表觀遺傳學(xué)_課件

1、表表 觀觀 遺遺 傳傳 學(xué)學(xué)（epigenetics）沈建英沈建英2021年年11月月23日日2021年年11月月23日日發(fā)發(fā) 展展 歷歷 史史v1939年，Waddington CH 首先在現(xiàn)代遺傳學(xué)導(dǎo)論中提出了epihenetics這一術(shù)語。v1942年定義為生物學(xué)的分支，研究基因與決定表型的基因產(chǎn)物之間的因果關(guān)系。v1975年，Hollidy R 對表觀遺傳學(xué)進行了較為準確的描述。v1996年James G Herman 和Stephen B Baylin 發(fā)明 MSP技術(shù)，并發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞中抑癌基因啟動子區(qū)CpG呈高甲基化狀態(tài)。2021年年11月月23日日概概 述述v表觀遺傳學(xué)表觀遺傳學(xué)

2、：l可遺傳的，即這類改變通過有絲分裂或減數(shù)可遺傳的，即這類改變通過有絲分裂或減數(shù)分裂，能在細胞或個體世代間遺傳；分裂，能在細胞或個體世代間遺傳；l可逆性的基因表達調(diào)節(jié)，也有較少的學(xué)者描可逆性的基因表達調(diào)節(jié)，也有較少的學(xué)者描述為基因活性或功能的改變；述為基因活性或功能的改變；l沒有沒有DNADNA序列的改變或不能用序列的改變或不能用DNADNA序列變化來序列變化來解釋。解釋。2021年年11月月23日日v三個層面調(diào)控基因表達：三個層面調(diào)控基因表達：lDNADNA修飾修飾 ：DNADNA共價結(jié)合一個修飾基團，使具有相同序共價結(jié)合一個修飾基團，使具有相同序列的等位基因處于不同的修飾狀態(tài)。列的等位基因

3、處于不同的修飾狀態(tài)。l蛋白修飾：通過對特殊蛋白修飾或改變蛋白的構(gòu)象實蛋白修飾：通過對特殊蛋白修飾或改變蛋白的構(gòu)象實現(xiàn)對基因表達的調(diào)控?，F(xiàn)對基因表達的調(diào)控。l非編碼非編碼RNARNA調(diào)控：通過某些機制實現(xiàn)對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控調(diào)控：通過某些機制實現(xiàn)對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控，如，如RNARNA干擾。干擾。v意義：意義：l任何一個層面異常，都將影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因表達任何一個層面異常，都將影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因表達，導(dǎo)致復(fù)雜綜合征、多因素疾病以及癌癥。和，導(dǎo)致復(fù)雜綜合征、多因素疾病以及癌癥。和DNADNA序列序列改變不同的是，許多表觀遺傳的改變是可逆的，這就改變不同的是，許多表觀遺傳的改變是可逆的，這就為疾病的治療

4、提供樂觀的前景。為疾病的治療提供樂觀的前景。概概 述述2021年年11月月23日日概概 述述v表觀遺傳學(xué)的研究內(nèi)容：表觀遺傳學(xué)的研究內(nèi)容：l 基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控u基因組中非編碼RNAu微小RNA（miRNA）u反義RNAu內(nèi)含子、核糖開關(guān)等l 基因選擇性轉(zhuǎn)錄表達基因選擇性轉(zhuǎn)錄表達的調(diào)控的調(diào)控uDNA甲基化u組蛋白共價修飾u染色質(zhì)重塑u基因印記uX染色體失活2021年年11月月23日日2021年年11月月23日日概概 述述2021年年11月月23日日遺傳與表觀遺傳遺傳與表觀遺傳2021年年11月月23日日概概 述述2021年年11月月23日日基因組與表觀基因組經(jīng)組織歸類的信息經(jīng)組織

5、歸類的信息2021年年11月月23日日2021年年11月月23日日表觀遺傳學(xué)機制表觀遺傳學(xué)機制DNA DNA 甲基化甲基化1組蛋白修飾組蛋白修飾2染色質(zhì)重塑染色質(zhì)重塑3RNA RNA 調(diào)調(diào) 控控4DNA DNA 甲基化甲基化1以基因型為以基因型為a/aa/a的母的母鼠及其孕育的基因型為鼠及其孕育的基因型為AVY/aAVY/a的仔鼠作實驗對象。的仔鼠作實驗對象。孕鼠分為兩組，試驗組孕孕鼠分為兩組，試驗組孕鼠除喂以標準飼料外，從鼠除喂以標準飼料外，從受孕前兩周起還增加富含受孕前兩周起還增加富含甲基的葉酸、乙酰膽堿等甲基的葉酸、乙酰膽堿等補充飼料，而對照組孕鼠補充飼料，而對照組孕鼠只喂飼標準飼料。只

