《表觀遺傳學》課件

1、表觀遺傳學PPT課件表觀遺傳學PPT課件2022年9月22日22022年9月22日2發(fā) 展 歷 史1939年，Waddington CH 首先在現(xiàn)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(chǎn)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Stephen B Baylin 發(fā)明 MSP技術，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)。2022年9月21日42022年9月21日4發(fā) 展 歷 2022年9月22日3概 述表觀遺傳學：可遺傳的，即這類改

2、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；可逆性的基因表達調(diào)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。2022年9月22日32022年9月21日5概 述表觀遺傳學：2022年9三個層面調(diào)控基因表達：DNA修飾 ：DNA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)。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。非編碼RNA調(diào)控：通過某些機制實現(xiàn)對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控，如RNA干擾。意義：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

3、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 述三個層面調(diào)控基因表達：概 述2022年9月22日5概 述表觀遺傳學的研究內(nèi)容：基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控基因組中非編碼RNA微小RNA（miRNA）反義RNA內(nèi)含子、核糖開關等基因選擇性轉(zhuǎn)錄表達的調(diào)控DNA甲基化組蛋白共價修飾染色質(zhì)重塑基因印記X染色體失活2022年9月22日52022年9月21日7概 述表觀遺傳學的研究內(nèi)容：基因轉(zhuǎn)2022年9月22日6概 述2022年9月22日6遺傳與表觀遺傳2022年9月21日8概 述2022年9月21日8遺傳與2022年9月22日7概 述2022年9月22日7基因組與表觀基因組經(jīng)組織歸類的信息2022年

4、9月21日9概 述2022年9月21日9基因組2022年9月22日82022年9月22日表觀遺傳學機制DNA 甲基化18組蛋白修飾2染色質(zhì)重塑3RNA 調(diào) 控4DNA 甲基化12022年9月21日102022年9月21日表觀遺傳學機制D 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(jié)果試驗組孕鼠產(chǎn)下的仔鼠大多數(shù)在身體的不同部位出現(xiàn)了大小不等的棕色斑塊，甚至出現(xiàn)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(shù)為黃色。分析表明喂以富甲基飼料的孕

5、鼠所產(chǎn)仔鼠的IAP所含CpG島的甲基化平均水平遠高于對照組，轉(zhuǎn)錄調(diào)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 以基因型為a/a的母鼠及其孕育的基因型為AVY/a的2022年9月22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(jié)構(gòu)基因的5端調(diào)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%的編碼基因含該結(jié)構(gòu)?；蛘{(diào)控元件(如啟動子)所含CpG島中的5mC會阻礙轉(zhuǎn)錄因子復合體與DNA的結(jié)合

6、。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)。2022年9月22日102022年9月21日12一、DNA甲基化哺乳動物基因組中5m2022年9月22日11一、DNA甲基化2022年9月22日1153CpG島主要處于基因5端調(diào)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(zhuǎn)錄是必須的。目前認為基因調(diào)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(zhuǎn)錄因子復合物與DNA的結(jié)合。因而DNA甲基化一般與基因沉默相關聯(lián)。Rb基因CpG 頻率2022年9月21日13一、DNA甲基化2022年9月21

7、日2022年9月22日12一、DNA甲基化2022年9月22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)。DNMT1SAM胞嘧啶5-甲基胞嘧啶胞嘧啶甲基化反應 12S-腺苷甲硫氨酸2022年9月21日14一、DNA甲基化2022年9月21日表觀遺傳學PPT課件表觀遺傳學PPT課件2022年9月22日15二、組蛋白修飾2022年9月22日152022年9月21日17二、組蛋白修飾2022年9月21日12022

8、年9月22日16二、組蛋白修飾2022年9月22日162022年9月21日18二、組蛋白修飾2022年9月21日12022年9月22日172022年9月22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（histone code），遺傳密碼的表觀遺傳學延伸，決定了基因表達調(diào)控的狀態(tài)，并且可遺傳。2022年9月21日192022年9月21日19二、組蛋白修2022年9月22日18二、組蛋白修飾組蛋白修飾是表觀遺傳研究的重要內(nèi)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

9、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(diào)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(jié)合由緊變松，這樣靶基因才能與轉(zhuǎn)錄復合物相互作用。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。2022年9月22日182022年9月21日20二、組蛋白修飾組蛋白修飾是表觀遺傳研2022年9月22日19二、組蛋白修飾組蛋白修飾種類乙酰化- 一般與活化的染色質(zhì)構(gòu)型相關聯(lián)，乙酰化修飾大多發(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

10、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- 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(zhì)。其他修飾2022年9月21日21二、組蛋白修飾組蛋白修飾種類2022年9月22日20DNA甲基化與組蛋白去乙?；?022年9月22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。去乙酰化酶相關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。2022年9月21日22DNA甲基化與組蛋白去乙?；?022202

