表觀遺傳學教學課件

1、2020年9月13日,表 觀 遺 傳 學（epigenetics）,2,4,2020年9月13日,5,2020年9月13日,5,發(fā) 展 歷 史,2000多年前，古希臘哲學家亞里士多德在On the Generation of Animals一書中首先提出后生理論（the theory of epigenesis），它相對于先成論，新器官的發(fā)育由未分化的團塊逐漸形成的。,2020年9月13日,6,2020年9月13日,6,發(fā) 展 歷 史,1939年，生物學家 Waddington CH 首先在現(xiàn)代遺傳學導論中提出了epihenetics這一術語， 并于1942年定義表觀遺傳學為“生物學的分支，研

2、究基因與決定表型的基因產(chǎn)物之間的因果關系”。,2020年9月13日,7,2020年9月13日,7,發(fā) 展 歷 史,1975年，Hollidy R 對表觀遺傳學進行了較為準確的描述。 他認為表觀遺傳學不僅在發(fā)育過程，而且應在成體階段研究可遺傳的基因表達改變，這些信息能經(jīng)過有絲分裂和減數(shù)分裂在細胞和個體世代間傳遞，而不借助于DNA序列的改變，也就是說表觀遺傳是非DNA序列差異的核遺傳。,2020年9月13日,8,概 述,表觀遺傳學 研究不涉及DNA序列改變的基因表達和調(diào)控的可遺傳變化的，或者說是研究從基因演繹為表型的過程和機制的一門新興的遺傳學分支。 表觀遺傳 所謂表觀遺傳就是不基于DNA差異的核

3、酸遺傳。即細胞分裂過程中，DNA 序列不變的前提下，全基因組的基因表達調(diào)控所決定的表型遺傳，涉及染色質(zhì)重編程、整體的基因表達調(diào)控（如隔離子，增強子，弱化子，DNA甲基化，組蛋白修飾等功能 ), 及基因型對表型的決定作用。,2020年9月13日,8,2020年9月13日,9,概 述,Definition of Epigenetics Any changes in gene expression resulting from either a DNA and chromatin modification or resulting from a post post-transcriptional m

4、echanism. However, it does not reflect a difference in the DNA code。 A unifying definition of epigenetics: (Adrian Bird, nature, 2007) the structural adaptation of chromosomal regions so as to register, signal or perpetuate altered activity states. This definition is inclusive of chromosomal marks,

5、because transient modifications associated with both DNA repair or cell-cycle phases and stable changes maintained across multiple cell generations qualify.,2020年9月13日,9,2020年9月13日,10,概 述,表觀遺傳學的特點： 可遺傳的，即這類改變通過有絲分裂或減數(shù)分裂，能在細胞或個體世代間遺傳； 可逆性的基因表達調(diào)節(jié)，也有較少的學者描述為基因活性或功能的改變； 沒有DNA序列的改變或不能用DNA序列變化來解釋。,2020年9月

6、13日,10,2020年9月13日,11,概 述,2020年9月13日,11,2020年9月13日,12,概 述,2020年9月13日,12,遺傳與表觀遺傳,2020年9月13日,13,概 述,2020年9月13日,13,2020年9月13日,14,概 述,2020年9月13日,14,DNA與染色質(zhì),2020年9月13日,15,概 述,2020年9月13日,相同的基因型,不同的表現(xiàn)型,15,2020年9月13日,16,概 述,基因表達模式 決定細胞類型的不是基因本身，而是基因表達模式，通過細胞分裂來傳遞和穩(wěn)定地維持具有組織和細胞特異性的基因表達模式對于整個機體的結構和功能協(xié)調(diào)是至關重要的。 基

7、因表達模式在細胞世代之間的可遺傳性并不依賴細胞內(nèi)DNA的序列信息。 基因表達模式有表觀遺傳修飾決定。,2020年9月13日,18,概 述,表觀遺傳學的研究內(nèi)容：,基因轉錄后的調(diào)控 基因組中非編碼RNA 微小RNA（miRNA） 反義RNA 內(nèi)含子、核糖開關等,基因選擇性轉錄表達的調(diào)控 DNA甲基化 基因印記 組蛋白共價修飾 染色質(zhì)重塑,2020年9月13日,18,Quiz, J. nature. 2006,2020年9月13日,20,2020年9月13日,表觀遺傳學機制,DNA 甲基化,1,20,2020年9月13日,21,一、DNA甲基化,2020年9月13日,DNA甲基化(DNA meth

