表觀遺傳學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)講座課件

隨著對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物特別是克隆動(dòng)物生物學(xué)性狀的了解以及人們對(duì)眾多疾病的深入研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，除了基因組DNA外，還有基因組之外的大量遺傳學(xué)信息調(diào)控著基因的表達(dá)，表觀遺傳學(xué)(epigenetics)應(yīng)運(yùn)而生。表觀遺傳學(xué)(epigenetic)：DNA的序列不發(fā)生變化、基因表達(dá)改變、并且這種改變可穩(wěn)定遺傳。表觀遺傳學(xué)研究的內(nèi)容：基因選擇性轉(zhuǎn)錄、表達(dá)的調(diào)控。基因轉(zhuǎn)錄后調(diào)控?；蜣D(zhuǎn)錄后調(diào)控。表觀遺傳修飾從多個(gè)水平上調(diào)控基因表達(dá)：

DNA水平：DNA甲基化蛋白質(zhì)水平：組蛋白修飾染色質(zhì)水平：染色質(zhì)重塑RNA水平：miRNA、RNA干擾基因表達(dá)的變化（或性狀的變化）一定是DNA序列變異的結(jié)果嗎？Jean-BaptisteLamarck

(1744-1829)獲得性遺傳（Inheritanceofacquiredcharacteristics）問(wèn)題環(huán)境的作用能否改變個(gè)體的遺傳特性，并傳遞給下一代?

這種被稱(chēng)為“拉馬克學(xué)說(shuō)”(Lamarckism)的觀點(diǎn)一直被正統(tǒng)的生物學(xué)家拒之門(mén)外。一種結(jié)論：個(gè)體在發(fā)育和生長(zhǎng)過(guò)程中獲得的環(huán)境影響，被遺傳給了后代。什么決定基因？大自然(環(huán)境)如此豐富多彩、如此變化不停，很難想象，對(duì)于一個(gè)開(kāi)放的復(fù)雜生命系統(tǒng)，不會(huì)打上它的烙印。瑞典一個(gè)科學(xué)家小組的研究:對(duì)于生于1890-1920年的瑞典男人的孫輩而言，如果其祖父在青少年期間吃得很好，那么孫輩因糖尿病而死亡的概率就很高；如果其祖父是在饑餓中長(zhǎng)大的．那么孫輩死于心臟病的機(jī)會(huì)就很少。也就是說(shuō)，祖父輩的飲食狀態(tài)影響到了孫輩的健康狀態(tài)。人類(lèi)同卵雙生的孿生子：具有完全相同的基因組，在同樣的環(huán)境下成長(zhǎng)，倆人的氣質(zhì)和體質(zhì)應(yīng)該非常相似。實(shí)際情形：一些孿生子的情況并不符合預(yù)期的理論。往往在長(zhǎng)大成人后出現(xiàn)性格、健康方面的很大差異。這種反?，F(xiàn)象長(zhǎng)期困擾著遺傳學(xué)家?，F(xiàn)在科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)：可以在不影響DNA序列的情況下改變基因組的修飾．這種改變不僅可以影響個(gè)體的發(fā)育，而且還可以遺傳下去。二、表觀遺傳學(xué)的發(fā)展歷史1983年，DNA甲基化的發(fā)現(xiàn)。1941年，HermannJ.Muller發(fā)現(xiàn)Positioneffectvariegation(PEV)——第一種表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象。1942年，Waddington提出現(xiàn)代Epigenetics的概念，認(rèn)為基因型通過(guò)一些“偶然的、不確定的機(jī)制”決定了不同的表型。1958年，R.A.Brink發(fā)現(xiàn)paramutation現(xiàn)象。1961年，MaryLyon發(fā)現(xiàn)X染色體失活現(xiàn)象。近年來(lái)，現(xiàn)代分子生物學(xué)認(rèn)為細(xì)胞中信息的表達(dá)受兩種因素控制：一種是傳統(tǒng)意義上的遺傳調(diào)控，另一種是表觀遺傳調(diào)控—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)（epigentics）被認(rèn)為是遺傳學(xué)領(lǐng)域中探討基因型與表現(xiàn)型之間相互關(guān)系的一個(gè)新的研究方向。人類(lèi)表觀基因組和疾病聯(lián)合會(huì)于2003年10月正式宣布開(kāi)始投資和實(shí)施旨在解析人類(lèi)全基因組中表觀遺傳信息及其與疾病狀態(tài)相關(guān)的特定表觀遺傳修飾的人類(lèi)表觀基因組計(jì)劃(HumanEpigenomeProject,HEP)。HEP的提出和實(shí)施，標(biāo)志著與人類(lèi)發(fā)育和腫瘤疾病密切相關(guān)的表觀遺傳學(xué)(epigenetic)和表觀基因組(epigenome)研究跨上了一個(gè)新的臺(tái)階。全球最大表觀遺傳學(xué)項(xiàng)目啟動(dòng)2010/09/07

