表觀遺傳學(xué)_課件

1、表表 觀觀 遺遺 傳傳 學(xué)學(xué)（epigenetics）2022年年4月月30日日2022年年4月月30日日發(fā)發(fā) 展展 歷歷 史史v1939年，Waddington CH 首先在現(xiàn)代遺傳學(xué)導(dǎo)論中提出了epihenetics這一術(shù)語。v1942年定義為生物學(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。v1975年，Hollidy R 對表觀遺傳學(xué)進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的描述。v1996年James G Herman 和Stephen B Baylin 發(fā)明 MSP技術(shù)，并發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞中抑癌基因啟動子區(qū)CpG呈高甲基化狀態(tài)。2022年年4月月30日日概概 述述v表觀遺傳學(xué)表觀遺傳學(xué)：l可遺傳的，即這

2、類改變通過有絲分裂或減數(shù)分裂，能在細(xì)胞或個體世代間遺傳；l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；l沒有DNA序列的改變或不能用DNA序列變化來解釋。2022年年4月月30日日v三個層面調(diào)控基因表達(dá)：三個層面調(diào)控基因表達(dá)：lDNA修飾 ：DNA共價結(jié)合一個修飾基團(tuán)，使具有相同序列的等位基因處于不同的修飾狀態(tài)。l蛋白修飾：通過對特殊蛋白修飾或改變蛋白的構(gòu)象實(shí)現(xiàn)對基因表達(dá)的調(diào)控。l非編碼RNA調(diào)控：通過某些機(jī)制實(shí)現(xiàn)對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控，如RNA干擾。v意義：意義：l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(dá)，導(dǎo)致復(fù)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。概概 述述2022年年4月月30日日概概 述述v表觀遺傳學(xué)的研究內(nèi)容：表觀遺傳學(xué)的研究內(nèi)容：l 基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控u基因組中非編碼RNAu微小RNA（miRNA）u反義RNAu內(nèi)含子、核糖開關(guān)等l 基因選擇性轉(zhuǎn)錄表達(dá)基因選擇性轉(zhuǎn)錄表達(dá)的調(diào)控的調(diào)控uDNA甲基化u組蛋白共價修飾u染色質(zhì)重塑u基因印記uX染色體失活2022年年4月月30日日2022年年4月月30日日概概 述述2022年年4月月30日日遺傳與表觀遺傳遺傳與表觀遺傳2022年年4月月30日日概概 述述2022年年4月月30日日基因組與表觀基因組經(jīng)組織歸類的信息經(jīng)組織

4、歸類的信息2022年年4月月30日日2022年年4月月30日日表觀遺傳學(xué)機(jī)制表觀遺傳學(xué)機(jī)制DNA DNA 甲基化甲基化1組蛋白修飾組蛋白修飾2染色質(zhì)重塑染色質(zhì)重塑3RNA RNA 調(diào)調(diào) 控控4DNA DNA 甲基化甲基化1以基因型為以基因型為a/aa/a的母的母鼠及其孕育的基因型為鼠及其孕育的基因型為AVY/aAVY/a的仔鼠作實(shí)驗(yàn)對象。的仔鼠作實(shí)驗(yàn)對象。孕鼠分為兩組，試驗(yàn)組孕孕鼠分為兩組，試驗(yàn)組孕鼠除喂以標(biāo)準(zhǔn)飼料外，從鼠除喂以標(biāo)準(zhǔn)飼料外，從受孕前兩周起還增加富含受孕前兩周起還增加富含甲基的葉酸、乙酰膽堿等甲基的葉酸、乙酰膽堿等補(bǔ)充飼料，而對照組孕鼠補(bǔ)充飼料，而對照組孕鼠只喂飼標(biāo)準(zhǔn)飼料。只喂飼

5、標(biāo)準(zhǔn)飼料。試驗(yàn)組試驗(yàn)組 一、一、DNADNA甲基化甲基化2022年年4月月30日日一、一、DNADNA甲基化甲基化v 哺乳動物基因組中哺乳動物基因組中5mC5mC占胞嘧啶總量的占胞嘧啶總量的2%-7%2%-7%，約，約70%70%的的5mC5mC存在于存在于CpGCpG二連核苷。二連核苷。v 在結(jié)構(gòu)基因的在結(jié)構(gòu)基因的55端調(diào)控區(qū)域端調(diào)控區(qū)域, CpG, CpG二連核苷常常以成簇串二連核苷常常以成簇串聯(lián)形式排列，這種富含聯(lián)形式排列，這種富含CpGCpG二連核苷的區(qū)域稱為二連核苷的區(qū)域稱為CpGCpG島島(CpG (CpG islands)islands)，其大小為，其大小為500-1000bp5

