染色质与表观遗传

DNA及其包装组蛋白上的化学标记决定了基因是可接近的还是被沉默的。由于这些标记可以通过细胞分裂进行复制，它们使得基因表达状态在不改变DNA序列的情况下得以遗传。

Definition

基于染色质的表观遗传是指通过DNA甲基化和组蛋白修饰来传递基因表达状态，这些修饰改变染色质可及性并在细胞分裂过程中被复制，而DNA序列本身没有发生任何改变。

Scope

本主题涵盖DNA甲基化及其在稳定沉默中的作用、组蛋白尾部的共价修饰及其导致的开放或封闭染色质、ATP依赖性染色质重塑、染色质状态通过DNA复制的传播，以及跨细胞和生物体世代的表观遗传概念。它涉及可遗传的基于染色质的调控；序列特异性和RNA介导的控制将在相邻主题中讨论。

Core questions

• DNA甲基化如何沉默基因并在复制过程中保持稳定？
• 组蛋白修饰如何开放或关闭染色质以控制基因的可及性？
• 染色质重塑复合物如何重新定位核小体？
• 染色质状态如何被复制，从而使基因表达模式得以遗传？

Key concepts

• DNA甲基化与基因沉默
• 组蛋白修饰与组蛋白密码
• 开放性常染色质与封闭性异染色质
• ATP依赖性染色质重塑
• 染色质状态的可遗传性

Mechanisms

添加到胞嘧啶上的甲基以及组蛋白尾部上的各种化学标记会招募蛋白质，这些蛋白质要么将染色质压缩成沉默的异染色质，要么使其保持开放和活跃；重塑复合物会滑动或移除核小体以暴露调控序列，而维持酶会在新复制的DNA上重新建立甲基化和组蛋白标记，从而使该状态在子细胞中得以持续。

Clinical relevance

异常的DNA甲基化和组蛋白修饰是癌症和多种发育综合征的标志，表观遗传标记可作为生物标志物，靶向甲基化和组蛋白修饰酶的药物已用于肿瘤学；此处介绍该领域旨在帮助理解，而非提供临床指导。

History

沃丁顿在20世纪40年代引入“表观遗传学”一词，以描述基因型如何产生表型；分子时代始于将DNA甲基化识别为一种沉默标记，并随着2000年左右组蛋白修饰酶的发现而加速发展，从而确立了染色质作为可遗传调控层的作用。

Debates

哺乳动物的跨代表观遗传

表观遗传标记是否能在哺乳动物中跨代传递并影响后代表型仍存在争议，因为大多数标记在生殖系中会被重置，且在人类中明确的证据有限，尽管这种遗传在植物和某些动物中已有充分记录。

Key figures

• Conrad Waddington
• C. David Allis
• Adrian Bird

Seminal works

• allis2007

Frequently asked questions

基因表达如何在不改变DNA的情况下被遗传？

DNA甲基化和组蛋白修饰等标记位于DNA及其包装蛋白之上；专门的酶在复制后将这些标记复制到新的DNA上，因此子细胞继承了每个基因相同的开启或关闭状态。

常染色质和异染色质有什么区别？

常染色质结构疏松，通常可供转录机器接触，因此其基因可以表达；而异染色质结构紧密，通常处于沉默状态；表观遗传标记有助于决定哪些区域采用哪种状态。