6、喂飼標準飼料。試驗組試驗組 一、一、DNADNA甲基化甲基化2021年年11月月23日日一、一、DNADNA甲基化甲基化v 哺乳動物基因組中哺乳動物基因組中5 5mCmC占胞嘧啶總量的占胞嘧啶總量的2%-7%2%-7%，約，約70%70%的的5 5mCmC存在于存在于CpGCpG二連核苷。二連核苷。v 在結(jié)構(gòu)基因的在結(jié)構(gòu)基因的55端調(diào)控區(qū)域端調(diào)控區(qū)域, , CpG CpG二連核苷常常以成簇串二連核苷常常以成簇串聯(lián)形式排列，這種富含聯(lián)形式排列，這種富含CpGCpG二連核苷的區(qū)域稱為二連核苷的區(qū)域稱為CpGCpG島島( (CpG CpG islandsislands) )，其大小為，其大小為500

7、-1000bp500-1000bp，約，約56%56%的編碼基因含該的編碼基因含該結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。v 基因調(diào)控元件基因調(diào)控元件( (如啟動子如啟動子) )所含所含CpGCpG島中的島中的5mC5mC會阻礙轉(zhuǎn)錄因會阻礙轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合體與子復(fù)合體與DNADNA的結(jié)合。的結(jié)合。lDNADNA甲基化一般與基因沉默相關(guān)聯(lián)；甲基化一般與基因沉默相關(guān)聯(lián)；l非甲基化一般與基因的活化相關(guān)聯(lián)非甲基化一般與基因的活化相關(guān)聯(lián)；l而去甲基化往往與一個沉默基因的重新激活相關(guān)聯(lián)。而去甲基化往往與一個沉默基因的重新激活相關(guān)聯(lián)。2021年年11月月23日日2021年年11月月23日日一、一、DNADNA甲基化甲基化2021年年11月

8、月23日日v CpGCpG島主要處于基因島主要處于基因55端調(diào)控區(qū)域。端調(diào)控區(qū)域。v 啟動子區(qū)域的啟動子區(qū)域的CpGCpG島一般是非甲基化狀態(tài)的，其非甲基島一般是非甲基化狀態(tài)的，其非甲基化狀態(tài)對相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄是必須的。化狀態(tài)對相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄是必須的。v 目前認為基因調(diào)控元件（如啟動子）的目前認為基因調(diào)控元件（如啟動子）的CpGCpG島中發(fā)生島中發(fā)生5mC5mC修飾會在空間上阻礙轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合物與修飾會在空間上阻礙轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合物與DNADNA的結(jié)合。因的結(jié)合。因而而DNADNA甲基化一般與基因沉默相關(guān)聯(lián)。甲基化一般與基因沉默相關(guān)聯(lián)。2021年年11月月23日日一、一、DNADNA甲基化甲基化202

9、1年年11月月23日日 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(jié)合，胞 嘧 啶 由 此 被 修 飾 為 5 甲 基 胞 嘧 啶 ( 5 -methylcytosine，5mC)。DNMT1胞嘧啶胞嘧啶5-5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶胞嘧啶甲基化反應(yīng)胞嘧啶甲基化反應(yīng) S-S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸2021年年11月月23日日二、組蛋白修飾二、組蛋白修飾2021年年11月月23日日2021年年11月月23日日二、組蛋白修飾二、組蛋白修飾2021年年11月月23日日2021年年11月月23日

10、日2021年年11月月23日日二、組蛋白修飾二、組蛋白修飾Bryan M. Turner, nature cell biology, 2007v組蛋白中被修飾氨基酸的種類、位置和修飾類型被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（稱為組蛋白密碼（histone codehistone code），遺傳密碼的），遺傳密碼的表觀遺傳學(xué)延伸，決定了基因表達調(diào)控的狀態(tài)，并表觀遺傳學(xué)延伸，決定了基因表達調(diào)控的狀態(tài)，并且可遺傳。且可遺傳。2021年年11月月23日日二、組蛋白修飾二、組蛋白修飾v組蛋白修飾是表觀遺傳研究的重要內(nèi)容。組蛋白修飾是表觀遺傳研究的重要內(nèi)容。v組蛋白的組蛋白的 N

