表觀遺傳學課件

1、2021年年11月月23日日概概 述述v 表觀遺傳學表觀遺傳學是與遺傳學(genetic)相對應(yīng)的概念。遺傳學是指基于基因序列改變所致基因表達水平變化，如基因突變、基因雜合丟失和微衛(wèi)星不穩(wěn)定等；而表觀遺傳學則是指基于非基因序列改變所致基因表達水平變化，如v 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(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 基因表達模式在細胞世代之間的可遺傳

2、性并不依賴細胞內(nèi)基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的序列信的序列信息。息。v 基因表達模式有表觀遺傳修飾決定?；虮磉_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表觀遺傳學的特點表觀遺傳學的特點：l可遺傳的，即這類改變通過有絲分裂或減數(shù)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；分裂，能在細胞或個體世代間遺傳；l可逆性的基因表達調(diào)節(jié)，也有較少的學者描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；述為基因活性或功能的改變；l沒有沒有DNADNA序列的改變或不能用序列的改變或不能用DNADNA序列變化來序列變化來

3、解釋。解釋。v表觀遺傳實質(zhì)是非DNA序列差異的核遺傳。2021-11-23表觀遺傳學內(nèi)容表觀遺傳學內(nèi)容2021年年11月月23日日2021年年11月月23日日表觀遺傳學機制表觀遺傳學機制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所謂表觀遺傳學的所謂表觀遺傳學的 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碳位共價鍵結(jié)合一個甲基基團碳位共價鍵結(jié)合一個甲基基團.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,去甲基化則誘導了基因的去甲基化則誘導了基因的重新活化和表達重新活化和表達.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沉默基因的重新激活相而去甲基化往往與一個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 啟動子區(qū)域的啟動子區(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)對相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄是必須的?；癄顟B(tài)對相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄是必須的。v 目前認為基因調(diào)控元件（如啟動子）的目前認為基因調(diào)控元件（如啟動子）的CpGCpG島中發(fā)生島中發(fā)生5mC5mC修飾會在空間上阻礙轉(zhuǎn)錄因子復合物與修飾會在空間上阻礙轉(zhuǎn)錄因子復合物與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)錄活性的機制甲基化抑制轉(zhuǎn)錄活性的機制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)切酶的切割位點核酶和限制性內(nèi)切酶的切割

7、位點, 以及以及DNA 酶的敏感位點酶的敏感位點,以及以及DNA 酶的敏感位點酶的敏感位點, 使染色質(zhì)高度螺旋化使染色質(zhì)高度螺旋化, 凝縮成團凝縮成團, 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, 由此可能導致基因置換由此可能導致基因置換突變突變, 發(fā)生堿基錯配發(fā)生堿基錯配: T2G, 如果在細胞分裂過程中不被糾正如果在細胞分裂過程中不被糾正,就會誘發(fā)就會誘發(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?？蛇z傳的。v 直接抑制轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合，不能形成轉(zhuǎn)錄復合物，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對一些專一阻遏物具有特異親和力，比如對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通過其結(jié)構(gòu)域通過其結(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)）有機會與轉(zhuǎn)錄復合物或轉(zhuǎn)錄因子發(fā)生（轉(zhuǎn)錄抑制區(qū)）有機會與轉(zhuǎn)錄復合物或轉(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。蛋白質(zhì)相

9、互作用，最終控制基因表達。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，啟動基因表達。修飾，啟動基因表達。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，導致異染色質(zhì)沉默及常染色質(zhì)甲基化，導致異染色質(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，導致，導致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，從而導致異染色結(jié)合，從而導致異染色質(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期的沉默，并且二者可以聯(lián)合作用以建立一種長期的沉默，并且可通過可通過DNA復制傳遞下去復制傳遞下去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)的甲基化是指導的甲基化是指導DNA的甲基化的的甲基化的一個常規(guī)信號（因為一個常規(guī)信號（因為DNA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?；福┑鞍兹ヒ阴；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組蛋白乙酰化組蛋白乙?；痸多發(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，以中和掉一個正電荷，減弱定賴氨酸殘基，以中和掉一個正電荷，減弱DNA與組蛋白的相互作用。與組蛋白的相互作用。v復制過程中，組蛋白更易與新核結(jié)合。復制過程中，組蛋白更易與新核結(jié)合。v轉(zhuǎn)錄過程中

13、，核心組蛋白從轉(zhuǎn)錄過程中，核心組蛋白從DNA分離出來，并加分離出來，并加速轉(zhuǎn)錄中所需蛋白與相應(yīng)位點結(jié)合。速轉(zhuǎn)錄中所需蛋白與相應(yīng)位點結(jié)合。2021-11-23組蛋白低乙?；龠M組蛋白低乙?；龠MDNA甲基化甲基化v脊椎動物中，含甲基化脊椎動物中，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?；瘡秃衔锷稀；瘡秃衔锷?。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?，可加速復制叉處組蛋白去乙?；福?/p>

14、相互作用，可加速復制叉處組蛋白的去乙酰化，同時維持的去乙酰化，同時維持5mC表觀標志，加強沉默表觀標志，加強沉默染色質(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，組蛋白高度乙酰化是常染色質(zhì)和基因總體上說，組蛋白高度乙?；浅Ｈ旧|(zhì)和基因轉(zhuǎn)錄活性標志；轉(zhuǎn)錄活性標志；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異染色甲基化相互影響促進異染色質(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）是生物體內(nèi)的一種通過雙鏈雙鏈RNA分子在分子在mRNA水平上水平上誘導特異性序列基因沉誘導特異性序列基因沉默的過程。默的過程。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、其他表觀遺傳機制五、其他表觀遺傳機制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：基因組印跡特點：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，被印跡的基因會隨著其來自父源或母源而表現(xiàn)不同，即源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。自雙親的兩個等位基因中一個不表達或表達很弱。l不遵循孟德爾定律，是一種典型的非孟德爾遺傳，正不遵循孟德爾定律，是一種典型的非孟德爾遺傳，正反交結(jié)果不同。反交結(jié)果不同。v基因組印跡的機制基因組印跡的機制:l配子在形成過程中，配子在形成過程中，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)生的乙酰化、磷酸化和泛素

17、化等修飾，使基因的表達生的乙?；?、磷酸化和泛素化等修飾，使基因的表達模式發(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由正反交實驗可以看出：由正反交實驗可以看出：l印跡基因的正反交結(jié)果不一致、不符合孟德爾印跡基因的正反交結(jié)果不一致、不符合孟德爾定律。定律。l小鼠小鼠 Igf-2 基因總是母本來源的等位基因被印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，因此是母本印跡，父本來源的等位基因表達，因此是母本印跡。跡。l基因印跡使基因的表達受到抑制，導致被印跡基因印跡使基因的表達受到抑制，導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 雌性雌性哺乳動物體細胞內(nèi)哺乳動物體細胞內(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)生隨機失活機失活. 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,該基因的表達是決定該基因的表達是決定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)合而表達其易與蛋白因子結(jié)合而表達,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染色體失活過程模式圖染色體失活過程模式圖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：染色