植物表观遗传调控机理与育种应用

Posted on 2024-07-08 Edited on 2024-07-09 Views: Waline: Word count in article: 9.8k Reading time ≈ 18 mins.

2024年曹晓风院士讲座学习

植物表观遗传调控机理与育种应用

表观遗传研究通常不不受基因序列snp改变调控，分为DNA甲基化、组蛋白翻译修饰、小分子RNA

1. DNA甲基化

概述

DNA甲基化是表观遗传调控中最广为人知的一种机制，涉及在DNA分子上添加甲基基团（-CH3）。

机制

甲基化位点：甲基化通常发生在DNA双链中胞嘧啶（C）和鸟嘌呤（G）相邻的CpG二核苷酸位点上。
甲基转移酶：DNA甲基转移酶（DNMTs）负责将甲基基团添加到胞嘧啶上，形成5-甲基胞嘧啶。

功能

基因沉默：甲基化通常与基因沉默相关，甲基化的DNA区域变得不易转录。
基因调控：参与X染色体失活、基因组印记、发育调控等过程。

影响

疾病关联：异常的DNA甲基化与多种疾病（如癌症、自身免疫疾病、神经疾病）相关。

2. 组蛋白修饰

概述

组蛋白修饰指的是在组蛋白尾部的特定氨基酸残基上添加或去除化学基团，这些修饰影响染色质结构和基因表达。

常见修饰类型

乙酰化（Acetylation）：通常发生在赖氨酸（Lys）残基上，由组蛋白乙酰转移酶（HATs）添加，组蛋白去乙酰酶（HDACs）移除。
甲基化（Methylation）：发生在赖氨酸或精氨酸（Arg）残基上，可以是单甲基、双甲基或三甲基化。
磷酸化（Phosphorylation）：发生在丝氨酸（Ser）、苏氨酸（Thr）和酪氨酸（Tyr）残基上。
泛素化（Ubiquitination）：涉及在赖氨酸残基上添加泛素蛋白。

功能

染色质结构调控：修饰影响染色质的松紧程度，从而调控基因的转录活性。
基因表达：乙酰化一般与基因激活相关，而甲基化可以与基因激活或抑制相关，具体取决于修饰位置和上下文。

3. 小分子RNA

概述

小分子RNA是一类非编码RNA，能够调控基因表达，主要包括微小RNA（miRNA）、小干扰RNA（siRNA）和小核RNA（snRNA）。

微小RNA（miRNA）

生成：miRNA由细胞内的长前体RNA（pri-miRNA）经过酶切加工生成成熟的miRNA。
功能：通过与目标mRNA结合，诱导mRNA降解或抑制其翻译，从而减少蛋白质表达。

小干扰RNA（siRNA）

生成：siRNA通常由双链RNA（dsRNA）经过酶切生成。
功能：与mRNA精确互补，通过RNA诱导的沉默复合体（RISC）导致mRNA降解，从而抑制基因表达。

小核RNA（snRNA）

功能：主要参与mRNA的前体RNA（pre-mRNA）剪接过程，调控基因表达。

核小体和组蛋白

核小体（nucleosome）是染色质的基本单位，由DNA和组蛋白组成。组蛋白是染色质蛋白质的主要成分，它们帮助DNA在细胞核内高度压缩和有序地包装。

组蛋白的类型

有五种主要的组蛋白：H1、H2A、H2B、H3和H4。其中，H2A、H2B、H3和H4是核心组蛋白，H1是连接组蛋白。

核心组蛋白：
- H2A、H2B、H3和H4：这四种组蛋白形成八聚体（octamer），即每种组蛋白各有两分子，共八个分子。
连接组蛋白：
- H1：位于核小体之间的连接DNA区域，帮助进一步压缩染色质。

核小体结构

核小体由一段大约146个碱基对（bp）的DNA和一个组蛋白八聚体组成。具体结构如下：

组蛋白八聚体：
- 2个H2A
- 2个H2B
- 2个H3
- 2个H4
DNA：
- 大约146个碱基对的DNA绕组蛋白八聚体缠绕1.65圈，形成核小体核心。

染色质的组织结构

“珠子串”结构：核小体通过连接DNA（linker DNA）连接起来，形成类似于“珠子串”的结构。每个核小体像一颗珠子，连接DNA则像串珠子的线。
高阶结构：这些“珠子串”进一步折叠和压缩，形成更高阶的染色质结构，如30纳米纤维，最终形成染色体。

组蛋白的功能

DNA包装：组蛋白通过核小体结构帮助DNA高度压缩，使其能够在细胞核内存放。
基因调控：组蛋白修饰（如甲基化、乙酰化等）可以影响染色质结构和基因表达。
DNA修复：组蛋白的动态变化在DNA损伤修复过程中起到重要作用。

