第七章-基因组功能课件.ppt

1、基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和研究在研究在不改变不改变DNADNA顺序顺序的情况下基因表达的情况下基因表达出现出现可遗传变化可遗传变化的学科的学科.这种表达模式的改这种表达模式的改变可通过有丝分裂和减数分裂传递给子代变可通过有丝分裂和减数分裂传递给子代.表观遗传学是功能基因组学研究的重要领表观遗传学是功能基因组学研究的重要领域域,是基因表达调控的重要方式之一是基因表达调控的重要方式之一.基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范

2、大学生命与环境科学学院 向太和向太和广义的表观遗传广义的表观遗传(epigenetic)(epigenetic)包括以下内容包括以下内容:1)DNA1)DNA的甲基化的甲基化2)2)位置效应位置效应3)3)核小体和组蛋白的修饰核小体和组蛋白的修饰(乙酰基化和甲基化乙酰基化和甲基化)4)RNAi(siRNA4)RNAi(siRNA和和miRNAmiRNA)5)5)染色质的动态异染色质化染色质的动态异染色质化 (如如X-X-染色体的失染色体的失活活)6)6)基因组印记基因组印记(genomic(genomicimprinting)imprinting)7)7)等位基因的副突变及同源抑制，颠换效应等

3、位基因的副突变及同源抑制，颠换效应8)8)朊蛋白朊蛋白 (Prion(Prion)基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和l 位置效应位置效应是指由于基因变换了在染色体上的是指由于基因变换了在染色体上的位置而引起表现型改变的现象。位置而引起表现型改变的现象。l位置效应表明基因的功能以及基因对生物表位置效应表明基因的功能以及基因对生物表现型的影响可以在不改变遗传物质本身的情现型的影响可以在不改变遗传物质本身的情况下仅仅由于遗传物质在染色体上的位置差况下仅

4、仅由于遗传物质在染色体上的位置差别而发生变化。别而发生变化。l位置效应实际上反映了基因组不同区域的特位置效应实际上反映了基因组不同区域的特定的染色质结构。定的染色质结构。基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和美国学者美国学者E.B.E.B.刘易斯把位置效应分为两大刘易斯把位置效应分为两大类型：类型：稳定型和花斑型稳定型和花斑型。稳定型位置效应稳定型位置效应 简称简称S S型位置效应，表型型位置效应，表型 改变是稳定的。改变是稳定的。花斑型位置效应花斑型位置效应 简称简称V V型效应，其表型改型效应，其表型改 变是不稳定的，从而导致显性和隐性

5、变是不稳定的，从而导致显性和隐性 性状嵌合的花斑现象。性状嵌合的花斑现象。基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和当某一基因由当某一基因由于染色体重排于染色体重排从原来的常染从原来的常染色质区移到异色质区移到异染色质区附近染色质区附近,因异染色质的因异染色质的扩散效应扩散效应,造造成基因表达的成基因表达的改变改变.这种抑这种抑制效应的差别制效应的差别使基因表达受

6、使基因表达受抑程度不同抑程度不同,由此产生嵌合由此产生嵌合.基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和副突变副突变:(paramuta(paramuta-tiontion)最初在最初在玉米中发现玉米中发现的在杂合子的在杂合子中某一基因中某一基因影响同一座影响同一座位上另一等位上另一等位基因的表位基因的表型型.副突变副突变在转基因表在转基因表现型中也已现型中也已发现发现,称为称为同源抑制同源抑制.基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学

7、生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和1 1）19851985年，年，UdvardyUdvardy等在果蝇染色体等在果蝇染色体87A787A7条带热激蛋白条带热激蛋白基因座的两侧发现了两段取名为基因座的两侧发现了两段取名为scs scs 和和scs(specialized scs(specialized chronatinchronatin structures,structures,特化染色质区特化染色质区)的顺序。