11、2年9月22日21三、染色質(zhì)重塑核小體2022年9月21日23三、染色質(zhì)重塑核小體2022年9月22日22三、染色質(zhì)重塑染色質(zhì)重塑（chromatin remodeling）是一個重要的表觀遺傳學機制。染色質(zhì)重塑是由染色質(zhì)重塑復合物介導的一系列以染色質(zhì)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?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)，從而影響鄰近基因的活性。2022年9月21日24三、染色質(zhì)重塑染色質(zhì)重塑（chrom2022年9月22日23三、染色質(zhì)重塑染色質(zhì)修飾與重塑（共價修飾型與ATP依賴型）2022年9月21日25三、染色質(zhì)重塑染色質(zhì)修飾與重塑（共價染色質(zhì)重塑復合物、

12、組蛋白修飾酶的突變均和轉(zhuǎn)錄調(diào)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(chǎn)生轉(zhuǎn)變,使轉(zhuǎn)錄因子更易靠近并連合核小體DNA,從而調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄進程。三、染色質(zhì)重塑三、染色質(zhì)重塑2022年9月22日25三、染色質(zhì)重塑（A）結(jié)合（B）松鏈（C）重塑八聚體轉(zhuǎn)移八聚體滑動+ ATP重塑復合物ATP依賴的染色質(zhì)重構(gòu)機制染色質(zhì)重塑復合物： 依靠水解ATP提供能量來完成染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，根據(jù)水解ATP的亞基不同，可將復合物分為SWI/SNF復合物、IS

13、W復合物等，這些復合物及相關蛋白均與轉(zhuǎn)錄激活和抑制、DNA甲基化、DNA修復及細胞周期相關。2022年9月21日27三、染色質(zhì)重塑（A）結(jié)合（B）松鏈（2022年9月22日26染色質(zhì)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-地中海貧血綜合征、Juerg Marisidi綜合征、Carpenter-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：ERC

14、C6（在DNA修復中起重要作用）突變。Schimke免疫性骨質(zhì)發(fā)育異常：SMARCAL1（調(diào)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（改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)）三、染色質(zhì)重塑2022年9月21日28染色質(zhì)重塑與人類疾病三、染色質(zhì)重塑四、RNA調(diào)控四、RNA調(diào)控2022年9月22日28四、RNA 調(diào)控 siRNAsiRNA結(jié)構(gòu)：21-23nt的雙鏈結(jié)構(gòu)，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(nèi)源性siRNA使細胞能夠抵御轉(zhuǎn)座子、轉(zhuǎn)基因和病毒的侵略。

15、2022年9月22日282022年9月21日30四、RNA 調(diào)控 siRNA2022年9月22日29四、RNA 調(diào)控 miRNA結(jié)構(gòu)：21-25nt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(jié)構(gòu)的約70-90個堿基大小的單鏈RNA前體經(jīng)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 。2022年9月22日292022年9月21日31四、RNA 調(diào)控 miRNA2022年9月22日30四、RNA 調(diào)控2022年9月22日302022年9月21日32四、RNA 調(diào)控2022年9月21日非編碼RNA與疾病癌癥神經(jīng)性疾?。喝缇穹至寻Y（DISC2 RNA異

16、常所誘發(fā)的精神分裂癥。）、孤獨癥、憂郁癥、躁動癥等 牛皮癬易感性四、RNA調(diào)控非編碼RNA與疾病四、RNA調(diào)控2022年9月22日32五、其他表觀遺傳機制除DNA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、X染色體失活、等。遺傳印跡、X染色體失活的本質(zhì)仍為DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑。2022年9月21日34五、其他表觀遺傳機制除DNA甲基化、2022年9月22日33遺 傳 印 跡2022年9月22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(xiàn)象。該現(xiàn)象在合子形成時已經(jīng)決定，是涉及基因表達調(diào)控的遺傳。特點：基因組印跡依靠單親傳遞某種性

17、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(jié)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?；?、磷酸化、泛素化等）而使基因或DNA片段被標識的過程。2022年9月21日35遺 傳 印 跡2022年9月21日32022年9月22日34遺 傳 印 跡2022年9月22日34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-

18、2mIgf-2Igf-2Igf-2m2022年9月21日36遺 傳 印 跡2022年9月21日32022年9月22日35遺 傳 印 跡2022年9月22日35由正反交實驗可以看出：印跡基因的正反交結(jié)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?；蛴≯E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。2022年9月21日37遺 傳 印 跡2022年9月21日32022年9月22日36遺 傳 印 跡2022年9月22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?；蚪M印跡的機制配子在形成過程中，DNA產(chǎn)生的甲基化、核組蛋白產(chǎn)生的乙酰化、磷酸化和泛素化等修飾，使