表觀遺傳學(xué)課件

2023年1月11日表觀遺傳學(xué)

（epigenetics）

生命科學(xué)學(xué)院沈文飚242023年1月11日52023年1月11日5發(fā)展歷史2000多年前，古希臘哲學(xué)家亞里士多德在《OntheGenerationofAnimals》一書(shū)中首先提出后生理論（thetheoryofepigenesis），它相對(duì)于先成論，新器官的發(fā)育由未分化的團(tuán)塊逐漸形成的。2023年1月11日62023年1月11日6發(fā)展歷史1939年，生物學(xué)家WaddingtonCH首先在《現(xiàn)代遺傳學(xué)導(dǎo)論》中提出了epihenetics這一術(shù)語(yǔ)，并于1942年定義表觀遺傳學(xué)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”。2023年1月11日72023年1月11日7發(fā)展歷史1975年，HollidyR對(duì)表觀遺傳學(xué)進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的描述。他認(rèn)為表觀遺傳學(xué)不僅在發(fā)育過(guò)程，而且應(yīng)在成體階段研究可遺傳的基因表達(dá)改變，這些信息能經(jīng)過(guò)有絲分裂和減數(shù)分裂在細(xì)胞和個(gè)體世代間傳遞，而不借助于DNA序列的改變，也就是說(shuō)表觀遺傳是非DNA序列差異的核遺傳。2023年1月11日8概述表觀遺傳學(xué)研究不涉及DNA序列改變的基因表達(dá)和調(diào)控的可遺傳變化的，或者說(shuō)是研究從基因演繹為表型的過(guò)程和機(jī)制的一門(mén)新興的遺傳學(xué)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(xì)胞分裂過(guò)程中，DNA序列不變的前提下，全基因組的基因表達(dá)調(diào)控所決定的表型遺傳，涉及染色質(zhì)重編程、整體的基因表達(dá)調(diào)控（如隔離子，增強(qiáng)子，弱化子，DNA甲基化，組蛋白修飾等功能),及基因型對(duì)表型的決定作用。2023年1月11日82023年1月11日9概述DefinitionofEpigeneticsAnychangesingeneexpressionresultingfromeitheraDNAandchromatinmodificationorresultingfromapostpost-transcriptionalmechanism.However,itdoesnotreflectadifferenceintheDNAcode。Aunifyingdefinitionofepigenetics:(AdrianBird,nature,2007)thestructuraladaptationofchromosomalregionssoastoregister,signalorperpetuatealteredactivitystates.Thisdefinitionisinclusiveofchromosomalmarks,becausetransientmodificationsassociatedwithbothDNArepairorcell-cyclephasesandstablechangesmaintainedacrossmultiplecellgenerationsqualify.2023年1月11日92023年1月11日10概述表觀遺傳學(xué)的特點(diǎn)：可遺傳的，即這類(lèi)改變通過(guò)有絲分裂或減數(shù)分裂，能在細(xì)胞或個(gè)體世代間遺傳；可逆性的基因表達(dá)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；沒(méi)有DNA序列的改變或不能用DNA序列變化來(lái)解釋。2023年1月11日102023年1月11日11概述2023年1月11日112023年1月11日12概述2023年1月11日12遺傳與表觀遺傳2023年1月11日13概述2023年1月11日13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

？2023年1月11日14概述2023年1月11日14DNA與染色質(zhì)2023年1月11日15概述2023年1月11日相同的基因型

不同的表現(xiàn)型基因表達(dá)模式152023年1月11日16概述基因表達(dá)模式?jīng)Q定細(xì)胞類(lèi)型的不是基因本身，而是基因表達(dá)模式，通過(guò)細(xì)胞分裂來(lái)傳遞和穩(wěn)定地維持具有組織和細(xì)胞特異性的基因表達(dá)模式對(duì)于整個(gè)機(jī)體的結(jié)構(gòu)和功能協(xié)調(diào)是至關(guān)重要的?；虮磉_(dá)模式在細(xì)胞世代之間的可遺傳性并不依賴細(xì)胞內(nèi)DNA的序列信息?；虮磉_(dá)模式有表觀遺傳修飾決定。2023年1月11日18概述表觀遺傳學(xué)的研究?jī)?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(kāi)關(guān)等基因選擇性轉(zhuǎn)錄表達(dá)的調(diào)控DNA甲基化基因印記組蛋白共價(jià)修飾染色質(zhì)重塑2023年1月11日18Quiz,J.nature.20062023年1月11日202023年1月11日表觀遺傳學(xué)機(jī)制DNA甲基化120組蛋白修飾2染色質(zhì)重塑3RNA調(diào)控4DNA甲基化12023年1月11日21一、DNA甲基化2023年1月11日