11、 N端是不穩(wěn)定的、無一定組織的亞單位端是不穩(wěn)定的、無一定組織的亞單位，其，其延伸至核小體以外，會受到不同的化學(xué)修飾，這種修延伸至核小體以外，會受到不同的化學(xué)修飾，這種修飾往往與基因的表達調(diào)控密切相關(guān)。飾往往與基因的表達調(diào)控密切相關(guān)。v被組蛋白覆蓋的基因如果要表達，首先要改變組蛋白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)，使其與的修飾狀態(tài)，使其與DNADNA的結(jié)合由緊變松，這樣靶基因的結(jié)合由緊變松，這樣靶基因才能與轉(zhuǎn)錄復(fù)合物相互作用。因此，組蛋白是重要的才能與轉(zhuǎn)錄復(fù)合物相互作用。因此，組蛋白是重要的染色體結(jié)構(gòu)維持單元和基因表達的負控制因子。染色體結(jié)構(gòu)維持單元和基因表達的負控制因子

12、。2021年年11月月23日日2021年年11月月23日日二、組蛋白修飾二、組蛋白修飾v組蛋白修飾種類l乙?；阴；? - 一般與活化的染色質(zhì)構(gòu)型相關(guān)聯(lián)，乙酰化修一般與活化的染色質(zhì)構(gòu)型相關(guān)聯(lián)，乙?；揎棿蠖喟l(fā)生在飾大多發(fā)生在H3H3、H4H4的的 Lys Lys 殘基上。殘基上。l甲基化甲基化- - 發(fā)生在發(fā)生在H3H3、H4H4的的 Lys Lys 和和 Asp Asp 殘基上，可以殘基上，可以與基因抑制有關(guān)，也可以與基因的激活相關(guān)，這往往與基因抑制有關(guān)，也可以與基因的激活相關(guān)，這往往取決于被修飾的位置和程度。取決于被修飾的位置和程度。l磷酸化磷酸化- - 發(fā)生與發(fā)生與 Ser Ser 殘基

13、，一般與基因活化相關(guān)。殘基，一般與基因活化相關(guān)。l泛素化泛素化- - 一般是一般是C C端端LysLys修飾，啟動基因表達。修飾，啟動基因表達。lSUMOSUMO（一種類泛素蛋白）化（一種類泛素蛋白）化- - 可穩(wěn)定異染色質(zhì)?？煞€(wěn)定異染色質(zhì)。l其他修飾其他修飾2021年年11月月23日日DNADNA甲基化與組蛋白去乙酰化甲基化與組蛋白去乙?；?021年年11月月23日日乙酰化酶基因突變導(dǎo)致基因不能表達：乙?；富蛲蛔儗?dǎo)致基因不能表達：Rubinstein Taybi綜合征、腫瘤、急性進行性髓性白血病。去乙?；赶嚓P(guān)基因的突變導(dǎo)致錯誤募集去乙?；赶嚓P(guān)基因的突變導(dǎo)致錯誤募集去乙?；福喝ヒ阴；?/p>

14、酶：Rett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。2021年年11月月23日日三、染色質(zhì)重塑三、染色質(zhì)重塑核小體2021年年11月月23日日三、染色質(zhì)重塑三、染色質(zhì)重塑v染色質(zhì)重塑（染色質(zhì)重塑（chromatin remodelingchromatin remodeling）是一個）是一個重要的表觀遺傳學(xué)機制。重要的表觀遺傳學(xué)機制。v染色質(zhì)重塑是由染色質(zhì)重塑復(fù)合物介導(dǎo)的一系染色質(zhì)重塑是由染色質(zhì)重塑復(fù)合物介導(dǎo)的一系列以染色質(zhì)上核小體變化為基本特征的生物學(xué)列以染色質(zhì)上核小體變化為基本特征的生物學(xué)過程。過程。v組蛋白尾巴的化學(xué)修飾（乙?；?、甲基化及磷組蛋白尾巴

15、的化學(xué)修飾（乙酰化、甲基化及磷酸化等）可以改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)，從而影響鄰近酸化等）可以改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)，從而影響鄰近基因的活性?；虻幕钚浴?021年年11月月23日日三、染色質(zhì)重塑三、染色質(zhì)重塑染色質(zhì)修飾與重塑（共價修飾型與染色質(zhì)修飾與重塑（共價修飾型與ATPATP依賴型）依賴型）v染色質(zhì)重塑復(fù)合物、組蛋白修飾酶的突變均和轉(zhuǎn)染色質(zhì)重塑復(fù)合物、組蛋白修飾酶的突變均和轉(zhuǎn)錄調(diào)控、錄調(diào)控、DNA甲基化、甲基化、DNA重組、細胞周期、重組、細胞周期、DNA的復(fù)制和修復(fù)的反常相干的復(fù)制和修復(fù)的反常相干,這些反?？梢砸疬@些反?？梢砸鹕L發(fā)育反常生長發(fā)育反常,智力發(fā)育緩慢智力發(fā)育緩慢,乃至導(dǎo)致癌癥。乃至導(dǎo)致癌

