表觀遺傳學(xué)課件

1、2021年年11月月23日日概概 述述v 表觀遺傳學(xué)表觀遺傳學(xué)是與遺傳學(xué)(genetic)相對(duì)應(yīng)的概念。遺傳學(xué)是指基于基因序列改變所致基因表達(dá)水平變化，如基因突變、基因雜合丟失和微衛(wèi)星不穩(wěn)定等；而表觀遺傳學(xué)則是指基于非基因序列改變所致基因表達(dá)水平變化，如v 決定細(xì)胞類型的不是基因本身，而是基因表達(dá)模式，通過(guò)細(xì)胞分裂來(lái)傳決定細(xì)胞類型的不是基因本身，而是基因表達(dá)模式，通過(guò)細(xì)胞分裂來(lái)傳遞和穩(wěn)定地維持具有組織和細(xì)胞特異性的基因表達(dá)模式對(duì)于整個(gè)機(jī)體的遞和穩(wěn)定地維持具有組織和細(xì)胞特異性的基因表達(dá)模式對(duì)于整個(gè)機(jī)體的結(jié)構(gòu)和功能協(xié)調(diào)是至關(guān)重要的。結(jié)構(gòu)和功能協(xié)調(diào)是至關(guān)重要的。v 基因表達(dá)模式在細(xì)胞世代之間的可遺傳

2、性并不依賴細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)模式在細(xì)胞世代之間的可遺傳性并不依賴細(xì)胞內(nèi)DNA的序列信的序列信息。息。v 基因表達(dá)模式有表觀遺傳修飾決定?；虮磉_(dá)模式有表觀遺傳修飾決定。2021年年11月月23日日概概 述述v表觀遺傳學(xué)的特點(diǎn)表觀遺傳學(xué)的特點(diǎn)：l可遺傳的，即這類改變通過(guò)有絲分裂或減數(shù)可遺傳的，即這類改變通過(guò)有絲分裂或減數(shù)分裂，能在細(xì)胞或個(gè)體世代間遺傳；分裂，能在細(xì)胞或個(gè)體世代間遺傳；l可逆性的基因表達(dá)調(diào)節(jié)，也有較少的學(xué)者描可逆性的基因表達(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；述為基因活性或功能的改變；l沒(méi)有沒(méi)有DNADNA序列的改變或不能用序列的改變或不能用DNADNA序列變化來(lái)序列變化來(lái)

3、解釋。解釋。v表觀遺傳實(shí)質(zhì)是非DNA序列差異的核遺傳。2021-11-23表觀遺傳學(xué)內(nèi)容表觀遺傳學(xué)內(nèi)容2021年年11月月23日日2021年年11月月23日日表觀遺傳學(xué)機(jī)制表觀遺傳學(xué)機(jī)制DNA DNA 甲基化甲基化1組蛋白修飾組蛋白修飾2染色質(zhì)重塑染色質(zhì)重塑3RNA RNA 調(diào)調(diào) 控控4DNA DNA 甲基化甲基化12021年年11月月23日日一、一、DNADNA甲基化甲基化2021年年11月月23日日 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(jià)結(jié)合，胞 嘧 啶 由 此 被 修 飾 為

4、5 甲 基 胞 嘧 啶 ( 5 -methylcytosine，5mC)。DNMT1胞嘧啶胞嘧啶5-5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶胞嘧啶甲基化反應(yīng)胞嘧啶甲基化反應(yīng) S-S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸2021-11-23v所謂表觀遺傳學(xué)的所謂表觀遺傳學(xué)的 DNA甲基化是指在甲基化是指在DNA甲基甲基化轉(zhuǎn)移酶的作用下，在基因組化轉(zhuǎn)移酶的作用下，在基因組CpG二核苷酸的胞二核苷酸的胞嘧啶嘧啶5碳位共價(jià)鍵結(jié)合一個(gè)甲基基團(tuán)碳位共價(jià)鍵結(jié)合一個(gè)甲基基團(tuán).DNA甲基化甲基化能關(guān)閉某些基因的活性能關(guān)閉某些基因的活性,去甲基化則誘導(dǎo)了基因的去甲基化則誘導(dǎo)了基因的重新活化和表達(dá)重新活化和表達(dá).lDNA甲基化一般與基因沉默相

