生物學表觀遺傳學

生物學表觀遺傳學第1頁/共114頁表觀遺傳學Epigenetics第2頁/共114頁英同卵雙胞胎1個患白血病1個很健康第3頁/共114頁同卵雙胞胎出生時哥哥體重為弟弟3倍(圖)第4頁/共114頁多莉：死掉了…IanWilmutDolly多莉：生于1996年7月5日，死于2003年2月14日第5頁/共114頁Epigeneticdifferences：monozygotictwins第6頁/共114頁雌性的一條X染色體完全失去活性RainbowCopyCatAllieX染色體失活X-ChromosomeInactivation：Thecalicocat第7頁/共114頁基因表達模式不同表型相同的基因型Agouti基因甲基化/葉酸葉酸很重要……第8頁/共114頁GenomicImprinting（基因組印記）：

兩條染色體需要隨機沉默其一

1.小頭2.巨舌3.胎盤增生第9頁/共114頁遺傳類型1.遺傳編碼信息：

提供生命必需蛋白質(zhì)的模板2.表觀遺傳學信息：

何時、何地、以何種方式去應用遺傳信息第10頁/共114頁遺傳信息的傳遞：中心法則1.DNA自身通過復制傳遞遺傳信息；2.DNA轉(zhuǎn)錄成RNA；3.RNA自身能夠復制(RNA病毒)；4.RNA能夠逆轉(zhuǎn)錄成DNA；5.RNA翻譯成蛋白質(zhì)。第11頁/共114頁表觀遺傳學(

epigenetics)1.概念

基因的DNA序列不發(fā)生改變的情況下，基因表達水平與功能發(fā)生改變，并產(chǎn)生可遺傳的表型。2.特征(1)可遺傳(2)可逆性(3)DNA不變第12頁/共114頁1942年沃丁頓(Waddington)在Endeavour雜志

首次提出表觀遺產(chǎn)學?；蛐偷倪z傳(heredity)或傳承(inheritance)是遺傳學研究的主旨,而基因型產(chǎn)生表型的過程則是屬于表觀遺傳學研究的范疇。研究歷史第13頁/共114頁Waddington'sepigenetics基因型表型第14頁/共114頁Waddington'sepigenetics基因型表型第15頁/共114頁1987年,霍利德(Holliday)進一步指出可在兩個層面上研究高等生物的基因?qū)傩?。第一個層面是基因的世代間傳遞的規(guī)律——遺傳學。第二個層面是生物從受精卵到成體的發(fā)育過程中基因活性變化的模式——表觀遺傳學。表觀遺傳學研究“上代向下代傳遞的信息,可以通過有絲分裂或減數(shù)分裂而遺傳下去的基因功能的改變，而不是DNA序列本身”,這是一種“不以DNA序列差別為基礎的細胞核遺傳”。第16頁/共114頁表觀遺傳學的研究內(nèi)容1.基因選擇性轉(zhuǎn)錄表達的調(diào)控2.基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控3.蛋白質(zhì)的翻譯后修飾第17頁/共114頁第18頁/共114頁表觀遺傳修飾

表觀遺傳修飾DNA甲基化組蛋白修飾siRNA與miRNA介導的調(diào)控基因組印跡(GenomicImprinting)X染色體失活染色體構(gòu)型重塑第19頁/共114頁表觀遺傳學DNA甲基化第20頁/共114頁基因調(diào)控模型1.DNA甲基化的主要功能：轉(zhuǎn)錄沉默(1)基因的啟動子區(qū)域通常不被甲基化修飾(2)建立特定的基因表達模式：

組織特異性、生殖特異性…(3)基因組印記、X染色體失活2.DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機制：(1)干擾轉(zhuǎn)錄因子對DNA元件的識別和結(jié)合(2)將轉(zhuǎn)錄因子DNA識別序列轉(zhuǎn)變?yōu)樽枰治镒R別序列(3)DNA甲基化有利于招募染色質(zhì)重塑或修飾因子3.DNA甲基化：

