表觀遺傳學(xué)-課件

1、2024年3月19日,表 觀 遺 傳 學(xué)（epigenetics）,,2024年3月19日,2,2024年3月19日,2,發(fā) 展 歷 史,1939年，Waddington CH 首先在《現(xiàn)代遺傳學(xué)導(dǎo)論》中提出了epihenetics這一術(shù)語。1942年定義為生物學(xué)的分支，研究基因與決定表型的基因產(chǎn)物之間的因果關(guān)系。1975年，Hollidy R 對表觀遺傳學(xué)進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的描述。1996年James G Herman 和S

2、tephen B Baylin 發(fā)明 MSP技術(shù)，并發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞中抑癌基因啟動子區(qū)CpG呈高甲基化狀態(tài)。,2024年3月19日,3,概 　 述,表觀遺傳學(xué)：可遺傳的，即這類改變通過有絲分裂或減數(shù)分裂，能在細(xì)胞或個體世代間遺傳；可逆性的基因表達(dá)調(diào)節(jié)，也有較少的學(xué)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。,2024年3月19日,3,三個層面調(diào)控基因表達(dá)：DNA修飾 ：DNA共價結(jié)合一個修飾基

3、團(tuán)，使具有相同序列的等位基因處于不同的修飾狀態(tài)。蛋白修飾：通過對特殊蛋白修飾或改變蛋白的構(gòu)象實現(xiàn)對基因表達(dá)的調(diào)控。非編碼RNA調(diào)控：通過某些機制實現(xiàn)對基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控，如RNA干擾。意義：任何一個層面異常，都將影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)，導(dǎo)致復(fù)雜綜合征、多因素疾病以及癌癥。和DNA序列改變不同的是，許多表觀遺傳的改變是可逆的，這就為疾病的治療提供樂觀的前景。,概 　 述,2024年3月19日,5,概 　述,表觀遺傳學(xué)的研究內(nèi)容

4、：,基因轉(zhuǎn)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(guān)等,基因選擇性轉(zhuǎn)錄表達(dá)的調(diào)控DNA甲基化組蛋白共價修飾染色質(zhì)重塑基因印記X染色體失活,2024年3月19日,5,2024年3月19日,6,概 　述,2024年3月19日,6,遺傳與表觀遺傳,2024年3月19日,7,概 　述,2024年3月19日,7,基因組與表觀基因組,經(jīng)組織歸類的信息,2024年3月19日,8,2024年3

5、月19日,表觀遺傳學(xué)機制,DNA 甲基化,1,8,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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)飼料。,結(jié)果試驗組孕鼠產(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飼料的孕鼠所產(chǎn)仔鼠的IAP所含CpG

6、島的甲基化平均水平遠(yuǎn)高于對照組，轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)的高甲基化使原該呈異位表達(dá)的基因趨于沉默，毛色也趨于棕褐色。,一、DNA甲基化,2024年3月19日,10,一、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(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)域稱為CpG島(CpG islands)，其大小為500-1000bp，約56%的編碼基因

7、含該結(jié)構(gòu)?；蛘{(diào)控元件(如啟動子)所含CpG島中的5mC會阻礙轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合體與DNA的結(jié)合。DNA甲基化一般與基因沉默相關(guān)聯(lián)；非甲基化一般與基因的活化相關(guān)聯(lián)；而去甲基化往往與一個沉默基因的重新激活相關(guān)聯(lián)。,2024年3月19日,10,2024年3月19日,11,一、DNA甲基化,2024年3月19日,11,5’,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(guān)基因的轉(zhuǎn)錄是

8、必須的。目前認(rèn)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(zhuǎn)錄因子復(fù)合物與DNA的結(jié)合。因而DNA甲基化一般與基因沉默相關(guān)聯(lián)。,Rb基因,CpG 頻率,2024年3月19日,12,一、DNA甲基化,2024年3月19日,DNA甲基化(DNA methylation)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(jié)合，胞嘧啶由此被修飾為5甲基胞嘧啶(5-me

