時(shí)光第一講表觀遺傳學(xué)

時(shí)光第一講表觀遺傳學(xué)第1頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月VS人和小鼠基因組比較1985年，人類基因組計(jì)劃2000年6月26日，參加人類基因組工程項(xiàng)目的美國(guó)、英國(guó)、法蘭西共和國(guó)、德意志聯(lián)邦共和國(guó)、日本和中國(guó)的6國(guó)科學(xué)家共同宣布，人類基因組草圖的繪制工作已經(jīng)完成。2000年完成小鼠基因組草圖的繪制。第2頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月VS（1）小鼠和人類基因組之間有85%到90%的遺傳基因完全相同（2）人類和小鼠都有大約30000條基因，其中約有80%的基因是“完全一樣的”。（3）人和小鼠鼠大約共享有99%的類似基因人和小鼠基因組比較第3頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月雙胞胎性格長(zhǎng)相第4頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表觀遺傳學(xué)研究歷史第5頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表觀遺傳學(xué)第6頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表觀遺傳學(xué)從現(xiàn)象到領(lǐng)域：染色體重排1930年H.J.Muller提出位置花斑現(xiàn)象（果蠅）1965年McClintick提出轉(zhuǎn)座子（玉米）染色質(zhì)以正常劑量存在，排列異常，表型結(jié)果不同。第7頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月個(gè)體體細(xì)胞DNA是相同的1953年Watson和Crick解析DNA結(jié)構(gòu)。1970年Laskey和Gurdon爪蟾實(shí)驗(yàn)：早期胚胎細(xì)胞的核移植入去核的卵母細(xì)胞可以使其發(fā)育成胚胎。發(fā)育的進(jìn)程以及體細(xì)胞所有組成成分表達(dá)的特異基因受控于某些信號(hào)，而這些信號(hào)并非來(lái)自生殖細(xì)胞DNA序列的缺失或突變第8頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月孟德爾遺傳定律無(wú)法解釋的現(xiàn)象表型特征差異（豌豆顏色）是由于DNA序列突變導(dǎo)致的等位基因的差別造成的。簡(jiǎn)而言之，突變是定義表型特點(diǎn)的基礎(chǔ)，而表型特點(diǎn)又有助于界定物種之間的界限。非孟德爾定律定律的繼承性（胚胎生長(zhǎng)的異質(zhì)性、皮膚嵌合顏色、X染色體隨機(jī)失活），DNA序列并未發(fā)生改變，只是兩個(gè)等位基因只有一個(gè)表達(dá)。第9頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月有悖于“中心法則”1957年F.H.C.克里克最初提出的中心法則是：DNA→RNA→蛋白質(zhì)。1970年H.M.特明和D.巴爾的摩提出RNA逆轉(zhuǎn)錄DNA，完善“中心法則”。中心法則否認(rèn)從蛋白質(zhì)到DNA的反饋過(guò)程。如朊粒有悖于中心法則第10頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表觀遺傳學(xué)現(xiàn)象得出結(jié)論非DNA突變引起的可繼承的表型變化。表型變化是“開關(guān)型”的。例子：噬菌體在裂解型和溶原型間的轉(zhuǎn)變；大腸桿菌的菌毛形態(tài)轉(zhuǎn)變；果蠅的位置花斑現(xiàn)象；X染色體失活。第11頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月遺傳學(xué)與表觀遺傳學(xué)第12頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DNA和染色質(zhì)“你可以繼承DNA序列之外的一些東西，這正是現(xiàn)代遺傳學(xué)中讓我們激動(dòng)的地方”（Watson2003）第13頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月經(jīng)典遺傳學(xué)與現(xiàn)代遺傳學(xué)區(qū)別表觀遺傳學(xué)是在研究與經(jīng)典孟德爾定律不相符的許多遺傳現(xiàn)象過(guò)程中逐步發(fā)展起來(lái)的。不依賴于DNA序列差異的核繼承性。細(xì)胞核內(nèi)等位基因的選擇性調(diào)控。同卵雙生外部表型差別；環(huán)境、飲食等外部因素。表觀遺傳信息對(duì)正常發(fā)育的貢獻(xiàn)？第14頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DNA甲基化的發(fā)現(xiàn)染色體印記和X染色體失活為表觀遺傳機(jī)理研究提供了早期模型。1975年Riggs、Holliday和Pugh提出DNA甲基化作為表觀遺傳學(xué)標(biāo)志。DNA甲基化在基因沉默中的作用。等位基因發(fā)現(xiàn)果蠅位置花斑現(xiàn)象：DNA甲基化水平很低，暗示還有一種表觀遺傳機(jī)制存在。第15頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月染色質(zhì)的研究歷史真核生物細(xì)胞核中結(jié)合于DNA上的蛋白質(zhì)，尤其是組蛋白可能參與了DNA修飾。染色質(zhì)作為轉(zhuǎn)錄模板的功能：體外系統(tǒng)加入RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。組蛋白解離轉(zhuǎn)錄必需。組蛋白乙?；?、甲基化和磷酸化發(fā)現(xiàn)。1974年染色質(zhì)單體核小體結(jié)構(gòu)。1997年Luger核小體晶體結(jié)構(gòu)：組蛋白N端尾巴調(diào)控基因表達(dá)調(diào)控以及沉默染色質(zhì)。1996年Allis發(fā)現(xiàn)首個(gè)乙?；窯cn5：組蛋白乙?；c基因表達(dá)調(diào)控聯(lián)系在一起。第16頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月染色質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)分為常染色質(zhì)和異染色質(zhì)。