植物表观遗传调节模式课件.ppt

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1、关于植物表观遗传调节模式第1页，此课件共45页哦 经典遗传学认为，核酸是遗传的分子基础，生命的遗传信息经典遗传学认为，核酸是遗传的分子基础，生命的遗传信息储存在核酸的碱基序列。如人类基因组（储存在核酸的碱基序列。如人类基因组（genomegenome）有）有2000020000多个多个基因，但在成人体内的基因，但在成人体内的200 200 种左右细胞中每种细胞内都只有一部种左右细胞中每种细胞内都只有一部分特定基因会表达。通俗地说，每个个体内虽然所有细胞都含分特定基因会表达。通俗地说，每个个体内虽然所有细胞都含相同的遗传信息，相同的遗传信息，但由于基因表达模式不同，这些本来由同但由于基因表达模式

2、不同，这些本来由同一个受精卵分裂而成的细胞经过分化后成了具有不同功能和形一个受精卵分裂而成的细胞经过分化后成了具有不同功能和形态的细胞，从而组成了不同的组织和器官。态的细胞，从而组成了不同的组织和器官。这种这种DNA DNA 序列不发序列不发生改变的情况下，基因表达发生可遗传改变的现象，就被定义为生改变的情况下，基因表达发生可遗传改变的现象，就被定义为表观遗传（表观遗传（epigeneticepigenetic）现象。）现象。第2页，此课件共45页哦 在经典遗传学创立几十年后，在经典遗传学创立几十年后，Waddington 于于1942 年提出年提出表观遗传学的概念，并将其定义为研究生物发育机

3、制的学科。表观遗传学的概念，并将其定义为研究生物发育机制的学科。最初，人们认为表观遗传只是一种表型，但随着生命科学研究最初，人们认为表观遗传只是一种表型，但随着生命科学研究的发展，基因组学不能解释的问题越来越多，表观遗传学在这的发展，基因组学不能解释的问题越来越多，表观遗传学在这样的情况下不断发展。样的情况下不断发展。20 世纪世纪70 年代中期，人们对表观遗传的年代中期，人们对表观遗传的理解开始变化，理解开始变化，Holliday 对其进行了系统表述，即现在广为接受对其进行了系统表述，即现在广为接受的表观遗传学概念的表观遗传学概念研究非研究非DNA 序列变化所致的可遗传的序列变化所致的可遗传

4、的基因表达变化。基因表达变化。在分子生物学空前发展的形势下，在分子生物学空前发展的形势下，表观遗传学表观遗传学也在分子水平上得到了更为系统的研究，人们不仅发现了多种也在分子水平上得到了更为系统的研究，人们不仅发现了多种表观遗传修饰方式，而且探究了其错综复杂的生物学作用。表表观遗传修饰方式，而且探究了其错综复杂的生物学作用。表观遗传学现已成为生命科学领域的研究热点之一，形成了独立观遗传学现已成为生命科学领域的研究热点之一，形成了独立的分支学科。的分支学科。第3页，此课件共45页哦 表观遗传现象就是由表观遗传现象就是由环境因素环境因素引起的生物细胞内遗传物质变引起的生物细胞内遗传物质变化的结果。在

5、相当长一段时间内，表观遗传学的研究集中在化的结果。在相当长一段时间内，表观遗传学的研究集中在甲基化甲基化（methylationmethylation）、小）、小RNARNA（small RNAsmall RNA）和染色质重塑）和染色质重塑（chromatin remodelingchromatin remodeling）等方面。此外，许多论文中描述了等方面。此外，许多论文中描述了副突变（副突变（paramutationparamutation）、亲代印记（）、亲代印记（parental parental imprintingimprinting）、性别相关的基因剂量补偿效应（）、性别相关的基

6、因剂量补偿效应（gene gene dosage compensation effectdosage compensation effect）和转基因沉默（）和转基因沉默（transgene transgene silencingsilencing）等）等典型的表观遗传现象。典型的表观遗传现象。第4页，此课件共45页哦 表观遗传学的调节机制主要包括表观遗传学的调节机制主要包括:（1）DNA 甲基化（甲基化（DNA methylation）；）；（2）组蛋白修饰（）组蛋白修饰（histone modification）；）；（3）非编码）非编码RNA（noncoding RNA，ncRNA）作用

7、等。）作用等。这些调节模式易受环境影响，因此表观遗传学更加关注环境诱导的这些调节模式易受环境影响，因此表观遗传学更加关注环境诱导的表观遗传变异。表观遗传变异。第5页，此课件共45页哦1 1 表观遗传调节模式表观遗传调节模式1.1 DNA 甲基化及其生理生化效应甲基化及其生理生化效应 DNA 高度甲基化首先会影响高度甲基化首先会影响DNA结构，进而阻遏基因转录，引起基结构，进而阻遏基因转录，引起基因沉默。因沉默。真核细胞内甲基化状态有真核细胞内甲基化状态有3 种：种：持续的低甲基化状态持续的低甲基化状态（如持家基因的（如持家基因的甲基化）、甲基化）、诱导的去甲基化状态诱导的去甲基化状态（如一些发