9、thylcytosine，5mC)。,胞嘧啶甲基化反應(yīng),12,S-腺苷甲硫氨酸,2024年3月19日,15,二、組蛋白修飾,2024年3月19日,15,2024年3月19日,16,二、組蛋白修飾,2024年3月19日,16,2024年3月19日,17,2024年3月19日,17,二、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

10、（histone code），遺傳密碼的表觀遺傳學(xué)延伸，決定了基因表達(dá)調(diào)控的狀態(tài)，并且可遺傳。,2024年3月19日,18,二、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，會受到不同的化學(xué)修飾，這種修飾往往與基因的表達(dá)調(diào)控密切相關(guān)。被組蛋白覆蓋的基因如果要表達(dá)，首先要改變組蛋白的修飾狀態(tài)，使其與DNA的結(jié)合由緊變松，這樣靶基因才能與轉(zhuǎn)錄復(fù)合物相互作用。因此，組蛋白

11、是重要的染色體結(jié)構(gòu)維持單元和基因表達(dá)的負(fù)控制因子。,2024年3月19日,18,2024年3月19日,19,二、組蛋白修飾,組蛋白修飾種類乙?；?- 一般與活化的染色質(zhì)構(gòu)型相關(guān)聯(lián)，乙?；揎棿蠖喟l(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(guān)，也可以與基因的激活相關(guān)，這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(guān)。泛素化--

12、一般是C端Lys修飾，啟動基因表達(dá)。SUMO（一種類泛素蛋白）化-- 可穩(wěn)定異染色質(zhì)。其他修飾,2024年3月19日,20,DNA甲基化與組蛋白去乙?；?2024年3月19日,20,乙?；富蛲蛔儗?dǎo)致基因不能表達(dá)：Rubinstein Taybi綜合征、腫瘤、急性進(jìn)行性髓性白血病。,去乙酰化酶相關(guān)基因的突變導(dǎo)致錯誤募集去乙?；福篟ett綜合征、急性早幼粒細(xì)胞性白血病，急性淋巴細(xì)胞性白血病和非何杰金氏淋巴瘤的治療。,2024年3

13、月19日,21,三、染色質(zhì)重塑,核小體,,2024年3月19日,22,三、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(xué)機制。染色質(zhì)重塑是由染色質(zhì)重塑復(fù)合物介導(dǎo)的一系列以染色質(zhì)上核小體變化為基本特征的生物學(xué)過程。組蛋白尾巴的化學(xué)修飾（乙?；?、甲基化及磷酸化等）可以改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)，從而影響鄰近基因的活性。,2024年3月19日,23,三、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）

14、,染色質(zhì)重塑復(fù)合物、組蛋白修飾酶的突變均和轉(zhuǎn)錄調(diào)控、DNA甲基化、DNA重組、細(xì)胞周期、DNA的復(fù)制和修復(fù)的反常相干,這些反?？梢砸鹕L發(fā)育反常,智力發(fā)育緩慢,乃至導(dǎo)致癌癥。 依賴ATP的物理修飾主要是使用ATP水注解放的能量,使DNA超螺旋旋矩和旋相產(chǎn)生轉(zhuǎn)變,使轉(zhuǎn)錄因子更易靠近并連合核小體DNA,從而調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄進(jìn)程。,三、染色質(zhì)重塑,2024年3月19日,25,三、染色質(zhì)重塑,ATP依賴的染色質(zhì)重構(gòu)機制,染色質(zhì)重塑復(fù)合物：

15、 依靠水解ATP提供能量來完成染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，根據(jù)水解ATP的亞基不同，可將復(fù)合物分為SWI/SNF復(fù)合物、ISW復(fù)合物等，這些復(fù)合物及相關(guān)蛋白均與轉(zhuǎn)錄激活和抑制、DNA甲基化、DNA修復(fù)及細(xì)胞周期相關(guān)。,2024年3月19日,26,染色質(zhì)重塑與人類疾?。?ATRX、 ERCC6、 SMARCAL1編碼與SWI/SNF復(fù)合物相關(guān)的ATP酶）X連鎖α-地中海貧血綜合征、Juerg –Marisidi綜合征、Carpenter-