8、的顺序。scsscs和和scsscs 长分别为长分别为350 bp350 bp 和和 200 bp200 bp，对，对DNAaseDNAase I I 有高度抗性。有高度抗性。这两个序列的两侧均有这两个序列的两侧均有DNAaseDNAase I I超敏位点，各为超敏位点，各为100 100 bpbp。2 2）将）将scsscs置于控制眼睛颜色的基因两侧然后导入果蝇，转置于控制眼睛颜色的基因两侧然后导入果蝇，转化的果蝇品系不管转基因位于何处，均可产生类似的化的果蝇品系不管转基因位于何处，均可产生类似的表型，说明表型，说明scsscs可使转基因免受内源染色质的可使转基因免受内源染色质的“位置影位置

9、影响响”。这种可以阻止邻近位置激活或失活效应的顺序现在称之这种可以阻止邻近位置激活或失活效应的顺序现在称之为为绝缘子绝缘子（insulatorinsulator）。）。基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和1)1)真核生物增强子具有双向作用真核生物增强子具有双向作用,超长距离功超长距离功 能能,从而带来位置相邻基因之间的彼此干扰从而带来位置相邻基因之间的彼此干

10、扰 问题问题.2)2)有些基因位与异染色质邻近有些基因位与异染色质邻近,会受到抑制效应会受到抑制效应的干扰的干扰.绝缘子可以阻止上述因位置原因产生的对基因表绝缘子可以阻止上述因位置原因产生的对基因表达的抑制达的抑制.基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和绝缘子的效应具有方向性绝缘子的效应具有方向性 果蝇的果蝇的yellowyellow（y y）座位有）座位有4 4个个增强子元件，增强子元件，2 2个位于启动子上游，另个位于启动子上游，另2 2个位于外

11、显子个位于外显子1 1和和2 2之间，它们分别负责不同组织特异性的之间，它们分别负责不同组织特异性的yellowyellow基因的表基因的表达。将含有绝缘子的果蝇逆转录转座子达。将含有绝缘子的果蝇逆转录转座子gypsygypsy依次分别插依次分别插入每个增强子元件的附近，绝缘子对增强子的阻隔效应入每个增强子元件的附近，绝缘子对增强子的阻隔效应依位置不同而异依位置不同而异:1)1)如果插入位置在启动子的如果插入位置在启动子的55方向，将影响绝缘子上方向，将影响绝缘子上游游 增强子元件的作用。增强子元件的作用。2)2)如果插入位置在启动子的如果插入位置在启动子的33方向，只影响下游增强方向，只影响

12、下游增强子子 元件的功能。元件的功能。3)3)如果插入位置不在增强子与启动子之间，绝缘子对增如果插入位置不在增强子与启动子之间，绝缘子对增 强子无阻隔效应。强子无阻隔效应。基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和一种一种DNA-DNA-结合蛋白结合蛋白CTCF(CCCTC-binding factor,CCCTCCTCF(CCCTC-binding factor

13、,CCCTC结合因子结合因子)可专一性与该可专一性与该42 bp42 bp顺序结合。顺序结合。CTCFCTCF已在其它实已在其它实验中被证明参与基因的转录激活与沉默，是一个含有验中被证明参与基因的转录激活与沉默，是一个含有11 11个个锌指的分子量为锌指的分子量为82 ku82 ku的蛋白质。人体的蛋白质。人体T T细胞受体细胞受体/座位座位及爪蟾（及爪蟾（XenopusXenopus）RO(repeat organizer,RO(repeat organizer,重复顺序组织者重复顺序组织者)rRNArRNA基因调控区绝缘子均有保守的基因调控区绝缘子均有保守的CTCFCTCF结合位点结合位点

14、 (Bell,(Bell,2001)2001)。这些在进化上处于不同地位的物种中广泛存在绝缘。这些在进化上处于不同地位的物种中广泛存在绝缘子的现象表明，以绝缘子界定增强子的作用范围是真核基子的现象表明，以绝缘子界定增强子的作用范围是真核基因组一种普遍的控制基因活性的机制因组一种普遍的控制基因活性的机制 基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和染色质重建染色质重建

15、SNF/SWISNF/SWIHistoneHistone Modification ModificationAcetylationAcetylationUbiquitinationUbiquitinationSumoylationSumoylationMethylationMethylationPhosphorylationPhosphorylationDNA MethylationDNA MethylationCpG dinucleotidesCpG dinucleotidesMeCP2MeCP2HistoneHistone Substitution SubstitutionH2AZH2AZ