8、育阶段特异性基因的修饰）和（如一些发育阶段特异性基因的修饰）和高度甲基化状态高度甲基化状态（X 染色体的甲基化修饰）。染色体的甲基化修饰）。第6页，此课件共45页哦 DNA 甲基化的具体反应过程是甲基化的具体反应过程是DNA 甲基转移酶（甲基转移酶（DNA Methyltransferase，DNMT）将将S-腺苷甲硫氨酸上的甲基转移到腺苷甲硫氨酸上的甲基转移到DNA 双链中胞嘧啶的第双链中胞嘧啶的第5 位碳原位碳原子上，子上，形成形成5-甲基胞嘧啶（甲基胞嘧啶（5-mC）。）。催化该反应的催化该反应的DNA 甲基转移酶主要有甲基转移酶主要有4 种：种：DNMT1、DNMT3A、DNMT3B

9、和和DNMT3L。在在DNA 复制完成后，复制完成后，DNMT1 是催化甲基转移至新合成的是催化甲基转移至新合成的DNA 链上的甲基化位点反应中最主要的酶，这一现象称为链上的甲基化位点反应中最主要的酶，这一现象称为维持甲基化维持甲基化（maintenance methylation）；）；而而DNMT3A 和和DNMT3B 则负责催化核酸链上则负责催化核酸链上新的甲基化位点发生反应，称为新的甲基化位点发生反应，称为形成甲基化形成甲基化（de novo methylation）。）。DNMT3L 在在DNA 甲基转移酶家族中属于不具有甲基转移酶活性的调节酶，甲基转移酶家族中属于不具有甲基转移酶活

10、性的调节酶，其主要作用是调节其他甲基转移酶的活性。其主要作用是调节其他甲基转移酶的活性。第7页，此课件共45页哦第8页，此课件共45页哦 DNA 甲基化主要发生在胞嘧啶和鸟苷酸（甲基化主要发生在胞嘧啶和鸟苷酸（CpG）二核酸中的胞嘧啶（）二核酸中的胞嘧啶（C）上，）上，基基因组中的因组中的CpG 约有约有60%90%会发生甲基化会发生甲基化。在。在DNA 双链中双链中5-CpG-3 及其互补链中的及其互补链中的3-GpC-5 中的中的C 都会被甲基化，这些都会被甲基化，这些CpG 是基因组中的维持甲基化位点。是基因组中的维持甲基化位点。第9页，此课件共45页哦 在结构基因的启动子或转录起始位点

11、有大量未甲基化的在结构基因的启动子或转录起始位点有大量未甲基化的CpG（在大约（在大约200bp 碱基对碱基对中中CpG 含量超过含量超过60%），），这些这些CpG 簇被称为簇被称为CpG 岛（岛（CpG island）。）。如果如果CpG 岛发生岛发生高甲基化，基因表达就会被完全抑制。高甲基化，基因表达就会被完全抑制。DNA 甲基化对基因表达影响的机制已经研究得较为透甲基化对基因表达影响的机制已经研究得较为透彻，彻，甲基化会使甲基化会使DNA 双链在三维结构上发生变化，阻滞甲基化敏感的转录因子双链在三维结构上发生变化，阻滞甲基化敏感的转录因子（TFs，包括包括E2F、CREB、AP2、cM

12、yc/Myn、NF-kB、cMyb 和和ETS 等）等）的的DNA 结合活性。结合活性。与此同时，与此同时，甲基化不敏感的甲基化不敏感的methyl-CpG 结合蛋白结合蛋白（如（如Sp1、CTF 和和YY1 等）等）会结会结合在合在DNA 上，这些蛋白是转录抑制因子，它们都含有保守的甲基化上，这些蛋白是转录抑制因子，它们都含有保守的甲基化DNA 结合结构域结合结构域（methylated DNAbindingdomain，MBD）。）。DNA 甲基化影响基因表达的方式如图所示，甲基化影响基因表达的方式如图所示，选择性地结合于甲基化选择性地结合于甲基化DNA 的特异转录抑制子的特异转录抑制子M

13、eCP2（methyl-CpG binding protein 2），），即甲基化即甲基化CpG 结合蛋白，与组蛋白去乙酰化酶（结合蛋白，与组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase，HDAC）共存于）共存于一个复合物中。一个复合物中。第10页，此课件共45页哦第11页，此课件共45页哦第12页，此课件共45页哦第13页，此课件共45页哦 DNA 甲基化在生物体内有多方面的重要生理意义。正常的甲基化甲基化在生物体内有多方面的重要生理意义。正常的甲基化对于维持细胞的生长及代谢等是必需的，具体的体现如维持染色质结对于维持细胞的生长及代谢等是必需的，具体的体现如维持染色质结构、基因印记

