表觀遺傳學(xué)研究生

關(guān)于表觀遺傳學(xué)研究生多莉：生于1996年7月5日，死于2003年2月14日DollyIanWilmut伊恩·維爾穆特爵士

多莉：：死掉了……第2頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天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第3頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天復(fù)雜疾病的產(chǎn)生第4頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.小頭2.巨舌3.胎盤增生Beckwith-Wiedemannsyndrome,BWS

貝威氏綜合征

第5頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天單單從DNA序列上尋找眾多疾病的病因是片面的，往往事倍功半，對(duì)于某些疾病甚至可能永遠(yuǎn)找不到答案。第6頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天1857年，奧地利的一名神父孟德?tīng)栐谒诘男薜涝汉笤洪_(kāi)始進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)8年的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)。1865年，孟德?tīng)柛鶕?jù)豌豆雜交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，發(fā)表了著名的論文《植物雜交試驗(yàn)》，闡述了他所發(fā)現(xiàn)的顯性、隱性遺傳現(xiàn)象和兩個(gè)重要遺傳學(xué)規(guī)律——分離規(guī)律和自由組合規(guī)律。第7頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天遺傳的基本功能單位2.基因由DNA編碼3.一個(gè)基因編碼一條蛋白質(zhì)4.基因序列的改變可能導(dǎo)致功能及表型的改變基因型(Genotype)->表型(Phenotype)基因：可遺傳第8頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天基因的結(jié)構(gòu)第9頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.搞清楚人類基因組的DNA堿基的內(nèi)容和順序2.編碼區(qū)(編碼蛋白的DNA序列)：占基因組的<2%3.非編碼區(qū)：功能？

a.非編碼RNA：具有調(diào)控功能

b.重復(fù)片段：維持基因組的結(jié)構(gòu)？

c.轉(zhuǎn)座子人類基因組計(jì)劃第10頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天人類基因組：~22，000個(gè)基因vs.100,000個(gè)蛋白質(zhì)——可變剪切2.表觀遺傳學(xué)基因概念的延伸：生物體的復(fù)雜性第11頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.DNA自身通過(guò)復(fù)制傳遞遺傳信息；2.DNA轉(zhuǎn)錄成RNA；3.RNA自身能夠復(fù)制(RNA病毒)；4.RNA能夠逆轉(zhuǎn)錄成DNA；5.RNA翻譯成蛋白質(zhì)。遺傳信息的傳遞：中心法則第12頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天基因組含有兩類遺傳信息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(xué)信息：何時(shí)、何地、以何種方式去應(yīng)用遺傳信息(1)DNA的甲基化：CpG位點(diǎn)，>5,000萬(wàn)個(gè)(2)組蛋白修飾：組蛋白密碼(Histonecode)第13頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.概念：基因的DNA序列不發(fā)生改變的情況下，基因的表達(dá)水平與功能發(fā)生改變，并產(chǎn)生可遺傳的表型。不依賴于DNA序列的遺傳現(xiàn)象2.特征:(1)可遺傳；(2)可逆性；(3)DNA不變3.表觀遺傳學(xué)的現(xiàn)象：(1)DNA甲基化(2)組蛋白修飾(3)非編碼RNA調(diào)節(jié)(4)Genomicimprinting表觀遺傳學(xué)第14頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天表觀遺傳學(xué)的研究已成為基因組測(cè)序后的人類基因組重大研究方向之一。這一飛速發(fā)展的科學(xué)領(lǐng)域從分子水平揭示了復(fù)雜的生物學(xué)現(xiàn)象，為解開(kāi)人類和其他生物的生命奧秘、造福人類健康帶來(lái)了新希望。第15頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天從現(xiàn)在的研究情況來(lái)看，表觀遺傳學(xué)變化主要集中在三大方面：DNA甲基化修飾：基因選擇性轉(zhuǎn)錄表達(dá)的調(diào)控非編碼RNA的調(diào)控作用：基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控組蛋白修飾：蛋白質(zhì)的翻譯后修飾第16頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天這三個(gè)方面各自影響特有的表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象，而且它們還相互作用，共同決定復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程。因此，表觀遺傳學(xué)也可理解為環(huán)境和遺傳相互作用的一門學(xué)科。第17頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天DNA甲基化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。DNA甲基化修飾決定基因表達(dá)的模式，即決定從親代到子代可遺傳的基因表達(dá)狀態(tài)。DNA甲基化的部位通常在CpG島的胞嘧啶胞嘧啶甲基化反應(yīng)