常染色質(zhì)是松散的染色質(zhì)，既可以是轉(zhuǎn)錄處于活躍狀態(tài)，也可以是轉(zhuǎn)錄非活躍狀態(tài)。異染色質(zhì)是高度致密和沉默的染色質(zhì)，分為組成型異染色質(zhì)（永久沉默的染色質(zhì)）和兼性異染色質(zhì)（特殊細(xì)胞時(shí)期或發(fā)育階段沉默）。染色質(zhì)是高度動(dòng)態(tài)的大分子結(jié)構(gòu)，接收信號(hào)傾向于重塑或重建。第17頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DNAishighlycompactedintochromatinDNAishighlycompactedintochromatinThenucleosomeisthefundamentalsubunitofchromatin第18頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月NucleosomeNucleosome=anucleosomecoreparticle+linkerDNA+alinkerhistoneNucleosomecoreparticle=histoneoctamer+147bpDNA1974年染色質(zhì)單體核小體結(jié)構(gòu)1997年Luger核小體晶體結(jié)構(gòu)：組蛋白N端尾巴調(diào)控基因表達(dá)調(diào)控以及沉默染色質(zhì)。第19頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月染色質(zhì)模板的轉(zhuǎn)換（順式/反式）第20頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月常染色質(zhì)與異染色質(zhì)差別第21頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月組蛋白修飾和組蛋白密碼第22頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月核小體重塑因子1994年證明Gal4-VP16能夠以ATP依賴的方式從重組的染色質(zhì)模板激活轉(zhuǎn)錄，激活伴隨核小體重新定位。ATP依賴性核小體重塑復(fù)合物SWI/SNF和NURF。組蛋白修飾和核小體重塑復(fù)合體二者是染色質(zhì)模板轉(zhuǎn)錄所必需的。第23頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月核小體動(dòng)態(tài)分布第24頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ChromatinRemodelingEnzymeSWI/SNF第25頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月SWI/SNFBRG1,acomponentoftheSWI-SNFcomplex,ismutatedinmultiplehumantumorcelllinesLossofBrg1inmiceresultsinearlyembryoniclethality,andrecentstudieshaveimplicatedaroleforBrg1insomaticstemcellself-renewalanddifferentiation.第26頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月所有機(jī)制是相互關(guān)聯(lián)的表觀遺傳調(diào)控的復(fù)雜性動(dòng)態(tài)性可遺傳性物種差異性影響因素的復(fù)雜性第27頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表觀遺傳學(xué)表觀遺傳（epigenetics）是指一組不改變基因型而可決定細(xì)胞表現(xiàn)型的遺傳機(jī)制與現(xiàn)象。其研究的內(nèi)容是基因序列不發(fā)生改變的可遺傳變化，這種可遺傳改變調(diào)控基因表達(dá)的變化，是基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄調(diào)控的另一種方式。表觀遺傳的主要機(jī)制包括組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑、DNA甲基化、組蛋白變異、基因印記及RNA干擾等.第28頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表觀遺傳學(xué)研究主要內(nèi)容(1)表觀遺傳信息建立和維持的機(jī)制及其間的相互作用；(2)干細(xì)胞維持自我更新的同時(shí)及其分化潛能的表觀遺傳學(xué)編程機(jī)制；（細(xì)胞身份和干細(xì)胞可塑性）(3)重大疾病腫瘤、再生衰老、代謝性疾病乃至精神性疾病發(fā)病的表觀遺傳學(xué)機(jī)制。

“后基因組時(shí)代”第29頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月表觀遺傳學(xué)概述組蛋白修飾和組蛋白變異體DNA甲基化染色質(zhì)重塑基因印記非編碼RNA第30頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一、組蛋白修飾和組蛋白變異體

第31頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Nucleosomewithhistoneposttranslationalmodifications第32頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Multiplemodificationsandenormouspotentialcombinations