16、H2AxH2AxH3.3H3.3Transcription FactorTranscription FactorModificationModificationAcetylationAcetylationPhosphorylationPhosphorylation 染色质修饰染色质修饰基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和 1 1）DNADNA分子的化学修饰主要是甲基化，脊椎动物基因分子的化学修饰主要是甲基化，脊椎动物基因 组中约组中约60-80%60-80%双核苷酸双核苷酸CpGCpG的胞嘧啶（的胞嘧啶（C C）被甲基）被甲基 化。被子植

17、物基因组中，甲基化位置主要出现在化。被子植物基因组中，甲基化位置主要出现在 CpGCpG和和CpNpGCpNpG回文对称顺序，大约回文对称顺序，大约20-30%20-30%的胞嘧啶的胞嘧啶 （C C）被甲基化。）被甲基化。DNADNA的甲基化在基因的表达调控中的甲基化在基因的表达调控中 起重要作用。起重要作用。2 2）基因组的甲基化模式可影响表型并能通过体细胞遗）基因组的甲基化模式可影响表型并能通过体细胞遗 传，但不该变细胞的基因型，这种现象称为表观遗传，但不该变细胞的基因型，这种现象称为表观遗 传（传（epigeneticepigenetic）.基因组的甲基化是表观遗传的重要基因组的甲基化是

18、表观遗传的重要 内容之一内容之一.基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和在个体发育与细胞分化过程中，当某些基因已经完成预在个体发育与细胞分化过程中，当某些基因已经完成预定的表达程序后必需永久性关闭。这一任务可以通过定的表达程序后必需永久性关闭。这一任务可以通过DNADNA甲基化促使染色质的重建完成。甲基化促使染色质的重建完成。基因组学基因组学 杭州师范大学生命

19、与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和1)19911)1991年年TM.TM.德切艾拉等报道德切艾拉等报道,老鼠老鼠7 7号染色体上中有一个号染色体上中有一个称为类胰岛素生长因子称为类胰岛素生长因子Igf2Igf2的基因的基因(insulin-like growth(insulin-like growth factorIIfactorII),该基因的突变纯合子表现为侏儒症该基因的突变纯合子表现

20、为侏儒症.在杂合子在杂合子中中,如果突变等位基因来自父亲如果突变等位基因来自父亲,表型异常表型异常.如果来自母如果来自母亲亲,表型正常表型正常,即母源即母源Igf2Igf2基因在子代被抑制基因在子代被抑制.2)2)这种因为亲本来源不同而使等位基因表达模式发生改这种因为亲本来源不同而使等位基因表达模式发生改变的现象称为变的现象称为印记印记(imprinting)(imprinting).它有两个特点它有两个特点:1.1.子代的两个等位基因中有一个发生沉默子代的两个等位基因中有一个发生沉默,即不表达即不表达.2.2.哪一个等位基因沉默取决于等位基因的亲本来源哪一个等位基因沉默取决于等位基因的亲本来

21、源.这是在哺乳动物中最早发现的表观遗传现像这是在哺乳动物中最早发现的表观遗传现像.随后又在老随后又在老鼠中发现另外一个基因鼠中发现另外一个基因,即即7 7号染色体上与号染色体上与Igf2Igf2紧密连锁紧密连锁的的H19H19也有类似的情况也有类似的情况,只是表现相反只是表现相反,即父源的即父源的H19H19等位等位基因在子代中不表达基因在子代中不表达,母源母源的的H19H19基因在子代中正常表达基因在子代中正常表达.基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和

22、向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和1)1)基因组印记使两倍体体细胞中的一个等位基基因组印记使两倍体体细胞中的一个等位基 因沉默因沉默,这与两倍体生物学的意义是相悖的这与两倍体生物学的意义是相悖的,容易使突变等位基因暴露容易使突变等位基因暴露.2)2)目前已有三种理论用予解释基因组印记的生目前已有三种理论用予解释基因组印记的生物学意义物学意义:进化理论进化理论:一组各有缺陷的基因在相互组一组各有缺陷的基因在相互组 合时有优势合时有优势,为了不