5、關(guān)聯(lián)。高度甲基甲基化一般與基因沉默相關(guān)聯(lián)。高度甲基化的基因處于失活狀態(tài)，例如女性兩條化的基因處于失活狀態(tài)，例如女性兩條X染色染色體中的一條體中的一條X染色體上的基因。染色體上的基因。l非甲基化一般與基因的活化相關(guān)聯(lián)；非甲基化一般與基因的活化相關(guān)聯(lián)；l而去甲基化往往與一個(gè)沉默基因的重新激活相而去甲基化往往與一個(gè)沉默基因的重新激活相關(guān)聯(lián)。關(guān)聯(lián)。2021年年11月月23日日一、一、DNADNA甲基化甲基化2021年年11月月23日日v CpGCpG島主要處于基因島主要處于基因55端調(diào)控區(qū)域。端調(diào)控區(qū)域。v 啟動(dòng)子區(qū)域的啟動(dòng)子區(qū)域的CpGCpG島一般是非甲基化狀態(tài)的，其非甲基島一般是非甲基化狀態(tài)的，其

6、非甲基化狀態(tài)對(duì)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄是必須的?；癄顟B(tài)對(duì)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄是必須的。v 目前認(rèn)為基因調(diào)控元件（如啟動(dòng)子）的目前認(rèn)為基因調(diào)控元件（如啟動(dòng)子）的CpGCpG島中發(fā)生島中發(fā)生5mC5mC修飾會(huì)在空間上阻礙轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合物與修飾會(huì)在空間上阻礙轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合物與DNADNA的結(jié)合。因的結(jié)合。因而而DNADNA甲基化一般與基因沉默相關(guān)聯(lián)。甲基化一般與基因沉默相關(guān)聯(lián)。2021-11-23DNA甲基化抑制轉(zhuǎn)錄活性的機(jī)制甲基化抑制轉(zhuǎn)錄活性的機(jī)制v DNA 甲基化可引起基因組中相應(yīng)區(qū)域染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化甲基化可引起基因組中相應(yīng)區(qū)域染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化, 使使DNA 失去失去核酶和限制性內(nèi)切酶的切割位點(diǎn)核酶和限制性內(nèi)切酶的切割

7、位點(diǎn), 以及以及DNA 酶的敏感位點(diǎn)酶的敏感位點(diǎn),以及以及DNA 酶的敏感位點(diǎn)酶的敏感位點(diǎn), 使染色質(zhì)高度螺旋化使染色質(zhì)高度螺旋化, 凝縮成團(tuán)凝縮成團(tuán), 失去轉(zhuǎn)錄活性。失去轉(zhuǎn)錄活性。v 5 位位C 甲基化的胞嘧啶脫氨基生成胸腺嘧啶甲基化的胞嘧啶脫氨基生成胸腺嘧啶, 由此可能導(dǎo)致基因置換由此可能導(dǎo)致基因置換突變突變, 發(fā)生堿基錯(cuò)配發(fā)生堿基錯(cuò)配: T2G, 如果在細(xì)胞分裂過(guò)程中不被糾正如果在細(xì)胞分裂過(guò)程中不被糾正,就會(huì)誘發(fā)就會(huì)誘發(fā)遺傳病或癌癥遺傳病或癌癥, 而且而且, 生物體甲基化的方式是穩(wěn)定的生物體甲基化的方式是穩(wěn)定的, 可遺傳的。可遺傳的。v 直接抑制轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合，不能形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合物，從而抑

