表觀遺傳學(xué) 完整版

表觀遺傳學(xué)遺傳：龍生龍，鳳生鳳，老鼠孩子會(huì)打洞變異：一母生九子九子各不同中心法則：基因型決定表型基因是遺傳的基本單位。DNA通過(guò)自身復(fù)制傳遞遺傳信息DNA轉(zhuǎn)錄成RNARNA自身能否復(fù)制（RNA病毒）RNA逆轉(zhuǎn)錄成DNARNA翻譯成蛋白DNA基因的序列變化可能導(dǎo)致功能和表型的改變Calicocat克隆動(dòng)物未老先衰同卵雙生的雙胞胎雖然具有相同的DNA序列，卻存在表型的差異和疾病易感性的差異復(fù)雜疾病的發(fā)生PWS-AS:15q11-q13基因型相同，表型不同基因組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：解釋基因型相同而表型不同的現(xiàn)象。表觀遺傳：指在沒(méi)有DNA序列變化的基礎(chǔ)上，基因表達(dá)和調(diào)控狀態(tài)的可遺傳性改變。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)控的可遺傳性變化的科學(xué)。特征：可遺傳；可逆性；DNA不變表觀遺傳學(xué)vs遺傳學(xué)DNAisnot‘naked’ReversiblemodificationsTransitorymarksinresponsetointrinsicandexternalstimuli遺傳密碼信息：提供生命必需蛋白質(zhì)的模板表觀遺傳學(xué)信息：何時(shí)、何地、以何種方式去應(yīng)用遺傳信息表觀遺傳學(xué)的發(fā)展史1941–HJMuller(PositionEffectVariegationinDrosophila)1951-McClintock(mutablelociinmaize)1953–RABrink(paramutationinmaize)1961–MLyon(Xinactivationinmammals)1983–HCedar,WDoerfler(CpGmethylationinpromoter)1985–DSolter,ASurani,BCattanach(Genomicimprintinginmammals)1993–ABird(MeCp1),HWillard(Xist),STilghman(H19/Igf2)Mid1990–HistoneAcetylationandHATandHDACisolation2000–PcG–HistoneLysineMethylase2001–JenuweinandAllis(HistoneCode)2004–HistoneLysineDemethylase2007–Histonemethylation–DNAmethylationconnectionTransitionfrom‘non-mendelianoddity’tomainstream‘epigeneticfield’

實(shí)現(xiàn)了從”非孟德?tīng)栠z傳怪像”轉(zhuǎn)變到”表觀遺傳學(xué)領(lǐng)域”的主流

Calicat表觀遺傳學(xué)內(nèi)容物質(zhì)基礎(chǔ)DNA甲基化修飾組蛋白修飾染色質(zhì)構(gòu)象非編碼RNA等位基因表達(dá)不平衡現(xiàn)象隨機(jī)單等位基因表達(dá)遺傳印記X染色體失活ncRNAEpigenetics:

DNAMethylation什么是DNA甲基化?

動(dòng)態(tài)變化/可逆性DNMTsTETsTETsTDGsCytosinemethylationin5’-CpG-3’（5mC）動(dòng)態(tài)變化：-DNMTs:甲基化過(guò)程-TETs：去甲基化過(guò)程

-5mC,5hmC,5fC,5caCDNA如何被甲基化？?jī)煞N酶非甲基化的DNA:denovomethylase-DNMT3A,DNMT3B半甲基化DNA:maintenancemethylaseDNMT1去甲基化:Tets基因哪個(gè)區(qū)域易被甲基化?哺乳動(dòng)物基因組中5mC占胞嘧啶總量的2%-7%，約70%的5mC存在于CpG二連核苷。在結(jié)構(gòu)基因的5’端調(diào)控區(qū)域,CpG二連核苷常常以成簇串聯(lián)形式排列，這種富含CpG二連核苷的區(qū)域稱(chēng)為CpG島(CpG