23、被淘汰而暂时沉默为了不被淘汰而暂时沉默.卵巢期理论卵巢期理论:避免畸胎瘤避免畸胎瘤,需要胎盘基因沉默需要胎盘基因沉默.冲突理论冲突理论:血缘关系理论血缘关系理论(kinship theory)(kinship theory)基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和1)1)是否发育正常是否发育正常-基因组印记基因组印记 (genomic imprinting)(genomic imprinting)问题问题2)2)体细胞基因组的重新程序化是体细胞基因组的重新程序化是 否偏离正常轨道从而产生发育否偏离正常轨道从而产生发育 和生理生化活性异常的问题

24、和生理生化活性异常的问题.基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和哺乳动物哺乳动物体细胞胚体细胞胚胎发与受胎发与受精卵胚胎精卵胚胎发育存在发育存在许多异许多异.这这些差异主些差异主要表现在要表现在体细胚与体细胚与受精胚基受精胚基因组的程因组的程序化序化.受精受精胚的雄核与胚的雄核与雌核在去甲雌核在去甲化的程序上化的程序上存在时间差存在时间差.甲化程序的甲化程序的

25、差异会导致差异会导致胎发育异常胎发育异常.基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和哺乳动物均有基因组印记哺乳动物均有基因组印记,因此哺乳动物没有孤雌生殖因此哺乳动物没有孤雌生殖.只有将野生型只有将野生型H19H19基因和突变型基因和突变型1919基因的卵细胞融合才得到成体克隆鼠基因的卵细胞融合才得到成体克隆鼠.见见:Nature 428:860-864,2004:Nature 428:860-864,2004基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学

26、学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和1)1)核小体是染色质结构的基本单位核小体是染色质结构的基本单位.2)2)核小体是连接核小体是连接DNADNA和染色体高级结构和染色体高级结构的中间环节的中间环节.3)3)核小体核心核小体核心8 8聚体与聚体与DNADNA的结合不是随的结合不是随机的机的.4)4)核小体核心核小体核心8 8聚体与聚体与DNADNA的结合位置是的结合位置是动态的动态的.基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和1 1）核小体相

27、位核小体相位（nucleosomenucleosome phasing phasing）系指一段顺序）系指一段顺序确定的确定的DNADNA与与 核小体核心核小体核心8 8聚体的可变结合方式。聚体的可变结合方式。例如缠绕在核心组蛋白例如缠绕在核心组蛋白8 8聚体上的聚体上的DNADNA顺序可向前或顺序可向前或朝后移动若干碱基对，从而改变双螺旋大小沟的朝朝后移动若干碱基对，从而改变双螺旋大小沟的朝向，也 可 称 为 核 小 体 定 位（向，也 可 称 为 核 小 体 定 位（n u c l e o s o m en u c l e o s o m e positioningpositioning）

28、。）。2 2）核小体的定位方式核小体的定位方式：平移定位（平移定位（translational positiontranslational position）旋转定位（旋转定位（rotational posiyionrotational posiyion）基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和平移定位（平移定位（translational positiontranslational position）假定核小体与假定核小体与DNADNA的结合存在特的结合存在特异性，当移动异性，当移动10 bp10 bp 倍数的顺序时，缠绕核小体的序列将会改

29、变位置，倍数的顺序时，缠绕核小体的序列将会改变位置，从而使核小体之间连接的顺序发生移位，但不改变从而使核小体之间连接的顺序发生移位，但不改变DNADNA顺序原有的顺序原有的朝向。朝向。移位可使下一轮暴露的连接移位可使下一轮暴露的连接DNADNA顺序增加或减少。用微球菌顺序增加或减少。用微球菌核酸酶处理样品，可发现移位的顺序核酸酶处理样品，可发现移位的顺序 .旋转定位旋转定位（rotational rotational posiyionposiyion）缠绕在核小体上的缠绕在核小体上的DNADNA分子总是一面分子总是一面朝外，一面朝内。朝外，一面朝内。当移动缠绕在核小当移动缠绕在核小体上的体上的