8、制基因轉(zhuǎn)錄直接抑制轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合，不能形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合物，從而抑制基因轉(zhuǎn)錄活性活性v 甲基化的甲基化的DNA對(duì)一些專一阻遏物具有特異親和力，比如對(duì)一些專一阻遏物具有特異親和力，比如MeCP1（甲（甲基化基化CpG結(jié)合蛋白）和結(jié)合蛋白）和 MeCP2與與CpG甲基化甲基化DNA序列結(jié)合，阻遏基序列結(jié)合，阻遏基因轉(zhuǎn)錄因轉(zhuǎn)錄v MeCP2通過(guò)其結(jié)構(gòu)域通過(guò)其結(jié)構(gòu)域MBD（甲基化胞嘧啶結(jié)合結(jié)構(gòu)域）結(jié)合甲基化（甲基化胞嘧啶結(jié)合結(jié)構(gòu)域）結(jié)合甲基化DNA，使，使TRD（轉(zhuǎn)錄抑制區(qū)）有機(jī)會(huì)與轉(zhuǎn)錄復(fù)合物或轉(zhuǎn)錄因子發(fā)生（轉(zhuǎn)錄抑制區(qū)）有機(jī)會(huì)與轉(zhuǎn)錄復(fù)合物或轉(zhuǎn)錄因子發(fā)生蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，最終控制基因表達(dá)。蛋白質(zhì)相

9、互作用，最終控制基因表達(dá)。2021-11-232021-11-232021-11-23二、組蛋白修飾二、組蛋白修飾v組蛋白修飾種類l甲基化甲基化- - 發(fā)生在發(fā)生在H3H3、H4H4的的 Lys Lys 和和 Arg Arg 殘基上，可以殘基上，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。取決于被修飾的位置和程度。l乙酰化乙?；? - 一般與活化的染色質(zhì)構(gòu)型相關(guān)聯(lián)，乙?；抟话闩c活化的染色質(zhì)構(gòu)型相關(guān)聯(lián)，乙?；揎棿蠖喟l(fā)生在飾大多發(fā)生在H3H3、H4H4的的 Lys Lys 殘基上。殘基上。l磷酸化磷酸化- - 發(fā)生在

10、發(fā)生在 Ser Ser 殘基，一般與基因活化相關(guān)。殘基，一般與基因活化相關(guān)。l泛素化泛素化- - 一般是一般是C C端端LysLys修飾，啟動(dòng)基因表達(dá)。修飾，啟動(dòng)基因表達(dá)。lSUMOSUMO（一種類泛素蛋白）化（一種類泛素蛋白）化- - 可穩(wěn)定異染色質(zhì)?？煞€(wěn)定異染色質(zhì)。l其他修飾其他修飾2021-11-23組蛋白甲基化組蛋白甲基化v多發(fā)生于多發(fā)生于H3、H4的賴氨酸和精氨酸殘基上的賴氨酸和精氨酸殘基上 如如：H3K4甲基化，活化基因轉(zhuǎn)錄甲基化，活化基因轉(zhuǎn)錄 H3K9甲基化，導(dǎo)致異染色質(zhì)沉默及常染色質(zhì)甲基化，導(dǎo)致異染色質(zhì)沉默及常染色質(zhì) 區(qū)基因阻遏區(qū)基因阻遏果蠅：果蠅：SUV39特異地甲基化特異地

11、甲基化H3K9，導(dǎo)致，導(dǎo)致HP1的染色的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域與甲基化的質(zhì)結(jié)構(gòu)域與甲基化的H3K9結(jié)合，從而導(dǎo)致異染色結(jié)合，從而導(dǎo)致異染色質(zhì)沉默。質(zhì)沉默。2021-11-23DNA甲基化和組蛋白甲基化的聯(lián)系甲基化和組蛋白甲基化的聯(lián)系v二者可以聯(lián)合作用以建立一種長(zhǎng)期的沉默，并且二者可以聯(lián)合作用以建立一種長(zhǎng)期的沉默，并且可通過(guò)可通過(guò)DNA復(fù)制傳遞下去復(fù)制傳遞下去v組蛋白甲基化與組蛋白甲基化與DNA甲基化在功能上相偶聯(lián)甲基化在功能上相偶聯(lián)v組蛋白（組蛋白（H3K9)的甲基化是指導(dǎo)的甲基化是指導(dǎo)DNA的甲基化的的甲基化的一個(gè)常規(guī)信號(hào)（因?yàn)橐粋€(gè)常規(guī)信號(hào)（因?yàn)镈NA甲基轉(zhuǎn)移酶并不具有甲基轉(zhuǎn)移酶并不具有DNA序列特異