DNA甲基化(DNAmethylation)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(jià)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(yīng)

21S-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(shí)驗(yàn)對(duì)象。孕鼠分為兩組，試驗(yàn)組孕鼠除喂以標(biāo)準(zhǔn)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(bǔ)充飼料，而對(duì)照組孕鼠只喂飼標(biāo)準(zhǔn)飼料。

結(jié)果實(shí)驗(yàn)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(duì)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(yuǎn)高于對(duì)照組，轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)的高甲基化使原該呈異位表達(dá)的基因趨于沉默，毛色也趨于棕褐色。

2023年1月11日23一、DNA甲基化2023年1月11日232023年1月11日24一、DNA甲基化哺乳動(dòng)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(CpGislands)，其大小為500-1000bp，約56%的編碼基因含該結(jié)構(gòu)。基因調(diào)控元件(如啟動(dòng)子)所含CpG島中的5mC會(huì)阻礙轉(zhuǎn)錄因子復(fù)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)；而去甲基化往往與一個(gè)沉默基因的重新激活相關(guān)聯(lián)。2023年1月11日242023年1月11日25一、DNA甲基化2023年1月11日255’3’CpG島主要處于基因5’端調(diào)控區(qū)域。啟動(dòng)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(duì)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄是必須的。目前認(rèn)為基因調(diào)控元件（如啟動(dòng)子）的CpG島中發(fā)生5mC修飾會(huì)在空間上阻礙轉(zhuǎn)錄因子復(fù)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2023年1月11日26一、DNA甲基化2023年1月11日262023年1月11日27一、DNA甲基化2023年1月11日27DNA甲基化狀態(tài)的遺傳和保持：DNA復(fù)制后，新合成鏈在DNMT1的作用下，以舊鏈為模板進(jìn)行甲基化。（缺乏嚴(yán)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(jī)制識(shí)別沉默基因，后進(jìn)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(jí)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(dāng)有序的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。2023年1月11日28DNA去甲基化主動(dòng)去甲基化復(fù)制相關(guān)的去甲基化在復(fù)制過(guò)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2023年1月11日282023年1月11日29一、DNA甲基化2023年1月11日29復(fù)制相關(guān)的DNA去甲基化2023年1月11日30ManelEsteller,nature,20072023年1月11日31一、DNA甲基化2023年1月11日31DNA甲基化狀態(tài)的保持DNA主動(dòng)去甲基化DNA全新甲基化2023年1月11日32二、組蛋白修飾2023年1月11日322023年1月11日33二、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(wú)一定組織的亞單位，其延伸至核小體以外，會(huì)受到不同的化學(xué)修飾，這種修飾往往與基因的表達(dá)調(diào)控密切相關(guān)。被組蛋白覆蓋的基因如果要表達(dá)，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(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(dá)的負(fù)控制因子。2023年1月11日332023年1月11日34二、組蛋白修飾2023年1月11日342023年1月11日35二、組蛋白修飾組蛋白修飾種類(lèi)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(dòng)基因表達(dá)。SUMO（一種類(lèi)泛素蛋白）化--可穩(wěn)定異染色質(zhì)。其他修飾2023年1月11日362023年1月11日36二、組蛋白修飾BryanM.Turner,naturecellbiology,2007組蛋白中被修飾氨基酸的種類(lèi)、位置和修飾類(lèi)型被稱為組蛋白密碼（histonecode），遺傳密碼的表觀遺傳學(xué)延伸，決定了基因表達(dá)調(diào)控的狀態(tài)，并且可遺傳。2023年1月11日37二、組蛋白修飾2023年1月11日372023年1月11日38三、染色質(zhì)重塑染色質(zhì)重塑（chromatinremodeling）是一個(gè)重要的表觀遺傳學(xué)機(jī)制。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)過(guò)程。組蛋白尾巴的化學(xué)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。2023年1月11日39三、染色質(zhì)重塑核小體2023年1月11日40三、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(jī)的，其具備一定的定向特性。核小體定位機(jī)制：內(nèi)在定位機(jī)制：每個(gè)核小體被定位于特定的DNA片斷。外在定位機(jī)制：內(nèi)在定位結(jié)束后，核小體以確定的長(zhǎng)度特性重復(fù)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。2023年1月11日41三、染色質(zhì)重塑重塑因子調(diào)節(jié)基因表達(dá)機(jī)制的假設(shè)有兩種:機(jī)制1：一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子獨(dú)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(gè)轉(zhuǎn)錄因子再結(jié)合一個(gè)重塑因子,導(dǎo)致附近核小體結(jié)構(gòu)發(fā)生穩(wěn)定性的變化,又導(dǎo)致其他轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合,這是一個(gè)串聯(lián)反應(yīng)的過(guò)程;（重建）機(jī)制2：由重塑因子首先獨(dú)立地與核小體結(jié)合,不改變其結(jié)構(gòu),但使其松動(dòng)并發(fā)生滑動(dòng),這將導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合,從而使新形成的無(wú)核小體的區(qū)域穩(wěn)定。

