表观遗传学考试复习

、名词解释表观遗传

DNA 序列不发生改变但基因表达却发生了变化的一种有别于传统遗传学的遗传方式，主要原因包括：（1）基因选择性转录表达的调控，包括DNA 甲基化，基因印记，组蛋白共价修饰，染色质重塑；（2）基因转录后的调控，包含基因组中非编码的RNA，如miRNA，siRNA等。

剂量补偿效应

在生物的性别决定机制中，性连锁基因在两种性别中有相等或近乎相等的有效剂量的遗传效应，即在雌性和雄性细胞里，由X 染色体基因编码产生的酶或其他蛋白质产物在数

量上相等或近乎相等。

染色质重塑

基因表达调控过程中所出现的一系列染色质结构变化和位置改变的总称，研究内容包括基因表达的复制和重组等过程中，染色质的包装状态，核小体中的组蛋白以及对应的DNA 分子发生改变的分子机理。

RNA 干扰

生物体内通过双链RNA 分子在mRNA水平上诱导具有特异性序列的转录后基因沉默的过程（如miRNA，siRNA 等），是表观遗传学中的一种重要现象。

CpG 岛

基因组中富含CpG的区域，长度500~ 1000bp ，GC含量超过55%，常分布在持家基因和一些组织表达特异性基因的启动子区域，其中70% 的 C 是甲基化的，但总的来说G+C 丰富的CpG 岛是非甲基化的。CpG岛区域序列可以被HpaII 酶（CCGG）切成小片段，因此也叫HTF 岛。

CpG 岛在基因转录调控过程中有重要作用，例如启动子区CpG 被甲基化时转录是受抑制的。Histone Crosstalk

组蛋白的不同化学修饰之间相互作用，不仅表现为同种组蛋白不同残基的一种修饰能加速或抑制另一修饰的发生，并且在影响其他组蛋白残基的同时，也受到另外组蛋白残基修饰的调节。

泛素化修饰

组蛋白赖氨酸残基与泛素分子羧基末端的甘氨酸相互结合，可能会改变底物的结构，参与内吞作用、组蛋白的活性、DNA 修复等过程等。组蛋白的泛素化修饰则会招募核小体到染色体、参与X 染色体失活、影响组蛋白甲基化和基因的转录。

SUMO 修饰

小泛素相关修饰物（small ubiquitin related modifier, SUMO ），是一种ATP依赖的小蛋白的共价修饰，通常发生在赖氨酸（K）上，其生物学功能包括：转录沉默、抑制组蛋白的乙酰化。

组蛋白密码

组蛋白在翻译后的修饰中会发生改变，从而提供一种识别的标志，为其他蛋白与DNA 结合产生协同或拮抗效应，这种动态转录调控成分称为组蛋白密码。一种假说认为是通过下游效应蛋白特异的识别和解译这种修饰来完成组蛋白密码的解读，在基因的功能预测与研究中有重要作用。

印记缺失

印记基因簇中某个基因的表达或不表达使得印记基因的表达不再受到抑制从而失去了印记基因的特性，这样的一种现象即称为印记缺失，例如删除DMR 序列将导致Air 不表达，从而失去了Air 对印记基因的抑制作用，继而印记丢失。

二、简答题

1. 简述表观遗传学的特点及其与遗传学的关系。

表观遗传学的特点：（1）可遗传的，即这类改变通过有丝分裂或减数分裂，能在细胞或个体世代间遗传；（2）可逆性的基因表达调节；（3）没有DNA 序列的改变或不能用DNA 序列变化来解释。与遗传学的联系：传统遗传学认为基因决定着生命过程中所需要的各种蛋白质，决定着生命体的表型，但现实生活中存在一些现象（如同卵双生、染色体上基因的位置效应、X 染色体的剂量补偿效应）则说明在相应的基因碱基序列没有发生变化的情况下，一些生物体的表型能够发生改变。这些现象无法用传统遗传学来解释，由此延伸出了表观遗传学。经典遗传和表观遗传具有共同的理论基础，既相互区别又相互依存构成一个整体，人类基因组就含有两类信息：

（1）遗传学信息：提供了合成生命所必需蛋白质的模板及合成包括表观遗传学修饰在内的各种蛋白质的蓝图；（2）表观遗传学信息：调控着适当的一组表达基因及其表达的程度，即提供了何时、何地以及如何应用上述遗传学信息指令。

2. 简述基于重亚硫酸盐转化的DNA 甲基化的检测方法。

利用重亚硫酸盐处理, 将没有甲基化保护的胞嘧啶转化为尿嘧啶, DNA 序列就发生了相应的变化，随后通过基因测序、甲基特异性的PCR扩增、PCR反应后限制性内切酶消化法等可以判断CpG 位点是否发生甲基化，并通过检测未转化胞嘧啶的比例, 可以测定甲基化程度。