8、ylation)是研究得最清楚、 也是最重要的表觀遺傳修飾形式，主要是基因組 DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基間的共價結合，胞嘧啶由此被修飾為5甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5mC)。,胞嘧啶甲基化反應,21,S-腺苷甲硫氨酸,以基因型為a/a的母鼠及其孕育的基因型為AVY/a的仔鼠作實驗對象。孕鼠分為兩組，試驗組孕鼠除喂以標準飼料外，從受孕前兩周起還增加富含甲基的葉酸、乙酰膽堿等補充飼料，而對照組孕鼠只喂飼標準飼料。,結果實驗組孕鼠產(chǎn)下的仔鼠大多數(shù)在身體的不同部位出現(xiàn)了大小不等的棕色斑塊，甚至出現(xiàn)了以棕褐色為主要毛色的小鼠。而對照組孕鼠的仔鼠大多數(shù)為黃色。分析表明喂以富甲基

9、飼料的孕鼠所產(chǎn)仔鼠的IAP所含CpG島的甲基化平均水平遠高于對照組，轉錄調(diào)控區(qū)的高甲基化使原該呈異位表達的基因趨于沉默，毛色也趨于棕褐色。,2020年9月13日,23,一、DNA甲基化,2020年9月13日,23,2020年9月13日,24,一、DNA甲基化,哺乳動物基因組中5mC占胞嘧啶總量的2%-7%，約70%的5mC存在于CpG二連核苷。 在結構基因的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)域稱為CpG島(CpG islands)，其大小為500-1000bp，約56%的編碼基因含該結構。 基因調(diào)控元件(如啟動子)所含CpG島中的5mC會阻礙轉錄因

10、子復合體與DNA的結合。 DNA甲基化一般與基因沉默相關聯(lián)； 非甲基化一般與基因的活化相關聯(lián)； 而去甲基化往往與一個沉默基因的重新激活相關聯(lián)。,2020年9月13日,24,2020年9月13日,25,一、DNA甲基化,2020年9月13日,25,5,3,CpG島主要處于基因5端調(diào)控區(qū)域。 啟動子區(qū)域的CpG島一般是非甲基化狀態(tài)的，其非甲基化狀態(tài)對相關基因的轉錄是必須的。 目前認為基因調(diào)控元件（如啟動子）的CpG島中發(fā)生5mC修飾會在空間上阻礙轉錄因子復合物與DNA的結合。因而DNA甲基化一般與基因沉默相關聯(lián)。,Rb基因,CpG 頻率,2020年9月13日,26,一、DNA甲基化,2020年9月

11、13日,26,2020年9月13日,27,一、DNA甲基化,2020年9月13日,27,DNA甲基化狀態(tài)的遺傳和保持： DNA復制后，新合成鏈在DNMT1的作用下，以舊鏈為模板進行甲基化。（缺乏嚴格的精確性，95%） 甲基化并非基因沉默的原因而是基因沉默的結果，其以某種機制識別沉默基因，后進行甲基化。 DNA全新甲基化。引發(fā)因素可能包括： DNA本身的序列、成分和次級結構。 RNA根據(jù)序列同源性可能靶定的區(qū)域。 特定染色質(zhì)蛋白、組蛋白修飾或相當有序的染色質(zhì)結構。,2020年9月13日,28,DNA去甲基化 主動去甲基化 復制相關的去甲基化 在復制過程中維持甲基化酶活性被關閉或維持甲基化酶活性被

12、抵制。,一、DNA甲基化,2020年9月13日,28,2020年9月13日,29,一、DNA甲基化,2020年9月13日,29,復制相關的DNA去甲基化,2020年9月13日,30,Manel Esteller, nature, 2007,2020年9月13日,31,一、DNA甲基化,2020年9月13日,31,DNA甲基化狀態(tài)的保持,DNA主動去甲基化,DNA全新甲基化,2020年9月13日,32,二、組蛋白修飾,2020年9月13日,32,2020年9月13日,33,二、組蛋白修飾,組蛋白修飾是表觀遺傳研究的重要內(nèi)容。 組蛋白的 N端是不穩(wěn)定的、無一定組織的亞單位，其延伸至核小體以外，會受

