表觀遺傳學(xué)簡(jiǎn)介.ppt

1、表觀遺傳學(xué)簡(jiǎn)介,20131121,Jomi,表觀遺傳學(xué)簡(jiǎn)介,基因突變？,表觀遺傳學(xué)研究意義,表觀遺傳學(xué)研究?jī)?nèi)容,表觀遺傳學(xué)概述,表觀遺傳學(xué)簡(jiǎn)介,4,表觀遺傳學(xué)概述,-表觀遺傳（Epigenetics） 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。,-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。,5,

2、-詞源及定義,表觀遺傳學(xué)概述,1942，C. H. Waddington；作為一個(gè)后生論和遺傳學(xué)的合詞而提出。 1968，Erik Erikson；在他的著作里提到“后生論”，“任何生長(zhǎng)的事物都有一個(gè)平面圖，在這個(gè)圖之外各個(gè)部分出現(xiàn)，每個(gè)部分都有其特定的優(yōu)勢(shì)期，直至所有的部分出現(xiàn)從而形成一個(gè)功能整體?！?1990，Robin Holliday；將表觀遺傳學(xué)定義為“在復(fù)雜有機(jī)體的發(fā)育過(guò)程中，基因活性在時(shí)間和空間中調(diào)控機(jī)制的研究?！?1993，Li E et,al；引進(jìn)“表觀遺傳模板”這個(gè)術(shù)語(yǔ)。 1996，Arthur Riggs et,al；一項(xiàng)關(guān)于能引起可遺傳的基因功能改變的有絲分裂和/或減數(shù)

3、分裂的研究，而這些變化是DNA序列的改變無(wú)法解釋的。 2007，Adrian Bird；將表觀遺傳學(xué)定義為染色體的構(gòu)造適應(yīng)，以便啟始、發(fā)出信號(hào)或保持變構(gòu)的活性狀態(tài)。 2008，冷泉港會(huì)議；達(dá)成了關(guān)于表觀遺傳學(xué)的共識(shí)，即“染色體的改變所引起的穩(wěn)定的可遺傳的表現(xiàn)型，而非DNA序列的改變?！?概念模型,定義深化,概念共識(shí),表觀遺傳機(jī)制,表觀遺傳學(xué)概述,7,表觀遺傳學(xué)概述,-表觀遺傳學(xué)的主要特點(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。,8,表觀遺傳學(xué)研

4、究?jī)?nèi)容,基因選擇性轉(zhuǎn)錄表達(dá)的調(diào)控 DNA甲基化 組蛋白修飾 染色質(zhì)重塑 基因印記等,基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控 RNA干擾（RNAi） 基因組中非編碼RNA 微小RNA（miRNA） 核糖開(kāi)關(guān)等,表觀遺傳學(xué)研究?jī)?nèi)容, CpG島（CpG island）,許多基因，尤其是管家基因的啟動(dòng)子區(qū)，基因的末端通常存在一些富含雙核苷酸“CG”的區(qū)域； CpG表示核苷酸對(duì)，其中G在DNA鏈中緊隨C后，長(zhǎng)度通常在幾百到幾千核苷酸的長(zhǎng)度內(nèi)變化； 在在人類(lèi)基因組內(nèi)，存在有近3萬(wàn)個(gè)CpG島；在大多數(shù)染色體上，平均每100萬(wàn)堿基含有515個(gè)CpG島，其中有1.8萬(wàn)多個(gè)CpG島的GC含量為60%70%； 正常細(xì)胞的CpG島由于被保