组蛋白修饰

组蛋白修饰是通过添加或去除化学基团（如甲基、乙酰基、磷酸基等）来调控染色质结构和基因表达的机制。

常染色质（Euchromatin）

概述

结构：常染色质是染色质中较松散的一部分，染色质纤维较为展开。
染色特性：在显微镜下染色较浅，因此得名“常染色质”。
功能：常染色质通常包含基因活跃区，易于转录。

特点

基因表达：常染色质区域包含许多活跃的基因，这些基因通常处于转录活跃状态。
修饰状态：常染色质区域的组蛋白修饰如乙酰化较多，使染色质更加松散，有利于转录因子和RNA聚合酶的结合。
DNA序列：常染色质区域的DNA序列通常包含较少的重复序列。

功能

基因转录：常染色质中松散的结构使DNA更容易被转录因子和RNA聚合酶访问，从而促进基因转录。
基因调控：常染色质区域中的基因调控序列（如增强子和启动子）也更容易被调控蛋白访问。

异染色质（Heterochromatin）

概述

结构：异染色质是染色质中较紧密的一部分，染色质纤维高度压缩。
染色特性：在显微镜下染色较深，因此得名“异染色质”。
功能：异染色质通常包含基因不活跃区，转录活动较少。

特点

基因表达：异染色质区域通常包含较少的基因，且这些基因通常处于转录沉默状态。
修饰状态：异染色质区域的组蛋白修饰如甲基化较多，使染色质更加紧密，限制了转录因子和RNA聚合酶的结合。
DNA序列：异染色质区域的DNA序列通常包含大量的重复序列和转座子。

功能

基因沉默：异染色质区域通过高度压缩的结构抑制基因的转录活性。
染色体结构：异染色质有助于维持染色体的稳定性和结构完整性，尤其是在着丝粒和端粒区域。
基因调控：异染色质参与调控基因表达，特别是在特定的发育阶段或响应环境变化时。

总结

常染色质和异染色质在结构和功能上具有显著差异。常染色质结构较松散，包含许多活跃的基因，是基因转录的主要区域。而异染色质结构高度压缩，基因表达受到抑制，主要在染色体稳定性和基因调控中发挥作用。这种分化使得细胞能够灵活地调控基因表达，响应不同的生理和环境需求。

组蛋白是细胞核中DNA包装成染色质的关键蛋白质，起着调控基因表达和维持基因组稳定性的重要作用。组蛋白通过与DNA结合形成核小体，从而构成染色质的基本单位。

组蛋白的类型

主要组蛋白分为以下几类：

核心组蛋白：构成核小体的八聚体，每个核小体由两份H2A、H2B、H3和H4组成。
- H2A
- H2B
- H3
- H4
组蛋白H1：连接在核小体外部，帮助核小体之间的连接，稳定染色质的高阶结构。

组蛋白的结构

核小体：是染色质的基本单位，由DNA绕核心组蛋白八聚体约147个碱基对形成。
核小体链：多个核小体沿DNA链排列形成“串珠状”结构。

组蛋白的修饰

组蛋白尾部的氨基酸残基可以进行多种翻译后修饰，这些修饰通过改变染色质结构或招募特定的调控因子来调节基因表达。主要的组蛋白修饰包括：

乙酰化（Acetylation）：
- 发生在赖氨酸残基上。
- 由组蛋白乙酰转移酶（HATs）催化。
- 作用：通常与基因激活相关，乙酰化会减少组蛋白与DNA的亲和力，使染色质结构松散，促进转录因子和RNA聚合酶的结合。
甲基化（Methylation）：
- 发生在赖氨酸和精氨酸残基上。
- 由组蛋白甲基转移酶（HMTs）催化。
- 作用：可以与基因激活或抑制相关，具体取决于甲基化的位置和状态。例如，H3K4me3（H3第4位赖氨酸三甲基化）通常与基因激活相关，而H3K27me3（H3第27位赖氨酸三甲基化）通常与基因沉默相关。
磷酸化（Phosphorylation）：
- 发生在丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸残基上。
- 由蛋白激酶催化。
- 作用：通常与染色质去凝集和基因激活相关，并在细胞周期调控和DNA损伤修复中发挥重要作用。
泛素化（Ubiquitination）：
- 发生在赖氨酸残基上。
- 由泛素连接酶催化。
- 作用：可以标志蛋白质进行降解，也可以调节蛋白质功能和基因表达。例如，H2A的泛素化通常与基因沉默相关，而H2B的泛素化通常与基因激活相关。
ADP核糖化（ADP-ribosylation）：
- 发生在谷氨酸和天冬氨酸残基上。
- 由ADP核糖转移酶催化。
- 作用：参与DNA修复和细胞应激反应。