是轉(zhuǎn)錄沉默的結(jié)果和維持，而不是原因。第21頁/共114頁DNA甲基化

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。

在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的催化下，利用S-腺苷蛋氨酸(SAM)提供的甲基，將胞嘧啶第5位碳原子甲基化，從而使胞嘧啶轉(zhuǎn)化為5甲基胞嘧啶(5-mC)。第22頁/共114頁DNA甲基化第23頁/共114頁CH3DNMTdCMPdmCMP(~mC~)(~C~)45SAM第24頁/共114頁第25頁/共114頁第26頁/共114頁在哺乳動物基因組中，DNA甲基化的主要位點是CpG二核苷酸。甲基化CpG二核苷酸在整個基因組中分布不均勻，在基因組大部分區(qū)域中CpG序列出現(xiàn)頻率較低，但在某些特定區(qū)域，如結(jié)構(gòu)基因5’-端(啟動子區(qū))，CpG二核苷酸呈高頻率成串排列，此區(qū)域稱為CpG島。第27頁/共114頁

基因調(diào)控元件(如啟動子)所含CpG島中的5-mC會阻礙轉(zhuǎn)錄因子復合體與DNA的結(jié)合，所以DNA甲基化一般與基因沉默(genesilence)相關聯(lián)。而非甲基化(non-methylated)一般與基因的活化(geneactivation)相關聯(lián)。而去甲基化(demethylation)往往與一個沉默基因的重新激活(reactivation)相關聯(lián)。

第28頁/共114頁第29頁/共114頁DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機制基因啟動子區(qū)的甲基化可影響轉(zhuǎn)錄激活因子和其識別序列的結(jié)合，直接抑制基因表達。甲基化的CpG雙核苷酸序列可被甲基結(jié)合蛋白家族(MBD)識別，而后者通過吸引組蛋白去乙?；?HDAC)和組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶(HMT)等組蛋白修飾蛋白來改變?nèi)旧|(zhì)活性，間接影響基因表達。第30頁/共114頁

轉(zhuǎn)錄起始：1,Structuralpreparation:chromatinmodulation >30nm10nm(beads-on-a-string);2,Formationofpre-initiationcomplex.染色質(zhì)調(diào)整chromatinmodulation啟動子“暴露”promoterclearance轉(zhuǎn)錄起始復合體形成pre-initiationcomplexformation轉(zhuǎn)錄起始transcription核心組蛋白修飾核小體重塑轉(zhuǎn)錄因子、組蛋白、DNA相互作用激活第31頁/共114頁轉(zhuǎn)錄第32頁/共114頁Preventthebindingoftranscriptionfactors

TF第33頁/共114頁直接干擾機制(1)第34頁/共114頁直接干擾機制(2)第35頁/共114頁間接機制Themethyl-CpG-bindingproteinsMeCP1andMeCP2能夠與甲基化的DNA結(jié)合MeCP2能夠招募Sin3a,HDACs，形成復合物，阻遏轉(zhuǎn)錄第36頁/共114頁MeCP2第37頁/共114頁Modelformethylation-dependentgenesilencing.Thestructuralelementofchromatinisthenucleosomalcore,whichconsistsofa146-bpDNAsequencewrappedaroundcorehistones.Acetylationofthehistonescausesanopenchromatinconfig-urationthatisassociatedwithtranscriptionalactivity.Methylatedcytosinesarerecognizedbymethyl-CpG-bindingproteins(MBDs),whichinturnrecruithistonedeacetylases(HDACs)tothesiteofmethylation,convert-ingthechromatinintoaclosedstructurethatcannolongerbeaccessedbythetranscriptionalmachinery.第38頁/共114頁DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機制Long-termsilencing第39頁/共114頁影響DNA甲基化的因素1.DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶(DNAMethyltransferase,DNMT)2.組蛋白甲基化3.飲食等環(huán)境因素對DNA甲基化的影響4.RNA干擾與DNA甲基化第40頁/共114頁DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶DNMT1

作為DNA復制復合物的組分，催化子鏈DNA半甲基化位點甲基化，維持復制過程中甲基化位點的遺傳穩(wěn)定性。DNMT3a和DNMT3b

主要催化從頭甲基化，以非甲基化DNA為模板催化新的甲基化位點形成。第41頁/共114頁第42頁/共114頁CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3MaintenanceDNAmethyltransferaseDNAreplicationCH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3DenovomethyltransferaseDemethylaseCH3CH(DNMT1)DNAmethylationreactions第43頁/共114頁影響DNA甲基化的因素1.DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶(DNAMethyltransferase,DNMT)2.組蛋白甲基化3.飲食等環(huán)境因素對DNA甲基化的影響4.RNA干擾與DNA甲基化第44頁/共114頁組蛋白甲基化

當沉默脈孢菌編碼組蛋白H3尾部的第９位賴氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶基因dim-5時，組蛋白H3K9不能發(fā)生甲基化，導致基因組胞嘧啶甲基化的丟失，由此推斷該菌中組蛋白H3k9甲基化可以指導DNA甲基化。

在哺乳動物細胞中，甲基化的CpG結(jié)合蛋白MeCP2不僅能促進組蛋白去乙?；种苹虺良?；同時它還是DNA甲基化和組蛋白甲基化的橋梁。MeCP2可結(jié)合于H19基因啟動子區(qū)甲基化DNA，并影響組蛋白H3甲基轉(zhuǎn)移酶的活性，促使組蛋白H3的賴氨酸甲基化，后者與DNA甲基化一起對H19基因的表達起抑制作用。第45頁/共114頁DNA甲基化模式：正常細胞vs.癌癥第46頁/共114頁影響DNA甲基化的因素1.DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶(DNAMethyltransferase,DNMT)2.組蛋白甲基化3.飲食等環(huán)境因素對DNA甲基化的影響4.RNA干擾與DNA甲基化第47頁/共114頁WaterlandRA等發(fā)現(xiàn)斷奶后的飲食影響IGF2基因甲基化狀態(tài)，飲食中缺乏葉酸、B12等甲基供體時可導致成年后IGF2的印記丟失。飲食等環(huán)境因素葉酸是生成SAM的前體物質(zhì)，而SAM是胞嘧啶甲基化主要的甲基供體，葉酸攝入不足時可導致DNA低甲基化。荷蘭的一項隊列研究表明，葉酸攝入過低可導致甲基化狀態(tài)紊亂，這種變化可被過量飲酒加劇。第48頁/共114頁影響DNA甲基化的因素1.DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶(DNAMethyltransferase,DNMT)2.組蛋白甲基化3.飲食等環(huán)境因素對DNA甲基化的影響4.RNA干擾與DNA甲基化第49頁/共114頁RNA干擾與DNA甲基化在人類細胞中，特異的siRNA可以結(jié)合于E-cadherin啟動子區(qū)的CpG島，誘導DNA甲基化和組蛋白H3K9甲基化。BaoN等通過對植物研究發(fā)現(xiàn)miRNA可誘導PHB基因甲基化及染色質(zhì)重塑。第50頁/共114頁DNA甲基化的生物學意義

調(diào)控基因表達,在胚胎發(fā)育、細胞生長分化，衰老，疾病等方面發(fā)揮重要作用。維持染色體結(jié)構(gòu)

X染色體失活基因印記腫瘤發(fā)生發(fā)展第51頁/共114頁DNA甲基化的檢測方法1.甲基化敏感的限制性內(nèi)切酶法2.基于亞硫酸氫鹽修飾的方法3.基于甲基化DNA特異結(jié)合富集方法第52頁/共114頁表觀遺傳修飾