islands)，其大小為500-1000bp，約56%的編碼基因含該結(jié)構(gòu)?；蛘{(diào)控元件(如啟動(dòng)子)所含CpG島中的5mC會(huì)阻礙轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合體與DNA的結(jié)合。methyl-CpG-bindingproteinMeCP2MeCP2-KOneurologicaldefectsRettsyndromeinhumansMBD1noobviousphenotypeMBD2highaffinitytomCpGNuRD(mi-2)co-repressorMBD3noaffinitytomCpGNuRDco-repressor,emblethalMBD4DNArepairT:GmismatchglycosylaseMBD-KOhighCpGmutationKaisozinc-fingerprotein轉(zhuǎn)錄抑制作用干擾轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合RNA-POL招募甲基化結(jié)合蛋白或其它抑制復(fù)合物與組蛋白修飾聯(lián)合作用為什么基因組需要甲基化？DNMTs-KO,ICFpatients->chromosomalaberrations(fusion,breakage,aneuploid)->準(zhǔn)確的染色體分離->基因組的穩(wěn)定性（抑制轉(zhuǎn)座子）DNA甲基化的進(jìn)化被認(rèn)為是防御機(jī)制的主宰者表觀遺傳修飾的重編程：

甲基化與去甲基化兩個(gè)階段

生殖細(xì)胞(配子)形成階段胚胎植入前的發(fā)育

去甲基化-再甲基化(activedemethylation)denovomethylasesareveryactiveinthesestage!!!DNA甲基化的檢測(cè)BS-轉(zhuǎn)換法Sanger測(cè)序法克隆方法焦磷酸測(cè)序法非BS法甲基化敏感限制性?xún)?nèi)切酶法MeDIP或MBD富集結(jié)合芯片或深度測(cè)序法Sanger-seqClone-seqPyro-seq全基因組甲基化檢測(cè)BS轉(zhuǎn)換DNA甲基化的檢測(cè):BS-轉(zhuǎn)化法目標(biāo)片段甲基化檢測(cè)非BS-轉(zhuǎn)換法酶切法抗體富集Epigenetics:

HistoneModification核小體是組成染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位

高度有序的組裝和折疊：長(zhǎng)度由2m變成小于10μm直徑由2nm變成1400nm核小體與組蛋白組蛋白的多種修飾及功能組蛋白修飾的主要酶

Epigenetics:

ChromatinConformation染色質(zhì)重塑（chromatinremodeling）：就是異染色質(zhì)和常染色質(zhì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。包括組蛋白修飾、DNA甲基化和ATP依賴(lài)的染色質(zhì)重塑復(fù)合物改變核小體位置和染色質(zhì)結(jié)構(gòu)使特定區(qū)域DNA暴露或封閉的過(guò)程ATP-依賴(lài)的染色質(zhì)重塑重塑復(fù)合物水解ATP釋放能量，使核小體沿著DNA鏈滑動(dòng)，暴露原本被封閉的DNA區(qū)域組蛋白變異體如H2A.Z替換了H2A導(dǎo)致核小體不穩(wěn)定，核小體解體暴露DNA；將核小體DNA從組蛋白八聚體表面剝離，在核小體表面裸露DNA，使得轉(zhuǎn)錄因子可與裸露DNA結(jié)合。組蛋白修飾與DNA甲基化相互作用調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄活性ADNMTG9AH3K9meH2AK119ubBDNMTEZH2SUZ12EEDH3K27mePRC1PRC2Epigenetics:

Non-codingRNA非編碼RNA（ncRNA）是指不能被翻譯為蛋白或多肽的功能RNA持家非編碼RNArRNA、tRNA、snRNA、snoRNA。調(diào)控非編碼RNA長(zhǎng)度大于200個(gè)核苷酸的長(zhǎng)鏈非編碼RNA（lncRNA）長(zhǎng)度小于200個(gè)核苷酸的短鏈ncRNAmiRNAsiRNApiRNAmiRNA的生成及作用機(jī)制Manyroadstomaturity:microRNAbiogenesispathwaysandtheirregulation.NatCellBiol.2009.5’CapPloy(A)tail3’UTRmicroRNA是長(zhǎng)約22nt的非編碼RNA通過(guò)轉(zhuǎn)錄后調(diào)控降解靶基因的mRNA或抑制其翻譯Epigenetics:

Allelicimbalanceingeneexpression不平衡表達(dá)；遺傳印記和X染色體失活不平衡表達(dá)AGDNAvariants>Methylation>Expression遺傳印記基因由表觀遺傳修飾決定的，來(lái)源于親緣效應(yīng)（parent-of-origin）的特異性表達(dá)的基因兩個(gè)等位基因中只有一個(gè)印跡基因表達(dá)可遺傳的修飾，并且不改變基因序列的組成由雙親基因組功能的不對(duì)稱(chēng)性所決定父源印記基因：來(lái)自父源等位基因的表達(dá)被抑制（paternalimprinting），僅表達(dá)來(lái)自母源的等位基因母源印記基因：來(lái)自母源等位基因的表達(dá)被抑制(maternalimprinting)，僅表達(dá)來(lái)自父源的等位基因印記控制區(qū)調(diào)控印記H19增強(qiáng)子IGF2ICRCTCFH19增強(qiáng)子IGF2ICRICR甲基化修飾調(diào)控印記基因表達(dá)IGF2：父源親本表達(dá)H19：母源親本表達(dá)1PWS,0ASAS綜合征0PWS,1ASPW綜合征1PWS,1AS正常人Prader-WilliSyndromes(PWS)

andAngelmansyndrome(AS)：智力遲鈍15q11-q13:PWS基因母源印記,AS基因父源印PWS:deletepaternalchr.前額窄，手足較小，生殖功能不全，多食易胖AS:deletematernalchr.小頭，枕骨較平，樂(lè)天，類(lèi)似木偶的運(yùn)動(dòng)（happypuppetsyndrome)遺傳印記的動(dòng)態(tài)變化

遺傳印記是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，在生命周期中被打上“標(biāo)記”的印記基因，其印記可以被清除，也可被重新標(biāo)記。這樣可以確保被印記的基因在后代可以再表達(dá)；基因組中存在印記調(diào)控區(qū)（ICR).生殖細(xì)胞階段：印記被清除，再依靠性別重新標(biāo)記從而形成新的遺傳印記。cvcvcvcvcvEggSpermZygoteSomaticcellGermcellErasedNewmadeEggsSpermsMaleFemale遺傳印記的動(dòng)態(tài)變化重新印記：

在成人個(gè)體中，若為母源印記，如果該個(gè)體下一代為女性，則產(chǎn)生的卵子中該基因均為失活狀態(tài)（保持母源印記），但是如果該個(gè)體下一代男性，則產(chǎn)生的精子中該基因均為活性狀態(tài)（清除印記）。Epigenetics:

X-ChromosomeInactivationLyon假說(shuō)：哺乳類(lèi)個(gè)體中，為彌補(bǔ)雄性個(gè)體(XY)較雌性個(gè)體(XX)在X染色體數(shù)量上的差異，而在雌性個(gè)體（XX）每個(gè)細(xì)胞中，僅有一條X染色體上的基因有轉(zhuǎn)錄活性(稱(chēng)為Xa)，而另外一條X染色體上的大部分基因處于失活狀態(tài)(稱(chēng)為Xi)，從而使雌性哺乳動(dòng)物XX同雄性哺乳動(dòng)物XY一樣僅有X連鎖基因的單劑量基因產(chǎn)物。又稱(chēng)劑量補(bǔ)償。性染色體：劑量補(bǔ)償效應(yīng)

（Lyon假說(shuō)）X染色體失活：Lyonization1961年，由英國(guó)遺傳學(xué)家MaryLyon提出體細(xì)胞的X染色體失活發(fā)生在胚胎發(fā)育的早期隨機(jī)性有些細(xì)胞失活母源X染色體，有些失活父源X染色體失活的染色體高度濃縮形成巴氏體不同部位失活來(lái)源不同，形成“嵌合體”穩(wěn)定性一旦X染色體在一個(gè)細(xì)胞中失活，它在后代中將始終保持失活狀態(tài)。

不完全失活X染色質(zhì)某些區(qū)域存在活性X染色體失活中心（X-InactivationCenter，XIC）是X染色體上負(fù)責(zé)保證只有一條X染色體處于活性狀態(tài)的區(qū)域。XIC為X染色體上長(zhǎng)約100-500kb的片段，包括XIST、TSIX、JPX、FTX、CHIC1等基因片段，其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的長(zhǎng)非編碼RNA（LongnocodingRNA,LncRNA）可相互作用并調(diào)控X染色體失活。染色體失活從X染色體上的XIC開(kāi)始并向兩側(cè)延伸，直至染色體的末端。X染色體失活