30、DNADNA时，若时，若改变的顺序少于整改变的顺序少于整圈螺旋碱基对数圈螺旋碱基对数（10.2 bp10.2 bp），原），原有的顺序朝向将发有的顺序朝向将发生变化。因朝外一生变化。因朝外一侧比朝内一侧更易侧比朝内一侧更易受到核酸酶的攻击，受到核酸酶的攻击，采用合适的酶处理采用合适的酶处理可检测到这种变化。可检测到这种变化。基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因转录时要以编码基因转录时要以编码DNADNA为模板合成为模板合成mRNAmRNA前体前体,但但DNADNA分子缠绕在核小体上分子缠绕在核小体上,因此必需使因此必需使DNADNA离

31、开核小体离开核小体.基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和PolPol III III基因转录时如何通过核小体基因转录时如何通过核小体实验实验1 1）一段长）一段长227 bp227 bp DNA DNA正好缠绕一个核小体，并覆盖了一正好缠绕一个核小体，并覆盖了一个个 HaellHaell限制酶位点。该限制酶位点。该DNADNA有一段游离于核小体的顺有一段游离于核小体的顺序含有序含有RNARNA多聚多聚IIIIII识别的核心启动子，使多聚酶在遇上识别的核心启动子，使多聚酶在遇上核核 小体前即可合成小体前即可合成RNARNA。2 2）如果转录

32、时核小体离开模板）如果转录时核小体离开模板DNADNA，在加入限制酶，在加入限制酶HaeIIHaeII 的样品反应液中将能检测到酶切产生的的样品反应液中将能检测到酶切产生的DNADNA片段。实验片段。实验 结果并未发现酶切结果并未发现酶切DNADNA片断。片断。3 3）将同位素标记的与核小体结合的）将同位素标记的与核小体结合的DNADNA与过量的与过量的DNADNA分分子混合，这些过量的子混合，这些过量的DNA DNA 分子与核小体上的分子与核小体上的DNADNA相同，相同，只是呈游离状态。如果转录过程中有任何核小体与只是呈游离状态。如果转录过程中有任何核小体与DNADNA 分子脱离，那么当它

33、们再与分子脱离，那么当它们再与DNADNA分子结合时有可能选择分子结合时有可能选择 未标记的未标记的DNADNA。实际结果是，这种情况并未发生。实际结果是，这种情况并未发生。结论结论：PolPol III III基因转录时核小体从未离开基因转录时核小体从未离开DNADNA。基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和PolPol III III基因转录时如何通过核小体基因转录时如何通过核小体基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和PolPol II II在转录时会促使所通过的核小体组蛋白在转录时

34、会促使所通过的核小体组蛋白H2AH2A的代换的代换,但核小体并不离开原来的位置但核小体并不离开原来的位置.基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和PolPol II II基因转录时的核小体改装基因转录时的核小体改装基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和核小体装配与表观遗传核小体装配与表观遗传1)1)虽然有报道表明虽然有报道表明DNADNA复制时核小体也采取半保复制时核小体也采取半保 守装配守装配,但

35、更多的实验证据支持核小体核心但更多的实验证据支持核小体核心8 8 聚体在聚体在DNADNA复制时是保守装配复制时是保守装配.2)2)由此产生一个问题由此产生一个问题,即染色质的表观遗传状即染色质的表观遗传状 态是如何传递的态是如何传递的.现在的证据倾向于现在的证据倾向于,染色质染色质 的表观遗传状态可以通过转录时的组蛋白二的表观遗传状态可以通过转录时的组蛋白二 聚体正向的聚体正向的(开放开放)或反向的或反向的(关闭关闭)代换保持代换保持.3)Pol3)Pol II II基因在转录时可通过核小体基因在转录时可通过核小体,会破坏核会破坏核 小的结构小的结构,使使H2A-H2BH2A-H2B组蛋白丢

36、失组蛋白丢失,但核小体并但核小体并 没有离开原来没有离开原来DNADNA的位置的位置.此时会发生此时会发生H2AZH2AZ取取 代代H2AH2A组蛋白事件组蛋白事件.基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和染色质重建依赖于组蛋白的修饰染色质重建依赖于组蛋白的修饰1)1)核小体的修饰是染色质水平进行基因表达调控核小体的修饰是染色质水平进行基因表达调控的中心环节的中心环节.2)2)核小体修饰的目的是促使核小体核心核小体修饰的目的是促使核小体核心8 8聚体与

