表觀遺傳學課件

1、表觀遺傳學課件2022/10/1642022年10月16日4發(fā) 展 歷 史2000多年前，古希臘哲學家亞里士多德在On the Generation of Animals一書中首先提出后生理論（the theory of epigenesis），它相對于先成論，新器官的發(fā)育由未分化的團塊逐漸形成的。2022/10/1652022年10月16日5發(fā) 展 歷 史1939年，生物學家 Waddington CH 首先在現(xiàn)代遺傳學導論中提出了epihenetics這一術(shù)語，并于1942年定義表觀遺傳學為“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(guān)系”。2022/10/1662022年10月

2、16日6發(fā) 展 歷 史1975年，Hollidy R 對表觀遺傳學進行了較為準確的描述。他認為表觀遺傳學不僅在發(fā)育過程，而且應在成體階段研究可遺傳的基因表達改變，這些信息能經(jīng)過有絲分裂和減數(shù)分裂在細胞和個體世代間傳遞，而不借助于DNA序列的改變，也就是說表觀遺傳是非DNA序列差異的核遺傳。2022/10/167概 述表觀遺傳學研究不涉及DNA序列改變的基因表達和調(diào)控的可遺傳變化的，或者說是研究從基因演繹為表型的過程和機制的一門新興的遺傳學分支。表觀遺傳所謂表觀遺傳就是不基于DNA差異的核酸遺傳。即細胞分裂過程中，DNA 序列不變的前提下，全基因組的基因表達調(diào)控所決定的表型遺傳，涉及染色質(zhì)重編程

3、、整體的基因表達調(diào)控（如隔離子，增強子，弱化子，DNA甲基化，組蛋白修飾等功能 ), 及基因型對表型的決定作用。2022年10月16日72022/10/168概 述Definition of EpigeneticsAny changes in gene expression resulting from either a DNA and chromatin modification or resulting from a post post-transcriptional mechanism. However, it does not reflect a difference in the D

4、NA code。A unifying definition of epigenetics: (Adrian Bird, nature, 2007)the structural adaptation of chromosomal regions so as to register, signal or perpetuate altered activity states. This definition is inclusive of chromosomal marks, because transient modifications associated with both DNA repai

5、r or cell-cycle phases and stable changes maintained across multiple cell generations qualify.2022年10月16日82022/10/169概 述表觀遺傳學的特點：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；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10月16日92022/10/1610概 述2022年10月16日102022/10/1611概 述2022年10月16日11遺傳與表觀遺傳2022

6、/10/1612概 述2022年10月16日12真核生物全部遺傳信息遺傳密碼組蛋白密碼 ？密碼基因組DNA序列組蛋白氨基端修飾 ？2022/10/1613概 述2022年10月16日13DNA與染色質(zhì)2022/10/1614概 述2022年10月16日相同的基因型 不同的表現(xiàn)型 基因表達模式142022/10/1615概 述基因表達模式?jīng)Q定細胞類型的不是基因本身，而是基因表達模式，通過細胞分裂來傳遞和穩(wěn)定地維持具有組織和細胞特異性的基因表達模式對于整個機體的結(jié)構(gòu)和功能協(xié)調(diào)是至關(guān)重要的。基因表達模式在細胞世代之間的可遺傳性并不依賴細胞內(nèi)DNA的序列信息?；虮磉_模式有表觀遺傳修飾決定。2022/

7、10/1616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(guān)等基因選擇性轉(zhuǎn)錄表達的調(diào)控DNA甲基化基因印記組蛋白共價修飾染色質(zhì)重塑2022年10月16日16Quiz, J. nature. 20062022/10/16182022年10月16日表觀遺傳學機制DNA 甲基化118組蛋白修飾2染色質(zhì)重塑3RNA 調(diào) 控4DNA 甲基化12022/10/1619一、DNA甲基化2022年10月16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

8、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 19S-腺苷甲硫氨酸 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)果實驗組孕鼠產(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

9、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。 2022/10/1621一、DNA甲基化2022年10月16日212022/10/1622一、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。DNA甲基化一般與基因沉默相關(guān)聯(lián)；非甲基化一般與基因的活化相關(guān)聯(lián)；

10、而去甲基化往往與一個沉默基因的重新激活相關(guān)聯(lián)。2022年10月16日222022/10/1623一、DNA甲基化2022年10月16日2353CpG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(guān)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(guān)聯(lián)。Rb基因CpG 頻率2022/10/1624一、DNA甲基化2022年10月16日242022/10/1625一、DNA甲基化2022年10月16日25DNA甲基化狀態(tài)的遺傳和保持：DNA復制后，新合成