南都訊

記者劉凡

通訊員王靜思

昨日，深圳華大基因研究院與倫敦國(guó)王學(xué)院的知名雙胞胎研究團(tuán)隊(duì)TwinsUK共同發(fā)起一項(xiàng)專(zhuān)門(mén)針對(duì)雙胞胎的遺傳學(xué)項(xiàng)目———Epitwin。該項(xiàng)目為目前全球最大的表觀遺傳學(xué)項(xiàng)目，將對(duì)全球5000對(duì)雙胞胎進(jìn)行深入研究。據(jù)介紹，這個(gè)項(xiàng)目計(jì)劃對(duì)雙胞胎中的基因進(jìn)行分別研究，并且在同卵雙胞胎間進(jìn)行比較。與以往研究不同的是，此次研究不是尋找相似之處，而是尋找那些能夠解釋為什么同卵雙胞胎不得同樣疾病的差異。這個(gè)項(xiàng)目首先將以肥胖、糖尿病、過(guò)敏反應(yīng)、心臟病、骨質(zhì)疏松癥和長(zhǎng)壽等為主要研究對(duì)象，但研究方法可應(yīng)用于各種常見(jiàn)性狀和疾病。通過(guò)甲基供體——S-腺苷甲硫氨酸，并在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNAmethyltransferase，DNMT)的催化下，CpG二核苷酸中的胞嘧啶環(huán)上5’位置的氫被活性甲基所取代，從而轉(zhuǎn)變成5-甲基胞嘧啶(5-mC)。DNA甲基化(DNAmethylation)表觀遺傳修飾