14、、构、基因印记、X 染色体失活、细胞分化和胚胎发育等。染色体失活、细胞分化和胚胎发育等。第14页，此课件共45页哦1.2 组蛋白修饰及其生理生化效应组蛋白修饰及其生理生化效应 由于被修饰，一些蛋白失去活性，一些蛋白获得活性，一些蛋白改变功能，因此由于被修饰，一些蛋白失去活性，一些蛋白获得活性，一些蛋白改变功能，因此蛋白修饰是功能蛋白质库的蛋白修饰是功能蛋白质库的“扩增扩增”因素。组蛋白修饰（因素。组蛋白修饰（histone modifications）是表观遗传修饰的一种重要方式，具有特殊的生理生化功能。是表观遗传修饰的一种重要方式，具有特殊的生理生化功能。第15页，此课件共45页哦 在细胞的

15、生长状态下，在细胞的生长状态下，DNA 以染色质形式存在于细胞核当中。以染色质形式存在于细胞核当中。染色质的基本单位是核小染色质的基本单位是核小体（体（nucleosome），核小体由），核小体由145147 对对DNA 碱基缠绕在组蛋白碱基缠绕在组蛋白H2A、H2B、H3 和和H4 各各2 个单位组成的八聚体核心周围而形成，每个核小体间由长度约为个单位组成的八聚体核心周围而形成，每个核小体间由长度约为60bp 的的DNA 连接连接，组蛋白组蛋白H1 就结合在这些接头就结合在这些接头DNA（linker DNA）上。也就是说，染色质由）上。也就是说，染色质由DNA 结合组蛋白形结合组蛋白形成的

16、核小体串组成，成的核小体串组成，组蛋白是染色质的基本结构蛋白。组蛋白折叠基序（组蛋白是染色质的基本结构蛋白。组蛋白折叠基序（folding domain）常位）常位于于C-端，参与组蛋白分子间互作并与端，参与组蛋白分子间互作并与DNA 缠绕有关。组蛋白的另一个重要结构域称为组蛋白尾缠绕有关。组蛋白的另一个重要结构域称为组蛋白尾（histone tail），约占组全长的），约占组全长的25%，常位于，常位于N-端（但在组蛋白端（但在组蛋白H2A 则处于则处于C-端），可与端），可与DNA、调节蛋白、酶和其他染色质蛋白相互作用，大部分的组蛋白翻译后修饰都发生在这个结构域的第调节蛋白、酶和其他染色质

17、蛋白相互作用，大部分的组蛋白翻译后修饰都发生在这个结构域的第1538 个氨基酸残基上。另外，组蛋白尾在染色质组装和凝聚成高度有序结构的过程中发挥个氨基酸残基上。另外，组蛋白尾在染色质组装和凝聚成高度有序结构的过程中发挥重要作用，而染色质的凝集程度会直接影响重要作用，而染色质的凝集程度会直接影响DNA 复制、重组和转录。复制、重组和转录。第16页，此课件共45页哦组蛋白结构组蛋白结构第17页，此课件共45页哦 组蛋白表观遗传修饰方式有组蛋白表观遗传修饰方式有甲基化（甲基化（methylation）、乙酰化（）、乙酰化（acetylation）、磷酸化（）、磷酸化（phosphorylation）

18、、泛素化（）、泛素化（ubiquitination）、）、SUMO 化化（sumoylation）、腺苷酸化（）、腺苷酸化（adenylation）、）、ADP-核糖基化（核糖基化（ADP-ribosylation）、生物素化（）、生物素化（biotinylation）和脯氨酸异构化（）和脯氨酸异构化（proline isomerization）等，）等，这些修饰方式灵活地影响着染色质的结构与功能，既可以阻遏也可以这些修饰方式灵活地影响着染色质的结构与功能，既可以阻遏也可以促进基因的转录。促进基因的转录。参与组蛋白修饰的酶主要有参与组蛋白修饰的酶主要有组蛋白甲基转移酶（组蛋白甲基转移酶（his

19、tone methyltransferase，HMT）、组蛋白乙酰转移酶（）、组蛋白乙酰转移酶（histone acetyltransferase，HAT）、组蛋白激酶）、组蛋白激酶（histone kinase）和组蛋白泛素化酶（）和组蛋白泛素化酶（histone ubiquitylase）等）等，这些酶是催化，这些酶是催化相应的基团结合到组蛋白氨基残基上所必需的酶。同时相应地，相应的基团结合到组蛋白氨基残基上所必需的酶。同时相应地，也有组蛋白去甲基也有组蛋白去甲基化酶（化酶（histone demethylase，HDM）、组蛋白脱乙酰基酶（）、组蛋白脱乙酰基酶（histone deace