5、護(hù)而處于非甲基化狀態(tài)； 全基因組低甲基化，維持甲基化模式酶的調(diào)節(jié)失控和正常非甲基化 CpG島的高甲基化是人類(lèi)腫瘤中普遍存在的現(xiàn)象； 研究證明啟動(dòng)子區(qū)的高甲基化導(dǎo)致抑癌基因失活是人類(lèi)腫瘤所具有的共同特征之一，而且這種高甲基化是導(dǎo)致抑癌基因失活的又一個(gè)機(jī)制。,表觀遺傳學(xué)研究?jī)?nèi)容,表觀遺傳學(xué)研究?jī)?nèi)容,-DNA甲基化的轉(zhuǎn)錄抑制機(jī)制, 直接干擾特異轉(zhuǎn)錄因子與各自啟動(dòng)子結(jié)合的識(shí)別位置。 DNA的大溝是許多蛋白因子與DNA結(jié)合的部位，胞嘧啶的甲基化干擾轉(zhuǎn)錄因子與DNA的結(jié)合。 轉(zhuǎn)錄抑制復(fù)合物干擾基因轉(zhuǎn)錄。 甲基化DNA結(jié)合蛋白與啟動(dòng)子區(qū)內(nèi)的甲基化CpG島結(jié)合，再與其他一些蛋白共同形成轉(zhuǎn)錄抑制復(fù)合物（TRC）

6、，阻止轉(zhuǎn)錄因子與啟動(dòng)子區(qū)靶序列的結(jié)合，從而影響基因的轉(zhuǎn)錄。 通過(guò)改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)而抑制基因表達(dá)。 染色質(zhì)構(gòu)型變化伴隨著組氨酸的乙?；腿ヒ阴；?，許多乙酰化和去乙酰化本身就分別是轉(zhuǎn)錄增強(qiáng)子和轉(zhuǎn)錄阻遏物蛋白。,表觀遺傳學(xué)研究?jī)?nèi)容,-DNA甲基化(DNA methylation),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，5-mC)，是目前研究得最清楚、 也是最重要的表觀遺傳修飾形式。,S-腺苷甲硫氨酸,甲基化轉(zhuǎn)移酶,胞嘧啶甲基化反應(yīng),表觀遺傳學(xué)研究?jī)?nèi)容,-DNA甲基化的遺傳與保持, DNA復(fù)制后，新合成鏈在DNMT

7、1的作用下，以舊鏈為模板進(jìn)行甲基化； 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)。,表觀遺傳學(xué)研究?jī)?nèi)容,甲基化狀態(tài)保持的方式,表觀遺傳學(xué)研究?jī)?nèi)容,-組蛋白修飾（histone modification）, 組蛋白（histone）,組蛋白是存在于染色體內(nèi)上與DNA結(jié)合的堿性蛋白質(zhì)，賴氨酸和精氨酸含量豐富； 染色質(zhì)中的組蛋白與DNA的含量之比為1:1； 幾乎所有真核細(xì)胞染色體的組蛋白均可分成5種

8、主要的組分：H1，H2A，H2B，H3，H4；核小體組成的核心蛋白； 是脫氧核糖核酸（DNA）折疊時(shí)所依賴的線軸； 組蛋白的基因非常保守，親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的種屬中，四種組蛋白（除H1外）氨基酸序列都非常相似；,表觀遺傳學(xué)研究?jī)?nèi)容,-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（甲基化、乙?；⒘姿峄?、泛素化等），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

9、持單元和基因表達(dá)的負(fù)控制因子。 組蛋白中被修飾氨基酸的種類(lèi)、位置和修飾類(lèi)型被稱(chēng)為組蛋白密碼（histone code），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。,表觀遺傳學(xué)研究?jī)?nèi)容,-組蛋白修飾種類(lèi),乙?；?Acetylation 大多發(fā)生在H3、H4的 Lys 殘基上，一般與活化的染色質(zhì)構(gòu)型、活化狀態(tài)相關(guān)聯(lián)。,甲基化 Methylation 發(fā)生在H3、H4的 Lys 和 Arg殘基上，可與基因抑制有關(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 Phosphorylation 發(fā)生與 Ser 殘基，一般與基因活化相關(guān)。,泛素化 Ubiquiti

