表觀遺傳的生化機(jī)理及應(yīng)用前景

1、表觀遺傳的生化機(jī)理及應(yīng)用前景,主要內(nèi)容：,表觀遺傳簡介表觀遺傳調(diào)控機(jī)制理論研究意義及前景實(shí)際應(yīng)用前景,關(guān)鍵詞：表觀遺傳 DNA甲基化 組蛋白修飾 腫瘤 衰老,Gregor Mendel (1822-1884）,遺傳學(xué)之父(The genetic factors )，發(fā)現(xiàn)了遺傳學(xué)基本規(guī)律（ Published in 1865 and 1866 and “re-discovered” in 1900 ）。,遺傳簡

2、史：,,遺傳簡史：,Thomas Hunt Morgan (1866-1945),發(fā)現(xiàn)基因連鎖互換定律（Published in 1915）。,Discovered the 3rd basic genetic law, together with Mendel’s two laws, they form the basis of what is now known as classical genetics.,遺傳簡史：,James

3、 Watson & Francis Crick,發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)（ Published in 1953 )，分子遺傳學(xué)誕生。,中心法則（central dogma）,堿基序列（基因）決定性狀，序列改變，引起性狀的改變。,BUT…,從遺傳學(xué)的角度來看， 同卵雙生的孿生子具有完全相同的基因組。如果這兩個孿生子在同樣的環(huán)境下成長，從邏輯上說，倆人的氣質(zhì)和體質(zhì)應(yīng)該非常相似。但研究者發(fā)現(xiàn)， 一些孿生子的情況并不符合預(yù)期的理論。往

4、往在長大成人后出現(xiàn)性格、健康方面的很大差異。這種反常現(xiàn)象長期困擾著遺傳學(xué)家?，F(xiàn)在科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)?？梢栽诓挥绊慏NA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體的發(fā)育，而且還可以遺傳下去。,在“基因決定論”的背后．隱藏著一個重要的．長期以來爭執(zhí)不休的問題： 環(huán)境的作用能否改變個體的遺傳特性，并傳遞給下一代? 這種被稱為“拉馬克學(xué)說”(Lamarckism) 的觀點(diǎn)一直被正統(tǒng)的生物學(xué)家拒之門外．但現(xiàn)實(shí)的生命世界又一次次地把這個話題送

5、到研究者的視線內(nèi)。瑞典一個科學(xué)家小組曾在2002年11月發(fā)表了一項(xiàng)研究， 他們的統(tǒng)計結(jié)果表明， 對于生于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大的．那么孫輩死于心臟病的機(jī)會就很少。也就是說，祖父輩的飲食狀態(tài)影響到了孫輩的健康狀態(tài)。從這個例子可以得到這樣一種結(jié)論：個體在發(fā)育和生長過程中獲得的環(huán)境影響．被遺傳給了后代。從這里可以引申出一個更根本

6、的問題：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，對于一個開放的復(fù)雜生命系統(tǒng)，不會打上它的烙印。也許這是一個“先有雞還是先有蛋”的進(jìn)化論問題，但不論怎樣，基因不會代表一切，更不能決定一切,Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829),獲得性遺傳（ Inheritance of acquired characteristics）,1942年，Waddington最早

7、提出表觀遺傳學(xué)（epigentics）一詞，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)系的一個新的研究方向。近年來，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：一種是遺傳調(diào)控，另一種是表觀遺傳調(diào)控。2003 年10月正式宣布開始投資和實(shí)施人類表觀基因組計劃（HGP） 。,表觀遺傳學(xué)（Epigenetics）？,Epigenetics refers to heritable alterations in gene expre

8、ssion that do not entail changes in nucleotide sequence.表觀遺傳學(xué)是指不需要核苷酸序列變異的基因表達(dá)的可遺傳改變。,,表觀遺傳變異是如何實(shí)現(xiàn)的？？？,表觀遺傳調(diào)控機(jī)制,DNA 甲基化 DNA methylation 組蛋白共價修飾 Covalent modifications in Histone染色體重塑 Chromatin remodeling非編碼R