（滑動(dòng)）2023年1月11日42三、染色質(zhì)重塑染色質(zhì)修飾與重塑（共價(jià)修飾型與ATP依賴型）2023年1月11日43三、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(dòng)+ATP重塑復(fù)合物ATP依賴的染色質(zhì)重構(gòu)機(jī)制2023年1月11日44三、染色質(zhì)重塑邊界子(boundaryelements)：相鄰基因間的物理隔離元件。也可稱為隔離子(insulatorelements)。邊界子和隔離子的隔離功能：封阻末梢增強(qiáng)子對(duì)啟動(dòng)子的作用。防止染色質(zhì)位置效應(yīng)（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。2023年1月11日45四、RNA調(diào)控1995，RNAi現(xiàn)象首次在線蟲(chóng)中發(fā)現(xiàn)。1998，RNAi概念的首次提出。1999，RNAi作用機(jī)制模型的提出。在線蟲(chóng)、果蠅、擬南芥及斑馬魚(yú)等多種生物內(nèi)發(fā)現(xiàn)RNAi現(xiàn)象。2001，RNAi技術(shù)成功誘導(dǎo)培養(yǎng)的哺乳動(dòng)物細(xì)胞基因沉默現(xiàn)象。RNAi技術(shù)被《Science》評(píng)為2001年度的十大科技進(jìn)展之一。至今，蓬勃發(fā)展，成為分子生物學(xué)領(lǐng)域最為熱門(mén)的方向之一。2023年1月11日452023年1月11日46四、RNA調(diào)控RNA干擾（RNAi）作用是生物體內(nèi)的一種通過(guò)雙鏈RNA分子在mRNA水平上誘導(dǎo)特異性序列基因沉默的過(guò)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-transcriptionalgenesilencing,PTGS）。RNA干擾是一種重要而普遍表觀遺傳的現(xiàn)象。2023年1月11日462023年1月11日47四、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(gè)突出非配對(duì)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是細(xì)胞能夠抵御轉(zhuǎn)座子、轉(zhuǎn)基因和病毒的侵略。2023年1月11日472023年1月11日48四、RNA調(diào)控2023年1月11日48siRNA介導(dǎo)的RNAi2023年1月11日49四、RNA調(diào)控siRNAi的特點(diǎn)：高效性和濃度依賴性特異性位置效應(yīng)時(shí)間效應(yīng)細(xì)胞間RNAi的可傳播性多基因參與及ATP依賴性2023年1月11日492023年1月11日50四、RNA調(diào)控

miRNA結(jié)構(gòu)：21-25nt長(zhǎng)的單鏈小分子RNA，5′端有一個(gè)磷酸基團(tuán)，3′端為羥基，由具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)的約70-90個(gè)堿基大小的單鏈RNA前體經(jīng)過(guò)Dicer酶加工后生成。特點(diǎn)：具有高度的保守性、時(shí)序性和組織特異性。功能：2023年1月11日502023年1月11日51四、RNA調(diào)控2023年1月11日51siRNA介導(dǎo)的RNAi2023年1月11日52四、RNA調(diào)控2023年1月11日52

相同點(diǎn)/聯(lián)系點(diǎn)siRNAmiRNA長(zhǎng)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(diǎn)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，如二者在介導(dǎo)沉默機(jī)制上有重疊；產(chǎn)生了ontarget和offtarget的問(wèn)題作用方式都可以阻遏靶標(biāo)基因的翻譯，也可以導(dǎo)致mRNA降解，即在轉(zhuǎn)錄水平后和翻譯水平起作用進(jìn)化關(guān)系可能的兩種推論：siRNA是miRNA的補(bǔ)充，miRNA在進(jìn)化過(guò)程中替代了siRNA

