA RISC 3'- 酵母普里昂(prion): 酵母psi基因编码翻译终止蛋白， [psi-]型正常，[PSI+]型翻译终止异常， 在终止密码阻遏物作用下致死。 二者杂交，子代几乎都为[PSI+]型。 [psi-]型酵母中，翻译终止蛋白分散分 布，而[PSI+]型酵母中，翻译终止蛋白成簇 分布，形成类淀粉的纤维结构。 psi"蛋 白 PSI*蛋白 体外转变 掺入到脂质体 将脂质体与psi 酵母融合 酵母维持在psi 酵母转变成PSr 88 5、蛋白质聚集体控制新亚基构象 “我们还未完全明白在体细胞的有丝分裂中表 观遗传变化是如何被遗传的，但是我们清楚它确实 发生。令人奇怪的是，几个证据提示表观遗传效应 也可能跨代传递，这一过程称为跨代表观遗传 (P920)” 、表观遗传效应的传递 1 、表观遗传修饰通过有丝分裂传递 DNA 甲基化可在有丝分裂的亲子代细胞 M 维持甲基 化酶 Me 半甲基化位点 间延续 Me Me 0 全甲基化位点 DNA复 制 1 、表观遗传修饰通过有丝分裂传递 DNA 甲基化可在有丝分裂的亲子代细胞 间延续 全甲基化位点 异染色质化可在有丝分裂的亲子代细胞间延续 7 1 上 工 共 反 西 曰TH-11I 共 名 性，从而影响下游编码区的表达。更有趣的是人们 发现给怀孕的 aa 基因型母鼠食物中添加叶酸(folic acid)、维生素B12(Vitamin B12)、胆碱(Choline)、甜 菜碱(Betaine)、金雀黄素(Genistein)等富含甲基的添 加剂，出生的Aa 杂合体小鼠的毛色会出现不同程 度的agouti 毛色，有的 Aa 杂合体小鼠甚至完全呈 现 agouti毛色(假agouti)。经过研究发现这种转变是 由于Aa 杂合体小鼠在胚胎发育的早期A 基因上 Ay 基因甲基化的跨代传递： “胡椒面色母鼠更易于生出胡椒面色 2、DNA 甲基化的跨代传递 CpG 甲基化明显增加[28],该处的组蛋白H3 和 H4 去 后 专 “当原始生殖细胞在胚胎中发育时，以前的甲 基化都被抹去，随后所有基因就处于非甲基化状态。 在精母细胞中，确定成熟精子特征性的甲基化模式； 卵细胞通过减数分裂成熟时，在卵子发生过程中确 定母系模式。“(P915) 小鼠胚胎发育早期父母甲基化修饰的擦除 基因组印记 “小鼠成对胰岛素样生长因子IGF-II基 因中，总是来自母系的一个被甲基化，来自 父系的一个表达“”IGF-IIR显示了相反的表 达模式(母系拷贝的表达)” ”这些性别特异的遗传模型需要在配子 发生时特异性地确定甲基化模式。” “印记基因占到了哺乳动物转录组的1%-2%” (P916) 下一代配子 雌性产生卵子 Me Me 或 Me Me 甲基基团 Me 失活的 Me 活性的 胚胎 母系等位基因 父系等位基因 雄性产生精子 或 $$