12、性）序列特異性）2021-11-23相互作用模型相互作用模型vMeCP（甲基化（甲基化CpG結(jié)合蛋白）募集結(jié)合蛋白）募集HDAC（組（組蛋白去乙酰化酶）蛋白去乙?；福┙M蛋白尾端去乙酰化組蛋白尾端去乙?；菇M使組蛋白尾端適合作為甲基化的底物蛋白尾端適合作為甲基化的底物2021-11-23組蛋白乙?；M蛋白乙酰化v多發(fā)生于核心組蛋白多發(fā)生于核心組蛋白N端堿性氨基酸集中區(qū)的特端堿性氨基酸集中區(qū)的特定賴氨酸殘基，以中和掉一個(gè)正電荷，減弱定賴氨酸殘基，以中和掉一個(gè)正電荷，減弱DNA與組蛋白的相互作用。與組蛋白的相互作用。v復(fù)制過(guò)程中，組蛋白更易與新核結(jié)合。復(fù)制過(guò)程中，組蛋白更易與新核結(jié)合。v轉(zhuǎn)錄過(guò)程中

13、，核心組蛋白從轉(zhuǎn)錄過(guò)程中，核心組蛋白從DNA分離出來(lái)，并加分離出來(lái)，并加速轉(zhuǎn)錄中所需蛋白與相應(yīng)位點(diǎn)結(jié)合。速轉(zhuǎn)錄中所需蛋白與相應(yīng)位點(diǎn)結(jié)合。2021-11-23組蛋白低乙?；龠M(jìn)組蛋白低乙?；龠M(jìn)DNA甲基化甲基化v脊椎動(dòng)物中，含甲基化脊椎動(dòng)物中，含甲基化DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域的蛋白，結(jié)合結(jié)構(gòu)域的蛋白，如如MeCP2或或MBD（DNA甲基化結(jié)合蛋白）可作甲基化結(jié)合蛋白）可作為接頭分子將甲基化胞嘧啶連接到組蛋白去乙酰為接頭分子將甲基化胞嘧啶連接到組蛋白去乙酰化復(fù)合物上?；瘡?fù)合物上。vDNMT1（DNA甲基轉(zhuǎn)移酶）與甲基轉(zhuǎn)移酶）與HDAC（組蛋白（組蛋白去乙?；福┫嗷プ饔茫杉铀?gòu)?fù)制叉處組蛋白去乙?；福?/p>

14、相互作用，可加速?gòu)?fù)制叉處組蛋白的去乙?；?，同時(shí)維持的去乙?；?，同時(shí)維持5mC表觀標(biāo)志，加強(qiáng)沉默表觀標(biāo)志，加強(qiáng)沉默染色質(zhì)的遺傳。染色質(zhì)的遺傳。2021-11-23DNA甲基化與組蛋白修飾的關(guān)系甲基化與組蛋白修飾的關(guān)系v總體上說(shuō)，組蛋白高度乙?；浅Ｈ旧|(zhì)和基因總體上說(shuō)，組蛋白高度乙酰化是常染色質(zhì)和基因轉(zhuǎn)錄活性標(biāo)志；轉(zhuǎn)錄活性標(biāo)志；v在異染色質(zhì)中組蛋白都處于低乙?；癄顟B(tài)；在異染色質(zhì)中組蛋白都處于低乙?；癄顟B(tài)；v組蛋白甲基化與組蛋白甲基化與DNA甲基化相互影響促進(jìn)異染色甲基化相互影響促進(jìn)異染色質(zhì)的形成。質(zhì)的形成。2021-11-23四、四、RNA 調(diào)控調(diào)控vRNA干擾（干擾（RNAi）是生物體內(nèi)的一種

15、通過(guò)）是生物體內(nèi)的一種通過(guò)雙鏈雙鏈RNA分子在分子在mRNA水平上水平上誘導(dǎo)特異性序列基因沉誘導(dǎo)特異性序列基因沉默的過(guò)程。默的過(guò)程。v由于由于RNAi發(fā)生在轉(zhuǎn)錄后水平，所以又稱為轉(zhuǎn)錄后發(fā)生在轉(zhuǎn)錄后水平，所以又稱為轉(zhuǎn)錄后基因沉默（基因沉默（post-transcriptional gene silencing, PTGS ）。）。vRNA干擾是一種重要而普遍表觀遺傳的現(xiàn)象。干擾是一種重要而普遍表觀遺傳的現(xiàn)象。2021年年11月月23日日五、其他表觀遺傳機(jī)制五、其他表觀遺傳機(jī)制v 基因組印跡、基因組印跡、X染色體失活的染色體失活的本質(zhì)本質(zhì)仍為仍為DNA甲基化、組蛋甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑。白