6、00-1000bp，約，約56%56%的編碼基因含該的編碼基因含該結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。v 基因調(diào)控元件基因調(diào)控元件( (如啟動子如啟動子) )所含所含CpGCpG島中的島中的5mC5mC會阻礙轉(zhuǎn)錄因會阻礙轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合體與子復(fù)合體與DNADNA的結(jié)合。的結(jié)合。lDNA甲基化一般與基因沉默相關(guān)聯(lián)；l非甲基化一般與基因的活化相關(guān)聯(lián)；l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年年4月月30日日2022年年4月月30日日一、一、DNADNA甲基化甲基化2022年年4月月30日日v CpGCpG島主要處于基因島主要處于基因55端調(diào)控區(qū)域。端調(diào)控區(qū)域。v 啟動子區(qū)域的啟動子區(qū)域的CpGCpG島一般是非

7、甲基化狀態(tài)的，其非甲基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?；癄顟B(tài)對相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄是必須的。v 目前認(rèn)為基因調(diào)控元件（如啟動子）的目前認(rèn)為基因調(diào)控元件（如啟動子）的CpGCpG島中發(fā)生島中發(fā)生5mC5mC修飾會在空間上阻礙轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合物與修飾會在空間上阻礙轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合物與DNADNA的結(jié)合。因的結(jié)合。因而而DNADNA甲基化一般與基因沉默相關(guān)聯(lián)。甲基化一般與基因沉默相關(guān)聯(lián)。2022年年4月月30日日一、一、DNADNA甲基化甲基化2022年年4月月30日日 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 DN

8、A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)。DNMT1胞嘧啶胞嘧啶5-5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶胞嘧啶甲基化反應(yīng)胞嘧啶甲基化反應(yīng) S-S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸2022年年4月月30日日二、組蛋白修飾二、組蛋白修飾2022年年4月月30日日2022年年4月月30日日二、組蛋白修飾二、組蛋白修飾2022年年4月月30日日2022年年4月月30日日2022年年4月月30日日二、組蛋白修飾二、組蛋白修飾Bryan M. Turner, nature cell biology, 2007v組蛋

9、白中被修飾氨基酸的種類、位置和修飾類型被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（稱為組蛋白密碼（histone codehistone code），遺傳密碼的），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。且可遺傳。2022年年4月月30日日二、組蛋白修飾二、組蛋白修飾v組蛋白修飾是表觀遺傳研究的重要內(nèi)容。組蛋白修飾是表觀遺傳研究的重要內(nèi)容。v組蛋白的組蛋白的 N N端是不穩(wěn)定的、無一定組織的亞單位端是不穩(wěn)定的、無一定組織的亞單位，其，其延伸至核小體以外，會受到不同的化學(xué)修飾，這種修延伸至核小體以外，會受到不同

10、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)。飾往往與基因的表達(dá)調(diào)控密切相關(guān)。v被組蛋白覆蓋的基因如果要表達(dá)，首先要改變組蛋白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)，使其與的修飾狀態(tài)，使其與DNADNA的結(jié)合由緊變松，這樣靶基因的結(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。染色體結(jié)構(gòu)維持單元和基因表達(dá)的負(fù)控制因子。2022年年4月月30日日2022年年4月月30日日二、組蛋白修飾二、組蛋白修飾v組蛋白修飾種類l乙?；? 一般與活化的染色質(zhì)構(gòu)型相關(guān)聯(lián)，乙?；揎?/p>

11、大多發(fā)生在H3、H4的 Lys 殘基上。l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。l磷酸化- 發(fā)生與 Ser 殘基，一般與基因活化相關(guān)。l泛素化- 一般是C端Lys修飾，啟動基因表達(dá)。lSUMO（一種類泛素蛋白）化- 可穩(wěn)定異染色質(zhì)。l其他修飾2022年年4月月30日日DNADNA甲基化與組蛋白去乙?；谆c組蛋白去乙?；?022年年4月月30日日乙?；富蛲蛔儗?dǎo)致基因不能表達(dá)：乙酰化酶基因突變導(dǎo)致基因不能表達(dá)：Rubinstein Taybi綜合征、腫瘤、急性進(jìn)行性髓性白血病。去乙?；赶嚓P(guān)基因