DNA復(fù)制酶CH3CH3CH3CH3DNA甲基轉(zhuǎn)移酶CH3CH3CH3CH3DNA復(fù)制后甲基化型的維持

CpG島（CpGisland）甲基化抑制基因的表達(dá)DNA高甲基化：基因啟動(dòng)子區(qū)的CpG島在正常狀態(tài)下一般是非甲基化的，當(dāng)發(fā)生甲基化時(shí)，基因轉(zhuǎn)錄沉寂，使一些重要基因如抑癌基因、DNA修復(fù)基因等喪失功能，從而導(dǎo)致正常細(xì)胞的生長(zhǎng)分化調(diào)控失常以及DNA損傷不能被及時(shí)修復(fù)，這與多種腫瘤形成密切相關(guān)。DNA低甲基化：整個(gè)基因組普遍低甲基化，這種廣泛的低甲基化會(huì)造成基因的不穩(wěn)定，這與多種腫瘤的發(fā)生有關(guān)。DNA的低甲基化也可能在異常組蛋白修飾的協(xié)同下引起某些T細(xì)胞基因的異?；罨?dǎo)致自身免疫性疾病的發(fā)生。腫瘤類(lèi)型表觀遺傳修飾改變肺癌基因組水平的低甲基化、CpG島高甲基化（p16INK4a、DAPK1、RASSF1A）、CBP基因組及染色體重組因子BRG1的缺失乳腺癌基因組水平的低甲基化、CpG島高甲基化（BRCA1、E-cadherin、TMS1、雌激素受體）食管癌組蛋白去甲基基因JMJD2C/GASC1擴(kuò)增、CpG島高甲基化（p16INK4a、p14ARF）胃癌CpG島高甲基化（hMLH1、E-cadherin、p14ARF、p16INK4a）肝癌基因組水平的低甲基化、CpG島高甲基化（SOCS1、GSTP1、）、癌基因的低甲基化（c-fos、c-jun、c-myc）結(jié)直腸癌基因組水平的低甲基化、CpG島高甲基化（hMLH1、p16INK4a、RARB2、SFRP1、WRN）、miRNA高甲基化、IGF2印記作用丟失、組蛋白修飾突變（EP300和HDAC2）、單乙?；徒M蛋白H4環(huán)丙烷形式的降低腎癌基因組水平的低甲基化、CpG島高甲基化（VHL）、IGF2印記作用丟失膀胱癌基因組水平的低甲基化、CpG島高甲基化（p16INK4a、TPEF/HPP1）、miRNA高甲基化前列腺癌基因組水平的低甲基化、CpG島高甲基化（GSTP1）、組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶EZH2基因擴(kuò)增；組蛋白H3和H4異常修飾、癌基因的低甲基化（k-ras）卵巢癌CpG島高甲基化（BRCA1）、微衛(wèi)星DNA低甲基化神經(jīng)膠質(zhì)瘤CpG島高甲基化（MGMT、EMP3和THBS1）淋巴瘤CpG島高甲基化（p16INK4a、p73和MGMT）、單乙酰化和組蛋白H4環(huán)丙烷形式的降低白血病CpG島高甲基化（p16INK4a、p15INK4b、EXT1和ID4、E-eadherin）、組蛋白修飾易位（CBP、MOZ、MORF、MLL1、MLL3和

NSD1）不同腫瘤中表觀遺傳學(xué)修飾的異常變化DNA甲基化與衰老DNA甲基化作為哺乳動(dòng)物細(xì)胞基因組修飾和表達(dá)調(diào)控的后遺傳方式，在細(xì)胞的衰老過(guò)程中總體水平下降，同時(shí)又伴隨著某些基因的高甲基化。永生化細(xì)胞基因組的甲基化水平較高，因此甲基化水平過(guò)高又是腫瘤細(xì)胞的表現(xiàn)。目前年齡相關(guān)的甲基化已作為細(xì)胞生命歷史的標(biāo)簽。心血管疾病被認(rèn)為是受甲基化控制的人類(lèi)重要疾病，對(duì)心血管疾病的DNA甲基化調(diào)控機(jī)制深入研究，有利于制定心血管疾病的有效防御策略DNA甲基化與心血管疾病DNA甲基化與精神疾病外遺傳與精神疾病尤其是DNA甲基化與精神分裂癥的關(guān)系，引起了研究者的重視。雖然目前還處于假說(shuō)階段，但不少研究已提示DNA甲基化參與了精神分裂癥的發(fā)生。組蛋白修飾DNA以染色質(zhì)（DNA、組蛋白、非組蛋白以及少量RNA）的形式存在，組蛋白的N-末端可通過(guò)共價(jià)作用從而發(fā)生乙?；?、甲基化、泛素化以及磷酸化等翻譯后的修飾，這些修飾的信息構(gòu)成了豐富的組蛋白密碼，其中乙?；图谆亲顬橹匾男揎椃绞健Ｈ旧|(zhì)重塑染色質(zhì)重塑染色質(zhì)重塑染色質(zhì)重塑(remodeling)染色質(zhì)重塑是指染色質(zhì)位置、結(jié)構(gòu)的變化，主要包括緊縮的染色質(zhì)在核小體連接處發(fā)生松動(dòng)造成染色質(zhì)的解壓縮，從而暴露了基因轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子區(qū)中的順式作用元件，為反式作用因子的結(jié)合提供了可能。染色質(zhì)重塑復(fù)合物、組蛋白修飾酶的突變均與轉(zhuǎn)錄調(diào)控、DNA甲基化、DNA重組、細(xì)胞周期、DNA復(fù)制和修復(fù)的異常相關(guān)，這些異?？梢砸鹕L(zhǎng)發(fā)育畸形，智力發(fā)育遲緩，甚至導(dǎo)致癌癥。非編碼RNA調(diào)控(ncRNA)

