表觀遺傳學(研究生課件)

1、表觀遺傳學表觀遺傳學 EpigeneticsEpigenetics 基礎醫(yī)學院基礎醫(yī)學院 細胞生物學暨遺傳學教研室細胞生物學暨遺傳學教研室 李清李清 多莉：生于多莉：生于1996年年7月月5日，死于日，死于2003年年2月月14日日 Dolly Ian Wilmut伊恩伊恩維爾穆特爵士維爾穆特爵士 多莉：死掉了多莉：死掉了 同卵雙生的雙胞胎雖然同卵雙生的雙胞胎雖然 具有相同的具有相同的DNA序列，序列， 卻存在表型的差異和疾卻存在表型的差異和疾 病易感性的差異病易感性的差異 復雜疾病的產(chǎn)生復雜疾病的產(chǎn)生 1. 小頭小頭 2.巨舌巨舌 3. 胎盤增生胎盤增生 Beckwith-Wiedemann

2、 syndrome,BWS 貝威氏綜合征貝威氏綜合征 n單單從單單從DNADNA序列上尋找眾多疾病的病因是序列上尋找眾多疾病的病因是 片面的，往往事倍功半，對于某些疾病片面的，往往事倍功半，對于某些疾病 甚至可能永遠找不到答案。甚至可能永遠找不到答案。 1857年，奧地利的一名神父孟德爾在他所年，奧地利的一名神父孟德爾在他所 在的修道院后院開始進行長達在的修道院后院開始進行長達8年的豌豆雜年的豌豆雜 交實驗。交實驗。1865年，孟德爾根據(jù)豌豆雜交實年，孟德爾根據(jù)豌豆雜交實 驗的結(jié)果，發(fā)表了著名的論文驗的結(jié)果，發(fā)表了著名的論文植物雜交植物雜交 試驗試驗，闡述了他所發(fā)現(xiàn)的顯性、隱性遺，闡述了他所發(fā)

3、現(xiàn)的顯性、隱性遺 傳現(xiàn)象和兩個重要遺傳學規(guī)律傳現(xiàn)象和兩個重要遺傳學規(guī)律分離規(guī)分離規(guī) 律和自由組合規(guī)律。律和自由組合規(guī)律。 遺傳的基本功能單位遺傳的基本功能單位 2. 基因由基因由DNA編碼編碼 3. 一個基因編碼一條蛋白質(zhì)一個基因編碼一條蛋白質(zhì) 4. 基因序列的改變可能導致功能及表型的改變基因序列的改變可能導致功能及表型的改變 基因型基因型(Genotype) - 表型表型(Phenotype) 基因：可遺傳基因：可遺傳 基因的結(jié)構(gòu)基因的結(jié)構(gòu) 1. 搞清楚人類基因組的搞清楚人類基因組的DNA堿基的內(nèi)容和順序堿基的內(nèi)容和順序 2. 編碼區(qū)編碼區(qū)(編碼蛋白的編碼蛋白的DNA序列序列)：占基因組的：

4、占基因組的 5,000萬個萬個 (2) 組蛋白修飾：組蛋白密碼組蛋白修飾：組蛋白密碼(Histone code) 1. 概念概念：基因的：基因的DNA序列不發(fā)生改變的情況下，序列不發(fā)生改變的情況下， 基因的表達水平與功能發(fā)生改變，并產(chǎn)生可遺傳基因的表達水平與功能發(fā)生改變，并產(chǎn)生可遺傳 的表型。的表型。不依賴于不依賴于DNA序列的遺傳現(xiàn)象序列的遺傳現(xiàn)象 2. 特征特征: (1)可遺傳；可遺傳；(2) 可逆性；可逆性；(3) DNA不變不變 3. 表觀遺傳學的現(xiàn)象表觀遺傳學的現(xiàn)象： (1) DNA甲基化甲基化 (2) 組蛋白修飾組蛋白修飾 (3) 非編碼非編碼RNA調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) (4) Genomic