3. 哺乳动物 DNA 甲基转移酶分类

根据结构和功能分成 3 大类：C 末端是高度保守的催化结构域，

N 端调节结构域，介导细胞核内定位，调节与其它蛋白的相互作用。根据其催化反应的 类型也可分为： （1）维持甲基化酶作用于半甲基化位点；

化的

DNA 。

4. 列举 DNA 去甲基化的方式

参与 DNA 甲基转移反应；

2）重新甲基化酶催化非甲基

5. 精氨酸甲基化的去除方式

1）肽基精氨酸去亚胺基酶： 蛋白质内单甲基化的精氨酸脱去甲基和亚胺基， 进而转化 为瓜氨酸， 过程常被称为去亚胺基化或瓜氨酸化； （ 2）精氨酸去甲基化酶： 包含磷酸化 丝氨酸受体，依赖于 Fe 2+和α -酮戊二酸的双加氧酶，它们能以 α -酮戊二酸和 O 2作为

反应物，将底物上的甲基转化为甲醛释放。

6. 简述 H2B 的泛素化调控 GAL1 基因转录的机理

H2B 的泛素化 /去泛素化可以平衡组蛋白 H3K4和 H3K36之间的甲基化水平， 而组蛋白甲 基化会通过改变核小体的结构来调控基因的表达。

7. RNAi 参与异染色质形成的机理

1）重复片段的双链的相对的启动子转录， 形成 dsRNA ；（2）由 Dicer 切割成 siRNAs ；（ 3） siRNAs 与 RITS 结合，募集 Clr4 HKMT 并导致随后的 H3K9甲基化。 Swi6 （HP1类似

物 ）随后 结合上来并导致 H3K9 甲基化的扩散引起与其配对的同源 DNA 的沉默；（4）招募异染色 质结合蛋白质，异染色质形成。

8. 印记基因分类及主要功能

印记基因分类：（1）父系印记基因：来自父系的等位基因的表达被抑制而来自母系的等位基因表达；（2）母系印记基因：来自母系的等位基因的表达被抑制而来自父系的等位基因表达。印记基因主要功能是对胚胎和新生儿生长的控制作用，父系印记基因的表达能够促进胎儿的生长以及营养的摄取，增强胚胎发育能力，能够延续基因的存在；而母系印记基因的表达能够抑制胎儿的生长，减少营养的开支，从而提高生育后代的数量，延续自己的基因；印记实际上是调节母体和胚胎营养物质交流和分配的手段，其意义可能在于阻止哺乳动物孤雌发育。

9. 简述印记擦除和重建

印记是在配子中建立的，因此卵子和精子已经携带了有印记的染色体（第一代印记）。受精后胚胎成为二倍体，胚胎、膜、胎盘和成体中细胞不断分裂，印记依然保持在相同的亲本染色体上。

生殖细胞是在胚胎性腺中形成的，仅在这些细胞中，印记会在性别决定之前被擦除,胚胎期11.5-

12.5 天，原始生殖细胞基因组印记被擦除。先擦除后重建。雄配子印记建立时间，此时卵母细胞正

处于生长阶段。当胚胎发育成雄性，性腺分化成睾丸，产生单倍体精子，它们在染色体上获得了父源印记。类似的，在雌性发育时，卵子中染色体得到母源印记（第二代印记）。

三、问答题

1. 简述siRNA 和miRNA 的异同点。

相同点：（1）二者的长度都约是20-25nt 左右；（2）都由双链的RNA或RNA前体形成；

（3）二者都依赖Dicer 酶的加工，产物的特点：5'端带磷酸，3'端均有 2 个突出的碱基；

（4）二者都是RISC（RNA induced silencing complex）组成；（5）它们在转录后水平干扰以抑制靶标基因的翻译。不同点：（1）起源阶段上siRNAs通常是外源的，如病毒感染的外源性转录基因或人工合成的dsRNA通过转染进入，而miRNAs 是内源性的，在基因组中有固定的基因座位，是一种非编码的RNA；由miRNA基因表达出最初的pri-miRNA 分子；（2）成熟过程上siRNAs直接来源是长链的dsRNA经过Dicer 酶切割形成双链siRNA,每个前体dsRNA 能够切割成不定数量的siRNA 片段，而miRNAs 在细胞核中转录的较大的pri-miRNA 经由Drosha （RNAseⅢ酶）和伴侣蛋白加工成为单链pre-miRNA ；发夹状、部分互补的pre-miRNA 在细胞质中被Dicer（RNAseⅢ酶）酶切割形成miRNA；（3）功能阶段上siRNAs与RISC（RNA 诱导的沉默复合物，使用AGO蛋白家族AGO2 ）结合，以RNAi 途径行使功能，即通过与序列互补的靶标mRNA完全结合（与编码区结合），从而降解mRNA 以达到抑制蛋白质翻译的目的；它通常用于沉默外源病毒、转座子活性，而miRNAs 与RISC 形成复合体（利用AGO1）后与靶标mRNA 通常发生不完全结合，并且结合的位点是

