真核基因調控與表觀遺傳學
真核基因調控與表觀遺傳學概述
課程概覽
本課程為“生物化學 II - 冬季學期”的一部分，聚焦於以下主題：
核酸、基因調控、基因工程
核苷酸、RNA、DNA
複製
轉錄
翻譯
基因調控：真核基因調控 (Epigenetics, 非編碼RNA)
基因工程 (CRISPR/Cas9)
激素與調控
細胞通訊
分子信號級聯
生物化學總覽
核心代謝事件
生物化學總結
DNA 結構
DNA 為雙螺旋結構，包含主要溝槽（major groove）和次要溝槽（minor groove）。
雙螺旋由兩個反向平行的鏈組成，一端為 端，另一端為 端。
基本組成單位為核苷酸，包括磷酸基團、脫氧核糖和含氮鹼基。
鹼基配對：腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）配對，鳥嘌呤（G）與胞嘧啶（C）配對，透過氫鍵連接。
DNA 主鏈由磷酸二酯鍵連接的糖-磷酸骨架組成。
每個鹼基對之間的距離約為 。
DNA 雙螺旋的直徑約為 。
真核染色體
真核細胞中的 DNA 被組織成染色體，其結構在不同細胞週期階段有所不同。
間期 (Interphase)：染色體以鬆散的染色質形式存在於細胞核中，DNA 進行複製。
染色體包含著絲粒（centromere）、複製起始點（replication origin）和端粒（telomere）。
有絲分裂 (Mitosis)：染色體高度濃縮，便於分離。
複製後的染色體在有絲分裂過程中被分離到兩個子細胞中。
染色質與核小體
染色質 (Chromatin)
在間期，染色質呈現實驗性解開的狀態，其核小體結構類似「串珠」（‚Beads on a string‘），透過電子顯微鏡觀察可見。
核小體 (Nucleosome)
核小體是染色質的基本結構單位，由約 的 DNA 和組蛋白（Histone）組成。
組蛋白由四個二聚體組合成一個八聚體（Octamer）。
DNA 螺旋狀地纏繞在組蛋白八聚體上約 圈。
組蛋白與 DNA 之間主要透過 個氫鍵和離子相互作用進行連接。
組蛋白約 的胺基酸由精胺酸（Arginine）和離胺酸（Lysine）組成，這些胺基酸帶正電荷，能有效與帶負電荷的 DNA 磷酸骨架結合。
染色質緊密程度與轉錄
高度緊密包裝的染色質纖維（Chromatinfaser）很難被轉錄。
核小體中的組蛋白-DNA 相互作用
離胺酸（Lysine）上的正電荷與 DNA 骨架上的磷酸二酯鍵（帶負電荷）之間存在相互作用。
表觀遺傳學機制：組蛋白修飾與 DNA 甲基化
組蛋白修飾 (Histone Modification)
HAT (Histone Acetyl Transferase)：組蛋白乙醯轉移酶，為「書寫者」（Writers），負責將乙醯基團加到組蛋白上。
HDAC (Histone DeAcetylase Complex)：組蛋白去乙醯酶複合物，為「擦除者」（Erasers），負責移除組蛋白上的乙醯基團。
讀取者 (Readers)：溴結構域（Bromodomains）、染色質結構域（chromodomains）、PHD 指（PHD fingers）、惡性腦瘤結構域（malignant brain tumour domains）、Tudor 結構域（Tudor domains）、PWWP 結構域（PWWP domains）等，識別組蛋白上的修飾模式。
組蛋白乙醯化 (Histone Acetylation)
透過乙醯化，組蛋白失去其正電荷，導致染色質結構和核小體變得鬆散。
這種鬆散的染色質狀態有利於轉錄因子和 RNA 聚合酶的結合，從而促進基因轉錄。
組蛋白修飾的總體效應
甲基化 (Methylation)：通常導致基因失活（Inaktivierung）。例如，組蛋白尾部離胺酸的三甲基化（trimethylierung）會導致染色質濃縮。
乙醯化 (Acetylation)：通常導致基因活化（Aktivierung）。
磷酸化 (Phosphorylierung)：通常導致基因活化（Aktivierung）。
組蛋白乙醯化與基因轉錄
基因“開啟”狀態 (Gene “switched on”)：
活性（開放）染色質