5、 imprinting 表觀遺傳學表觀遺傳學 n表觀遺傳學的研究已成為基因組測序后表觀遺傳學的研究已成為基因組測序后 的人類基因組重大研究方向之一。這一的人類基因組重大研究方向之一。這一 飛速發(fā)展的科學領域從分子水平揭示了飛速發(fā)展的科學領域從分子水平揭示了 復雜的生物學現(xiàn)象，為解開人類和其他復雜的生物學現(xiàn)象，為解開人類和其他 生物的生命奧秘、造福人類健康帶來了生物的生命奧秘、造福人類健康帶來了 新希望。新希望。 n從現(xiàn)在的研究情況來看，表觀遺傳學變化從現(xiàn)在的研究情況來看，表觀遺傳學變化 主要集中在三大方面：主要集中在三大方面： nDNADNA甲基化修飾：甲基化修飾：基因選擇性轉(zhuǎn)錄表達的調(diào)控基因

6、選擇性轉(zhuǎn)錄表達的調(diào)控 n非編碼非編碼RNARNA的調(diào)控作用：的調(diào)控作用：基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控 n組蛋白修飾：組蛋白修飾：蛋白質(zhì)的翻譯后修飾蛋白質(zhì)的翻譯后修飾 n這三個方面各自影響特有的表觀遺傳學這三個方面各自影響特有的表觀遺傳學 現(xiàn)象，而且它們還相互作用，共同決定現(xiàn)象，而且它們還相互作用，共同決定 復雜的生物學過程。復雜的生物學過程。 n因此，表觀遺傳學也可理解為環(huán)境和遺因此，表觀遺傳學也可理解為環(huán)境和遺 傳相互作用的一門學科。傳相互作用的一門學科。 DNADNA甲基化甲基化 nDNADNA甲基化是指在甲基化酶的作用下，將一個甲基化是指在甲基化酶的作用下，將一個 甲基添加在甲基添加

7、在DNADNA分子的堿基上。分子的堿基上。 nDNADNA甲基化修飾決定基因表達的模式，即決定甲基化修飾決定基因表達的模式，即決定 從親代到子代可遺傳的基因表達狀態(tài)。從親代到子代可遺傳的基因表達狀態(tài)。 nDNADNA甲基化的部位通常在甲基化的部位通常在CpGCpG島的胞嘧啶島的胞嘧啶 DNMT1 S-腺苷腺苷 甲硫氨甲硫氨 酸酸SAM 胞嘧啶胞嘧啶5-5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶 n在結(jié)構(gòu)基因的調(diào)控區(qū)段，在結(jié)構(gòu)基因的調(diào)控區(qū)段，CpGCpG二聯(lián)核苷常常以成簇串聯(lián)的形式排二聯(lián)核苷常常以成簇串聯(lián)的形式排 列。結(jié)構(gòu)基因列。結(jié)構(gòu)基因55端附近富含端附近富含CpGCpG二聯(lián)核苷的區(qū)域稱為二聯(lián)核苷的區(qū)域稱為Cp

8、GCpG島島(CpG (CpG islands)islands)。 nCpGCpG島通常分布在基因的啟動子區(qū)域。島通常分布在基因的啟動子區(qū)域。 nCpGCpG島的甲基化會穩(wěn)定核小體之間的緊密結(jié)合島的甲基化會穩(wěn)定核小體之間的緊密結(jié)合 而抑制基因的表達。而抑制基因的表達。 n當一個基因的啟動子序列中的當一個基因的啟動子序列中的CpGCpG島被甲基化島被甲基化 以后，盡管基因序列沒有發(fā)生改變，但基因不以后，盡管基因序列沒有發(fā)生改變，但基因不 能啟動轉(zhuǎn)錄，也就不能發(fā)揮功能，導致生物表能啟動轉(zhuǎn)錄，也就不能發(fā)揮功能，導致生物表 型的改變。型的改變。 nDNADNA甲基化抑制基因表達甲基化抑制基因表達 nD