第33頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月HowHistoneModificationswork?AffectthenucleosomestructureAffecthigherorderchromatinstructureAffectotherhistonemodificationsHistonecodealloworpreventbindingofspecifichistonebindingoreffectorproteins第34頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月組蛋白乙?；?5頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Histoneacetylationanddeacetylationmechanism第36頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月乙?；赶到y(tǒng)HAT（GNATFamily；MYST；P300/CBP；SRC）HDAC（ClassI/II/III）HDAC1-10蛋白復(fù)合體（RbAp48，NuRD）InHDAC1knockout(KO)mice,micewerefoundtodieduringembryogenesis.HDACs1and3havebeenfoundtomediateRb-RbAp48interactionswhichsuggeststhatitfunctionsincellcycleprogression.第37頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月H3(aa1-21)-CHD3/CHD4MTA1/2/3P66/68HDAC1/2Rbap48/46MBD3NuRDComplex:nuclesomeremodelinganddeacetylationcomplexNuRDisalsoassociatedwithactivegenes,suggestingaversatileuseofNuRDintranscriptionalregulation.第38頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月組蛋白甲基化第39頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月組蛋白甲基化位點(diǎn)（賴氨酸和精氨酸）甲基化轉(zhuǎn)移酶去甲基化酶甲基化識(shí)別蛋白第40頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Methylation第41頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月組蛋白甲基化酶組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶（Histonemethyltransferase，簡(jiǎn)稱為HMT）是包括組蛋白-賴氨酸N-甲基轉(zhuǎn)移酶與組蛋白-精氨酸N-甲基轉(zhuǎn)移酶在內(nèi)的是一大類組蛋白修飾酶類，它們催化將一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)甲基轉(zhuǎn)移到組蛋白的賴氨酸或精氨酸殘基上。被添加上的甲基基團(tuán)主要位于組蛋白H3和H4特定賴氨酸或精氨酸上。第42頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Histoneamino-terminalmodificationsinfluencechromatinstructureandfunction第一個(gè)組蛋白賴氨酸甲基化酶的發(fā)現(xiàn)過(guò)程位置花斑效應(yīng)（PEV）:果蠅復(fù)眼顏色和形狀；玉米顏色第43頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Su(var)groupgenesPEV(positioneffectvariegantion)Su(var)3-9HumanSUV39H1miceSuv39h1S.pombeCLR4murineSuv39h2SU(VAR)3-9proteinfamilyThechromodomainsSETdomainsadjacentcysteine-richregionshumanEZH2humanHRXproteins第一個(gè)組蛋白賴氨酸甲基化酶的發(fā)現(xiàn)過(guò)程StephenReaetal.Science.2000第44頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月SETdomaincore:NHSCandGE(x)5YTwoconservedmotifsmaybeofparticularfunctionalimportance.Alignment第45頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月HistonecodeStephenReaetal.Science.2000第46頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月組蛋白賴氨酸甲基化位點(diǎn)第47頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月賴氨酸特異性組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶類可被細(xì)分為含SET結(jié)構(gòu)域的和不含SET結(jié)構(gòu)域的兩類。人類基因所編碼的具有組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶活性的蛋白質(zhì)包括：ASH1LDOT1LEHMT1、EHMT2、EZH1、EZH2MLL、MLL2、MLL3、MLL4、MLL5NSD1PRDM2SET、SETBP1、SETD1A、SETD1B、SETD2、SETD3、SETD4、SETD5、SETD6、SETD7、SETD8、SETD9、SETDB1、SETDB2SETMAR、SMYD1、SMYD2、SMYD3、SMYD4、SMYD5、SUV39H1、SUV39H2、SUV420H1、SUV420H2組蛋白賴氨酸甲基化酶第48頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月組蛋白賴氨酸甲基化酶第49頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月組蛋白賴氨酸去甲基化酶的發(fā)現(xiàn)氨基酸氧化酶（LSD1）：催化一甲基和二甲基化的H3K4/9去甲基化，需要FAD（flavinadeninedinucleotide）協(xié)助完成。Jumonji結(jié)構(gòu)域蛋白家族（JMJD），催化底物多樣，需要Fe2+和α-酮戊二酸的參與。Jmjc結(jié)構(gòu)域?yàn)槿ゼ谆富钚越Y(jié)構(gòu)域。