16、修飾、染色質(zhì)重塑。v基因組印跡特點(diǎn)：基因組印跡特點(diǎn)：l基因組印跡依靠單親傳遞某種性狀的遺傳信息，被印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(huì)隨著其來(lái)自父源或母源而表現(xiàn)不同，即源跡的基因會(huì)隨著其來(lái)自父源或母源而表現(xiàn)不同，即源自雙親的兩個(gè)等位基因中一個(gè)不表達(dá)或表達(dá)很弱。自雙親的兩個(gè)等位基因中一個(gè)不表達(dá)或表達(dá)很弱。l不遵循孟德?tīng)柖?，是一種典型的非孟德?tīng)栠z傳，正不遵循孟德?tīng)柖?，是一種典型的非孟德?tīng)栠z傳，正反交結(jié)果不同。反交結(jié)果不同。v基因組印跡的機(jī)制基因組印跡的機(jī)制:l配子在形成過(guò)程中，配子在形成過(guò)程中，DNA產(chǎn)生的甲基化、核組蛋白產(chǎn)產(chǎn)生的甲基化、核組蛋白產(chǎn)生的乙?；?、磷酸化和泛素

17、化等修飾，使基因的表達(dá)生的乙?；?、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。模式發(fā)生了改變。2021-11-23基基 因因 組組 印印 跡跡v由正反交實(shí)驗(yàn)可以看出：由正反交實(shí)驗(yàn)可以看出：l印跡基因的正反交結(jié)果不一致、不符合孟德?tīng)栍≯E基因的正反交結(jié)果不一致、不符合孟德?tīng)柖?。定律。l小鼠小鼠 Igf-2 基因總是母本來(lái)源的等位基因被印基因總是母本來(lái)源的等位基因被印跡，父本來(lái)源的等位基因表達(dá)，因此是母本印跡，父本來(lái)源的等位基因表達(dá)，因此是母本印跡。跡。l基因印跡使基因的表達(dá)受到抑制，導(dǎo)致被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。的基因的生物功能的喪失。2021-

18、11-23X染色體失活染色體失活v X染色體的甲基化與失活染色體的甲基化與失活 雌性雌性哺乳動(dòng)物體細(xì)胞內(nèi)哺乳動(dòng)物體細(xì)胞內(nèi)Barr小體系小體系胚胎早期兩胚胎早期兩X染色體之一發(fā)生隨染色體之一發(fā)生隨機(jī)失活機(jī)失活. X染色體上有一序列染色體上有一序列Xist(X-chromosome inactivation special transcript) 即即X染色體失活特異性轉(zhuǎn)錄基因,該基因的表達(dá)是決定該基因的表達(dá)是決定X染色體失活的關(guān)鍵元素，染色體失活的關(guān)鍵元素，Xist甲甲基化使基化使X染色體保持活性染色體保持活性,去甲去甲基化則轉(zhuǎn)錄出基化則轉(zhuǎn)錄出XistRNA，與，與Xic(X-chromosome inactivation center) 即即X 失活中心作用使作用使其易與蛋白因子結(jié)合而表達(dá)其易與蛋白因子結(jié)合而表達(dá),使使得與其相連的得與其相連的X染色體上的基因染色體上的基因失活。失活。XistX染色體染色體 X染色體染色體甲基化甲基化、不轉(zhuǎn)、不轉(zhuǎn)錄錄活性活性去甲基去甲基化、活化、活性性去甲基去甲基化、轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)錄錄失活失活甲基化甲基化、失活、失活2021年年11月月23日日X染色體失活染色體失活X染色體失活過(guò)程模式圖染色體失活過(guò)程模式圖2021年年11月月23日日X染色體失活染色體失活v失活失活X染色體即為巴氏小體。染色體即為巴氏小體。v失活失活X染色體特點(diǎn)：染色