9、NADNA甲基化模式可以在甲基化模式可以在DNADNA復制后被保持下來復制后被保持下來 n基因組印記與基因組印記與DNADNA甲基化密切相關甲基化密切相關 1956年年Prader-Willi綜合征綜合征(Prader-Willi Syndrome,PWS)，患者肥胖、矮小、，患者肥胖、矮小、 中度智力低下。染色體核型分析表明為中度智力低下。染色體核型分析表明為 父源染色體父源染色體15q11-13區(qū)段缺失。區(qū)段缺失。 n19681968年年AngelmanAngelman綜合征綜合征 (Angelman Syndrome(Angelman Syndrome， AS)AS)，共濟失調(diào)、智力低，

10、共濟失調(diào)、智力低 下和失語。母源染色體下和失語。母源染色體 15q11-1315q11-13區(qū)段缺失區(qū)段缺失 nPWSPWS和和ASAS綜合癥表明，父親和母親的基因組在綜合癥表明，父親和母親的基因組在 個體發(fā)育中有著不同的影響，這種現(xiàn)象稱為個體發(fā)育中有著不同的影響，這種現(xiàn)象稱為 基因組印跡基因組印跡( (genomic imprintinggenomic imprinting) )。 n由于源自某一親本的等位基因或它所在染色由于源自某一親本的等位基因或它所在染色 體發(fā)生了表觀遺傳修飾，導致不同親本來源體發(fā)生了表觀遺傳修飾，導致不同親本來源 的兩個等位基因在子代細胞中表達不同。在的兩個等位基因在

11、子代細胞中表達不同。在 基因組中的這類現(xiàn)象就是基因組印記?；蚪M中的這類現(xiàn)象就是基因組印記。 基因印記 1. 父系印記基因父系印記基因: 來自父系的等位基因的表達被抑制來自父系的等位基因的表達被抑制 來自母系的等位基因表達來自母系的等位基因表達 2. 母系印記基因母系印記基因: 來自母系的等位基因的表達被抑制來自母系的等位基因的表達被抑制 來自父系的等位基因表達來自父系的等位基因表達 1. 1. 每一個印記基因簇由一個印記控制元件每一個印記基因簇由一個印記控制元件(imprint(imprint control element, ICE) control element, ICE) 所調(diào)控所調(diào)

12、控 2. 2. 也稱為印記控制區(qū)域也稱為印記控制區(qū)域(imprint control region, (imprint control region, ICR)ICR)或者印記中心或者印記中心(imprinting centre, IC)(imprinting centre, IC) 3. 3. 絕大多數(shù)都有絕大多數(shù)都有CpGislandsCpGislands，能夠發(fā)生，能夠發(fā)生DNADNA甲基化甲基化 4. 4. 在在CpGislandsCpGislands內(nèi)或附近通常有成簇的、有向的重內(nèi)或附近通常有成簇的、有向的重 復片段復片段 印記基因的特征印記基因的特征 啟動子（啟動子（P）、差異甲基

13、化區(qū)（）、差異甲基化區(qū)（DMR1）、鋅指蛋白（）、鋅指蛋白（CTCF）和）和 增強子（增強子（E）對）對Igf2和和H19的交互易換式印跡調(diào)節(jié)模式示意圖的交互易換式印跡調(diào)節(jié)模式示意圖 （ 為非甲基化為非甲基化CpG島，島， 為甲基化為甲基化CpG島）。島）。 母源母源 P DMR1 E Igf2 CTCF H19 父源父源 E 印跡調(diào)控區(qū)印跡調(diào)控區(qū) n涉及到不同親本涉及到不同親本 來源的印跡基因來源的印跡基因 的的DNADNA甲基化型都甲基化型都 是在生殖細胞成是在生殖細胞成 熟過程中建立的。熟過程中建立的。 印跡基因的印跡基因的DNADNA甲基化型在生殖細胞成熟過程中的建立甲基化型在生殖細胞