组蛋白修饰的作用

调节基因表达：
- 组蛋白修饰可以通过改变染色质结构（如从紧密到松散或反之）直接影响基因的转录活性。
- 组蛋白修饰可以招募或排斥特定的转录因子、转录共激活因子或转录抑制因子，从而调节基因表达。
维持基因组稳定性：
- 某些组蛋白修饰（如H3K9me3和H3K27me3）与异染色质的形成和维持有关，帮助沉默重复序列和转座子，防止基因组不稳定。
- 组蛋白修饰在DNA损伤修复过程中发挥重要作用，例如H2AX的磷酸化（γ-H2AX）标志DNA双链断裂部位，招募修复蛋白。
细胞分化和发育：
- 组蛋白修饰在细胞分化和发育过程中起关键作用，调控基因表达谱的变化，确保特定基因在特定时间和特定细胞类型中被正确表达或沉默。
记忆和学习：
- 组蛋白修饰在神经元活动和突触可塑性中发挥重要作用，调节与记忆和学习相关的基因表达。

总结

组蛋白及其修饰在基因表达调控、基因组稳定性维持、细胞分化和发育以及记忆和学习等生物过程中发挥关键作用。理解组蛋白修饰机制对于揭示基因调控网络和开发新的治疗策略具有重要意义。

DNA甲基化是基因组中一种重要的表观遗传修饰，涉及将一个甲基基团（-CH₃）添加到DNA分子中的碱基上。具体而言，DNA甲基化通常发生在胞嘧啶（C）碱基的5号碳原子上，形成5-甲基胞嘧啶（5-mC）。这种修饰主要在CpG二核苷酸序列中出现，即胞嘧啶后面紧跟着鸟嘌呤（G）。

甲基化的类型

CpG甲基化：
- 局部甲基化：局限于特定的CpG岛（通常是基因启动子区域），在这些区域，甲基化会抑制基因表达。
- 全基因组甲基化：遍布整个基因组的CpG位点，但多见于基因外的重复序列和转座子区域，有助于基因组稳定性。
非CpG甲基化：
- 常见于胚胎干细胞和某些特定的生物群体中，作用尚不完全明确。

甲基化的原理

DNA甲基化由一类称为DNA甲基转移酶（DNMTs）的酶介导，这些酶包括：

DNMT1：主要负责维持甲基化，即在DNA复制过程中，将母链上的甲基化模式复制到子链上。
DNMT3A和DNMT3B：主要负责新的甲基化，即在特定的生理或发育过程中，建立新的甲基化模式。

甲基化的作用

基因表达调控：
- 抑制基因表达：甲基化通常发生在基因启动子区域，会阻止转录因子和RNA聚合酶的结合，从而抑制基因转录。
- 基因沉默：尤其是在胚胎发育和细胞分化过程中，某些基因需要被沉默以确保正常的发育进程。
基因组稳定性：
- 抑制转座子活动：转座子是基因组中的可移动元件，甲基化能抑制其活动，防止基因组的不稳定和突变的发生。
- 重复序列的沉默：多余的重复序列会被甲基化，以防止其影响基因组的整体结构和功能。
基因组印记：
- 单亲遗传印记：某些基因在胚胎发育过程中会只从父亲或母亲的一方表达，而另一方则被甲基化沉默，这种现象称为基因组印记。
X染色体失活：
- 在女性哺乳动物中，两个X染色体中的一个会被随机选择并广泛甲基化，导致其失活，以保证X染色体基因剂量的平衡。

甲基化与疾病

异常的DNA甲基化模式与多种疾病相关，包括癌症、神经系统疾病和代谢疾病。例如：

癌症：癌细胞中常见的基因启动子区域的异常甲基化会导致抑癌基因的沉默，从而促进肿瘤的发生和发展。
神经系统疾病：异常甲基化可能影响神经发育相关基因的表达，导致精神分裂症、自闭症等疾病的发生。

总之，DNA甲基化是一个复杂而关键的生物过程，对基因表达调控和基因组稳定性具有重要作用。理解这一过程对于揭示许多生物学机制和疾病的发生机制具有重要意义。

组蛋白修饰

H3K9me2（Histone H3 Lysine 9 Dimethylation）

位置：发生在组蛋白H3的第9位赖氨酸残基上，形成双甲基化修饰。
功能：H3K9me2是异染色质的标志，与基因沉默和染色质紧密结构相关。
机制：H3K9me2吸引染色质重塑复合物和甲基化结合蛋白，促进染色质压缩，抑制转录因子和RNA聚合酶的结合。
作用：主要在基因组稳定性、转座子抑制和基因沉默中发挥作用。