ncRNA：長(zhǎng)鏈非編碼RNA：短鏈非編碼RNA：在基因簇乃至于整個(gè)染色體水平上發(fā)揮順式調(diào)節(jié)作用。基因組水平對(duì)基因的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控。長(zhǎng)鏈非編碼RNA：x染色體上的失活基因編碼RNA包裹在x染色體甲基化和組蛋白修飾x染色體的失活。短鏈非編碼RNA短鏈非編碼RNA(又稱(chēng)小RNA)能夠介導(dǎo)mRNA的降解，誘導(dǎo)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，決定著細(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。不同表觀遺傳學(xué)修飾之間的相互調(diào)控

表觀遺傳修飾從多個(gè)水平上調(diào)控基因表達(dá)，而不同水平的調(diào)控之間也是相互關(guān)聯(lián)的，任何一方面的異常都可能影響到其他水平的表觀遺傳修飾。事實(shí)上不同水平的表觀遺傳修飾在真核細(xì)胞中構(gòu)成了一個(gè)完整的表觀遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。miRNA的表達(dá)受甲基化和其他表觀遺傳機(jī)制的調(diào)控siRNA誘導(dǎo)DNA的甲基化其中miRNA能夠調(diào)控那些與發(fā)育、增殖、凋亡及應(yīng)激反應(yīng)相關(guān)基因的表達(dá)，而且它們的表達(dá)異常是人類(lèi)惡性腫瘤的一個(gè)共同特征。已完全分化的細(xì)胞，其基因組在特定條件下經(jīng)歷表觀遺傳修飾重建而為胚胎發(fā)育中的基因表達(dá)重新編程(reprogramming)并賦予發(fā)育全能性，為胚胎發(fā)育和分化發(fā)出正確的指令。胚胎發(fā)育中表觀基因組重新編程的差誤將會(huì)導(dǎo)致多種表觀遺傳缺陷性疾病。原始性細(xì)胞成熟性細(xì)胞胚胎組織受精卵個(gè)體發(fā)育過(guò)程中表觀基因組的重編程早期原始生殖細(xì)胞在沿著生殖系統(tǒng)管腔移行時(shí)，原屬體細(xì)胞型的表觀遺傳修飾(包括基因組印跡)會(huì)被刪除。在生殖細(xì)胞發(fā)生與成熟過(guò)程中表觀遺傳標(biāo)記重新建立(藍(lán)線表示精子分化，紅線表示卵細(xì)胞分化)。受精后會(huì)進(jìn)行除印跡基因(由黑色虛線表示)以外的表觀遺傳修飾的刪除與重建，重建后的表觀基因組在組織特異性定型后被穩(wěn)定地維持。Nature：表觀遺傳記憶：先天與后天的生物學(xué)開(kāi)關(guān)Nature報(bào)道，約翰英納斯中心的研究人員發(fā)現(xiàn)了生物體對(duì)不同環(huán)境條件（如營(yíng)養(yǎng)的質(zhì)量或溫度）形成記憶的證據(jù)，這一發(fā)現(xiàn)解釋了記憶機(jī)制和記憶如何遺傳給下一代基因的表達(dá)活性在一些地區(qū)長(zhǎng)期受環(huán)境的影響；個(gè)體生存的環(huán)境能影響后代的生物學(xué)或生理學(xué)特征，但是在遺傳過(guò)程中基因組卻沒(méi)有改變。一些研究表明，在家庭中，祖父母遭受?chē)?yán)重的食物短缺，子孫后代患心血管疾病和糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)更大，表觀遺傳學(xué)中通過(guò)基因是否表達(dá)獲取的記憶能解釋這一點(diǎn)。但是截止到目前，還沒(méi)有一個(gè)清晰的機(jī)制能解釋個(gè)體如何形成對(duì)可變因子（如營(yíng)養(yǎng)）的“記憶”。原始性細(xì)胞胚胎組織受精卵表觀遺傳學(xué)補(bǔ)充了/中心法則0忽略的兩個(gè)問(wèn)題,即哪些因素決定了基因的正常轉(zhuǎn)錄和翻譯以及核酸并不是存