20、tylase，HDAC）、组蛋白磷酸酶（）、组蛋白磷酸酶（histone phosphatase）和组蛋白去泛素）和组蛋白去泛素化酶（化酶（histone deubiquitylase），），这些酶可去除结合在组蛋白端氨基残基上的这些酶可去除结合在组蛋白端氨基残基上的分子基团。分子基团。第18页，此课件共45页哦 组蛋白翻译后修饰类型多，且相互之间息息相关，彼此影组蛋白翻译后修饰类型多，且相互之间息息相关，彼此影响，响，形成一个错综复杂但井然有序的网络来影响基因的表形成一个错综复杂但井然有序的网络来影响基因的表达。组蛋白翻译后修饰影响基因表达的途径有达。组蛋白翻译后修饰影响基因表达的途径有3种

21、：种：（1）改变其周围的环境）改变其周围的环境（如电荷量和（如电荷量和pH 值等），增强或减值等），增强或减弱转录因子或转录辅因子与弱转录因子或转录辅因子与DNA 间的作用；间的作用；（2）直接改变染色质结构和凝集状态）直接改变染色质结构和凝集状态，进而影响蛋白间和蛋白与进而影响蛋白间和蛋白与DNA 间的相间的相互作用；互作用；（3）作为信号影响下游蛋白）作为信号影响下游蛋白，进而调控基因表达。，进而调控基因表达。例如组蛋白乙酰化，当乙酰基结合在组蛋白上时，就会中和后者的正电荷，例如组蛋白乙酰化，当乙酰基结合在组蛋白上时，就会中和后者的正电荷，这样组蛋白末端就能以比较弱的作用力结合在带负电荷的

22、这样组蛋白末端就能以比较弱的作用力结合在带负电荷的DNA 链上，链上，这种宽这种宽松的染色质结构便可以使特异转录因子等相关蛋白与松的染色质结构便可以使特异转录因子等相关蛋白与DNA 结合。结合。第19页，此课件共45页哦 组蛋白乙酰化和去乙酰化过程组蛋白乙酰化和去乙酰化过程第20页，此课件共45页哦 组蛋白甲基化通常发生在组蛋白甲基化通常发生在组蛋白组蛋白H3 和和H4 N-末端的精氨酸（末端的精氨酸（Arg，R）和赖氨）和赖氨酸（酸（Lys，K）残基上）残基上，另外组蛋白的球状结构域有时也会被甲基化。根据每一，另外组蛋白的球状结构域有时也会被甲基化。根据每一位点甲基化的程度不同，位点甲基化的

23、程度不同，组蛋白甲基化形式可被分为组蛋白甲基化形式可被分为单甲基化、二甲基化和三甲单甲基化、二甲基化和三甲基化基化。基于甲基化位点和受作用基因的不同，组蛋白甲基化对基因表达的影响。基于甲基化位点和受作用基因的不同，组蛋白甲基化对基因表达的影响也不同。也不同。第21页，此课件共45页哦 组蛋白去甲基化组蛋白去甲基化第22页，此课件共45页哦 大量的研究证明大量的研究证明组蛋白修饰是一个动态可逆的过程，基团的添加和去除就是由一组蛋白修饰是一个动态可逆的过程，基团的添加和去除就是由一系列的酶催化反应形成的。系列的酶催化反应形成的。一般的组蛋白修饰需要一个或多个不同的共价修饰发一般的组蛋白修饰需要一个

24、或多个不同的共价修饰发生协同或拮抗作用，这些多样性修饰及它们时间和空间上的组合形成大量的特生协同或拮抗作用，这些多样性修饰及它们时间和空间上的组合形成大量的特异信号，这些信号类似于密码并可被相应的调节蛋白识别，影响一系列蛋白质异信号，这些信号类似于密码并可被相应的调节蛋白识别，影响一系列蛋白质的活动，从而调控真核生物的基因表达，这就是的活动，从而调控真核生物的基因表达，这就是“组蛋白密码假说组蛋白密码假说”（histone code hypothesis）。）。组蛋白密码的组合变化繁多，因此组蛋白共价组蛋白密码的组合变化繁多，因此组蛋白共价修饰是精细、有序的基因表达和生理调控方式，研究清楚这样

25、的过程不论在理修饰是精细、有序的基因表达和生理调控方式，研究清楚这样的过程不论在理论上还是在实践中都可能取得巨大的成果。论上还是在实践中都可能取得巨大的成果。第23页，此课件共45页哦1.3 非编码非编码RNA 及其生理生化作用及其生理生化作用 在复杂的生物体内，基因表达受到很多因素影响。在高通量在复杂的生物体内，基因表达受到很多因素影响。在高通量基因组水平的分析中，越来越多的证据表明非编码基因组水平的分析中，越来越多的证据表明非编码RNA 在调控在调控基因表达过程中发挥了很大作用。在所有输出的转录本中，编码蛋基因表达过程中发挥了很大作用。在所有输出的转录本中，编码蛋白的白的RNA 数量不足数