16、癥。 v依賴依賴ATP的物理修飾主要是使用的物理修飾主要是使用ATP水注解放的水注解放的能量能量,使使DNA超螺旋旋矩和旋相產(chǎn)生轉(zhuǎn)變超螺旋旋矩和旋相產(chǎn)生轉(zhuǎn)變,使轉(zhuǎn)錄使轉(zhuǎn)錄因子更易靠近并連合核小體因子更易靠近并連合核小體DNA,從而調(diào)控基因的從而調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄進程。轉(zhuǎn)錄進程。三、染色質(zhì)重塑三、染色質(zhì)重塑2021年年11月月23日日三、染色質(zhì)重塑三、染色質(zhì)重塑（A A）結(jié)合）結(jié)合（B B）松鏈）松鏈（C C）重塑）重塑八聚體轉(zhuǎn)移八聚體轉(zhuǎn)移八聚體滑動八聚體滑動+ ATP+ ATP重塑重塑復(fù)合物復(fù)合物ATPATP依賴的染色質(zhì)重構(gòu)機制依賴的染色質(zhì)重構(gòu)機制染色質(zhì)重塑復(fù)合物：染色質(zhì)重塑復(fù)合物： 依靠水解依靠

17、水解ATPATP提提供能量來完成染色質(zhì)供能量來完成染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，根據(jù)水結(jié)構(gòu)的改變，根據(jù)水解解ATPATP的亞基不同，的亞基不同，可將復(fù)合物分為可將復(fù)合物分為SWI/SNFSWI/SNF復(fù)合物、復(fù)合物、ISWISW復(fù)合物等，這些復(fù)合復(fù)合物等，這些復(fù)合物及相關(guān)蛋白均與轉(zhuǎn)物及相關(guān)蛋白均與轉(zhuǎn)錄激活和抑制、錄激活和抑制、DNADNA甲基化、甲基化、DNADNA修復(fù)及修復(fù)及細胞周期相關(guān)細胞周期相關(guān)。2021年年11月月23日日v染色質(zhì)重塑與人類疾病染色質(zhì)重塑與人類疾病（ ATRX、 ERCC6、 SMARCAL1編碼與SWI/SNF復(fù)合物相關(guān)的ATP酶）lX X連鎖連鎖-地中海貧血綜合征、地中海貧血綜

18、合征、JuergJuerg MarisidiMarisidi綜合綜合征、征、Carpenter-Carpenter-WaziriWaziri綜合征、綜合征、Sutherland-Sutherland-HaanHaan綜合綜合征和征和Smith-Smith-FinemanFineman-Myers-Myers綜合征：綜合征：ATRXATRX突變引起突變引起DNADNA甲基化異常。核小體重新定位的異常引起基因表達抑甲基化異常。核小體重新定位的異常引起基因表達抑制。制。lSkeletalSkeletal綜合征和綜合征和B B型型CockayneCockayne綜合征：綜合征：ERCC6ERCC6（在

19、（在DNADNA修復(fù)中起重要作用）突變。修復(fù)中起重要作用）突變。lSchimkeSchimke免疫性骨質(zhì)發(fā)育異常：免疫性骨質(zhì)發(fā)育異常：SMARCAL1SMARCAL1（調(diào)控細胞增（調(diào)控細胞增殖相關(guān)基因的表達）殖相關(guān)基因的表達） l腫瘤：腫瘤：BRG1BRG1、SMARCB1SMARCB1和和BRMBRM編碼與編碼與SWI/SNFSWI/SNF復(fù)合物特異復(fù)合物特異的的ATPATP酶（改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)）酶（改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)）三、染色質(zhì)重塑三、染色質(zhì)重塑四、四、RNA調(diào)控調(diào)控2021年年11月月23日日四、四、RNA 調(diào)控調(diào)控 siRNAvsiRNA結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：21-23nt的雙鏈結(jié)構(gòu)，序列與靶的雙鏈結(jié)

