表觀遺傳學-課件

1、2024年3月19日,表 觀 遺 傳 學（epigenetics）,,2024年3月19日,2,2024年3月19日,2,發(fā) 展 歷 史,1939年，Waddington CH 首先在《現代遺傳學導論》中提出了epihenetics這一術語。1942年定義為生物學的分支，研究基因與決定表型的基因產物之間的因果關系。1975年，Hollidy R 對表觀遺傳學進行了較為準確的描述。1996年James G Herman 和S

2、tephen B Baylin 發(fā)明 MSP技術，并發(fā)現腫瘤細胞中抑癌基因啟動子區(qū)CpG呈高甲基化狀態(tài)。,2024年3月19日,3,概 　 述,表觀遺傳學：可遺傳的，即這類改變通過有絲分裂或減數分裂，能在細胞或個體世代間遺傳；可逆性的基因表達調節(jié)，也有較少的學者描述為基因活性或功能的改變；沒有DNA序列的改變或不能用DNA序列變化來解釋。,2024年3月19日,3,三個層面調控基因表達：DNA修飾 ：DNA共價結合一個修飾基

3、團，使具有相同序列的等位基因處于不同的修飾狀態(tài)。蛋白修飾：通過對特殊蛋白修飾或改變蛋白的構象實現對基因表達的調控。非編碼RNA調控：通過某些機制實現對基因轉錄的調控，如RNA干擾。意義：任何一個層面異常，都將影響染色質結構和基因表達，導致復雜綜合征、多因素疾病以及癌癥。和DNA序列改變不同的是，許多表觀遺傳的改變是可逆的，這就為疾病的治療提供樂觀的前景。,概 　 述,2024年3月19日,5,概 　述,表觀遺傳學的研究內容

4、：,基因轉錄后的調控基因組中非編碼RNA微小RNA（miRNA）反義RNA內含子、核糖開關等,基因選擇性轉錄表達的調控DNA甲基化組蛋白共價修飾染色質重塑基因印記X染色體失活,2024年3月19日,5,2024年3月19日,6,概 　述,2024年3月19日,6,遺傳與表觀遺傳,2024年3月19日,7,概 　述,2024年3月19日,7,基因組與表觀基因組,經組織歸類的信息,2024年3月19日,8,2024年3

5、月19日,表觀遺傳學機制,DNA 甲基化,1,8,以基因型為a/a的母鼠及其孕育的基因型為AVY/a的仔鼠作實驗對象。孕鼠分為兩組，試驗組孕鼠除喂以標準飼料外，從受孕前兩周起還增加富含甲基的葉酸、乙酰膽堿等補充飼料，而對照組孕鼠只喂飼標準飼料。,結果試驗組孕鼠產下的仔鼠大多數在身體的不同部位出現了大小不等的棕色斑塊，甚至出現了以棕褐色為主要毛色的小鼠。而對照組孕鼠的仔鼠大多數為黃色。分析表明喂以富甲基飼料的孕鼠所產仔鼠的IAP所含CpG

6、島的甲基化平均水平遠高于對照組，轉錄調控區(qū)的高甲基化使原該呈異位表達的基因趨于沉默，毛色也趨于棕褐色。,一、DNA甲基化,2024年3月19日,10,一、DNA甲基化,哺乳動物基因組中5mC占胞嘧啶總量的2%-7%，約70%的5mC存在于CpG二連核苷。在結構基因的5’端調控區(qū)域, CpG二連核苷常常以成簇串聯(lián)形式排列，這種富含CpG二連核苷的區(qū)域稱為CpG島(CpG islands)，其大小為500-1000bp，約56%的編碼基因

7、含該結構?；蛘{控元件(如啟動子)所含CpG島中的5mC會阻礙轉錄因子復合體與DNA的結合。DNA甲基化一般與基因沉默相關聯(lián)；非甲基化一般與基因的活化相關聯(lián)；而去甲基化往往與一個沉默基因的重新激活相關聯(lián)。,2024年3月19日,10,2024年3月19日,11,一、DNA甲基化,2024年3月19日,11,5’,3’,CpG島主要處于基因5’端調控區(qū)域。啟動子區(qū)域的CpG島一般是非甲基化狀態(tài)的，其非甲基化狀態(tài)對相關基因的轉錄是