26、量不足1.5%，剩下的是，剩下的是非编码非编码RNA（noncoding RNA，ncRNA）。）。根据长度分类，介导表观遗传修饰的根据长度分类，介导表观遗传修饰的ncRNA 可可分为分为long ncRNA（lncRNA）和）和small ncRNA（sncRNA）。）。第24页，此课件共45页哦 lncRNA 指长度超过指长度超过200nt 的非编码的非编码RNA，其长度范围大概从，其长度范围大概从50kb 到几百到几百kb，其序列不具保守性，且不与任何目的基因同源，通过顺式作用调节基因，其序列不具保守性，且不与任何目的基因同源，通过顺式作用调节基因表达，使之沉默。表达，使之沉默。目前认为

27、目前认为lncRNA 的来源途径主要有：的来源途径主要有：（1）蛋白编码基因受多种因素作用而断裂，形成）蛋白编码基因受多种因素作用而断裂，形成lncRNA；（2）染色质重排中两分开区域紧密靠拢，形成）染色质重排中两分开区域紧密靠拢，形成lncRNA；（3）非编码基因转录形成）非编码基因转录形成lncRNA；（4）小非编码）小非编码RNA 中某段序列多次复制形成中某段序列多次复制形成lncRNA；（5）转录因子中插入一段序列形成）转录因子中插入一段序列形成lncRNA 等。等。这些这些lncRNAs 虽不编码蛋白，但可调节表观遗传过程。虽不编码蛋白，但可调节表观遗传过程。第25页，此课件共45页

28、哦sncRNA 长度通常小于长度通常小于30nt，包括包括micro-RNA（miRNA）、）、small interfering RNA（siRNA）和和piwi-interacting RNA（piRNA）。）。sncRNA 一般是在一般是在2 个水平上对基因表达进行调控：个水平上对基因表达进行调控：转录水平，被称为转录基因沉默（转录水平，被称为转录基因沉默（transcriptional gene silencing，TGS）；）；转录后水平，转录后水平，即转录后基因沉默（即转录后基因沉默（post-TGS，PTGS）。）。TGS 抑制转录的发生是通过染色质修饰和异染色质化（抑制转录的发

29、生是通过染色质修饰和异染色质化（heterochromatinization），而），而PTGS 则通过降解则通过降解mRNA或阻止或阻止mRNA 翻译来影响翻译来影响RNA 的翻译。总之，的翻译。总之，TGS 和和PTGS最终都是使基因沉默。最终都是使基因沉默。sncRNA 调控基因表达的机理相对于调控基因表达的机理相对于lncRNA 来说简单而且单一，因为不论是来说简单而且单一，因为不论是TGS 和和PTGS，其作用机制都是，其作用机制都是sncRNA 的序列与的序列与目的基因相匹配，两者配对、结合使基因不能发生转录，或目的基因相匹配，两者配对、结合使基因不能发生转录，或mRNA 不能发生

30、翻不能发生翻译。译。第26页，此课件共45页哦第27页，此课件共45页哦2 表观遗传调节的效应表观遗传调节的效应2.1 基因组印记基因组印记 在一个基因或基因组域上发生双亲来源信息的生化标记的生物学现象，叫在一个基因或基因组域上发生双亲来源信息的生化标记的生物学现象，叫做做基因组印记（基因组印记（genomic imprinting），），或遗传印记、基因印记。所发生或遗传印记、基因印记。所发生的的“印记印记”可以是可以是共价标记（如共价标记（如DNA甲基化），甲基化），也可以是也可以是非共价标记（如非共价标记（如DNA-蛋白质互作、蛋白质互作、DNA RNA互作和核基因组定位等），互作和核基

31、因组定位等），印记方式与整个细印记方式与整个细胞周期中维持双亲表观记号的特定核内酶的作用有关。基因组印记使得基因依亲代胞周期中维持双亲表观记号的特定核内酶的作用有关。基因组印记使得基因依亲代的不同而有不同的表达，还可能导致细胞中两个等位基因的一个表达而（不同亲源的不同而有不同的表达，还可能导致细胞中两个等位基因的一个表达而（不同亲源的）另一个不表达。的）另一个不表达。第28页，此课件共45页哦2.2 母性效应母性效应 母性效应（母性效应（maternal effect），或称母性影响，是指子代某一），或称母性影响，是指子代某一性状的表型由母体核基因型决定，性状的表型由母体核基因型决定，而不受本