13、到不同的化學修飾，這種修飾往往與基因的表達調(diào)控密切相關。 被組蛋白覆蓋的基因如果要表達，首先要改變組蛋白的修飾狀態(tài)，使其與DNA的結合由緊變松，這樣靶基因才能與轉錄復合物相互作用。因此，組蛋白是重要的染色體結構維持單元和基因表達的負控制因子。,2020年9月13日,33,2020年9月13日,34,二、組蛋白修飾,2020年9月13日,34,2020年9月13日,35,二、組蛋白修飾,組蛋白修飾種類 乙?；? 一般與活化的染色質(zhì)構型相關聯(lián)，乙酰化修飾大多發(fā)生在H3、H4的 Lys 殘基上。 甲基化- 發(fā)生在H3、H4的 Lys 和 Asp 殘基上，可以與基因抑制有關，也可以與基因的激活相關，這

14、往往取決于被修飾的位置和程度。 磷酸化- 發(fā)生與 Ser 殘基，一般與基因活化相關。 泛素化- 一般是C端Lys修飾，啟動基因表達。 SUMO（一種類泛素蛋白）化- 可穩(wěn)定異染色質(zhì)。 其他修飾,2020年9月13日,36,2020年9月13日,36,二、組蛋白修飾,Bryan M. Turner, nature cell biology, 2007,組蛋白中被修飾氨基酸的種類、位置和修飾類型被稱為組蛋白密碼（histone code），遺傳密碼的表觀遺傳學延伸，決定了基因表達調(diào)控的狀態(tài)，并且可遺傳。,2020年9月13日,37,二、組蛋白修飾,2020年9月13日,37,2020年9月13日,

15、38,三、染色質(zhì)重塑,染色質(zhì)重塑（chromatin remodeling）是一個重要的表觀遺傳學機制。 染色質(zhì)重塑是由染色質(zhì)重塑復合物介導的一系列以染色質(zhì)上核小體變化為基本特征的生物學過程。 組蛋白尾巴的化學修飾（乙?；⒓谆傲姿峄龋┛梢愿淖?nèi)旧|(zhì)結構，從而影響鄰近基因的活性。,2020年9月13日,39,三、染色質(zhì)重塑,核小體,2020年9月13日,40,三、染色質(zhì)重塑,核小體定位是核小體在DNA上特異性定位的現(xiàn)象。 核小體核心DNA并不是隨機的，其具備一定的定向特性。 核小體定位機制： 內(nèi)在定位機制：每個核小體被定位于特定的DNA片斷。 外在定位機制：內(nèi)在定位結束后，核小體以確定的

16、長度特性重復出現(xiàn)。 核小體定位的意義： 核小體定位是DNA正確包裝的條件。 核小體定位影響染色質(zhì)功能。,2020年9月13日,41,三、染色質(zhì)重塑,重塑因子調(diào)節(jié)基因表達機制的假設有兩種: 機制1：一個轉錄因子獨立地與核小體DNA 結合(DNA可以是核小體或核小體之間的), 然后, 這個轉錄因子再結合一個重塑因子, 導致附近核小體結構發(fā)生穩(wěn)定性的變化, 又導致其他轉錄因子的結合, 這是一個串聯(lián)反應的過程; （重建） 機制2：由重塑因子首先獨立地與核小體結合, 不改變其結構, 但使其松動并發(fā)生滑動, 這將導 致轉錄因子的結合, 從而使新形成的無核小體的區(qū)域穩(wěn)定。 （滑動）,2020年9月13日,4