9、NA調(diào)控基因表達(dá)重新編程,DNA 甲基化,DNA 甲基化是在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferase，Dnmt)的作用下，以s一腺苷甲硫氨酸(sAM)為甲基供體，將甲基基團(tuán)轉(zhuǎn)移到胞嘧啶第5位碳原子上。甲基化的胞嘧啶多位于CpG島上，CpG 島是CpG集中的區(qū)域，約1 kb長，人類及哺乳動物體內(nèi)約90%發(fā)生在CpG 島。啟動子區(qū)域富含CpG序列，故易發(fā)生甲基化。DNA甲基化可以在轉(zhuǎn)錄水平抑制基因的表達(dá)。 DNA

10、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。,,,,甲基轉(zhuǎn)移酶,目前，有4種可能機(jī)制解釋DNA 甲基化對轉(zhuǎn)錄的抑制：①直接干擾特異轉(zhuǎn)錄因子和各種啟動子識別位點(diǎn)的結(jié)合；② 甲基化的DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄抑制因子引起基因沉默；③通過影響核小體的位置或與其染色體蛋白質(zhì)相互作用而改變?nèi)旧w的結(jié)構(gòu)，介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄抑制；④eCP2(甲基化的CG序列結(jié)合蛋白)的C端的轉(zhuǎn)錄抑制區(qū)域(TRD)與Sin3A結(jié)合以及恢復(fù)

11、組蛋白脫乙酰化酶(histone deacetylase，HDAC)活性去修飾染色質(zhì)，使基因轉(zhuǎn)錄失活，MeCP2的TRD還可以與TFⅡB結(jié)合抑制轉(zhuǎn)錄。,Model for methylation-dependent gene silencing. The structural element of chromatin is the nucleosomal core, which consists of a 146-bp DNA sequ

12、ence wrapped around core histones. Acetylation of the histones causes an open chromatin config-uration that is associated with transcriptional activity. Methylated cytosines are recognized by methyl-CpG-binding proteins

13、(MBDs), which in turn recruit histone deacetylases (HDACs) to the site of methylation, convert-ing the chromatin into a closed structure that can no longer be accessed by the transcriptional machinery.,,甲基化也是一個可逆的過程基因調(diào)控

14、元件(如啟動子)所含CpG島中的5-mC會阻礙轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合體與DNA的結(jié)合，所以DNA甲基化一般與基因沉默(gene silence)相關(guān)聯(lián)； 而非甲基化(non-methylated)一般與基因的活化(gene activation)相關(guān)聯(lián)。而去甲基化(demethylation)往往與一個沉默基因的重新激活(reactivation)相關(guān)聯(lián)。,DNA復(fù)制酶,,,,,DNA甲基轉(zhuǎn)移酶,,DNA復(fù)制后甲基化型的維持,DNA甲基化,組

15、蛋白的共價修飾,乙?；?去乙?；?acetylation/deacetylation甲基化（ H3-Lys9） methylation磷酸化ADP核苷酸化糖基化、泛素化、羰基化等,組蛋白Histone,組蛋白乙?；?去乙酰化,組蛋白乙?；彩且豢赡娴膭討B(tài)過程。組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶(HAT) 將乙酰輔酶A 乙?；糠洲D(zhuǎn)移到核心組蛋白氨基末端上特定賴氨酸殘基的ε2氨基基團(tuán)。這些賴氨酸的乙?；瘜?dǎo)致電荷的中和以及DNA 與組