未甲基化的胞嘧啶（白色圓圈）
乙醯化的組蛋白
RNA 聚合酶和轉錄因子能夠結合並啟動轉錄。
基因“關閉”狀態 (Gene “switched off”)：
沉默（濃縮）染色質
甲基化的胞嘧啶（紅色圓圈）
去乙醯化的組蛋白
轉錄受到阻礙。
表觀遺傳學定義
根據 Conrad H. Waddington 的定義，表觀遺傳學是指基因組功能中發生的可遺傳性變化，但不涉及 DNA 序列的改變。
“epi”意為“上、之上”，表觀遺傳繼承主要透過染色質結構的改變實現。
DNA 甲基化 (DNA Methylation)
胞嘧啶甲基化對基因表達的調控
主要發生在 CpG 序列中的胞嘧啶（Cytosin）上，其中胞嘧啶位於鳥嘌呤（Guanosine）之前，並透過磷酸鍵連接。
每條 DNA 鏈上的 CpG 序列會被甲基化，形成與其互補序列的對稱模式。
後果：
透過 DNA 甲基化啟動子區域或調節序列，抑制轉錄，例如阻止轉錄因子的結合。
多種蛋白質能識別甲基化模式，與其結合後進一步抑制其他對轉錄至關重要的蛋白質的結合。
CpG 甲基化與其傳承
維持型甲基轉移酶 (Maintenance Methyltransferase) 負責將母鏈的甲基化模式精確地傳遞給子鏈，從而確保甲基化模式在細胞分裂後被保留。
儘管如此，DNA 甲基化在脊椎動物的發育過程中仍然是動態的，並非一成不變。
CpG 甲基化與基因組印記 (Genomic Imprinting)
哺乳動物是二倍體，但少數基因的表達取決於其來自母親或父親的等位基因。
透過 CpG 甲基化，可以使母親或父親的等位基因沉默，這種現象稱為基因組印記（genomic imprinting）。
在早期胚胎中，基因根據其來源（卵細胞或精子）進行印記。
例子：胰島素樣生長因子 （Insulin-like growth factor ），對產前生長至關重要。
印記基因簇的組成
印記基因簇通常包含：
印記控制區 (Imprinting Control Region, ICR)
差異甲基化區 (Differentially Methylated Region, DMR)
基因組印記的重要性
基因組印記導致後代可能表達來自父親或母親的特定等位基因。
在生殖細胞中，印記會被清除，隨後在減數分裂後，卵子或精子會重新建立其特有的印記模式。
這樣，子代個體可能在表達基因 A 的等位基因上有所不同，即使父母雙方可能表達相同的等位基因。
透過雌性和雄性生殖系進行表觀遺傳傳承
跨代表觀遺傳繼承（Transgenerational Epigenetic Inheritance）：
若懷孕母親（，藍色）暴露於環境壓力源，其胎兒（，綠色）及其正在發育的生殖系（ 生殖系，紅色）都會直接受到影響。
因此，在 代中觀察到的表型（“紅色”）可能源於祖母的經歷。
代（“黃色”）是第一代未直接暴露於這些環境壓力源的世代；若在此代觀察到表型，則可能代表跨代表觀遺傳繼承。
若在懷孕前研究透過雄性或母體生殖系的繼承：
環境壓力源可能影響 代（藍色）和正在發育的生殖系（紅色）。
因此，第一代可能呈現跨代表觀遺傳繼承的是 代（黃色）。
精子表觀基因組：祖先暴露的信使
雄性生殖細胞從原始生殖細胞（PGCs）發育為青春期前的精原細胞（SG），然後進一步分化為精母細胞（SC），最終形成精子（SZ）。
對於精子發育至關重要的表觀遺傳組件包括：
DNA 甲基化
組蛋白修飾
非編碼 RNA（例如 microRNA）
DNA 甲基轉移酶 (DNMTs)和組蛋白去乙醯酶 (HDACs)等酶常常在這些組件之間建立連結，對於精細調整分子間效應至關重要。活性氧（ROS）生成不平衡也可能觸發這種精細調整。
環境因素能夠改變雄性生殖細胞中的表觀遺傳機制。如果這些效應持續存在，這些改變可能對後代產生：
有利的（綠色）影響
擾亂體內平衡或代謝的（橙色）影響
有害的（紅色）影響
表觀遺傳學總結
表觀遺傳學是研究不改變 DNA 序列但影響基因表達的可遺傳變化。
主要機制包括組蛋白修飾（如乙醯化、甲基化、磷酸化）和 DNA 甲基化。
這些修飾影響染色質結構，進而調節基因的開啟或關閉。
表觀遺傳學在發育、基因組印記和環境因素對後代的影響中扮演關鍵角色，甚至可以實現跨代表觀遺傳繼承。