11、鏈在DNMT1的作用下，以舊鏈為模板進行甲基化。（缺乏嚴格的精確性，95%）甲基化并非基因沉默的原因而是基因沉默的結(jié)果，其以某種機制識別沉默基因，后進行甲基化。DNA全新甲基化。引發(fā)因素可能包括：DNA本身的序列、成分和次級結(jié)構(gòu)。RNA根據(jù)序列同源性可能靶定的區(qū)域。特定染色質(zhì)蛋白、組蛋白修飾或相當有序的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。2022/10/1626DNA去甲基化主動去甲基化復制相關(guān)的去甲基化在復制過程中維持甲基化酶活性被關(guān)閉或維持甲基化酶活性被抵制。一、DNA甲基化2022年10月16日262022/10/1627一、DNA甲基化2022年10月16日27復制相關(guān)的DNA去甲基化2022/10/1628

12、Manel Esteller, nature, 20072022/10/1629一、DNA甲基化2022年10月16日29DNA甲基化狀態(tài)的保持DNA主動去甲基化DNA全新甲基化2022/10/1630二、組蛋白修飾2022年10月16日302022/10/1631二、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(guān)。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

13、元和基因表達的負控制因子。2022年10月16日312022/10/1632二、組蛋白修飾2022年10月16日322022/10/1633二、組蛋白修飾組蛋白修飾種類乙?；? 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(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。磷酸化- 發(fā)生與 Ser 殘基，一般與基因活化相關(guān)。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2022/10/16342022年10月16日34二、

14、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。2022/10/1635二、組蛋白修飾2022年10月16日352022/10/1636三、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?；?、甲基化及磷酸化等）可以改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)，從而影響鄰近基因

15、的活性。2022/10/1637三、染色質(zhì)重塑核小體2022/10/1638三、染色質(zhì)重塑核小體定位是核小體在DNA上特異性定位的現(xiàn)象。核小體核心DNA并不是隨機的，其具備一定的定向特性。核小體定位機制：內(nèi)在定位機制：每個核小體被定位于特定的DNA片斷。外在定位機制：內(nèi)在定位結(jié)束后，核小體以確定的長度特性重復出現(xiàn)。核小體定位的意義：核小體定位是DNA正確包裝的條件。核小體定位影響染色質(zhì)功能。2022/10/1639三、染色質(zhì)重塑重塑因子調(diào)節(jié)基因表達機制的假設有兩種: 機制1：一個轉(zhuǎn)錄因子獨立地與核小體DNA 結(jié)合(DNA可以是核小體或核小體之間的), 然后, 這個轉(zhuǎn)錄因子再結(jié)合一個重塑因子,

16、導致附近核小體結(jié)構(gòu)發(fā)生穩(wěn)定性的變化, 又導致其他轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合, 這是一個串聯(lián)反應的過程; （重建）機制2：由重塑因子首先獨立地與核小體結(jié)合, 不改變其結(jié)構(gòu), 但使其松動并發(fā)生滑動, 這將導 致轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合, 從而使新形成的無核小體的區(qū)域穩(wěn)定。 （滑動）2022/10/1640三、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）2022/10/1641三、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2022/10/1642三、染色質(zhì)重塑邊界子( boundary elements)：相鄰基因間的物理隔離元件。也可稱為隔離子(

17、 insulator elements)。邊界子和隔離子的隔離功能 ：封阻末梢增強子對啟動子的作用。 防止染色質(zhì)位置效應（CPE）。由邊界子所確定的染色質(zhì)片斷是基因組調(diào)節(jié)的基本單位，其構(gòu)成染色質(zhì)的功能與或區(qū)室，這即是染色質(zhì)區(qū)室化。2022/10/1643四、RNA調(diào)控1995，RNAi現(xiàn)象首次在線蟲中發(fā)現(xiàn)。1998，RNAi概念的首次提出。1999，RNAi作用機制模型的提出。在線蟲、果蠅、擬南芥及斑馬魚等多種生物內(nèi)發(fā)現(xiàn)RNAi現(xiàn)象。2001，RNAi技術(shù)成功誘導培養(yǎng)的哺乳動物細胞基因沉默現(xiàn)象。RNAi 技術(shù)被Science評為2001年度的十大科技進展之一。至今，蓬勃發(fā)展，成為分子生物學領(lǐng)域

18、最為熱門的方向之一。2022年10月16日432022/10/1644四、RNA 調(diào)控RNA干擾（RNAi）作用是生物體內(nèi)的一種通過雙鏈RNA分子在mRNA水平上誘導特異性序列基因沉默的過程。由于RNAi發(fā)生在轉(zhuǎn)錄后水平，所以又稱為轉(zhuǎn)錄后基因沉默（post-transcriptional gene silencing, PTGS ）。RNA干擾是一種重要而普遍表觀遺傳的現(xiàn)象。2022年10月16日442022/10/1645四、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

19、分，是RNAi發(fā)生的中介分子。內(nèi)源性siRNA是細胞能夠抵御轉(zhuǎn)座子、轉(zhuǎn)基因和病毒的侵略。2022年10月16日452022/10/1646四、RNA 調(diào)控2022年10月16日46siRNA介導的RNAi2022/10/1647四、RNA 調(diào)控siRNAi 的特點：高效性和濃度依賴性特異性位置效應時間效應細胞間RNAi的可傳播性多基因參與及ATP依賴性2022年10月16日472022/10/1648四、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

