表觀遺傳學-課件

2023年2月1日表觀遺傳學

（epigenetics）

2023年2月1日22023年2月1日2發(fā)展歷史1939年，WaddingtonCH首先在《現(xiàn)代遺傳學導論》中提出了epihenetics這一術(shù)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(guān)系。1975年，HollidyR對表觀遺傳學進行了較為準確的描述。1996年JamesGHerman和StephenBBaylin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)。2023年2月1日3概述表觀遺傳學：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。2023年2月1日3三個層面調(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2023年2月1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(guān)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2023年2月1日52023年2月1日6概述2023年2月1日6遺傳與表觀遺傳2023年2月1日7概述2023年2月1日7基因組與表觀基因組經(jīng)組織歸類的信息2023年2月1日82023年2月1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1

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2023年2月1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(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)；而去甲基化往往與一個沉默基因的重新激活相關(guān)聯(lián)。2023年2月1日102023年2月1日11一、DNA甲基化2023年2月1日115’3’CpG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2023年2月1日12一、DNA甲基化2023年2月1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2023年2月1日15二、組蛋白修飾2023年2月1日152023年2月1日16二、組蛋白修飾2023年2月1日162023年2月1日172023年2月1日17二、組蛋白修飾BryanM.Turner,naturecellbiology,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（histonecode），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。2023年2月1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)維持單元和基因表達的負控制因子。2023年2月1日182023年2月1日19二、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(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2023年2月1日20DNA甲基化與組蛋白去乙?；?023年2月1日20乙?；富蛲蛔儗е禄虿荒鼙磉_：RubinsteinTaybi綜合征、腫瘤、急性進行性髓性白血病。去乙酰化酶相關(guān)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。2023年2月1日21三、染色質(zhì)重塑核小體2023年2月1日22三、染色質(zhì)重塑染色質(zhì)重塑（chromatinremodeling）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)，從而影響鄰近基因的活性。2023年2月1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）染色質(zhì)重塑復合物、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2023年2月1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、ISW復合物等，這些復合物及相關(guān)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(guān)。2023年2月1日26染色質(zhì)重塑與人類疾?。ˋTRX、ERCC6、SMARCAL1編碼與SWI/SNF復合物相關(guān)的ATP酶）X連鎖α-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：ERCC6（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(guān)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)重塑四、RNA調(diào)控2023年2月1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。2023年2月1日282023年2月1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。2023年2月1日292023年2月1日30四、RNA調(diào)控2023年2月1日30非編碼RNA與疾病癌癥神經(jīng)性疾?。喝缇穹至寻Y（DISC2RNA異常所誘發(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2023年2月1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。2023年2月1日33遺傳印跡2023年2月1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、乙酰化、磷酸化、泛素化等）而使基因或DNA片段被標識的過程。2023年2月1日34遺傳印跡2023年2月1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-2mIgf-2Igf-2Igf-2m2023年2月1日35遺傳印跡2023年2月1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。2023年2月1日36遺傳印跡2023年2月1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?；⒘姿峄头核鼗刃揎?，使基因的表達模式發(fā)生了改變。父本PWS印記中心缺失母本AS印記中心缺失2023年2月1日39X染色體失活1961年M.F.Lyon就提出了關(guān)于雌性哺乳動物體細胞的兩條X染色體中會有一條發(fā)生隨機失活的假說，并認為這是一種基因劑量補償?shù)臋C制。以后的研究表明在給定的體細胞有絲分裂譜系中，有一條X染色體是完全失活并呈異染色質(zhì)狀態(tài)