12、的突變導(dǎo)致錯誤募集去乙?；赶嚓P(guān)基因的突變導(dǎo)致錯誤募集去乙?；福喝ヒ阴；福篟ett綜合征、急性早幼粒細(xì)胞性白血病，急性淋巴細(xì)胞性白血病和非何杰金氏淋巴瘤的治療。2022年年4月月30日日三、染色質(zhì)重塑三、染色質(zhì)重塑核小體2022年年4月月30日日三、染色質(zhì)重塑三、染色質(zhì)重塑v染色質(zhì)重塑（染色質(zhì)重塑（chromatin remodelingchromatin remodeling）是一個）是一個重要的表觀遺傳學(xué)機(jī)制。重要的表觀遺傳學(xué)機(jī)制。v染色質(zhì)重塑是由染色質(zhì)重塑復(fù)合物介導(dǎo)的一系染色質(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)列以染色質(zhì)上核小體變化為基本特征的

13、生物學(xué)過程。過程。v組蛋白尾巴的化學(xué)修飾（乙?；?、甲基化及磷組蛋白尾巴的化學(xué)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?；虻幕钚?。2022年年4月月30日日三、染色質(zhì)重塑三、染色質(zhì)重塑染色質(zhì)修飾與重塑（共價修飾型與染色質(zhì)修飾與重塑（共價修飾型與ATPATP依賴型）依賴型）v染色質(zhì)重塑復(fù)合物、組蛋白修飾酶的突變均和轉(zhuǎn)染色質(zhì)重塑復(fù)合物、組蛋白修飾酶的突變均和轉(zhuǎn)錄調(diào)控、錄調(diào)控、DNA甲基化、甲基化、DNA重組、細(xì)胞周期、重組、細(xì)胞周期、DNA的復(fù)制和修復(fù)的反常相干的復(fù)制和修復(fù)的反常相干,這些反?？梢砸疬@些反?？梢砸鹕L發(fā)育

14、反常生長發(fā)育反常,智力發(fā)育緩慢智力發(fā)育緩慢,乃至導(dǎo)致癌癥。乃至導(dǎo)致癌癥。 v依賴依賴ATP的物理修飾主要是使用的物理修飾主要是使用ATP水注解放的水注解放的能量能量,使使DNA超螺旋旋矩和旋相產(chǎn)生轉(zhuǎn)變超螺旋旋矩和旋相產(chǎn)生轉(zhuǎn)變,使轉(zhuǎn)錄使轉(zhuǎn)錄因子更易靠近并連合核小體因子更易靠近并連合核小體DNA,從而調(diào)控基因的從而調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄進(jìn)程。轉(zhuǎn)錄進(jìn)程。三、染色質(zhì)重塑三、染色質(zhì)重塑2022年年4月月30日日三、染色質(zhì)重塑三、染色質(zhì)重塑（A A）結(jié)合）結(jié)合（B B）松鏈）松鏈（C C）重塑）重塑八聚體轉(zhuǎn)移八聚體轉(zhuǎn)移八聚體滑動八聚體滑動+ ATP+ ATP重塑重塑復(fù)合物復(fù)合物ATPATP依賴的染色質(zhì)重構(gòu)機(jī)制依賴

15、的染色質(zhì)重構(gòu)機(jī)制染色質(zhì)重塑復(fù)合物：染色質(zhì)重塑復(fù)合物： 依靠水解依靠水解ATPATP提提供能量來完成染色質(zhì)供能量來完成染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，根據(jù)水結(jié)構(gòu)的改變，根據(jù)水解解ATPATP的亞基不同，的亞基不同，可將復(fù)合物分為可將復(fù)合物分為SWI/SNFSWI/SNF復(fù)合物、復(fù)合物、ISWISW復(fù)合物等，這些復(fù)合復(fù)合物等，這些復(fù)合物及相關(guān)蛋白均與轉(zhuǎn)物及相關(guān)蛋白均與轉(zhuǎn)錄激活和抑制、錄激活和抑制、DNADNA甲基化、甲基化、DNADNA修復(fù)及修復(fù)及細(xì)胞周期相關(guān)細(xì)胞周期相關(guān)。2022年年4月月30日日v染色質(zhì)重塑與人類疾病染色質(zhì)重塑與人類疾病（ ATRX、 ERCC6、 SMARCAL1編碼與SWI/SNF復(fù)合物