32、身基因型支配。而不受本身基因型支配。有名的例子是椎实螺（有名的例子是椎实螺（pond snail）的螺壳，有左旋和右旋之）的螺壳，有左旋和右旋之分，旋转方向的遗传符合母性效应。分，旋转方向的遗传符合母性效应。母性效应常与印记效应相关，研究表明相关基因的差异性甲基化、磷酸化以母性效应常与印记效应相关，研究表明相关基因的差异性甲基化、磷酸化以及选择性的蛋白互作与母性效应的形成和维持有很大关系。及选择性的蛋白互作与母性效应的形成和维持有很大关系。第29页，此课件共45页哦2.3 基因沉默基因沉默 基因沉默（基因沉默（gene silencing）也称基因沉寂，是真核生物细）也称基因沉寂，是真核生物细

33、胞基因表达调节的重要手段之一。基因沉默常缘于异染色质胞基因表达调节的重要手段之一。基因沉默常缘于异染色质（heterochromatin）形成，被沉默的基因区段高度浓缩。受控于）形成，被沉默的基因区段高度浓缩。受控于ncRNA 的的RNAi（RNA 干扰）与转录后基因沉默在分子层次上干扰）与转录后基因沉默在分子层次上实际是同一现象。基因沉默的反应过程包括实际是同一现象。基因沉默的反应过程包括组蛋白组蛋白N-端赖端赖氨酸残基的去乙酰基化、甲基化修饰、以及甲基化组蛋白与氨酸残基的去乙酰基化、甲基化修饰、以及甲基化组蛋白与其结合蛋白（其结合蛋白（MBP）诱发异染色质形成等。）诱发异染色质形成等。第3

34、0页，此课件共45页哦 基因沉默一方面是遗传修饰生物实用化、商品化的障碍，另一方面也是生物基因沉默一方面是遗传修饰生物实用化、商品化的障碍，另一方面也是生物抗逆性（如植物抗病毒）的重要反应，为植物工程育种等提供了策略（例如抗逆性（如植物抗病毒）的重要反应，为植物工程育种等提供了策略（例如RNA 介导病毒抗性技术的发展）。介导病毒抗性技术的发展）。第31页，此课件共45页哦2.4 核仁显性核仁显性 核仁显性（核仁显性（nucleolar dominance）指在动植物杂合体中，）指在动植物杂合体中，核糖体位核糖体位点基因受到抑制，点基因受到抑制，使染色体遗传自父母中的一方，而表现出的显性效使染色

35、体遗传自父母中的一方，而表现出的显性效应。应。其机理是，来自父或母方的其机理是，来自父或母方的RNA 聚合酶聚合酶I 在核糖体在核糖体RNA（rRNA）基因）基因转录过程中呈现出可逆的沉默。由于转录过程中呈现出可逆的沉默。由于rRNA 基因跨越数百万基因跨越数百万bp，成簇存在于成簇存在于核仁组织区，不难理解核仁显性是染色体沉默中的一种主要机制，本质上核仁组织区，不难理解核仁显性是染色体沉默中的一种主要机制，本质上是是rRNA 染色质因化学修饰而沉默的结果，染色质因化学修饰而沉默的结果，但具体机制并没有定论。由于核仁显但具体机制并没有定论。由于核仁显型，杂交动植物中整组亲代型，杂交动植物中整组

36、亲代rRNA 基因可能被关闭。基因可能被关闭。第32页，此课件共45页哦2.5 表观遗传修饰的其他效应表观遗传修饰的其他效应 染色质重塑（染色质重塑（chromosome remodeling）：）：核小体在真核核小体在真核细胞细胞DNA 上重新定位的过程，上重新定位的过程，引起染色质变化，与组蛋白修饰和引起染色质变化，与组蛋白修饰和核小体结构改变有关；核小体结构改变有关；副突变（副突变（paramutation）：）：是指一个等位基因可以使其同源基因的是指一个等位基因可以使其同源基因的转录产生稳定可遗传变化的途径，涉及配子与合子之间的转录产生稳定可遗传变化的途径，涉及配子与合子之间的RNA

37、转移；转移；RNA 编辑（编辑（RNA editing）：）：基因转录产生的基因转录产生的mRNA 分子中，分子中，因核苷酸缺失、插入或置换，而造成转录物序列不与基因编码序列互因核苷酸缺失、插入或置换，而造成转录物序列不与基因编码序列互补，产生不同于基因编码信息的蛋白质氨基酸组成的现象；补，产生不同于基因编码信息的蛋白质氨基酸组成的现象；休眠转座子激活（休眠转座子激活（dormant transposon activation）：）：转座子重转座子重新进行转座，使插入位点失活。也是研究较多的表观遗传修饰效应。新进行转座，使插入位点失活。也是研究较多的表观遗传修饰效应。第33页，此课件共45页哦