第50頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Jmjc家族蛋白亞家族第51頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月組蛋白賴氨酸去甲基化酶第52頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月組蛋白精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（PRMTs）第53頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月組蛋白精氨酸去甲基化酶第54頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Biotin-HistonetailsBoundtostreptavidinbeadsIncubatewithHeLaNEWashEluteSDSHistoneModificationBindingProteinsHistonetailPullDownH3K4Me2H3-CoomassieBlueStainingPHF2PHF8…第55頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Methyl-lysinebindingeffectorproteins第56頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第57頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月染色質(zhì)的協(xié)同修飾第58頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第59頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月組蛋白突變體第60頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月所有生物DNA都被結(jié)構(gòu)性蛋白所包裝真核生物核心組蛋白由古細(xì)菌組蛋白進(jìn)化而來(lái)第61頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月大多數(shù)組蛋白在DNA復(fù)制后被置入舊核小體：暗色新核小體：淡色第62頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月組蛋白變體的置入發(fā)生在整個(gè)細(xì)胞周期第63頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月著絲粒被特定H3變體標(biāo)記第64頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月置換性組蛋白H3.3存在于活躍的染色質(zhì)區(qū)域第65頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月H2AX的磷酸化在DNA斷裂修復(fù)中具有功能第66頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月H2A突變體H2AZ普遍存在，占H2A的10%，H2A在核小體表面呈現(xiàn)酸性區(qū)域，給染色體帶來(lái)獨(dú)特的物理屬性。作用于轉(zhuǎn)錄調(diào)控。maroH2A參與X染色體失活。第67頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、DNA甲基化第68頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DNA甲基化1975年DNA甲基化化發(fā)現(xiàn)哺乳細(xì)胞中胞嘧啶甲基化主要發(fā)生在CpG二核苷酸上DNA甲基化酶家族：1988年發(fā)現(xiàn)dnmt1衛(wèi)星DNA，轉(zhuǎn)座子，重復(fù)原件，非重復(fù)基因間DNA和外顯子都是高甲基化的序列第69頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DNA從頭甲基化和維持甲基化第70頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶第71頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶的功能DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶主要活性失活后表型Dnmt1維持性CpG甲基化基因組大規(guī)模DNA甲基化丟失，E9.5胚胎致死，印記基因表達(dá)異常Dnmt3aCpG從頭甲基化出生4-8周死亡，雄性不育，雌性和雄性無(wú)法建立甲基化印記Dnmt3bCpG從頭甲基化微衛(wèi)星DNA去甲基化，E14.5胚胎致死伴隨血管和肝臟缺陷（Dnmt3a和Dnmt3b同時(shí)缺失的胚胎在著床后無(wú)法啟動(dòng)從頭甲基化E9.5死亡）DNMT3BCpG從頭甲基化ICF綜合征：免疫缺陷，著絲粒不穩(wěn)定，面部畸形，重復(fù)序列和近著絲粒異染色質(zhì)去甲基化第72頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DNA甲基化調(diào)控基因表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合的干擾甲基化CpG結(jié)合蛋白的吸引第73頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第74頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月RNA去甲基化酶第75頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DNA去甲基化酶第76頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月AcompletepathwayfordynamicmodificationsofC第77頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DNAmethylationdynamicsinpre-implantationembryosandprimordialgermcells.第78頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、非編碼RNA第79頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月不同生物基因組組成分布圖44%重復(fù)序列52%非編碼序列4%編碼序列哺乳動(dòng)物進(jìn)化防御機(jī)制：防止轉(zhuǎn)錄單元出現(xiàn)轉(zhuǎn)座子的插入第80頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第81頁(yè)，課件共91頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ncRNAncRNA