16、相關(guān)的ATP酶）lX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(dá)抑制。lSkeletal綜合征和B型Cockayne綜合征：ERCC6（在DNA修復(fù)中起重要作用）突變。lSchimke免疫性骨質(zhì)發(fā)育異常：SMARCAL1（調(diào)控細(xì)胞增殖相關(guān)基因的表達(dá)） l腫瘤：BRG1、SMARCB1和BRM編碼與SWI/SNF復(fù)合物特異的ATP酶（改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)）三、染色質(zhì)重塑三、染色質(zhì)重塑四、四、RNA調(diào)

17、控調(diào)控2022年年4月月30日日四、四、RNA 調(diào)控調(diào)控 siRNAvsiRNA結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：21-23nt的雙鏈結(jié)構(gòu)，序列與靶的雙鏈結(jié)構(gòu)，序列與靶mRNA有同源性，雙鏈兩端各有有同源性，雙鏈兩端各有2個突出非配對的個突出非配對的3堿基。堿基。vsiRNA功能：是功能：是RNAi 作用的重要組分，是作用的重要組分，是RNAi發(fā)生的中介分子。內(nèi)源性發(fā)生的中介分子。內(nèi)源性siRNA使細(xì)胞能夠抵御使細(xì)胞能夠抵御轉(zhuǎn)座子、轉(zhuǎn)基因和病毒的侵略。轉(zhuǎn)座子、轉(zhuǎn)基因和病毒的侵略。2022年年4月月30日日2022年年4月月30日日四、四、RNA 調(diào)控調(diào)控 miRNAv結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：21-25nt長的單鏈小分子長的單鏈

18、小分子RNA ，5端有端有一個磷酸基團(tuán)，一個磷酸基團(tuán)，3端為羥基，由具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)端為羥基，由具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)的約的約70-90個堿基大小的單鏈個堿基大小的單鏈RNA前體經(jīng)過前體經(jīng)過Dicer酶加工后生成。酶加工后生成。v特點(diǎn)：具有高度的保守性、時序性和組織特異特點(diǎn)：具有高度的保守性、時序性和組織特異性性 。2022年年4月月30日日2022年年4月月30日日四、四、RNA 調(diào)控調(diào)控2022年年4月月30日日非編碼非編碼RNA與疾病與疾病v癌癥癌癥v神經(jīng)性疾?。喝缇穹至寻Y（神經(jīng)性疾?。喝缇穹至寻Y（DISC2 RNA異常所異常所誘發(fā)的精神分裂癥。）、孤獨(dú)癥、憂郁癥、躁動誘發(fā)的精神分裂癥。）、孤獨(dú)癥

19、、憂郁癥、躁動癥等癥等v 牛皮癬易感性牛皮癬易感性四、四、RNA調(diào)控調(diào)控2022年年4月月30日日五、其他表觀遺傳機(jī)制五、其他表觀遺傳機(jī)制v除除DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑、和甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑、和RNA調(diào)控以外，還有遺傳印跡、調(diào)控以外，還有遺傳印跡、X染色體失活、染色體失活、等。等。v遺傳印跡、遺傳印跡、X染色體失活的本質(zhì)仍為染色體失活的本質(zhì)仍為DNA甲基化甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑。、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑。2022年年4月月30日日遺遺 傳傳 印印 跡跡2022年年4月月30日日v概念：概念：l傳給子代的親本基因在子代中表達(dá)的狀況取決于基因來自母本還是父本的現(xiàn)象。

20、該現(xiàn)象在合子形成時已經(jīng)決定，是涉及基因表達(dá)調(diào)控的遺傳。v特點(diǎn)：特點(diǎn)：l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(dá)或表達(dá)很弱。l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。v 機(jī)制：機(jī)制：l基因組在傳遞遺傳信息的過程中，通過基因組的化學(xué)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(biāo)識的過程。2022年年4月月30日日遺遺 傳傳 印印 跡跡2022年年4月月30日日正交Igf-2Igf-2Igf-2mIgf-2mIgf-2Igf-2Igf-2mIgf-2m反交

21、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-2m2022年年4月月30日日遺遺 傳傳 印印 跡跡2022年年4月月30日日v由正反交實(shí)驗(yàn)可以看出：由正反交實(shí)驗(yàn)可以看出：l印跡基因的正反交結(jié)果不一致、不符合孟德爾定律。l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(dá)，因此是母本印跡。l基因印跡使基因的表達(dá)受到抑制，導(dǎo)致被印跡的基因的生物功能的喪失。2022年年4月月30日日遺遺 傳傳 印印 跡跡2022年年4月月30日日v基因印跡過程基因印跡過程l印跡的形成 印跡形成于成熟配子，并持續(xù)到出生后。l印記的維持l印記的去除 印記的去除