8、必須的。目前認為基因調控元件（如啟動子）的CpG島中發(fā)生5mC修飾會在空間上阻礙轉錄因子復合物與DNA的結合。因而DNA甲基化一般與基因沉默相關聯(lián)。,Rb基因,CpG 頻率,2024年3月19日,12,一、DNA甲基化,2024年3月19日,DNA甲基化(DNA methylation)是研究得最清楚、 也是最重要的表觀遺傳修飾形式，主要是基因組 DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基間的共價結合，胞嘧啶由此被修飾為5甲基胞嘧啶(5-me

9、thylcytosine，5mC)。,胞嘧啶甲基化反應,12,S-腺苷甲硫氨酸,2024年3月19日,15,二、組蛋白修飾,2024年3月19日,15,2024年3月19日,16,二、組蛋白修飾,2024年3月19日,16,2024年3月19日,17,2024年3月19日,17,二、組蛋白修飾,Bryan M. Turner, nature cell biology, 2007,組蛋白中被修飾氨基酸的種類、位置和修飾類型被稱為組蛋白密碼

10、（histone code），遺傳密碼的表觀遺傳學延伸，決定了基因表達調控的狀態(tài)，并且可遺傳。,2024年3月19日,18,二、組蛋白修飾,組蛋白修飾是表觀遺傳研究的重要內容。組蛋白的 N端是不穩(wěn)定的、無一定組織的亞單位，其延伸至核小體以外，會受到不同的化學修飾，這種修飾往往與基因的表達調控密切相關。被組蛋白覆蓋的基因如果要表達，首先要改變組蛋白的修飾狀態(tài)，使其與DNA的結合由緊變松，這樣靶基因才能與轉錄復合物相互作用。因此，組蛋白

11、是重要的染色體結構維持單元和基因表達的負控制因子。,2024年3月19日,18,2024年3月19日,19,二、組蛋白修飾,組蛋白修飾種類乙?；?- 一般與活化的染色質構型相關聯(lián)，乙?；揎棿蠖喟l(fā)生在H3、H4的 Lys 殘基上。甲基化-- 發(fā)生在H3、H4的 Lys 和 Asp 殘基上，可以與基因抑制有關，也可以與基因的激活相關，這往往取決于被修飾的位置和程度。磷酸化-- 發(fā)生與 Ser 殘基，一般與基因活化相關。泛素化--

12、一般是C端Lys修飾，啟動基因表達。SUMO（一種類泛素蛋白）化-- 可穩(wěn)定異染色質。其他修飾,2024年3月19日,20,DNA甲基化與組蛋白去乙?；?2024年3月19日,20,乙?；富蛲蛔儗е禄虿荒鼙磉_：Rubinstein Taybi綜合征、腫瘤、急性進行性髓性白血病。,去乙?；赶嚓P基因的突變導致錯誤募集去乙?；福篟ett綜合征、急性早幼粒細胞性白血病，急性淋巴細胞性白血病和非何杰金氏淋巴瘤的治療。,2024年3

13、月19日,21,三、染色質重塑,核小體,,2024年3月19日,22,三、染色質重塑,染色質重塑（chromatin remodeling）是一個重要的表觀遺傳學機制。染色質重塑是由染色質重塑復合物介導的一系列以染色質上核小體變化為基本特征的生物學過程。組蛋白尾巴的化學修飾（乙?；⒓谆傲姿峄龋┛梢愿淖內旧|結構，從而影響鄰近基因的活性。,2024年3月19日,23,三、染色質重塑,染色質修飾與重塑（共價修飾型與ATP依賴型）

14、,染色質重塑復合物、組蛋白修飾酶的突變均和轉錄調控、DNA甲基化、DNA重組、細胞周期、DNA的復制和修復的反常相干,這些反?？梢砸鹕L發(fā)育反常,智力發(fā)育緩慢,乃至導致癌癥。 依賴ATP的物理修飾主要是使用ATP水注解放的能量,使DNA超螺旋旋矩和旋相產生轉變,使轉錄因子更易靠近并連合核小體DNA,從而調控基因的轉錄進程。,三、染色質重塑,2024年3月19日,25,三、染色質重塑,ATP依賴的染色質重構機制,染色質重塑復合物：

15、 依靠水解ATP提供能量來完成染色質結構的改變，根據水解ATP的亞基不同，可將復合物分為SWI/SNF復合物、ISW復合物等，這些復合物及相關蛋白均與轉錄激活和抑制、DNA甲基化、DNA修復及細胞周期相關。,2024年3月19日,26,染色質重塑與人類疾?。?ATRX、 ERCC6、 SMARCAL1編碼與SWI/SNF復合物相關的ATP酶）X連鎖α-地中海貧血綜合征、Juerg –Marisidi綜合征、Carpenter-

