植物表观遗传调节模式.ppt

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1、植物表观遗传调节模式经典遗传学认为，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（genome）有20000多个基因，但在成人体内的200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相同的遗传信息，但由于基因表达模式不同，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态的细胞，从而组成了不同的组织和器官。这种DNA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，就被定义为表观遗传（epigenetic）现象。在经典遗传学创立几十年后，Waddington于1942年提出表观遗传学的概念，并将

2、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。20世纪70年代中期，人们对表观遗传的理解开始变化，Holliday对其进行了系统表述，即现在广为接受的表观遗传学概念———研究非DNA序列变化所致的可遗传的基因表达变化。在分子生物学空前发展的形势下，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，形成了独立的分支学科。表观遗传现象就是由环境因素引起的生物细胞内遗

3、传物质变化的结果。在相当长一段时间内，表观遗传学的研究集中在甲基化（methylation）、小RNA（smallRNA）和染色质重塑（chromatinremodeling）等方面。此外，许多论文中描述了副突变（paramutation）、亲代印记（parentalimprinting）、性别相关的基因剂量补偿效应（genedosagecompensationeffect）和转基因沉默（transgenesilencing）等典型的表观遗传现象。表观遗传学的调节机制主要包括:（1）DNA甲基化（DNAmethylation）；（2）组蛋白修饰（histonemodification

4、）；（3）非编码RNA（noncodingRNA，ncRNA）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表观遗传变异。1表观遗传调节模式1.1DNA甲基化及其生理生化效应DNA高度甲基化首先会影响DNA结构，进而阻遏基因转录，引起基因沉默。真核细胞内甲基化状态有3种：持续的低甲基化状态（如持家基因的甲基化）、诱导的去甲基化状态（如一些发育阶段特异性基因的修饰）和高度甲基化状态（X染色体的甲基化修饰）。DNA甲基化的具体反应过程是DNA甲基转移酶（DNAMethyltransferase，DNMT）将S-腺苷甲硫氨酸上的甲基转移到DNA双链中胞嘧啶的第5位碳原子

5、上，形成5-甲基胞嘧啶（5-mC）。催化该反应的DNA甲基转移酶主要有4种：DNMT1、DNMT3A、DNMT3B和DNMT3L。在DNA复制完成后，DNMT1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，这一现象称为维持甲基化（maintenancemethylation）；而DNMT3A和DNMT3B则负责催化核酸链上新的甲基化位点发生反应，称为形成甲基化（denovomethylation）。DNMT3L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，其主要作用是调节其他甲基转移酶的活性。DNA甲基化主要发生在胞嘧啶和鸟苷酸（CpG）二核酸中的胞嘧啶

6、（C）上，基因组中的CpG约有60%~90%会发生甲基化。在DNA双链中5‘-CpG-3’及其互补链中的3‘-GpC-5’中的C都会被甲基化，这些CpG是基因组中的维持甲基化位点。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200bp碱基对中CpG含量超过60%），这些CpG簇被称为CpG岛（CpGisland）。如果CpG岛发生高甲基化，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彻，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（TFs，包括E2F、CREB、AP2、cMyc/Myn、NF-kB、cMyb和ETS等

7、）的DNA结合活性。与此同时，甲基化不敏感的methyl-CpG结合蛋白（如Sp1、CTF和YY1等）会结合在DNA上，这些蛋白是转录抑制因子，它们都含有保守的甲基化DNA结合结构域（methylatedDNAbindingdomain，MBD）。DNA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DNA的特异转录抑制子MeCP2（methyl-CpGbindingprotein2），即甲基化CpG结合蛋白，与组蛋白去乙酰化酶（histonedea