四、RNA調(diào)控不同點(diǎn)/分歧點(diǎn)siRNAmiRNA機(jī)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(dǎo)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(jī)制直接來(lái)源長(zhǎng)鏈dsRNA發(fā)夾狀pre-miRNA分子結(jié)構(gòu)siRNA是雙鏈RNA，3‘端有2個(gè)非配對(duì)堿基，通常為UUmiRNA是單鏈RNA對(duì)靶RNA特異性較高，一個(gè)突變?nèi)菀滓餜NAi沉默效應(yīng)的改變相對(duì)較低，一個(gè)突變不影響miRNA的效應(yīng)作用方式RNAi途徑miRNA途徑生物合成，成熟過(guò)程由dsDNA在Dicer酶切割下產(chǎn)生;發(fā)生在細(xì)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PrecursormiRNAs(pre-miRNAs)；這些pre-miRNAs在轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞核外之后再由Dicer酶進(jìn)行處理，酶切后成為成熟的miRNAs；發(fā)生在細(xì)胞核和細(xì)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(bǔ)性（complementarity）一般要求完全互補(bǔ)不完全互補(bǔ)，存在錯(cuò)配現(xiàn)象RISCs的分子量不同(MartinezandTuschl,2004;Martinezetal.,2002;Nykanenetal.,2001;Phametal.,2004)siRISCsmiRISCs/miRNP各自的生物學(xué)功能不同ⅰ抵抗病毒的防御機(jī)制(Pfefferetal.,2004;Dingetal.,2004)；ⅱ沉默那些過(guò)分表達(dá)的mRNA；ⅲ保護(hù)基因組免受轉(zhuǎn)座子的破壞(MelloandConte,Jr.,2004;Hannon,2002;Tabaraetal.,1999)-9；對(duì)有機(jī)體的生長(zhǎng)發(fā)育有重要作用(Rhoadesetal.,2002)重要特性高度特異性高度的保守性、時(shí)序性和組織特異性作用機(jī)制單鏈的siRNA結(jié)合到RISC復(fù)合物中，引導(dǎo)復(fù)合物與mRNA完全互補(bǔ)，通過(guò)其自身的解旋酶活性，解開(kāi)siRNAs，通過(guò)反義siRNA鏈識(shí)別目的mRNA片段，通過(guò)內(nèi)切酶活性切割目的片段，接著再通過(guò)細(xì)胞外切酶進(jìn)一步降解目的片段。同時(shí)，siRNA也可以阻遏3′UTR具有短片斷互補(bǔ)的mRNA的翻譯（offtarget）。成熟的miRNAs則是通過(guò)與miRNP核蛋白體復(fù)合物結(jié)合，識(shí)別靶mRNA，并與之發(fā)生部分互補(bǔ)，從而阻遏靶mRNA的翻譯。在動(dòng)物中，成熟的單鏈miRNAs與蛋白質(zhì)復(fù)合物miRNP結(jié)合，引導(dǎo)這種復(fù)合物通過(guò)部分互補(bǔ)結(jié)合到mRNA的3′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(bǔ)的mRNA。加工過(guò)程siRNA對(duì)稱地來(lái)源于雙鏈RNA的前體的兩側(cè)臂miRNA是不對(duì)稱加工，miRNA僅是剪切pre-miRNA的一個(gè)側(cè)臂，其他部分降解。對(duì)RNA的影響降解目標(biāo)mRNA；影響mRNA的穩(wěn)定性在RNA代謝的各個(gè)層面進(jìn)行調(diào)控；與mRNA的穩(wěn)定性無(wú)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(biāo)基因3′-UTR區(qū)生物學(xué)意義siRNA不參與生物生長(zhǎng)，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(guò)程中起作用，調(diào)節(jié)內(nèi)源基因表達(dá)不同點(diǎn)/分歧點(diǎn)siRNAmiRNA2023年1月11日55五、其他表觀遺傳機(jī)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(fù)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。2023年1月11日56遺傳印跡2023年1月11日56概念：或稱親本印跡（parentimprinting）是指基因組在傳遞遺傳信息的過(guò)程中，通過(guò)基因組的化學(xué)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(biāo)識(shí)的過(guò)程。特點(diǎn)：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(huì)隨著其來(lái)自父源或母源而表現(xiàn)不同，即源自雙親的兩