16、Waziri綜合征、Sutherland-Haan綜合征和Smith-Fineman-Myers綜合征：ATRX突變引起DNA甲基化異常。核小體重新定位的異常引起基因表達抑制。Skeletal綜合征和B型Cockayne綜合征：ERCC6（在DNA修復中起重要作用）突變。Schimke免疫性骨質發(fā)育異常：SMARCAL1（調控細胞增殖相關基因的表達） 腫瘤：BRG1、SMARCB1和BRM編碼與SWI/SNF復合物特異的ATP酶（

17、改變染色質結構）,三、染色質重塑,四、RNA調控,2024年3月19日,28,四、RNA 調控,siRNAsiRNA結構：21-23nt的雙鏈結構，序列與靶mRNA有同源性，雙鏈兩端各有2個突出非配對的3’堿基。siRNA功能：是RNAi 作用的重要組分，是RNAi發(fā)生的中介分子。內源性siRNA使細胞能夠抵御轉座子、轉基因和病毒的侵略。,2024年3月19日,28,2024年3月19日,29,四、RNA 調控,miRNA結構：2

18、1-25nt長的單鏈小分子RNA ，5′端有一個磷酸基團，3′端為羥基，由具有發(fā)夾結構的約70-90個堿基大小的單鏈RNA前體經過Dicer酶加工后生成。特點：具有高度的保守性、時序性和組織特異性 。,2024年3月19日,29,2024年3月19日,30,四、RNA 調控,2024年3月19日,30,非編碼RNA與疾病癌癥神經性疾病：如精神分裂癥（DISC2 RNA異常所誘發(fā)的精神分裂癥。）、孤獨癥、憂郁癥、躁動癥等 牛皮癬易

19、感性,四、RNA調控,2024年3月19日,32,五、其他表觀遺傳機制,除DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質重塑、和RNA調控以外，還有遺傳印跡、X染色體失活、等。遺傳印跡、X染色體失活的本質仍為DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質重塑。,2024年3月19日,33,遺 傳 印 跡,2024年3月19日,33,概念：傳給子代的親本基因在子代中表達的狀況取決于基因來自母本還是父本的現象。該現象在合子形成時已經決定，是涉及基因表達調控的遺傳。

20、特點：基因組印跡依靠單親傳遞某種性狀的遺傳信息，被印跡的基因會隨著其來自父源或母源而表現不同，即源自雙親的兩個等位基因中一個不表達或表達很弱。不遵循孟德爾定律，是一種典型的非孟德爾遺傳，正反交結果不同。 機制：基因組在傳遞遺傳信息的過程中，通過基因組的化學修飾（DNA的甲基化；組蛋白的甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等）而使基因或DNA片段被標識的過程。,2024年3月19日,34,遺 傳 印 跡,2024年3月19日,34,正

21、　　　　交,,,反　　　　交,♂,♀,正常小鼠,矮小型小鼠,矮小型小鼠,矮小型小鼠,正常小鼠,正常小鼠,2024年3月19日,35,遺 傳 印 跡,2024年3月19日,35,由正反交實驗可以看出：印跡基因的正反交結果不一致、不符合孟德爾定律。小鼠 Igf-2 基因總是母本來源的等位基因被印跡，父本來源的等位基因表達，因此是母本印跡。基因印跡使基因的表達受到抑制，導致被印跡的基因的生物功能的喪失。,2024年3月19日,36,遺

22、傳 印 跡,2024年3月19日,36,基因印跡過程印跡的形成 印跡形成于成熟配子，并持續(xù)到出生后。印記的維持印記的去除 印記的去除過程是發(fā)生在原始生殖細胞的早期階段。基因組印跡的機制配子在形成過程中，DNA產生的甲基化、核組蛋白產生的乙?；⒘姿峄头核鼗刃揎?，使基因的表達模式發(fā)生了改變。,父本PWS印記中心缺失,母本AS印記中心缺失,2024年3月19日,39,X染色體失活,1961年M.F.Lyon就提

23、出了關于雌性哺乳動物體細胞的兩條X染色體中會有一條發(fā)生隨機失活的假說，并認為這是一種基因劑量補償的機制。以后的研究表明在給定的體細胞有絲分裂譜系中，有一條X染色體是完全失活并呈異染色質狀態(tài)，而在另一個細胞譜系中同一條X染色體又可以是活化的且呈常染色質狀態(tài)。 1996年G.D.Penny等發(fā)現X染色體的Xq13.3區(qū)段有一個X失活中心( X-inaction center，Xic)，X-失活從Xic區(qū)段開始啟動，然后擴展到整條染色體。