表觀遺傳修飾DNA甲基化組蛋白修飾siRNA與miRNA介導的調(diào)控基因組印跡(GenomicImprinting)X染色體失活染色體構(gòu)型重塑第53頁/共114頁表觀遺傳學組蛋白修飾第54頁/共114頁核小體DNA序列纏繞在核心組蛋白的八聚體上第55頁/共114頁染色質(zhì)構(gòu)型和基因轉(zhuǎn)錄的關系第56頁/共114頁DNAPacking1.如何將10,000公里長的蠶絲(半徑~10-5米)裝入一個籃球中。2.蠶絲的體積：3.14*10-3m33.折疊、纏繞…第57頁/共114頁組蛋白質(zhì)修飾一、組蛋白的乙酰化二、組蛋白的甲基化三、組蛋白的磷酸化四、組蛋白的泛素化五、組蛋白的SUMO化六、組蛋白密碼第58頁/共114頁主要的功能基團AcetylMethylPhosphorylUbiquitin第59頁/共114頁組蛋白的共價修飾第60頁/共114頁組蛋白修飾第61頁/共114頁組蛋白修飾(2)第62頁/共114頁Epigeneticdifferences：monozygotictwins5mCH4乙?；疕3乙酰化第63頁/共114頁組蛋白的乙?；?.通常發(fā)生在蛋白質(zhì)的賴氨酸(K)上；2.可逆的生化反應：A.Histoneacetyltransferase，HAT(>30)B.Histonedeacetylase,HDAC(18)3.分子效應：中和賴氨酸上的正電荷，增加組蛋白與DNA的排斥力4.生物學功能：A.基因轉(zhuǎn)錄活化B.DNA損傷修復第64頁/共114頁組蛋白的甲基化1.主要發(fā)生在賴氨酸(K)或精氨酸(R)上；2.Long-term；3.HKMTs(histonelysinemethyltransferases)vs.PRMTs(proteinargininemethyltransferases)4.可逆的生化反應?5.分子效應：增加賴氨酸上的疏水力6.生物學功能：A.基因轉(zhuǎn)錄活化B.基因轉(zhuǎn)錄沉默C.X染色體失活D.異染色質(zhì)致密狀態(tài)(heterochromatincompaction)第65頁/共114頁組蛋白乙酰化、甲基化以及DNA甲基化的關系A.MBD結(jié)合甲基化的DNA,招募HDAC,組蛋白去乙?；?招募HMT,甲基化組蛋白,轉(zhuǎn)錄沉默；B.組蛋白無乙?；揎?MBD結(jié)合甲基化的DNA,再與SET結(jié)合，甲基化組蛋白C.甲基化的組蛋白尾部招募DNMT，對基因長期沉默第66頁/共114頁組蛋白的SUMO化1.通常發(fā)生在賴氨酸(K)上；2.可逆的生化反應：A.E1,E2,&E3B.SENPs3.生物學功能：A.轉(zhuǎn)錄沉默B.抑制組蛋白的乙酰化和甲基化第67頁/共114頁組蛋白共價修飾的功能基因轉(zhuǎn)錄、DNA損傷修復、DNA復制、染色體凝聚等第68頁/共114頁組蛋白修飾：正常細胞vs.癌癥第69頁/共114頁表觀遺傳修飾