37、聚体与DNADNA分子的结合或者松弛或者强化分子的结合或者松弛或者强化,便于核小便于核小体移动或固定体移动或固定,使转录调控因子结合或排斥使转录调控因子结合或排斥.基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和组蛋白的修饰组蛋白的修饰目前已发现的组蛋白修饰目前已发现的组蛋白修饰:1)1)乙酰基化乙酰基化(可逆可逆)2)2)甲基化甲基化(不可逆不可逆)3)3)泛素化泛素化(可逆可逆)4)Sumoylation(4)Sumoylation(可逆可逆)5)5)磷酸化磷酸化(可逆可逆)RNAiRNAi可介导组蛋白修饰可介导组蛋白修饰见见:Cell,116:

38、259-272,2004(Cell,116:259-272,2004(重要参考文献重要参考文献)基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和组蛋白修饰组蛋白修饰乙酰基化和去乙酰基化乙酰基化和去乙酰基化基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学

39、院 向太和向太和组蛋白乙酰基化是基因在染色质水平表达调控的主要方式之组蛋白乙酰基化是基因在染色质水平表达调控的主要方式之一一.组蛋白乙酰基化使其与组蛋白乙酰基化使其与DNADNA的结合松弛的结合松弛,利于核小体位移利于核小体位移.基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和一种与泛素分子类似的小分子修饰多肽一种与泛素分子类似的小分子修饰多肽(small ubiquitin(small ubiquitin-related modifier)-related

40、modifier)可与组蛋白结合可与组蛋白结合,促使组蛋白甲基化促使组蛋白甲基化,最终使基因关闭最终使基因关闭.见见:PNAS 100:PNAS 100:131181311812120,2003.12120,2003.基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和组蛋白的甲基化是不可逆的组蛋白的甲基化是不可逆的,直接参与染色质的表观遗传直接参与染色质的表观遗传.甲甲基化主要出现在基化主要出现在lyslys位置位置,有抑制和激活两种不同的效应有抑制和激活两种不同的效应.基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向

41、太和向太和果蝇果蝇热激热激蛋白蛋白基因基因区核区核小体小体磷酸磷酸化的化的证据证据基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和热激蛋白基因区核小体磷酸化机理热激蛋白基因区核小体磷酸化机理基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和siRNAsiRNA可诱导异染色质形成可诱导异染色质形成见见:Current Opinion in Cell Biology,2004,16:230-238:Current Opinion in Cell Biology,2004,16:230-238基因组学基因组学 杭州

42、师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和1)1)剂量效应剂量效应系指一个基因因其在细胞中拷贝数系指一个基因因其在细胞中拷贝数的多少而产生增强表达与减弱的现象的多少而产生增强表达与减弱的现象.2)2)多细胞生物中性别染色体在雌性和雄性细胞多细胞生物中性别染色体在雌性和雄性细胞中的拷贝数不同中的拷贝数不同,为平衡基因表达产物的数为平衡基因表达产物的数量量,出现整条染色体被抑止或超激活现象出现整条染色体被抑止或超激活现象.基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和染色体剂量效染色体剂量效应可通过基因应可通过基因的上调或下

43、调的上调或下调形式达到形式达到:1)1)哺乳动物雌哺乳动物雌性一条性一条X-X-染色染色体失活体失活,形成形成BarrBarr小体小体;2)2)果蝇雄性果蝇雄性X-X-染色体超表达染色体超表达以达到平衡以达到平衡;3)3)线虫雌性一线虫雌性一条条X-X-染色体低染色体低表达表达.基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和雌性老鼠在胚胎早雌性老鼠在胚胎早期两个期两个XISTXIST等位基等位基因低水平表达因低水平表达,但但RNARNA产物不稳定产物不稳定,并与其编码基因结并与其编码基因结合合.随着发育进行随着发育进行,其中一个其中一个XISTXI