38、3 植物表观遗传学研究植物表观遗传学研究 在一定范围内，在一定范围内，植物表观遗传学的相关进展相当突出。表观遗植物表观遗传学的相关进展相当突出。表观遗传学的一些重要现象，如转基因沉默、副突变等最初就是在植物传学的一些重要现象，如转基因沉默、副突变等最初就是在植物体系中发现的。植物表观遗传学也有一些独特之处，如体系中发现的。植物表观遗传学也有一些独特之处，如DNA 甲甲基化的种类和调控基化的种类和调控DNA 甲基化的酶类等。植物表观遗传学特甲基化的酶类等。植物表观遗传学特异性现象和机制的揭示是理解表观遗传学全貌的重要内容。异性现象和机制的揭示是理解表观遗传学全貌的重要内容。第34页，此课件共45

39、页哦3.1 植物转基因沉默植物转基因沉默 目前许多种转基因植物已经问世，有的已经用于农业生产，但所转入的目目前许多种转基因植物已经问世，有的已经用于农业生产，但所转入的目的基因沉默而不表达，或不稳定、不完全表达已经成为植物遗传改良的突出的基因沉默而不表达，或不稳定、不完全表达已经成为植物遗传改良的突出障碍；沉默基因的消除是一个重要的课题。转基因沉默就是转基因失活，障碍；沉默基因的消除是一个重要的课题。转基因沉默就是转基因失活，指的是当把外源基因导入生物体内时，相应序列内源基因被抑制而不能表达指的是当把外源基因导入生物体内时，相应序列内源基因被抑制而不能表达的基因调控现象。转基因沉默属于同源性决

40、定的或重复序列诱导的基因失活。的基因调控现象。转基因沉默属于同源性决定的或重复序列诱导的基因失活。此时，其他基因并不受影响；沉默基因恢复表达活性的时机是所转入外源基此时，其他基因并不受影响；沉默基因恢复表达活性的时机是所转入外源基因与内源同源基因重组分离或减数分裂分离之后。因与内源同源基因重组分离或减数分裂分离之后。第35页，此课件共45页哦 植物转基因沉默发现于植物转基因沉默发现于1990 年，研究人员在将查尔酮合成酶年，研究人员在将查尔酮合成酶（chalcone synthase）基因向紫色矮牵牛（）基因向紫色矮牵牛（Petunia）中转移时，发现外）中转移时，发现外源基因与内源同源查尔酮

41、合成酶基因一起发生了抑制（共抑制，源基因与内源同源查尔酮合成酶基因一起发生了抑制（共抑制，co-suppression）。后来，人们发现植物受病毒侵染也会造成基因沉默，）。后来，人们发现植物受病毒侵染也会造成基因沉默，与上述转基因沉默一样属于转录后基因沉默（与上述转基因沉默一样属于转录后基因沉默（post-transcription gene silencing，PTGS）。）。第36页，此课件共45页哦 20 世纪末到世纪末到21 世纪初的大量研究成果随转基因沉默的发现而产生。人们在世纪初的大量研究成果随转基因沉默的发现而产生。人们在反义基因诱导果蝇（反义基因诱导果蝇（Drosophila）

42、pal-1 基因沉默的研究中发现了基因沉默的研究中发现了双链双链RNA（dsRNA）可致基因沉默）可致基因沉默，随即又在线虫（，随即又在线虫（Caenorhabditis elegans）中发现）中发现dsRNA 比单链的反义比单链的反义RNA（antisense RNA）能更有效诱导基因失活，）能更有效诱导基因失活，于是产生了于是产生了RNA 干扰（干扰（RNA interference，RNAi；即；即RNA 介导的基因沉介导的基因沉默）的概念：这是一种默）的概念：这是一种PTGS 式的基因调节模式，其中非编码式的基因调节模式，其中非编码dsRNA 分子分子（小干扰（小干扰RNA,smal

43、l interfering RNA，siRNA)介导靶介导靶mRNA 的序列特异的序列特异性降解。性降解。siRNAs 是是2123 个核苷酸的个核苷酸的dsRNA，含有对称的，含有对称的23 个核苷酸的个核苷酸的3 突出末端，并有突出末端，并有5和和3 羟基端。羟基端。第37页，此课件共45页哦 siRNA 的结构的结构第38页，此课件共45页哦 发生发生RNAi 时，时，长的长的dsRNA 分子被分子被Dicer 酶裂解，酶裂解，产生产生siRNA。随即，。随即，siRNA 分子掺入一个多蛋白因子的分子掺入一个多蛋白因子的RNA 诱导沉默复合体（诱导沉默复合体（multiprotein R

44、NA-inducing silencing complex，RISC）中；）中；dsRNA 解链，其中的反义链（解链，其中的反义链（anti-sense strand）引导）引导RISC到互补的到互补的mRNA 上，上，执行后续的核酸内切裂解反应执行后续的核酸内切裂解反应（endonucleolytic cleavage）。）。第39页，此课件共45页哦 植物的转基因沉默可以发生在植物的转基因沉默可以发生在DNA 水平（位置效应，水平（位置效应，position effect）、）、转录水平（转录失活，转录水平（转录失活，transcription inactivation）和转录后水平（转录