H3K4me3（Histone H3 Lysine 4 Trimethylation）

位置：发生在组蛋白H3的第4位赖氨酸残基上，形成三甲基化修饰。
功能：H3K4me3是活跃基因转录的标志，通常出现在基因启动子区域。
机制：H3K4me3促进染色质的开放状态，使转录因子和RNA聚合酶更容易结合启动子区域，激活基因转录。
作用：在基因激活、发育调控和细胞分化中发挥重要作用。

H3K27me3（Histone H3 Lysine 27 Trimethylation）

位置：发生在组蛋白H3的第27位赖氨酸残基上，形成三甲基化修饰。
功能：H3K27me3是基因沉默的标志，通常出现在基因抑制区域。
机制：H3K27me3由多梳复合物（Polycomb Repressive Complex 2, PRC2）介导，促进染色质压缩，抑制基因转录。
作用：在发育过程中的基因调控、细胞命运决定和基因组稳定性中发挥重要作用。

DNA甲基化

mCG（5-Methylcytosine in CpG Context）

位置：发生在CpG位点上的胞嘧啶（C）上，形成5-甲基胞嘧啶（5mC）。
功能：mCG是基因沉默的重要标志，通常与抑制基因转录相关。
机制：DNA甲基转移酶（如DNMT1）将甲基基团添加到CpG位点上，形成mCG。甲基化的CpG岛通常位于基因启动子区域，抑制转录因子的结合，导致基因沉默。
作用：在基因组印记、X染色体失活和基因调控中发挥重要作用。

mCHG（5-Methylcytosine in CHG Context）

位置：发生在CHG位点（H代表A、C或T）上的胞嘧啶上，形成5-甲基胞嘧啶。
功能：mCHG通常与异染色质和基因沉默相关。
机制：由CMT3等DNA甲基转移酶介导，mCHG甲基化与H3K9甲基化相互作用，促进染色质压缩和基因沉默。
作用：在转座子抑制、基因组稳定性和基因沉默中发挥作用。

mCHH（5-Methylcytosine in CHH Context）

位置：发生在CHH位点（H代表A、C或T）上的胞嘧啶上，形成5-甲基胞嘧啶。
功能：mCHH通常出现在重复序列和转座子区域，与基因沉默相关。
机制：由RNA依赖的DNA甲基化途径（RdDM）介导，mCHH甲基化在非对称序列中维持，抑制转座子活性。
作用：在转座子抑制和基因组稳定性中发挥重要作用。

总结

组蛋白修饰和DNA甲基化是调控基因表达的重要表观遗传机制。H3K9me2、H3K4me3和H3K27me3分别与基因沉默和激活相关，通过调节染色质结构影响基因表达。mCG、mCHG和mCHH甲基化通过不同的机制维持基因组稳定性、抑制转座子和调控基因表达。这些修饰共同作用，确保细胞在发育和应对环境变化时能够灵活调控基因表达。

CMT3（Chromomethylase 3）和KYP（Kryptonite）是植物中两个重要的表观遗传调控因子，它们在DNA甲基化和组蛋白甲基化中发挥关键作用，影响基因表达和染色质状态。

CMT3（Chromomethylase 3）

概述

CMT3是植物中一种特异性的DNA甲基转移酶，主要负责对非CpG位点（CHG序列，其中H代表A、C或T）的DNA进行甲基化。

作用机制

甲基转移酶功能：CMT3将甲基基团添加到CHG位点上的胞嘧啶（C）上，形成5-甲基胞嘧啶。
维持甲基化：在DNA复制后，CMT3通过识别新合成链上的半甲基化CHG位点，将其甲基化，维持CHG位点的甲基化状态。

作用

基因沉默：CMT3介导的CHG甲基化通常与基因沉默和转座子抑制相关。
染色质结构：通过维持CHG甲基化，CMT3在调控染色质的结构和稳定性方面发挥重要作用。

KYP（Kryptonite）

概述

KYP（Kryptonite，又称SUVH4）是一种组蛋白甲基转移酶，主要在植物中负责将组蛋白H3的第9位赖氨酸（H3K9）甲基化。

作用机制

甲基转移酶功能：KYP将甲基基团添加到组蛋白H3的第9位赖氨酸（H3K9）上，形成单甲基化（H3K9me1）、双甲基化（H3K9me2）或三甲基化（H3K9me3）的修饰。
与DNA甲基化的相互作用：H3K9的甲基化可以通过直接或间接的机制促进DNA的CHG和CHH甲基化（其中H代表A、C或T）。