表觀遺傳學(xué)基礎(chǔ)課件

1、表觀遺傳學(xué)Epigenetics 2015/3/23動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院 嚴(yán)果果表觀遺傳學(xué)的形成經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為，基因既是一個(gè)結(jié)構(gòu)單位又是一個(gè)功能單位?；蚪Y(jié)構(gòu)的改變必將引起生物體表型的的改變。幾十年來，人們一直認(rèn)為基因決定著生命過程中所需要的各種蛋白質(zhì)和生命體表型。表觀遺傳學(xué)的形成馬、驢正反交的后代差別較大（騾和駃騠）同卵雙生的兩個(gè)人具有完全相同的基因組，在同樣的環(huán)境中長大后，其性格、健康等出現(xiàn)較大差異克隆動(dòng)物未老先衰復(fù)雜疾病的發(fā)生 然而，隨著研究的不斷深入，科研人員發(fā)現(xiàn)了一些無法用經(jīng)典遺傳學(xué)來解釋的現(xiàn)象：研究表明，在DNA之中或者之外存在更高的遺傳信息，主要包括非編碼RNA、DNA甲基化、組蛋白

2、修飾、染色體重塑。表觀遺傳學(xué)定義：在不改變基因DNA序列的情況下，基因功能發(fā)生可遺傳的遺傳信息變化，并最終導(dǎo)致可遺傳的表型變化，而且這種改變?cè)诎l(fā)育和細(xì)胞增殖過程中能穩(wěn)定傳遞且具有可逆潛能。表觀遺傳學(xué)信息，它決定了何時(shí)、何地、以何種方式去應(yīng)用遺傳信息的指令。表觀遺傳學(xué)的形成可遺傳性：可通過有絲分裂或減數(shù)分裂在細(xì)胞或者個(gè)體世代間遺傳；可逆性的基因表達(dá)調(diào)節(jié)（基因活性或功能改變）沒有DNA序列的變化或不能用DNA序列變化來解釋表觀遺傳學(xué)的形成轉(zhuǎn)錄過程中的調(diào)控： 1. DNA 甲基化 (DNA methylation) 2. 組蛋白共價(jià)修飾 (histon modification) 3. 染色質(zhì)重塑

3、(chromation remodeling) 4. 基因組印記(genomic imprinting) 5. RNA編輯 (RNA editing) 6.基因沉默 (Gene silencing )轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控： 1. 非編碼RNA(Non-coding RNA) 2. 微小RNA(micro RNA) 3. 反義RNA 4. 核糖開關(guān) 5. 表觀遺傳學(xué)的研究熱點(diǎn)定義：DNA甲基化是指在甲基化酶的作用下，將一個(gè)甲基添加在DNA分子的堿基上。部位：DNA甲基化的部位通常在啟動(dòng)子區(qū)域CpG島的胞嘧啶形成5-甲基胞嘧啶(5-mC)，也有少量N6-甲基腺嘌呤(N6-mA)和7-甲基鳥嘌呤(7-mG)

4、。DNMT1S-腺苷甲硫氨酸SAM胞嘧啶5-甲基胞嘧啶1.DNA 甲基化 (DNA methylation)DNA甲基化的檢測(cè)方法同裂酶：在測(cè)序方法發(fā)明之前，人們常常利用甲基化敏感的同裂酶檢測(cè)DNA甲基化程度。缺點(diǎn)就是少于5%的甲基化胞嘧啶被錯(cuò)估在給定的DNA序列中。亞硫酸鹽修飾方法：經(jīng)過亞硫酸鹽修飾后，未甲基化的胞嘧啶轉(zhuǎn)變成尿嘧啶，而發(fā)生甲基化的則不轉(zhuǎn)變甲基化特異PCR(methylation-specific PCR, MSP)：MSP法的優(yōu)點(diǎn)在于積極顯示甲基化的胞嘧啶，以及描繪出給定DNA序列的整體甲基化狀態(tài)。它將DNA先用重亞硫酸鹽處理，這樣未甲基化的胞嘧啶轉(zhuǎn)變?yōu)槟蜞奏ぃ谆牟蛔?/p>

5、，隨后行引物特異性的PCR。MS-PCR中設(shè)計(jì)兩對(duì)引物，并要求：1.引物末端均設(shè)計(jì)至檢測(cè)位點(diǎn)結(jié)束；2.兩對(duì)引物分別只能與重亞硫酸鹽處理后的序列互補(bǔ)配對(duì)，即一對(duì)結(jié)合處理后的甲基化DNA鏈，另一對(duì)結(jié)合處理后非甲基化DNA鏈。檢測(cè)MSP擴(kuò)增產(chǎn)物，如果用針對(duì)處理后甲基化DNA鏈的引物能擴(kuò)增出片段，則說明該被檢測(cè)的位點(diǎn)存在甲基化；若用針對(duì)處理后的非甲基化DNA鏈的引物擴(kuò)增出片段，則說明被檢測(cè)的位點(diǎn)不存在甲基化。下圖是MSP的原理圖。DNA甲基化的檢測(cè)方法甲基化DNA免疫免疫沉淀法: 由于高通量技術(shù)，全基因組及芯片平臺(tái)技術(shù)應(yīng)用于腫瘤中特定的甲基化類型檢測(cè)。methylated DNA immunoprec