16、蛋白的分離,使核小體DNA 易于接近轉(zhuǎn)錄因子。在此種情況下,其他因子就可乘虛而入結(jié)合于DNA 上。,染色質(zhì)是由DNA雙鏈纏繞組蛋白及非組蛋白形成。組蛋白乙?；笕旧w處于開放狀態(tài)有利于轉(zhuǎn)錄，且與乙?；慕M蛋白相聯(lián)的DNA 片段上的基因活化_4 ；反之，組蛋白脫乙?；墒够虮磉_(dá)沉默,,組蛋白乙?；挠绊?研究表明，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。 例如，組蛋白H3

17、 Lys9甲基化最終導(dǎo)致了基因的沉默；然而，位于H3 Lys 4的甲基化則與基因的活化相關(guān)聯(lián)。,組蛋白甲基化/去甲基化,磷酸化,ATP-核苷酸化,,染色質(zhì)重塑,指染色質(zhì)位置和結(jié)構(gòu)的變化。主要涉及密集的染色質(zhì)絲在核小體連接處發(fā)生松解造成染色質(zhì)解壓縮，從而暴露基因轉(zhuǎn)錄啟動子區(qū)中的順式作用元件，為反式作用蛋白（轉(zhuǎn)錄因子）與之結(jié)合提供了一種稱為可接近性（accesibility）的狀態(tài)。這一過程由兩類結(jié)構(gòu)介導(dǎo)：ATP依賴型核小體重塑復(fù)合體和組蛋

18、白修飾復(fù)合體。前者通過水解作用改變核小體構(gòu)型；后者對核心組蛋白N端尾部的共價修飾進(jìn)行催化其中還有I型DNA酶（DNase I）超敏性的改變。,通常，DNA甲基化、組蛋白甲基化和染色質(zhì)的壓縮狀態(tài)和DNA的不可接近性，以及基因處于抑制和靜息狀態(tài)相關(guān)；而DNA的去甲基化、組蛋白的乙?；腿旧|(zhì)壓縮狀態(tài)的開啟，則與轉(zhuǎn)錄的啟動、基因活化和行使功能有關(guān)。這意味著，不用改變基因本身的結(jié)構(gòu)，而是改變基因轉(zhuǎn)錄的微環(huán)境條件就可以左右基因的活性：或者令其靜息

19、（silencing），或者使其激活。其結(jié)果（表觀遺傳現(xiàn)象）包括基因沉默、基因組印跡、DNA甲基化、X染色體失活（組蛋白H4不被乙?；?、 CpG島的高度甲基化）、轉(zhuǎn)座因子激活和基因組印記等多個方面。,Epigenetics is an advanced biological system that selectively utilizes genomic information and is involved in various f

20、undamental phenomena. Specifically, it puts emphasis on the regulation of gene expression, through DNA methylation, chromatin, and post-translational modification of proteins such as histones. Arrows indicate possible fu

21、nctional interactions between them. DNA hypermethylation, histone hypoacetylation and inactive chromatin repress transcription. In contrast, a transcriptionally active condition may encourage DNA hypomethylation, histone

22、 hyperacetylation and active chromatin. Also, a particular chromatin structure may be required for establishing DNA methylation .,Too big! Apparently as a result of abnormal imprinting,the cloned lamb at left is bigger

23、 than the normal lamb at right. Cloned animals often have other health problems as well.,,前景展望,了解人類發(fā)育機(jī)制本質(zhì),影響免疫細(xì)胞分化和功能。免疫學(xué)中表觀遺傳學(xué)調(diào)控所發(fā)揮的影響，波及基因、細(xì)胞和應(yīng)答等不同的水平。 基因組進(jìn)化表觀遺傳修飾的環(huán)境因子敏感性也許可以用來解釋遺傳學(xué)上完全一樣的個體（如雙生子）在不同的環(huán)境中可以產(chǎn)生明顯的表型差異