45、后）和转录后水平（转录后基因沉默，基因沉默，PTGS）。）。由于所转入的外源基因向宿主基因组的插入具有随机性，若插入到转录不活跃由于所转入的外源基因向宿主基因组的插入具有随机性，若插入到转录不活跃区，就会发生位置效应所致基因低表达或不表达。在染色质中，区，就会发生位置效应所致基因低表达或不表达。在染色质中，两个核基质结合区两个核基质结合区（nuclear matrix attachment region，MAR）间的基因片段被界定成一个）间的基因片段被界定成一个独立的染色质环，作为隔离子（独立的染色质环，作为隔离子（insulator）阻止附近顺式调控元件对环内基）阻止附近顺式调控元件对环内基

46、因表达的干扰。当转基因在受体基因组内整合后，有可能在因表达的干扰。当转基因在受体基因组内整合后，有可能在MAR 作用下作用下形成环形结构单元。这可以解释形成环形结构单元。这可以解释DNA水平转基因沉默的成因及提高转基因表水平转基因沉默的成因及提高转基因表达水平的机理。达水平的机理。第40页，此课件共45页哦 转基因所形成的转基因所形成的DNA 异位配对可造成异位配对可造成异染色质化或从头甲基化异染色质化或从头甲基化，进而抑，进而抑制转录，这一效应也可由制转录，这一效应也可由DNA-RNA 协同协同作用造成。这就诱发了转录水平的作用造成。这就诱发了转录水平的基因沉默。基因沉默。甲基化是活细胞中最

47、常见的甲基化是活细胞中最常见的DNA 共价修饰形式，共价修饰形式，通常发生于通常发生于GC 和和GNC序序列的列的C 上，几乎所有植物转基因沉默都与启动子甲基化有关；上，几乎所有植物转基因沉默都与启动子甲基化有关；GC 和和GNC 序列的序列的C 上的甲基化虽不是转录水平的转基因沉默的前提，上的甲基化虽不是转录水平的转基因沉默的前提，但却是维持这种沉但却是维持这种沉默的必要方式。另外，默的必要方式。另外，多拷贝重复基因在宿主基因组内的整合，形成异位配对，多拷贝重复基因在宿主基因组内的整合，形成异位配对，引起基因组防御系统识别而被甲基化或造成异染色质化；引起基因组防御系统识别而被甲基化或造成异染

48、色质化；转基因受染色体包装影转基因受染色体包装影响，转录因子的接触机会发生改变等，均是造成转录水平转基因失活的可能机理。响，转录因子的接触机会发生改变等，均是造成转录水平转基因失活的可能机理。第41页，此课件共45页哦 PTGS 的特点是外源基因可形成的特点是外源基因可形成mRNA 而并不发生累积，因为被立即而并不发生累积，因为被立即降解或被反义降解或被反义RNA、特异蛋白因子抑制。这里除涉及、特异蛋白因子抑制。这里除涉及RNAi 以外，过量以外，过量RNA 也可导致也可导致同源基因重新甲基化而失活。同源基因重新甲基化而失活。有研究认为，细胞能容纳的外源基因量有一定的阈值，超过阈值就会启动监控

49、机有研究认为，细胞能容纳的外源基因量有一定的阈值，超过阈值就会启动监控机制而排除超量制而排除超量RNA内源内源RNA 依赖的依赖的RNA 聚合酶将多余的转基因聚合酶将多余的转基因mRNA 反转录为反转录为RNA 拷贝，去配对结合转基因和内源基因的拷贝，去配对结合转基因和内源基因的mRNA，形成的，形成的dsRNA 被胞内被胞内RNase 识别而遭到识别而遭到降解。另外，内外源异源配对的降解。另外，内外源异源配对的RNA 会降低正常的会降低正常的RNA 加工、转译效率，也是解释加工、转译效率，也是解释PTGS 的模型。更多地研究表明，转基因在个体发育的某阶段会受到细胞内因子的后成修饰的模型。更多

50、地研究表明，转基因在个体发育的某阶段会受到细胞内因子的后成修饰（epigenetic modification，即表观修饰），这与受体植物的核型有关；光控因子、种子特异，即表观修饰），这与受体植物的核型有关；光控因子、种子特异发育因子和热休克调控元件等会在环境因素诱导下综合作用于转基因和内源基因，造成发育因子和热休克调控元件等会在环境因素诱导下综合作用于转基因和内源基因，造成PTGS。第42页，此课件共45页哦3.2 副突变副突变 20 世纪世纪50 年代，年代，有研究者在玉米中发现了副突变（有研究者在玉米中发现了副突变（paramutation）现象。）现象。所谓副突变，是指具有同一位点的所