14、成熟過程中的建立 原始性細胞原始性細胞 （2n） 合子合子 （2n） 配子配子 （n） n基因組印跡是基因組印跡是性細胞系性細胞系的一種的一種表觀遺傳表觀遺傳 修飾修飾，這種修飾有一整套分布于染色體，這種修飾有一整套分布于染色體 不同部位的不同部位的印跡中心印跡中心來來協(xié)調(diào)協(xié)調(diào)。 n印跡中心直接介導了印跡標記的建立及印跡中心直接介導了印跡標記的建立及 其在發(fā)育全過程中的維持和傳遞，并導其在發(fā)育全過程中的維持和傳遞，并導 致以親本來源特異性方式優(yōu)先表達兩個致以親本來源特異性方式優(yōu)先表達兩個 親本等位基因中的一個，而使另一個沉親本等位基因中的一個，而使另一個沉 默。默。 n研究表明，在哺乳動物中相

15、當數(shù)量的印跡基因研究表明，在哺乳動物中相當數(shù)量的印跡基因 是與胎兒的生長發(fā)育和胎盤的功能密切相關的。是與胎兒的生長發(fā)育和胎盤的功能密切相關的。 n迄今已發(fā)現(xiàn)的印跡基因已有迄今已發(fā)現(xiàn)的印跡基因已有150150余個，大多成余個，大多成 簇排列，其中許多是疾病基因。雖多數(shù)印跡基簇排列，其中許多是疾病基因。雖多數(shù)印跡基 因的作用機制尚不清楚，然而幾乎都與因的作用機制尚不清楚，然而幾乎都與DNADNA甲甲 基化型的異常相關聯(lián)?；偷漠惓Ｏ嚓P聯(lián)。 組蛋白修飾組蛋白修飾 DNA Packing 如何將如何將10,00010,000公里長的蠶絲公里長的蠶絲 ( (半徑半徑1010-5 -5米 米) )裝入一

16、個籃球中。裝入一個籃球中。 2. 2. 蠶絲的體積：蠶絲的體積：3.143.14* *1010-3 -3m m3 3 3. 3. 折疊、纏繞折疊、纏繞 染色體上的不同區(qū)域染色體上的不同區(qū)域 Euchromatin: Euchromatin: 常染色質(zhì)常染色質(zhì) Heterochromatin: Heterochromatin: 異染色質(zhì)異染色質(zhì) E-HE-H或或H-H-稱為染色質(zhì)重塑稱為染色質(zhì)重塑(Chromatin (Chromatin Remodeling)Remodeling) 分子機理：分子機理：DNADNA甲基化，甲基化， 組蛋白修飾，染色質(zhì)重塑復組蛋白修飾，染色質(zhì)重塑復 合物的協(xié)同作

17、用。合物的協(xié)同作用。 常染色質(zhì)與異染色質(zhì)常染色質(zhì)與異染色質(zhì) 1. 常染色質(zhì)：基因表達常染色質(zhì)：基因表達 活躍的區(qū)域，染色體結(jié)活躍的區(qū)域，染色體結(jié) 構(gòu)較為疏松構(gòu)較為疏松 2. 異染色質(zhì)：基因表達異染色質(zhì)：基因表達 沉默的區(qū)域，染色體結(jié)沉默的區(qū)域，染色體結(jié) 構(gòu)致密構(gòu)致密 n組成核小體的組蛋白可以被多種化合物所組成核小體的組蛋白可以被多種化合物所 修飾，如磷酸化、乙?；图谆?，組修飾，如磷酸化、乙?；图谆龋M 蛋白的這類結(jié)構(gòu)修飾可使染色質(zhì)的構(gòu)型發(fā)蛋白的這類結(jié)構(gòu)修飾可使染色質(zhì)的構(gòu)型發(fā) 生改變，稱為生改變，稱為染色質(zhì)構(gòu)型重塑染色質(zhì)構(gòu)型重塑。 n組蛋白中不同氨基酸殘基的組蛋白中不同氨基酸殘基的乙