10、nation 一般是C端Lys修飾，啟動(dòng)基因表達(dá)。,泛素是一種存在于大多數(shù)真核細(xì)胞中的小蛋白，它的主要功能是標(biāo)記需要分解掉的蛋白質(zhì)，使其被水解；當(dāng)附有泛素的蛋白質(zhì)移動(dòng)到桶狀的蛋白酶的時(shí)候，蛋白酶就會(huì)將該蛋白質(zhì)水解，泛素也可以標(biāo)記跨膜蛋白，如受體，將其從細(xì)胞膜上除去。,表觀遺傳學(xué)研究?jī)?nèi)容,-染色質(zhì)重塑（chromatin remodeling）,染色質(zhì)與染色體的區(qū)別？ 核小體有什么特殊結(jié)構(gòu)？,H1,H2-H4,是由染色質(zhì)重塑復(fù)合物(Chromatin Remodeling Complexes,CRC)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。,表觀遺傳學(xué)研究?jī)?nèi)容,-調(diào)節(jié)基因表達(dá)的機(jī)

11、制,機(jī)制1： 1 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1 個(gè)重塑因子（重塑復(fù)合物）, 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;,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, 不斷地從而使新形成染色質(zhì)的區(qū)域穩(wěn)定。,-核小體定位（Nucleosome location）, 概念 核小體在DNA上特異性定位的現(xiàn)象。, 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

12、的長(zhǎng)度特性重復(fù)出現(xiàn)。, 意義 是DNA正確包裝的條件； 調(diào)節(jié)基因表達(dá)。,表觀遺傳學(xué)研究?jī)?nèi)容,-RNA干擾（RNA interference，RNAi）,是指一種分子生物學(xué)上由雙鏈RNA誘發(fā)的基因沉默現(xiàn)象，其機(jī)制是通過(guò)阻礙特定基因的翻譯或轉(zhuǎn)錄來(lái)抑制基因表達(dá)。當(dāng)細(xì)胞中導(dǎo)入與內(nèi)源性mRNA編碼區(qū)同源的雙鏈RNA時(shí)，該mRNA發(fā)生降解而導(dǎo)致基因表達(dá)沉默。,在線蟲(chóng)與植物中，EGO1（一種RNA-dependent RNA Polymerase,RdRP）為RNAi必須因子，但在人和果蠅中是非必須的。,不同物種之間RNAi機(jī)制的基本框架雖然相同，但存在著微妙差異。,表觀遺傳學(xué)研究?jī)?nèi)容,siRNA介導(dǎo)的RN

13、Ai,表觀遺傳學(xué)研究?jī)?nèi)容,表觀遺傳學(xué)研究?jī)?nèi)容,miRNA（microRNA）介導(dǎo)的RNAi,表觀遺傳學(xué)研究?jī)?nèi)容,-其他內(nèi)容,轉(zhuǎn)錄后基因沉默（Post-transcriptional Gene Silencing ,PTGS） 研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)有大量的轉(zhuǎn)基因植株不能正常表達(dá)，通常這并不是由于轉(zhuǎn)基因的缺失或突變引起的，而是基因失活的結(jié)果。這種失活的現(xiàn)象稱(chēng)為基因沉默。部分的植物中的基因沉默是在轉(zhuǎn)錄后發(fā)生的，稱(chēng)為轉(zhuǎn)錄后基因沉默。 基因印記（genomic imprinting） 指在配子或合子發(fā)生期間，來(lái)自親本的等位基因或染色體在發(fā)育過(guò)程中產(chǎn)生專(zhuān)一性的加工修飾，導(dǎo)致后代體細(xì)胞中兩個(gè)親本來(lái)源的等位基因(IGF2)有不同的表達(dá)方式，又稱(chēng)遺傳印記或配子印記。它是一種伴有基因組改變的非孟德?tīng)栠z傳形式，可遺傳給子代細(xì)胞，但并不包括DNA序列的改變。 核糖開(kāi)關(guān)（riboswitches） mRNA一些非編碼區(qū)的序列折疊成一定的構(gòu)象，這些構(gòu)象的改變應(yīng)答于體內(nèi)的一些代謝分子，從而通過(guò)這些構(gòu)象的改變達(dá)到調(diào)節(jié)mRNA轉(zhuǎn)錄的目的，如抗終