表觀遺傳修飾DNA甲基化組蛋白修飾siRNA與miRNA介導的調(diào)控基因組印跡(GenomicImprinting)X染色體失活染色體構(gòu)型重塑第70頁/共114頁表觀遺傳學染色質(zhì)重塑第71頁/共114頁染色質(zhì)重塑染色質(zhì)(Chromatin):染色體上高度致密的部分，通常不表達基因第72頁/共114頁常染色質(zhì)與異染色質(zhì)1.常染色質(zhì)：基因表達活躍的區(qū)域，染色體結(jié)構(gòu)較為疏松2.異染色質(zhì)：基因表達沉默的區(qū)域，染色體結(jié)構(gòu)致密核小體常染色質(zhì)異染色質(zhì)第73頁/共114頁染色體上不同的區(qū)域Euchromatin:常染色質(zhì)；Heterochromatin:異染色質(zhì)E->H或H->稱為染色質(zhì)重塑(ChromatinRemodeling)分子機理：DNA甲基化，組蛋白修飾，染色質(zhì)重塑復合物的協(xié)同作用。第74頁/共114頁染色質(zhì)重塑的假設步驟1.兩類酶調(diào)控染色質(zhì)重塑的過程：組蛋白修飾因子(histonemodifiers)以及ATP依賴的染色質(zhì)重塑因子(chromatinremodelers)2.組蛋白修飾因子并不改變核小體的位置，而是在DNA上作標記，以招募其他的活性成分(組蛋白密碼)3.染色質(zhì)重塑因子：水解ATP釋放能量，從而改變?nèi)旧|(zhì)的結(jié)構(gòu)4.染色質(zhì)重塑因子復合物第75頁/共114頁Ch11openerp447染色質(zhì)重塑因子核小體染色質(zhì)重塑因子與核小體的相互作用第76頁/共114頁組蛋白的乙酰轉(zhuǎn)移酶的結(jié)合活化相應區(qū)域去凝聚狀態(tài)的染色質(zhì)活性染色質(zhì)的產(chǎn)生第77頁/共114頁組蛋白乙?；溉旧|(zhì)重塑復合物組蛋白去乙?；溉旧|(zhì)重塑復合物第78頁/共114頁Mediator-PolII復合物：識別活化區(qū)域第79頁/共114頁OFFONtrxG保持活性狀態(tài)(openchromatin)PRETargetgene組蛋白的乙酰化和甲基化(TAC1andASH1complexes)組蛋白的去乙?；图谆?ESC-E(Z)complex)保持沉默狀態(tài)(compactchromatin)PcG染色質(zhì)重塑-H2AUbiquitination(PRC1complex)染色質(zhì)重塑(BRMcomplex)AcMeK27H3MeK4H3UbH2APc-Gvs.

trx-G：作用機制第80頁/共114頁表觀遺傳修飾

表觀遺傳修飾DNA甲基化組蛋白修飾siRNA與miRNA介導的調(diào)控基因組印跡(GenomicImprinting)X染色體失活染色體構(gòu)型重塑第81頁/共114頁表觀遺傳學基因組印記第82頁/共114頁1.父系印記基因:來自父系的等位基因的表達被抑制來自母系的等位基因表達(mono-allelic)2.母系印記基因:來自母系的等位基因的表達被抑制來自父系的等位基因表達(mono-allelic)基因印記第83頁/共114頁基因印記1.由表觀遺傳修飾決定的，來源于雙親(Parent-of-origin)

的特異性表達的基因。A.兩個等位基因中只有一個印記基因表達B.可遺傳的修飾，并且不改變基因序列的組成2.由雙親基因組功能的不對稱性所決定第84頁/共114頁印記基因1.在小鼠中已發(fā)現(xiàn)>80個印記基因一般認為在人中具有大致相等數(shù)量的印記基因基因表達譜的分析結(jié)果表明可能有更多的印記基因2.主要功能:出生前的生長發(fā)育;父系基因的表達胚胎發(fā)育能力增強母系基因的表達胚胎發(fā)育能力削弱3.在特定細胞系及神經(jīng)發(fā)育方面有重要功能第85頁/共114頁印記基因的特征1.通常成簇出現(xiàn)，在染色體上的分布較為分散

