傅繼梁 同濟大學醫學與生命科學部

　表 觀 遺 傳 學 （ epigenetics ）

基因表達模式

一個多細胞生物機體的不同類型細胞

概 　述

相同的基因型 不同的表型

　　　　基因表達模式在細胞世代之間的可遺傳性並 不依賴細胞內 DNA 的序列信息。

決定細胞類型的不是基因本身，而是基因表達模式，通過細胞分裂來傳遞和穩定地維持具有組織和細胞特異性的基因表達模式對於整個機體的結構和功能協調是至關重要的。

基因表達模式 (gene expression pattern)

基因表達模式的信息標記

表觀遺傳修飾(epigenetic modification)

DNA分子的特定鹼基的結構修飾        (如胞嘧啶的甲基化 )

染色質構型重塑 (chromatin remodeling)          (如組蛋白的構型變化 )

表觀遺傳 (epigenetic inheritance) ：通過有絲分裂或減數分裂來傳遞非 DNA序列信息的現象。表觀遺傳学 (epigenetics)：則是研究不涉及 DNA序列改變的基因表達和調控的可遺傳變化的。或者說是研究從基因演繹為表型的過程和機制的一門新興的遺傳學分支。

表觀遺傳修飾機制

DNA甲基化和染色質重塑基因組印跡基因表達重新編程X染色體失活

表觀遺傳修飾機制

　 DNA甲基化 (DNA methylation)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結合，胞嘧啶由此被修飾為 5甲基胞嘧啶 (5-methylcytosine ， 5-mC)。

DNA甲基化

（一） DNA甲基化和染色質重塑

  

DNMT1

SAM

胞嘧啶 5- 甲基胞嘧啶

胞嘧啶甲基化反應

DNA甲基化

DNA复制酶CH3

CH3

CH3

CH3

DNA 甲基转移酶

CH3

CH3

CH3

CH3

DNA複製後甲基化型的維持

DNA甲基化

結構基因 5’端附近富含 CpG二聯核苷的區域稱為 CpG島 (CpG islands)。 　

DNA甲基化

哺乳動物基因組 DNA 中 5-mC約佔胞嘧啶總量的 2%--7%，絕大多數 5-mC存在於 CpG二聯核苷 (CpG doublets)。

基因調控元件 (如啟動子 )所含 CpG島中的5-mC會阻礙轉錄因子復合體與 DNA的結合，所以 DNA甲基化一般與基因沉默 (gene silence)相關聯；而非甲基化 (non -methylated)一般與基因的活化 (gene activation)相關聯。而去甲基化 (demethylation)往往與一個沉默基因的重新激活 (reactivation)相關聯。

DNA甲基化

Model for methylation-dependent gene silencing. The structural element of chromatin is the nucleosomal core, which consists of a 146-bp DNA sequence wrapped around core histones. Acetylation of the histones causes an open chromatin config-uration that is associated with transcriptional activity. Methylated cytosines are recognized by methyl-CpG-binding proteins (MBDs), which in turn recruit histone deacetylases (HDACs) to the site of methylation, convert-ing the chromatin into a closed structure that can no longer be accessed by the transcriptional machinery.

組成核小體的組蛋白可以被多種化學加合物所修飾，如磷酸化、乙酰化和甲基化等，組蛋白的這類結構修飾可使染色質的構型發生改變，稱為染色質構型重塑。組蛋白中不同氨基酸殘基的乙酰化一般與活化的染色質構型常染色質 (euchromatin)和有表達活性的基因相關聯；而組蛋白的甲基化則與濃縮的異染色質 (hetero -chromatin)和表達受抑的基因相關聯。

染色质重塑

Epigenetics is an advanced biological system that selectively utilizes genomic information and is involved in various fundamental phenomena. Specifically, it puts emphasis on the regulation of gene expression, through DNA methylation, chromatin, and post-translational modification of proteins such as histones. Arrows indicate possible functional interactions between them. DNA hypermethylation, histone hypoacetylation and inactive chromatin repress transcription. In contrast, a transcriptionally active condition may encourage DNA hypomethylation, histone hyperacetylation and active chromatin. Also, a particular chromatin structure may be required for establishing DNA methylation .

研究還表明，組蛋白甲基化可以與基因抑制有關，也可以與基因的激活相關，這往往取決於被修飾的賴氨酸處於什麼位置。     例如，上述的 H3 Lys9甲基化最終導致了基因的沉默；然而，位於 H3 Lys4的甲基化則與基因的活化相關聯。