18、酰化乙?；话闩c一般與 活化的染色質(zhì)構(gòu)型活化的染色質(zhì)構(gòu)型常染色質(zhì)常染色質(zhì)(euchromatin)(euchromatin) 和和有表達活性的基因有表達活性的基因相關聯(lián)；而組蛋白的相關聯(lián)；而組蛋白的 甲基化甲基化則與濃縮的則與濃縮的異染色質(zhì)異染色質(zhì)(hetero-(hetero- chromatin)chromatin)和和表達受抑的基因表達受抑的基因相關聯(lián)。相關聯(lián)。 組蛋白的乙?；M蛋白的乙?；?中和賴氨酸的正電荷，中和賴氨酸的正電荷，C=O具有一定的負電，能夠增加與具有一定的負電，能夠增加與DNA的的 斥力，使得斥力，使得DNA結(jié)構(gòu)變得疏松，從而導致基因的轉(zhuǎn)錄活化結(jié)構(gòu)變得疏松，從而導致基因

19、的轉(zhuǎn)錄活化 組蛋白的甲基化組蛋白的甲基化 n組蛋白甲基化可以與基因抑制有關，也組蛋白甲基化可以與基因抑制有關，也 可以與基因的激活相關，這往往取決于可以與基因的激活相關，這往往取決于 被修飾的賴氨酸處于什么位置。被修飾的賴氨酸處于什么位置。 n基因轉(zhuǎn)錄沉默基因轉(zhuǎn)錄沉默 基因轉(zhuǎn)錄活化基因轉(zhuǎn)錄活化 精氨酸和賴氨酸甲基化的過程精氨酸和賴氨酸甲基化的過程 n組蛋白修飾主要是氨基端的甲基化修飾和組蛋白修飾主要是氨基端的甲基化修飾和( (或或) ) 乙?；揎?，特定組蛋白的氨基酸殘基被甲基乙酰化修飾，特定組蛋白的氨基酸殘基被甲基 化和化和( (或或) )乙酰化既可激活基因的表達，也可抑乙?；瓤杉せ罨虻?/p>

20、表達，也可抑 制基因的表達。制基因的表達。 n特定組蛋白羧基端的泛素化同樣影響蛋白質(zhì)的特定組蛋白羧基端的泛素化同樣影響蛋白質(zhì)的 降解過程，從而也可調(diào)節(jié)基因的表達。降解過程，從而也可調(diào)節(jié)基因的表達。 n目前研究還發(fā)現(xiàn)組蛋白修飾與目前研究還發(fā)現(xiàn)組蛋白修飾與CpGCpG島的甲基化島的甲基化 密切相關。密切相關。 Histone CodeHistone Code n染色質(zhì)蛋白并非只是染色質(zhì)蛋白并非只是 一種包裝蛋白，而是一種包裝蛋白，而是 在在DNADNA和細胞其他組和細胞其他組 分之間構(gòu)筑了一個動分之間構(gòu)筑了一個動 態(tài)的功能平臺。態(tài)的功能平臺。 非編碼非編碼RNARNA調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) n無論是無論是DNA

21、DNA修飾還是組蛋白修飾，都是基修飾還是組蛋白修飾，都是基 因活性調(diào)節(jié)的中間參與者，而真正誘導因活性調(diào)節(jié)的中間參與者，而真正誘導 基因活性改變的最大可能者是功能性非基因活性改變的最大可能者是功能性非 編碼編碼RNARNA。 n非編碼非編碼RNARNA: :一般指不能翻譯蛋白質(zhì)的一般指不能翻譯蛋白質(zhì)的RNARNA。 （ncRNAncRNA：miRNAmiRNA和和siRNAsiRNA） 非編碼非編碼RNARNA不僅能對整個染色體進行活性調(diào)節(jié)，也可對單個基因活性進行調(diào)不僅能對整個染色體進行活性調(diào)節(jié)，也可對單個基因活性進行調(diào) 節(jié)，它們對基因組的穩(wěn)定性、細胞分裂、個體發(fā)育都有重要的作用。節(jié)，它們對基因