DNMT1S-腺苷甲硫氨酸SAM胞嘧啶5-甲基胞嘧啶第18頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天在結(jié)構(gòu)基因的調(diào)控區(qū)段，CpG二聯(lián)核苷常常以成簇串聯(lián)的形式排列。結(jié)構(gòu)基因5’端附近富含CpG二聯(lián)核苷的區(qū)域稱為CpG島(CpGislands)。CpG島通常分布在基因的啟動(dòng)子區(qū)域。第19頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天CpG島的甲基化會(huì)穩(wěn)定核小體之間的緊密結(jié)合而抑制基因的表達(dá)。第20頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天當(dāng)一個(gè)基因的啟動(dòng)子序列中的CpG島被甲基化以后，盡管基因序列沒(méi)有發(fā)生改變，但基因不能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄，也就不能發(fā)揮功能，導(dǎo)致生物表型的改變。DNA甲基化抑制基因表達(dá)第21頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天DNA甲基化模式可以在DNA復(fù)制后被保持下來(lái)第22頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天基因組印記與DNA甲基化密切相關(guān)1956年P(guān)rader-Willi綜合征(Prader-WilliSyndrome,PWS)，患者肥胖、矮小、中度智力低下。染色體核型分析表明為父源染色體15q11-13區(qū)段缺失。第23頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天1968年Angelman綜合征(AngelmanSyndrome，AS)，共濟(jì)失調(diào)、智力低下和失語(yǔ)。母源染色體15q11-13區(qū)段缺失第24頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天PWS和AS綜合癥表明，父親和母親的基因組在個(gè)體發(fā)育中有著不同的影響，這種現(xiàn)象稱為基因組印跡(genomicimprinting)。由于源自某一親本的等位基因或它所在染色體發(fā)生了表觀遺傳修飾，導(dǎo)致不同親本來(lái)源的兩個(gè)等位基因在子代細(xì)胞中表達(dá)不同。在基因組中的這類現(xiàn)象就是基因組印記。第25頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天第26頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天