20、高度的保守性、時序性和組織特異性 。功能：2022年10月16日482022/10/1649四、RNA 調(diào)控2022年10月16日49siRNA介導的RNAi2022/10/1650四、RNA調(diào)控2022年10月16日50 相同點/聯(lián)系點siRNAmiRNA長度及特征都約在22nt左右，5端是磷酸基，3端是羥基合成的底物miRNA和siRNA合成都是由雙鏈的RNA或RNA前體形成的Dicer酶依賴Dicer酶的加工，是Dicer的產(chǎn)物，所以具有Dicer產(chǎn)物的特點Argonaute家族蛋白都需要Argonaute家族蛋白參與RISC組分二者都是RISC組分，所以其功能界限變得不清晰，如二者在介

21、導沉默機制上有重疊；產(chǎn)生了on target和off target的問題作用方式都可以阻遏靶標基因的翻譯，也可以導致mRNA降解，即在轉(zhuǎn)錄水平后和翻譯水平起作用進化關(guān)系可能的兩種推論：siRNA是miRNA的補充，miRNA在進化過程中替代了siRNA四、RNA 調(diào)控不同點/分歧點siRNAmiRNA機制性質(zhì)往往是外源引起的，如病毒感染和人工插入dsRNA之后誘導而產(chǎn)生，屬于異常情況是生物體自身的一套正常的調(diào)控機制直接來源長鏈dsRNA發(fā)夾狀pre-miRNA分子結(jié)構(gòu)siRNA是雙鏈RNA，3端有2個非配對堿基，通常為UUmiRNA是單鏈RNA對靶RNA特異性較高，一個突變?nèi)菀滓餜NAi沉默

22、效應的改變相對較低，一個突變不影響miRNA的效應作用方式RNAi途徑miRNA途徑生物合成，成熟過程由dsDNA在Dicer酶切割下產(chǎn)生;發(fā)生在細胞質(zhì)中pri-miRNA在核內(nèi)由一種稱為Drosha酶處理后成為60nt的帶有莖環(huán)結(jié)構(gòu)的Precursor miRNAs (pre-miRNAs)；這些pre-miRNAs在轉(zhuǎn)運到細胞核外之后再由Dicer酶進行處理，酶切后成為成熟的miRNAs；發(fā)生在細胞核和細胞質(zhì)中Argonaute (AGO) 蛋白質(zhì)各有不同的AGO蛋白質(zhì)各有不同的AGO蛋白質(zhì)互補性（complementarity）一般要求完全互補不完全互補，存在錯配現(xiàn)象RISCs的分子量不

23、同(Martinez and Tuschl, 2004; Martinez et al., 2002; Nykanen et al., 2001; Pham et al., 2004)siRISCsmiRISCs/miRNP各自的生物學功能不同抵抗病毒的防御機制(Pfeffer et al., 2004; Ding et al., 2004)；沉默那些過分表達的mRNA；保護基因組免受轉(zhuǎn)座子的破壞(Mello and Conte, Jr., 2004; Hannon, 2002; Tabara et al., 1999)-9；對有機體的生長發(fā)育有重要作用(Rhoades et al., 200

24、2)重要特性高度特異性高度的保守性、時序性和組織特異性作用機制單鏈的siRNA結(jié)合到RISC復合物中，引導復合物與mRNA完全互補，通過其自身的解旋酶活性，解開siRNAs，通過反義siRNA鏈識別目的mRNA片段，通過內(nèi)切酶活性切割目的片段，接著再通過細胞外切酶進一步降解目的片段。同時，siRNA也可以阻遏3UTR具有短片斷互補的mRNA的翻譯（off target）。成熟的miRNAs則是通過與miRNP核蛋白體復合物結(jié)合，識別靶mRNA，并與之發(fā)生部分互補，從而阻遏靶mRNA的翻譯。在動物中，成熟的單鏈miRNAs與蛋白質(zhì)復合物miRNP結(jié)合，引導這種復合物通過部分互補結(jié)合到mRNA的3

25、UTR（非編碼區(qū)域），從而阻遏翻譯。除此之外，miRNA也可以切割完全互補的mRNA。加工過程siRNA對稱地來源于雙鏈RNA的前體的兩側(cè)臂miRNA是不對稱加工，miRNA僅是剪切pre-miRNA的一個側(cè)臂，其他部分降解。對RNA的影響降解目標mRNA；影響mRNA的穩(wěn)定性在RNA代謝的各個層面進行調(diào)控；與mRNA的穩(wěn)定性無關(guān)作用位置siRNA可作用于mRNA的任何部位miRNA主要作用于靶標基因3-UTR區(qū)生物學意義siRNA不參與生物生長，是RNAi的產(chǎn)物，原始作用是抑制轉(zhuǎn)座子活性和病毒感染miRNA主要在發(fā)育過程中起作用，調(diào)節(jié)內(nèi)源基因表達不同點/分歧點siRNAmiRNA2022/10/1653五、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、轉(zhuǎn)座、負突變等。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。2022/10/1654遺 傳 印 跡2022年10月16日54概念：或稱親本印跡（parent imprinting）是指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