表觀遺傳學(xué)-課件

2023年2月1日表觀遺傳學(xué)

（epigenetics）

2023年2月1日22023年2月1日2發(fā)展歷史1939年，WaddingtonCH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，HollidyR對(duì)表觀遺傳學(xué)進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的描述。1996年JamesGHerman和StephenBBaylin發(fā)明MSP技術(shù)，并發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞中抑癌基因啟動(dòng)子區(qū)CpG呈高甲基化狀態(tài)。2023年2月1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(gè)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。2023年2月1日3三個(gè)層面調(diào)控基因表達(dá)：DNA修飾：DNA共價(jià)結(jié)合一個(gè)修飾基團(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(duì)特殊蛋白修飾或改變蛋白的構(gòu)象實(shí)現(xiàn)對(duì)基因表達(dá)的調(diào)控。非編碼RNA調(diào)控：通過某些機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控，如RNA干擾。意義：任何一個(gè)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2023年2月1日5概述表觀遺傳學(xué)的研究?jī)?nèi)容：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(jià)修飾染色質(zhì)重塑基因印記X染色體失活2023年2月1日52023年2月1日6概述2023年2月1日6遺傳與表觀遺傳2023年2月1日7概述2023年2月1日7基因組與表觀基因組經(jīng)組織歸類的信息2023年2月1日82023年2月1日表觀遺傳學(xué)機(jī)制DNA甲基化18組蛋白修飾2染色質(zhì)重塑3RNA調(diào)控4DNA甲基化1

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(shí)驗(yàn)對(duì)象。孕鼠分為兩組，試驗(yàn)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(bǔ)充飼料，而對(duì)照組孕鼠只喂飼標(biāo)準(zhǔn)飼料。

結(jié)果試驗(yàn)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(duì)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島的甲基化平均水平遠(yuǎn)高于對(duì)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2023年2月1日10一、DNA甲基化哺乳動(dòng)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(CpGislands)，其大小為500-1000bp，約56%的編碼基因含該結(jié)構(gòu)。基因調(diào)控元件(如啟動(dòng)子)所含CpG島中的5mC會(huì)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(gè)沉默基因的重新激活相關(guān)聯(lián)。2023年2月1日102023年2月1日11一、DNA甲基化2023年2月1日115’3’CpG島主要處于基因5’端調(diào)控區(qū)域。啟動(dòng)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(duì)相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄是必須的。目前認(rèn)為基因調(diào)控元件（如啟動(dòng)子）的CpG島中發(fā)生5mC修飾會(huì)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2023年2月1日12一、DNA甲基化2023年2月1日

DNA甲基化(DNAmethylation)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5甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5mC)。DNMT1SAM胞嘧啶5-甲基胞嘧啶胞嘧啶甲基化反應(yīng)

12S-腺苷甲硫氨酸2023年2月1日15二、組蛋白修飾2023年2月1日152023年2月1日16二、組蛋白修飾2023年2月1日162023年2月1日172023年2月1日17二、組蛋白修飾BryanM.Turner,naturecellbiology,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（histonecode），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。2023年2月1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(huì)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。2023年2月1日182023年2月1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--一般是C端Lys修飾，啟動(dòng)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2023年2月1日20DNA甲基化與組蛋白去乙?；?023年2月1日20乙?；富蛲蛔儗?dǎo)致基因不能表達(dá)：RubinsteinTaybi綜合征、腫瘤、急性進(jìn)行性髓性白血病。去乙?；赶嚓P(guān)基因的突變導(dǎo)致錯(cuò)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。2023年2月1日21三、染色質(zhì)重塑核小體2023年2月1日22三、染色質(zhì)重塑染色質(zhì)重塑（chromatinremodeling）是一個(gè)重要的表觀遺傳學(xué)機(jī)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（乙酰化、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。2023年2月1日23三、染色質(zhì)重塑染色質(zhì)修飾與重塑（共價(jià)修飾型與ATP依賴型）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2023年2月1日25三、染色質(zhì)重塑（A）結(jié)合（B）松鏈（C）重塑八聚體轉(zhuǎn)移八聚體滑動(dòng)+ATP重塑復(fù)合物ATP依賴的染色質(zhì)重構(gòu)機(jī)制染色質(zhì)重塑復(fù)合物：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)。2023年2月1日26染色質(zhì)重塑與人類疾病（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-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（改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)）三、染色質(zhì)重塑四、RNA調(diào)控2023年2月1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(gè)突出非配對(duì)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。2023年2月1日282023年2月1日29四、RNA調(diào)控

miRNA結(jié)構(gòu)：21-25nt長的單鏈小分子RNA，5′端有一個(gè)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(gè)堿基大小的單鏈RNA前體經(jīng)過Dicer酶加工后生成。特點(diǎn)：具有高度的保守性、時(shí)序性和組織特異性。2023年2月1日292023年2月1日30四、RNA調(diào)控2023年2月1日30非編碼RNA與疾病癌癥神經(jīng)性疾?。喝缇穹至寻Y（DISC2RNA異常所誘發(fā)的精神分裂癥。）、孤獨(dú)癥、憂郁癥、躁動(dòng)癥等牛皮癬易感性四、RNA調(diào)控2023年2月1日32五、其他表觀遺傳機(jī)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。2023年2月1日33遺傳印跡2023年2月1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(shí)已經(jīng)決定，是涉及基因表達(dá)調(diào)控的遺傳。特點(diǎn)：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。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(jī)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?；?、磷酸化、泛素化等）而使基因或DNA片段被標(biāo)識(shí)的過程。2023年2月1日34遺傳印跡2023年2月1日34正交Igf-2Igf-2Igf-2mIgf-2mIgf-2Igf-2Igf-2mIgf-2m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Igf-2mIgf-2Igf-2Igf-2m2023年2月1日35遺傳印跡2023年2月1日35由正反交實(shí)驗(yàn)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?；蛴≯E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。2023年2月1日36遺傳印跡2023年2月1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?；蚪M印跡的機(jī)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?；?、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2023年2月1日39X染色體失活1961年M.F.Lyon就提出了關(guān)于雌性哺乳動(dòng)物體細(xì)胞的兩條X染色體中會(huì)有一條發(fā)生隨機(jī)失活的假說，并認(rèn)為這是一種基因劑量補(bǔ)償?shù)臋C(jī)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)