24、，也提示表觀遺傳修飾的可遺傳性在基因和環(huán)境的相互作用中起著重要的作用。表觀遺傳研究過程中還形成了表觀遺傳修飾，表觀遺傳突變，表觀等位基因(epialleles)，表觀基因組，表觀基因組學(xué)(epigenomics)， 表觀遺傳病和表觀基因治療(epigenetic therapy)等一系列科學(xué)概念。這些概念和思想已經(jīng)成為哺乳動物克隆技術(shù)的進(jìn)步和干細(xì)胞移植技術(shù)用于臨床等應(yīng)用性研究的理論先導(dǎo),前景展望,人類表觀基因組協(xié)會(Human Epi

25、genome Consortium , HEC)于2003 年10月正式宣布開始投資和實(shí)施了旨在解析人類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表觀基因組計劃(Human Epigenome Project , HEP) 。HEP 的提出和實(shí)施,標(biāo)志著與人類發(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) 研究又跨上了一個新的臺階。,前景展望,表觀遺傳與疾病表觀遺傳

26、修飾異常引起DNA異常甲基化阻遏正?；虻霓D(zhuǎn)錄等。有兩種機(jī)制： 1.在發(fā)育的重新編程過程中造成的特定基因表觀遺傳修 飾的異常，有人稱之為表觀突變(epimutation)； 2.與表觀遺傳修飾的分子機(jī)器結(jié)構(gòu)與功能相關(guān) 的蛋白質(zhì)編碼基因有關(guān)的，如DNA甲基轉(zhuǎn)移酶基因或差 異甲基化CpG島結(jié)合蛋白CTCF基因的突變或表觀突變。,Prader-Willi綜合征父源染色體15q11-13區(qū)段缺失,脆性X綜合

27、征 (fragile-X syndrome)是一種以智力低下為主要癥狀的遺傳性智力障礙綜合征。(CCG)n重復(fù)序列擴(kuò)展會引起CCG中CpG二聯(lián)核苷的甲基化，從而使FMRI基因沉默。,Beckwith-Wiedemann綜合征遺傳學(xué)和表觀遺傳學(xué)調(diào)節(jié)機(jī)制異常同時作用,前景展望,表觀遺傳與腫瘤研究治療啟動子序列的甲基化和組蛋白的乙?；够蜢o默。這個過程影響抑癌基因時對癌的發(fā)生也起作用 。CpG島甲基化異常機(jī)制參與的腫瘤細(xì)胞與正常細(xì)

28、胞相比,DNA 甲基化狀態(tài)與方式存在很大差異,表現(xiàn)為腫瘤細(xì)胞基因組范圍內(nèi)甲基化胞嘧啶水平降低,CpG島則高度甲基化,后者可導(dǎo)致相關(guān)基因的表觀遺傳學(xué)基因沉默,從而直接參與、影響或調(diào)控腫瘤疾病的發(fā)生發(fā)展過程 。同時,由于CpG島甲基化導(dǎo)致抑癌基因轉(zhuǎn)錄失活是一個可以逆轉(zhuǎn)的表觀遺傳學(xué)基因修飾過程,且該逆轉(zhuǎn)(CpG島去甲基化) 可直接恢復(fù)抑癌基因功能,因此,DNA 去甲基化恢復(fù)抑癌基因功能的研究也成為腫瘤基因治療的新型手段之一,應(yīng)用前景,表觀遺

29、傳與延緩衰老衰老相關(guān)基因的表觀遺傳修飾（啟動子序列的甲基化和組蛋白的乙?；够蜢o默）是調(diào)節(jié)衰老的重要方法，如果能通過此途徑揭示衰老的分子機(jī)制，且找到延長衰老過程的方法，將具有重大的生物學(xué)意義和臨床應(yīng)用前景。分化細(xì)胞的穩(wěn)定性是高等生物的基本特征之一。然而，在衰老的過程中某些細(xì)胞會發(fā)生年齡相關(guān)的變化，例如某個CpG島的從頭甲基化會關(guān)閉一個基因，喪失與這個基因相關(guān)的生理功能；同樣，甲基化的丟失也會激活正常情況下沉默的基因，造成不恰當(dāng)?shù)漠?/p>