22、組的穩(wěn)定性、細胞分裂、個體發(fā)育都有重要的作用。RNARNA干干 擾是研究人類疾病的重要手段，通過其它物質(zhì)調(diào)節(jié)擾是研究人類疾病的重要手段，通過其它物質(zhì)調(diào)節(jié)RNARNA干擾的效果以及實現(xiàn)干擾的效果以及實現(xiàn) RNARNA干擾在特異的組織中發(fā)揮作用是未來干擾在特異的組織中發(fā)揮作用是未來RNARNA干擾的研究重點。干擾的研究重點。 X X染色體失活染色體失活 nX X染色體失活就是非編碼染色體失活就是非編碼RNARNA所介導的一個所介導的一個 重要表觀遺傳學現(xiàn)象，可以說是表觀遺傳重要表觀遺傳學現(xiàn)象，可以說是表觀遺傳 學中由學中由RNARNA引導的引導的DNADNA甲基化和組蛋白修飾甲基化和組蛋白修飾 共

23、同參與的一個復雜的過程。共同參與的一個復雜的過程。 n哺乳動物的雌性個體中僅有隨機的一條哺乳動物的雌性個體中僅有隨機的一條X 染色體有活性，而失活的染色體有活性，而失活的X染色體是由自染色體是由自 身的一個身的一個失活中心（失活中心（X inactivation centerX inactivation center） 調(diào)控的。調(diào)控的。 失活的失活的X染色體被稱為染色體被稱為Barr body X染色質(zhì)染色質(zhì) X染色體失活：染色體失活：Lyon假說假說 1.19611.1961年，年，The Lyon Hypothesis, The Lyon Hypothesis, 由英國遺傳學家由英國遺傳學

24、家 Mary LyonMary Lyon提出。提出。 2.2.體細胞中的體細胞中的X X染色體失活發(fā)生在胚胎發(fā)育的早期。染色體失活發(fā)生在胚胎發(fā)育的早期。 3.3.失活是隨機的：每一個細胞中，隨機挑選父系失活是隨機的：每一個細胞中，隨機挑選父系/ /母母 系的系的X X染色體失活。染色體失活。 4.4.整條整條X X染色體都失去活性染色體都失去活性( (有例外有例外) )。 5.X5.X染色體的失活是永久性的，克隆過程中保持失活染色體的失活是永久性的，克隆過程中保持失活 的狀態(tài)。的狀態(tài)。 6.6.所有哺乳動物中都存在所有哺乳動物中都存在X X染色體失活現(xiàn)象。染色體失活現(xiàn)象。 TSIX的不對稱表達

25、決定了的不對稱表達決定了X 染色體失活的選擇性染色體失活的選擇性 1.在將要失活的在將要失活的X染色體上，染色體上， TSIX沉默保證沉默保證XIST的表達的表達 2.在將要活化的在將要活化的X染色體上，染色體上， TSIX激活保證激活保證XIST的沉默的沉默 nXICXIC失活基因編碼出對應的失活基因編碼出對應的 RNARNA，這些，這些RNARNA包裹在合成它包裹在合成它 的的X X染色體上，當達到某一染色體上，當達到某一 水平后，在水平后，在DNADNA甲基化和組甲基化和組 蛋白修飾的參與下共同導致蛋白修飾的參與下共同導致 并維持并維持X X染色體的失活。染色體的失活。 基因表達的重新編程基因表達的重新編程 n已完全分化的細胞，其基因組在特定條件下經(jīng)已完全分化的細胞，其基因組在特定條件下經(jīng) 歷表觀遺傳修飾重建而為胚胎發(fā)育中的基因表歷表觀遺傳修飾重建而為胚胎發(fā)育中的基因表 達重新編程達重新編程(reprogramming)(reprogramming)并賦予發(fā)育全能并賦予發(fā)育全能 性，為胚胎發(fā)育和分化發(fā)出正確的指令。性，為胚胎發(fā)育和分化發(fā)出正確的指令。 n胚胎發(fā)育中表觀基因組重新編程的差誤將會導胚胎發(fā)育中表觀基因組重新編程的差誤將會導 致多種表觀遺傳缺陷性疾病。致多種表觀遺傳缺陷性疾病。 nDNA