16、Waziri綜合征、Sutherland-Haan綜合征和Smith-Fineman-Myers綜合征：ATRX突變引起DNA甲基化異常。核小體重新定位的異常引起基因表達(dá)抑制。Skeletal綜合征和B型Cockayne綜合征：ERCC6（在DNA修復(fù)中起重要作用）突變。Schimke免疫性骨質(zhì)發(fā)育異常：SMARCAL1（調(diào)控細(xì)胞增殖相關(guān)基因的表達(dá)） 腫瘤：BRG1、SMARCB1和BRM編碼與SWI/SNF復(fù)合物特異的ATP酶（

17、改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)）,三、染色質(zhì)重塑,四、RNA調(diào)控,2024年3月19日,28,四、RNA 調(diào)控,siRNAsiRNA結(jié)構(gòu)：21-23nt的雙鏈結(jié)構(gòu)，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使細(xì)胞能夠抵御轉(zhuǎn)座子、轉(zhuǎn)基因和病毒的侵略。,2024年3月19日,28,2024年3月19日,29,四、RNA 調(diào)控,miRNA結(jié)構(gòu)：2

18、1-25nt長的單鏈小分子RNA ，5′端有一個磷酸基團(tuán)，3′端為羥基，由具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)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 。,2024年3月19日,29,2024年3月19日,30,四、RNA 調(diào)控,2024年3月19日,30,非編碼RNA與疾病癌癥神經(jīng)性疾?。喝缇穹至寻Y（DISC2 RNA異常所誘發(fā)的精神分裂癥。）、孤獨癥、憂郁癥、躁動癥等 牛皮癬易

19、感性,四、RNA調(diào)控,2024年3月19日,32,五、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、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。,2024年3月19日,33,遺 傳 印 跡,2024年3月19日,33,概念：傳給子代的親本基因在子代中表達(dá)的狀況取決于基因來自母本還是父本的現(xiàn)象。該現(xiàn)象在合子形成時已經(jīng)決定，是涉及基因表達(dá)調(diào)控的遺傳。

20、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(dá)或表達(dá)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(jié)果不同。 機制：基因組在傳遞遺傳信息的過程中，通過基因組的化學(xué)修飾（DNA的甲基化；組蛋白的甲基化、乙?；⒘姿峄?、泛素化等）而使基因或DNA片段被標(biāo)識的過程。,2024年3月19日,34,遺 傳 印 跡,2024年3月19日,34,正

21、　　　　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,2024年3月19日,35,遺 傳 印 跡,2024年3月19日,35,由正反交實驗可以看出：印跡基因的正反交結(jié)果不一致、不符合孟德爾定律。小鼠 Igf-2 基因總是母本來源的等位基因被印跡，父本來源的等位基因表達(dá)，因此是母本印跡。基因印跡使基因的表達(dá)受到抑制，導(dǎo)致被印跡的基因的生物功能的喪失。,2024年3月19日,36,遺

22、傳 印 跡,2024年3月19日,36,基因印跡過程印跡的形成 印跡形成于成熟配子，并持續(xù)到出生后。印記的維持印記的去除 印記的去除過程是發(fā)生在原始生殖細(xì)胞的早期階段。基因組印跡的機制配子在形成過程中，DNA產(chǎn)生的甲基化、核組蛋白產(chǎn)生的乙酰化、磷酸化和泛素化等修飾，使基因的表達(dá)模式發(fā)生了改變。,父本PWS印記中心缺失,母本AS印記中心缺失,2024年3月19日,39,X染色體失活,1961年M.F.Lyon就提

23、出了關(guān)于雌性哺乳動物體細(xì)胞的兩條X染色體中會有一條發(fā)生隨機失活的假說，并認(rèn)為這是一種基因劑量補償?shù)臋C制。以后的研究表明在給定的體細(xì)胞有絲分裂譜系中，有一條X染色體是完全失活并呈異染色質(zhì)狀態(tài)，而在另一個細(xì)胞譜系中同一條X染色體又可以是活化的且呈常染色質(zhì)狀態(tài)。 1996年G.D.Penny等發(fā)現(xiàn)X染色體的Xq13.3區(qū)段有一個X失活中心( X-inaction center，Xic)，X-失活從Xic區(qū)段開始啟動，然后擴(kuò)展到整條染色體。