6、ipitation MeDIP 是一種富集DNA的方法。它依據(jù)的原理是基因組DNA可以被超聲波裂解而隨意進(jìn)行修剪，同時(shí)被特異性5-甲基胞苷的抗體免疫沉淀。它可以用來測(cè)定整體基因組甲基化程度以及鑒別異常甲基化基因。甲基化CpG島擴(kuò)增：是基于在甲基化敏感性酶如僅在未甲基化位點(diǎn)進(jìn)行剪切，在胞嘧啶于鳥苷酸間留下平端Sam I酶對(duì)基因組DNA的消化作用一種方法。乙?；腿ヒ阴；谆腿ゼ谆M蛋白共價(jià)修飾與表達(dá)調(diào)控的關(guān)系 這些修飾反應(yīng)會(huì)影響組蛋白與DNA 分子的相互作用，從而導(dǎo)致基因轉(zhuǎn)錄、DNA 修復(fù)與復(fù)制、染色體的重排生理過程發(fā)生改變?？傮w上，組蛋白乙?；c轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)聯(lián)，而去乙酰化則與轉(zhuǎn)錄抑制有關(guān)

7、。乙?；饔每芍泻臀挥诮M蛋白尾部的賴氨酸殘基電荷，減少組蛋白尾部與DNA 結(jié)合鍵的長度。這種現(xiàn)象表明核小體更加容易接近轉(zhuǎn)錄因子而發(fā)揮生物學(xué)作用。組蛋白的甲基化作用對(duì)轉(zhuǎn)錄過程起到積極地或消極地影響。伴隨著DNA 的甲基化作用與組蛋白不同類型的修飾同時(shí)發(fā)生，染色質(zhì)的修飾效果將會(huì)發(fā)生明顯改變。這一領(lǐng)域是目前研究的熱點(diǎn)。組蛋白修飾檢測(cè)方法質(zhì)譜分析方法：質(zhì)譜分析方法可以很方便且準(zhǔn)確地對(duì)染色質(zhì)的修飾程度進(jìn)行檢測(cè)。但是，這些技術(shù)僅局限于實(shí)驗(yàn)室使用，而且對(duì)儀器設(shè)備的要求較高。DNA 測(cè)序技術(shù)：為了闡述組蛋白修飾的真正生物學(xué)意義，DNA 序列的詳細(xì)信息也是必需的。最佳的檢測(cè)技術(shù)為染色質(zhì)免疫沉淀反應(yīng)（chroma

8、tin immunoprecipitation，ChIP）聯(lián)合特異地與組蛋白修飾變化反應(yīng)的抗體DNA 測(cè)序技術(shù)。 依然回到染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)，核小體是染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單元核小體是由組蛋白和DNA組成。遺傳物質(zhì)在有限的空間中完成復(fù)制和轉(zhuǎn)錄, 并且在有限的體積中保證基因失活和活化狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。 由于組蛋白與DNA的緊密結(jié)合為基因的表達(dá)設(shè)置了障礙,所以要使基因正常表達(dá), 就要通過染色質(zhì)去凝集、核小體變成疏松的開放式結(jié)構(gòu)等方式, 使轉(zhuǎn)錄因子等調(diào)節(jié)因子更容易接近和結(jié)合核小體DNA。在基因表達(dá)的復(fù)制和重組過程中,對(duì)應(yīng)基因尤其是基因調(diào)控區(qū)的染色質(zhì)包裝狀態(tài), 核小體和組蛋白以及對(duì)應(yīng)的DNA分子會(huì)發(fā)生一系列的改變, 與

9、基因表達(dá)調(diào)節(jié)所伴隨的這類染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和位置的改變的現(xiàn)象稱為染色質(zhì)重塑。3.染色質(zhì)重塑 (chromation remodeling)基因組印記與基因表達(dá)調(diào)控的關(guān)系 基因組印記主要與DNA甲基化、染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化、DNA復(fù)制時(shí)機(jī)的變化和非編碼RNA的調(diào)節(jié)作用有關(guān)。 DNA甲基化包括印記基因甲基化失活，等位基因低甲基化表達(dá)。 染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)變化包括染色質(zhì)包裝時(shí)的因素決定基因是否轉(zhuǎn)錄。 印記基因在發(fā)育過程中扮演著重要角色, 研究發(fā)現(xiàn), 許多印記基因?qū)ε咛ズ吞撼錾蟮纳L發(fā)育具有重要的調(diào)節(jié)作用, 對(duì)人的行為和大腦功能也具有重要影響, 印記丟失不僅影響胚胎發(fā)育且可誘發(fā)胎兒出生后發(fā)育異常,從而導(dǎo)致癌癥發(fā)生。