44、ST基因基因的表达逐步稳定最的表达逐步稳定最终覆盖了其所在的终覆盖了其所在的整个整个X-X-染色体染色体.另另一一X-X-染色体上的染色体上的XISTXIST基因则随之因基因则随之因启动子甲基化而关启动子甲基化而关闭闭.选择那条选择那条X-X-染染色体失活是一个随色体失活是一个随机的过程机的过程.基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和雄蝇雄蝇X-X-染染色体色体的超的超激活激活决定果蝇决定果蝇X-X-染色体的剂量补偿需要染色体的剂量补偿需要4 4个基因个基因,称为称为mslmsl(male-specific lethal,(male-spe

45、cific lethal,雄性专一性致死基因雄性专一性致死基因),),其蛋白产物为其蛋白产物为MSL.MSLMSL.MSL蛋白的抗体一雄果蝇细胞蛋白的抗体一雄果蝇细胞的的X-X-染色体可专一性结合染色体可专一性结合(图中红色染色体带纹图中红色染色体带纹).).有一个有一个mslmsl基因为基因为mlemle (maleless(maleless),),与与DNADNA和和RNARNA解旋酶解旋酶(helicase(helicase)同源同源,可将核酸解旋可将核酸解旋,促使基因超促使基因超表达表达.基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组

46、学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和活性基因与沉默基因的空间位置活性基因与沉默基因的空间位置基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和第二节第二节 功能基因组研究方法功能基因组研究方法l单个基因功能的研究技术单个基因功能的研究技术1.1.基因剔除基因剔除 2.2.基因过表达基因过表达 3.RNA3.RNA干扰干扰

47、4.TILLING4.TILLINGl整体基因组功能研究技术整体基因组功能研究技术1.1.转座子标签转座子标签 2.2.表达芯片表达芯片 3.SAGE3.SAGE4.T-DNA4.T-DNA标签标签 5.5.基因陷阱基因陷阱基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和RNA RNA 干扰干扰（RNA interferenceRNA interference）基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和RNAiRNAi简介简介l一些小的一些小的dsRNAdsRNA可以高效、特异的阻断体内可以高效、特异

48、的阻断体内特定基因表达，促使特定基因表达，促使mRNAmRNA降解，诱使细胞降解，诱使细胞表现出特定基因缺失的表型，称为表现出特定基因缺失的表型，称为RNARNA干涉干涉（RNA interferenceRNA interference，RNAiRNAi，）。，）。l是体内抵御外在感染的一种重要保护机制。是体内抵御外在感染的一种重要保护机制。l可以作为一种简单、有效的代替基因敲除的可以作为一种简单、有效的代替基因敲除的遗传工具。遗传工具。lRNAiRNAi正在功能基因组学领域掀起一场的革命，正在功能基因组学领域掀起一场的革命，并将改变这个领域的研究步伐。并将改变这个领域的研究步伐。l被被Sci

49、enceScience评为评为20022002年最重要的的成果之一年最重要的的成果之一 基因组学基因组学 杭州师范大学生命与环境科学学院杭州师范大学生命与环境科学学院 向太和向太和（RNA interferenceRNA interference，RNAiRNAi）RNAiRNAi是与靶基因序列同源的双链是与靶基因序列同源的双链RNARNA (dsRNA (dsRNA)所诱导的一种特异性基因沉默现象。所诱导的一种特异性基因沉默现象。它是真核生物中存在的一种抗病毒入侵、它是真核生物中存在的一种抗病毒入侵、抑制转座子活动、调控基因表达的监控机制，抑制转座子活动、调控基因表达的监控机制，具有重大生物

50、学意义。具有重大生物学意义。9090年代初，年代初，Rich Jorgensen Rich Jorgensen 设想，将更多的色素基因注入设想，将更多的色素基因注入植物体，能使花朵的色彩更艳植物体，能使花朵的色彩更艳丽，而结果出其预料，转基因丽，而结果出其预料，转基因的植株不仅没有新基因表达，的植株不仅没有新基因表达，反而使原有的色素基因也受到反而使原有的色素基因也受到了抑制，当时称共抑制了抑制，当时称共抑制（cosuppressioncosuppression)。9494年年CogoniCogoni等证明真菌中亦等证明真菌中亦有类似现象，此称为基因压制有类似现象，此称为基因压制 (quell