mRNA 的非编码区的3' 端；它不会降解靶标mRNA，而只是阻止mRNA 的翻译；miRNA 能够调节与生长发育有关的基因。

3. 研究证实早期的经历与个体成年以后的生理、心理健康密切相关，请利用表观遗传学原理分析早期经历是如何对个体成年后行为造成持久影响的？（可以以母鼠对小鼠照顾能力的差异导致子鼠成年后环境应激反应差异为例进行分析）。

4. 分析 SIRT1 在 Caloric restriction (CR) 中的分子信号通路

Caloric restriction (CR)：卡路里限制是指在保证机体基本营养需求前提下，降低机体 30%~40%的能量摄入，可延缓随年龄增大易发生的疾病和癌症，延长寿命。

Bax 是线粒

体凋亡蛋白，可以在线粒体上打洞，从而引发线粒体介导的细胞凋亡通路。一般情况下 Bax 与 Ku70结合，受到某些促进细胞凋亡的信号时，

Ku70被乙酰化，释放 Bax ，游离

Bax 穿入线粒体，引起细胞凋亡。在卡路里限制的条件下， SIRT1 蛋白质表达增加，此 蛋白会促进 Ku70去乙酰化， 从而使 Bax 的释放受到抑制， 细胞凋亡就会延迟， 从而使个 体“延年益

寿” 。

5. 简述印记的判读机制

( 1)通过 CpG 岛或者启动子的差异甲基化来实现

2)

差异性的将沉默因子结合到顺式沉默元件上

3）差异性的甲基化边界元件/绝缘子，例如CCCTC-binding factor （CTCF）能够与未甲基化的等位基因结合，从而阻断上游启动子与下游增强子之间的联系，从而使得上游基因的转

录被抑制。

4）反义转录本与CpG 岛或启动子的甲基化联合作用机制，沉默机制：RNAi；转录干扰

6. 简述线虫剂量补偿

调节性别决定和剂量补偿通路中的首要基因xol-1 被认为是一个主要的控制基因，它的活性是由X: A 的比值决定，并进而决定这一通路是导致雄性还是雌雄同体发育。XOL-1是sdc 基因（sdc 指性别决定和剂量补偿缺陷，sex determination and dosage compensation defective ）的负调节因子。sdc 基因编码DCC（剂量补偿复合物）的组分并调节her-1 （her 指XO 线虫的雌雄同体化，hermaphroditization ）性别决定基因。在XO 胚胎中，X: A 比值为0.5,导致XOL-1 蛋白的高水平和SDC蛋白的低水平；DCC不组装，剂量补偿就不能发生，导致雄性性别发育。在XX胚胎中，X: A比值为1，导致XOL-1蛋白的低水平和SDC 的高水平；DCC 得以组装，发生剂量补偿效应，继而抑制her-1 的表达，导致雌雄同体性别发育。X 信号元件（XSE ）和常染色体信号元件（ASE ）在调节XOL-1水平时可能发挥作用，以及随后的性别分化和剂量补偿复合物的组装，后者在雌雄同体中双倍下调X 连锁基因的表达水平。

组蛋白修饰类型

相应的酶

分子效应

生物学功能

乙酰化

HAT

中和赖氨酸的正电荷， C=O 具有一定的负电， 能够增加与 DNA 的斥 力，使得 DNA 结构变 得疏松

基因转录活化； DNA 损伤 修复

甲基化

HKMT ，PRMT

增加赖氨酸上的疏水 力

基因转录活化； 基因转录 沉默； X 染色体失活；异 染色质形成

磷酸化

磷酸化（激）酶

凝缩复合物的适当募 集和纺锤体的正确组 装；招募其他蛋白质

与染色体的浓缩 / 分离、 异染色质的形成。 转录的 激活、细胞凋亡以及 DNA 损伤的修复均有关

泛素化

泛素激活酶（ E1）， 泛素接合酶（ E2）， 泛素 - 蛋白质连接

赖氨酸残基与泛素分 子羧基末端的甘氨酸 相互结合，

招募核小体到染色体、 参 与 X 染色体失活、 影响组 蛋白甲基化和基因的转