10、5.非編碼RNA(Non coding RNA)非編碼RNA定義 非編碼RNA 指不能翻譯為蛋白質(zhì)的功能性RNA 分子， 具有調(diào)控作用的非編碼RNA， 按照它們的大小可分為長鏈和短鏈非編碼RNA， 前者在基因簇以至于整個(gè)染色體水平發(fā)揮順式調(diào)節(jié)作用， 短鏈RNA在基因組水平調(diào)控基因表達(dá)并介導(dǎo)mRNA 的降解， 誘導(dǎo)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)改變， 決定細(xì)胞的分化命運(yùn)，還對(duì)外源的核酸序列有降解作用以保護(hù)本身的基因組。非編碼RNA調(diào)控的生物學(xué)意義 各種生物中雙鏈RNA( dsRNA) 可通過不同途徑被分割成小的干涉RNA( siRNA) 或RNAi。RNA 干涉( RNAi) 屬于轉(zhuǎn)錄后基因沉默, 它可使轉(zhuǎn)錄后的同

11、源mRNA 降解, 使同系的DNA 序列發(fā)生修飾性變化( 甲基化) , 使rRNA 甲基化, 從而使目的基因表達(dá)沉默。表觀遺傳學(xué)的研究進(jìn)展表觀遺傳學(xué)補(bǔ)充了“中心法則”忽略的2個(gè)問題:哪些因素決定了基因的正常轉(zhuǎn)錄和翻譯;核酸并不是存儲(chǔ)遺傳信息的唯一載體。表觀遺傳信息可通過控制基因的表達(dá)時(shí)間、空間位置和表達(dá)方式調(diào)控發(fā)育過程及各種生理反應(yīng)。所以, 許多用DNA序列不能解釋的現(xiàn)象,通過表觀遺傳學(xué)的研究找到了答案。表觀遺傳調(diào)控與腫瘤 DNA甲基化和染色質(zhì)的調(diào)節(jié)因子在基因表達(dá)、細(xì)胞增殖、分化和凋亡中起著重要作用,以抑癌基因?yàn)榇淼腃pG島異常甲基化所致基因轉(zhuǎn)錄失活已經(jīng)成為腫瘤表觀基因組學(xué)(cancerep

12、igenomics)的研究重點(diǎn)。CpG島高甲基化導(dǎo)致抑癌基因轉(zhuǎn)錄失活是一個(gè)可以逆轉(zhuǎn)的表觀遺傳學(xué)基因修飾過程, 而CpG島去甲基化可以恢復(fù)抑癌基因功能。因此, DNA去甲基化作用恢復(fù)癌基因功能的研究也成為腫瘤基因治療的新型手段之一。表觀遺傳調(diào)控與雙胞胎 雙胞胎擁有同一套遺傳物質(zhì), 本來應(yīng)該長得一模一樣, 而且在小的時(shí)候雙胞胎的確讓人難以區(qū)分,但是長大以后很多就會(huì)明顯不同, 這種差異到底是如何來的一直不十分清楚。西班牙國家癌癥中心的Fraga等通過對(duì)160名3 74歲的雙胞胎進(jìn)行分析, 結(jié)果表明,在外界影響下基因組在表達(dá)水平上的不同導(dǎo)致了雙胞胎出現(xiàn)差異 。他們對(duì)基因組上的2種修飾作用進(jìn)行了檢測(cè),將

13、雙胞胎的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì), 結(jié)果發(fā)現(xiàn), DNA的甲基化和組蛋白的乙酰化作用可以讓基因的表達(dá)增強(qiáng)或者減弱。在小的時(shí)候雙胞胎基因的表達(dá)形式幾乎是一樣的,但是年齡在28歲以上的雙胞胎基因表達(dá)特征就會(huì)出現(xiàn)明顯的不同。雖然這些修飾作用可能只是改變了一點(diǎn)點(diǎn),但是造成的影響,特別是在疾病方面是十分明顯的。表觀遺傳調(diào)控與X染色體失活在哺乳動(dòng)物中, 雌雄性個(gè)體X染色體數(shù)目不同, 這類動(dòng)物需要以一種方式來解決X染色體劑量的差異。在雌性哺乳動(dòng)物中, 2條X染色體有一條是失活的,稱為X染色體的劑量補(bǔ)償(dosagecompensation)。X染色體失活的選擇和起始發(fā)生在胚胎發(fā)育早期, 這個(gè)過程被X失活中心(X-inactivationcenter, Xic)所控制, 是一種反義轉(zhuǎn)錄調(diào)控模式。X染色體的失活狀態(tài)需要表觀遺傳修飾如DNA甲基化來維持。這種失活可以通過有絲或減數(shù)分裂遺傳給后代。研究方向 今后對(duì)于X染色體失活的研究還要特別關(guān)注于哪些因素調(diào)控了Xic的功能、XistRNA造成沉默的機(jī)制和一些如BRCAl的蛋白質(zhì)在X染色體失活中的作用等問題。表觀基因組學(xué)預(yù)人類基因組學(xué) 表觀遺傳學(xué)使人們認(rèn)識(shí)到,同基因組的序列一樣,基因組的修飾也