17、2,三、染色質(zhì)重塑,染色質(zhì)修飾與重塑（共價修飾型與ATP依賴型）,2020年9月13日,43,三、染色質(zhì)重塑,ATP依賴的染色質(zhì)重構機制,2020年9月13日,44,三、染色質(zhì)重塑,邊界子( boundary elements)：相鄰基因間的物理隔離元件。也可稱為隔離子( insulator elements)。 邊界子和隔離子的隔離功能 ： 封阻末梢增強子對啟動子的作用。 防止染色質(zhì)位置效應（CPE）。 由邊界子所確定的染色質(zhì)片斷是基因組調(diào)節(jié)的基本單位，其構成染色質(zhì)的功能與或區(qū)室，這即是染色質(zhì)區(qū)室化。,2020年9月13日,45,四、RNA調(diào)控,1995，RNAi現(xiàn)象首次在線蟲中發(fā)現(xiàn)。 19

18、98，RNAi概念的首次提出。 1999，RNAi作用機制模型的提出。在線蟲、果蠅、擬南芥及斑馬魚等多種生物內(nèi)發(fā)現(xiàn)RNAi現(xiàn)象。 2001，RNAi技術成功誘導培養(yǎng)的哺乳動物細胞基因沉默現(xiàn)象。RNAi 技術被Science評為2001年度的十大科技進展之一。 至今，蓬勃發(fā)展，成為分子生物學領域最為熱門的方向之一。,2020年9月13日,45,2020年9月13日,46,四、RNA 調(diào)控,RNA干擾（RNAi）作用是生物體內(nèi)的一種通過雙鏈RNA分子在mRNA水平上誘導特異性序列基因沉默的過程。 由于RNAi發(fā)生在轉錄后水平，所以又稱為轉錄后基因沉默（post-transcriptional ge

19、ne silencing, PTGS ）。 RNA干擾是一種重要而普遍表觀遺傳的現(xiàn)象。,2020年9月13日,46,2020年9月13日,47,四、RNA 調(diào)控,siRNA siRNA結構：21-23nt的雙鏈結構，序列與靶mRNA有同源性，雙鏈兩端各有2個突出非配對的3堿基。 siRNA功能：是RNAi 作用的重要組分，是RNAi發(fā)生的中介分子。內(nèi)源性siRNA是細胞能夠抵御轉座子、轉基因和病毒的侵略。,2020年9月13日,47,2020年9月13日,48,四、RNA 調(diào)控,2020年9月13日,48,siRNA介導的RNAi,2020年9月13日,49,四、RNA 調(diào)控,siRNAi 的

20、特點： 高效性和濃度依賴性 特異性 位置效應 時間效應 細胞間RNAi的可傳播性 多基因參與及ATP依賴性,2020年9月13日,49,2020年9月13日,50,四、RNA 調(diào)控,miRNA 結構：21-25nt長的單鏈小分子RNA ，5端有一個磷酸基團，3端為羥基，由具有發(fā)夾結構的約70-90個堿基大小的單鏈RNA前體經(jīng)過Dicer酶加工后生成。 特點：具有高度的保守性、時序性和組織特異性 。 功能：,2020年9月13日,50,2020年9月13日,51,四、RNA 調(diào)控,2020年9月13日,51,siRNA介導的RNAi,2020年9月13日,52,四、RNA調(diào)控,2020年9月13

21、日,52,四、RNA 調(diào)控,2020年9月13日,55,五、其他表觀遺傳機制,除DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑、和RNA調(diào)控以外，還有遺傳印跡、X染色體失活、轉座、負突變等。 遺傳印跡、X染色體失活的本質(zhì)仍為DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑。,2020年9月13日,56,遺 傳 印 跡,2020年9月13日,56,概念： 或稱親本印跡（parent imprinting） 是指基因組在傳遞遺傳信息的過程中，通過基因組的化學修飾（DNA的甲基化；組蛋白的甲基化、乙?；?、磷酸化、泛素化等）而使基因或DNA片段被標識的過程。 特點： 基因組印跡依靠單親傳遞某種性狀的遺傳信息，被印跡的基因會隨著其來自父源或母源而表現(xiàn)不同，即源自雙親的兩個等位基因中一個不表達或表達很弱。 不遵循孟德爾定律，是一種典型的非孟德爾遺傳，正反交結果不同。,2020年9月13日,57,遺 傳 印 跡,2020年9月13日,57,正交,反交,正常小鼠,矮小型小鼠,矮小型小鼠,矮小型小鼠,正常小鼠,正常小鼠,2020年9