20、構(gòu)，序列與靶mRNA有同源性，雙鏈兩端各有有同源性，雙鏈兩端各有2個突出非配對的個突出非配對的3堿基。堿基。vsiRNA功能：是功能：是RNAi 作用的重要組分，是作用的重要組分，是RNAi發(fā)生的中介分子。內(nèi)源性發(fā)生的中介分子。內(nèi)源性siRNA使細胞能夠抵御使細胞能夠抵御轉(zhuǎn)座子、轉(zhuǎn)基因和病毒的侵略。轉(zhuǎn)座子、轉(zhuǎn)基因和病毒的侵略。2021年年11月月23日日2021年年11月月23日日四、四、RNA 調(diào)控調(diào)控 miRNAv結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：21-25nt長的單鏈小分子長的單鏈小分子RNA ，5端有端有一個磷酸基團，一個磷酸基團，3端為羥基，由具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)端為羥基，由具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)的約的約70-90個堿基大

21、小的單鏈個堿基大小的單鏈RNA前體經(jīng)過前體經(jīng)過Dicer酶加工后生成。酶加工后生成。v特點：具有高度的保守性、時序性和組織特異特點：具有高度的保守性、時序性和組織特異性性 。2021年年11月月23日日2021年年11月月23日日四、四、RNA 調(diào)控調(diào)控2021年年11月月23日日非編碼非編碼RNA與疾病與疾病v癌癥癌癥v神經(jīng)性疾?。喝缇穹至寻Y（神經(jīng)性疾?。喝缇穹至寻Y（DISC2 RNA異常所異常所誘發(fā)的精神分裂癥。）、孤獨癥、憂郁癥、躁動誘發(fā)的精神分裂癥。）、孤獨癥、憂郁癥、躁動癥等癥等v 牛皮癬易感性牛皮癬易感性四、四、RNA調(diào)控調(diào)控2021年年11月月23日日五、其他表觀遺傳機制五、

22、其他表觀遺傳機制v除除DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑、和甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑、和RNA調(diào)控以外，還有遺傳印跡、調(diào)控以外，還有遺傳印跡、X染色體失活、染色體失活、等。等。v遺傳印跡、遺傳印跡、X染色體失活的本質(zhì)仍為染色體失活的本質(zhì)仍為DNA甲基化甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑。、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑。2021年年11月月23日日遺遺 傳傳 印印 跡跡2021年年11月月23日日v概念：概念：l傳給子代的親本基因在子代中表達的狀況取決于基因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(xiàn)象。該現(xiàn)象在合子形成時已經(jīng)來自母本還是父本的現(xiàn)象。該現(xiàn)象在合子形成時已經(jīng)決定

23、，是涉及基因表達調(diào)控的遺傳。決定，是涉及基因表達調(diào)控的遺傳。v特點：特點：l基因組印跡依靠單親傳遞某種性狀的遺傳信息，被印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(xiàn)不同，即源跡的基因會隨著其來自父源或母源而表現(xiàn)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。自雙親的兩個等位基因中一個不表達或表達很弱。l不遵循孟德爾定律，是一種典型的非孟德爾遺傳，正不遵循孟德爾定律，是一種典型的非孟德爾遺傳，正反交結(jié)果不同。反交結(jié)果不同。v 機制：機制：l基因組在傳遞遺傳信息的過程中，通過基因組的化學(xué)基因組在傳遞遺傳信息的過程中，通過基因組的化學(xué)修飾（修飾（DNA的

24、甲基化；組蛋白的甲基化、乙?；⒘椎募谆?；組蛋白的甲基化、乙?；?、磷酸化、泛素化等）而使基因或酸化、泛素化等）而使基因或DNA片段被標識的過程。片段被標識的過程。2021年年11月月23日日遺遺 傳傳 印印 跡跡2021年年11月月23日日正交Igf-2Igf-2Igf-2mIgf-2mIgf-2Igf-2Igf-2mIgf-2m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Igf-2mIgf-2Igf-2Igf-2m2021年年11月月23日日遺遺 傳傳 印印 跡跡2021年年11月月23日日v由正反交實驗可以看出：由正反交實驗可以看出：l印跡基因的正反交結(jié)果不一致、不符合孟德印跡基因的正反交結(jié)果不一致、不符合孟德爾定律。爾定律。l小鼠小鼠 Igf-2 基因總是母本來源的等位基因被印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，因此是母本跡，父本來源的等位基因表達，因此是母本印跡。印跡。l基因印跡使基因的表達受到抑制，導(dǎo)致被印基因印跡使基因的表達受到抑制，導(dǎo)致被印跡的基因的生物功能的喪失。跡的基因的生物功能的喪失。2021年年11月月23日日遺遺 傳傳 印印 跡跡2021年年11月月23日日v基因印跡過程基因印跡過程l印跡的形成印跡的形成 印跡形成于成熟配子，并持續(xù)到出生后。印跡形成于成熟配子，