基因印記1.父系印記基因:來(lái)自父系的等位基因的表達(dá)被抑制來(lái)自母系的等位基因表達(dá)2.母系印記基因:來(lái)自母系的等位基因的表達(dá)被抑制來(lái)自父系的等位基因表達(dá)第27頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.每一個(gè)印記基因簇由一個(gè)印記控制元件(imprintcontrolelement,ICE)所調(diào)控2.也稱為印記控制區(qū)域(imprintcontrolregion,ICR)或者印記中心(imprintingcentre,IC)3.絕大多數(shù)都有CpGislands，能夠發(fā)生DNA甲基化4.在CpGislands內(nèi)或附近通常有成簇的、有向的重復(fù)片段印記基因的特征第28頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天啟動(dòng)子（P）、差異甲基化區(qū)（DMR1）、鋅指蛋白（CTCF）和增強(qiáng)子（E）對(duì)Igf2和H19的交互易換式印跡調(diào)節(jié)模式示意圖（為非甲基化CpG島，為甲基化CpG島）。母源PDMR1EIgf2CTCFH19父源E印跡調(diào)控區(qū)第29頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天涉及到不同親本來(lái)源的印跡基因的DNA甲基化型都是在生殖細(xì)胞成熟過(guò)程中建立的。印跡基因的DNA甲基化型在生殖細(xì)胞成熟過(guò)程中的建立原始性細(xì)胞（2n）合子（2n）配子（n）第30頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天基因組印跡是性細(xì)胞系的一種表觀遺傳修飾，這種修飾有一整套分布于染色體不同部位的印跡中心來(lái)協(xié)調(diào)。印跡中心直接介導(dǎo)了印跡標(biāo)記的建立及其在發(fā)育全過(guò)程中的維持和傳遞，并導(dǎo)致以親本來(lái)源特異性方式優(yōu)先表達(dá)兩個(gè)親本等位基因中的一個(gè)，而使另一個(gè)沉默。第31頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天研究表明，在哺乳動(dòng)物中相當(dāng)數(shù)量的印跡基因是與胎兒的生長(zhǎng)發(fā)育和胎盤的功能密切相關(guān)的。迄今已發(fā)現(xiàn)的印跡基因已有150余個(gè)，大多成簇排列，其中許多是疾病基因。雖多數(shù)印跡基因的作用機(jī)制尚不清楚，然而幾乎都與DNA甲基化型的異常相關(guān)聯(lián)。第32頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天組蛋白修飾第33頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天DNAPacking如何將10,000公里長(zhǎng)的蠶絲(半徑~10-5米)裝入一個(gè)籃球中。2.蠶絲的體積：3.14*10-3m33.折疊、纏繞…第34頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天染色體上的不同區(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(jī)理：DNA甲基化，組蛋白修飾，染色質(zhì)重塑復(fù)合物的協(xié)同作用。第35頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天常染色質(zhì)與異染色質(zhì)1.常染色質(zhì)：基因表達(dá)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(dá)沉默的區(qū)域，染色體結(jié)構(gòu)致密第36頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天組成核小體的組蛋白可以被多種化合物所修飾，如磷酸化、乙?；图谆龋M蛋白的這類結(jié)構(gòu)修飾可使染色質(zhì)的構(gòu)型發(fā)生改變，稱為染色質(zhì)構(gòu)型重塑。第37頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天組蛋白中不同氨基酸殘基的乙酰化一般與活化的染色質(zhì)構(gòu)型常染色質(zhì)(euchromatin)和有表達(dá)活性的基因相關(guān)聯(lián)；而組蛋白的甲基化則與濃縮的異染色質(zhì)(hetero-chromatin)和表達(dá)受抑的基因相關(guān)聯(lián)。第38頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天組蛋白的乙?；泻唾嚢彼岬恼姾?，C=O具有一定的負(fù)電，能夠增加與DNA的斥力，使得DNA結(jié)構(gòu)變得疏松，從而導(dǎo)致基因的轉(zhuǎn)錄活化第39頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天組蛋白的甲基化組蛋白甲基化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賴氨酸處于什么位置。基因轉(zhuǎn)錄沉默基因轉(zhuǎn)錄活化第40頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天精氨酸和賴氨酸甲基化的過(guò)程第41頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天組蛋白修飾主要是氨基端的甲基化修飾和(或)乙酰化修飾，特定組蛋白的氨基酸殘基被甲基化和(或)乙?；瓤杉せ罨虻谋磉_(dá)，也可抑制基因的表達(dá)。特定組蛋白羧基端的泛素化同樣影響蛋白質(zhì)的降解過(guò)程，從而也可調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。目前研究還發(fā)現(xiàn)組蛋白修飾與CpG島的甲基化密切相關(guān)。第42頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天HistoneCode染色質(zhì)蛋白并非只是一種包裝蛋白，而是在DNA和細(xì)胞其他組分之間構(gòu)筑了一個(gè)動(dòng)態(tài)的功能平臺(tái)。第43頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天非編碼RNA調(diào)節(jié)無(wú)論是DNA修飾還是組蛋白修飾，都是基因活性調(diào)節(jié)的中間參與者，而真正誘導(dǎo)基因活性改變的最大可能者是功能性非編碼RNA。非編碼RNA:一般指不能翻譯蛋白質(zhì)的RNA。（ncRNA：miRNA和siRNA）第44頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天非編碼RNA不僅能對(duì)整個(gè)染色體進(jìn)行活性調(diào)節(jié)，也可對(duì)單個(gè)基因活性進(jìn)行調(diào)節(jié)，它們對(duì)基因組的穩(wěn)定性、細(xì)胞分裂、個(gè)體發(fā)育都有重要的作用。RNA干擾是研究人類疾病的重要手段，通過(guò)其它物質(zhì)調(diào)節(jié)RNA干擾的效果以及實(shí)現(xiàn)RNA干擾在特異的組織中發(fā)揮作用是未來(lái)RNA干擾的研究重點(diǎn)。第45頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天X染色體失活X染色體失活就是非編碼RNA所介導(dǎo)的一個(gè)重要表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象，可以說(shuō)是表觀遺傳學(xué)中由RNA引導(dǎo)的DNA甲基化和組蛋白修飾共同參與的一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。哺乳動(dòng)物的雌性個(gè)體中僅有隨機(jī)的一條X染色體有活性，而失活的X染色體是由自身的一個(gè)失活中心（Xinactivationcenter）調(diào)控的。

第46頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天失活的X染色體被稱為BarrbodyX染色質(zhì)第47頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天X染色體失活：Lyon假說(shuō)1.1961年，TheLyonHypothesis,由英國(guó)遺傳學(xué)家MaryLyon提出。2.體細(xì)胞中的X染色體失活發(fā)生在胚胎發(fā)育的早期。3.失活是隨機(jī)的：每一個(gè)細(xì)胞中，隨機(jī)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(有例外)。5.X染色體的失活是永久性的，克隆過(guò)程中保持失活的狀態(tài)。6.所有哺乳動(dòng)物中都存在X染色體失活現(xiàn)象。第48頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天TSIX的不對(duì)稱表達(dá)決定了X染色體失活的選擇性1.在將要失活的X染色體上，TSIX沉默保證XIST的表達(dá)2.在將要活化的X染色體上，TSIX激活保證XIST的沉默第49頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天XIC失活基因編碼出對(duì)應(yīng)的RNA，這些RNA包裹在合成它的X染色體上，當(dāng)達(dá)到某一水平后，在DNA甲基化和組蛋白修飾的參與下共同導(dǎo)致并維持X染色體的失活。第50頁(yè),共56頁(yè)，2024年2月25日，星期天基因表達(dá)的重新編程已完全分化的細(xì)胞，其基因組在特定條件下經(jīng)歷表觀遺