一個簇中一般有3~11個印記基因絕大多數(shù)多時編碼可表達蛋白質(zhì)的基因至少有一個起拮抗作用的ncRNA基因，具有雙親特異性的表達模式第86頁/共114頁每一個印記基因簇由一個印記控制元件(imprintcontrolelement,ICE)所調(diào)控印記控制區(qū)域(imprintcontrolregion,ICR)或者印記中心(imprintingcentre,IC)絕大多數(shù)都有CpGislands，能夠發(fā)生DNA甲基化在CpGislands內(nèi)或附近通常有成簇的、有向的重復片段第87頁/共114頁2.具有等位基因不同的甲基化區(qū)域(differentiallymethylatedregions,DMRs)有些是在所有細胞里，有些具有組織特異性有些甲基化的DMR存在于激活的等位基因中，有些則存在于失活的等位基因中3.通常具有不同的組蛋白修飾，染色體結(jié)構(gòu)等4.DNA復制不同步父系的拷貝較早發(fā)生復制印記基因的特征第88頁/共114頁表達模式:母系父系雙等位未知IGF2-H19PWS/ASSNURF-SNRPNUBE3A-UBE3A-ASKCNQ1OT1KCNQ1第89頁/共114頁印記基因的特征第90頁/共114頁基因組印記的相關理論1.兩性之戰(zhàn)(Kinship)，遺傳斗爭(GeneticConflict),雙親投資(ParentalInvestment)許多印記基因與胎兒(fetus)和胎盤(placenta)的生長和發(fā)育相關

父系：希望后代健康，能夠延續(xù)基因的存在。父系表達的基因，例如

Igf2,Peg3能夠促進胎兒的生長以及營養(yǎng)的攝取，可能會損害母系的健康

母系：產(chǎn)生更多后代，延續(xù)自己的基因。母系表達基因，例如Igf2R,Mash2,Gnas等能夠抑制胎兒生長，減少營養(yǎng)的開支，從而提高生育后代的數(shù)量。第91頁/共114頁2.進化能力模型(EvolvabilityModel):通過印記的方式，保護一些等位基因免受選擇壓力的影響，從而提高群體對環(huán)境變化的適應能力。生物體感知環(huán)境變化，決定等位基因是沉默還是表達例如，如果發(fā)育增強有好處，并且該等位基因已出現(xiàn)，則其印記狀態(tài)將被改變3.卵巢里的時間炸彈(Ovariantimebomb):避免卵巢滋養(yǎng)細胞疾病孤雌胚胎(parthenogeneticembryos)的生長和發(fā)育：葡萄胚，卵子不能成熟，持續(xù)生長以致形成癌癥等；如果改變孤雌胚胎的基因組，如刪除特定的母系印記基因，能夠存活并類似父系基因組的印記模式第92頁/共114頁表觀遺傳修飾

表觀遺傳修飾DNA甲基化組蛋白修飾siRNA與miRNA介導的調(diào)控基因組印跡(GenomicImprinting)X染色體失活染色體構(gòu)型重塑第93頁/共114頁表觀遺傳學

X染色體失活第94頁/共114頁XYXX性染色體：人類、哺乳動物第95頁/共114頁ZZZW性染色體：鳥類第96頁/共114頁XYXX性染色體：果蠅第97頁/共114頁XXX性染色體：線蟲雄性：單葉的性腺，輸精管；雌雄同體：兩個卵巢、輸卵管、藏精器，一個子宮優(yōu)先選擇雄性的精子第98頁/共114頁MATaMATMATaMATaa性染色體：酵母第99頁/共114頁無性染色體：海龜?shù)?00頁/共114頁無性染色體：海龜?shù)?01頁/共114頁1.1961年，TheLyonHypothesis,由英國遺傳學家MaryLyon提出2.體細胞中X染色體失活發(fā)生在胚胎發(fā)育的早期3.失活是隨機的：每一個細胞中隨機挑選父系/母系的X染色體失活4.整條X染色體都失去活性(例外,正常WASP失活導致Wiskott-Aldrich綜合征)5.X染色體的失活是永久性的，克隆過程中保持失活的狀態(tài)6.所有哺乳動物中都存在X染色體失活現(xiàn)象X染色體失活：Lyonization第102頁/共114頁雌性的一條X染色體完全失去活性RainbowCopyCatAllieX染色體失活第103頁/共114頁表觀遺傳修飾

表觀遺傳修飾DNA甲基化組蛋白修飾siRNA與miRNA介導的調(diào)控基因組印跡(GenomicImprinting)X染色體失活染色體構(gòu)型重塑第104頁/共114頁表觀遺傳學siRNA與miRNA介導的調(diào)控第105頁/共