表觀遺傳學(xué)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的分子水平研究00課件

17四月2024表觀遺傳學(xué)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的分子水平研究00Anyquestion?Contactmeat:BBS:楚布衣(丁香園)Email:buyi.chu@(Googletalk)QQ：2308659Tel:757475DepartmentofMedicalGenetics多色FISH

（24種染色）染色體??？染色體結(jié)構(gòu)？DepartmentofMedicalGeneticsT(9:22)相互易位導(dǎo)致慢性粒細(xì)胞白血病Whatisepigenetics：theDifferentphenotypecausedbydifferentgenomedecodingindifferentenvironments.Howisepigenetics:environmentisthekey.

chromatinisthemostimportantenvironmentofDNA表觀遺傳DNA甲基化組蛋白修飾和組蛋白密碼染色質(zhì)重塑非編碼RNA調(diào)控TherolesofchromatinstructureinepigeneticsandtranscriptionEpigeneticschromatinTranscriptionHistonevariantsChromatinremodelingNon-codingRNADNAmethylationHistonemodificationsChromatintrans-actingfactorsRoeder,2010ThemolecularmechanismofepigeneticsChromatin:anepigeneticplatformEpigeneticmechanisms:

.DNAmethylation.Histonemodifications.Chromatinremodeling.Histonevariants.RNAi.DNA/RNAeditingAllis,JenuweinandReinberg,Epigenetics2006儲(chǔ)存信息組織信息表達(dá)信息先有細(xì)胞，還是先有DNA？誰因誰果？自然環(huán)境和人相互影響；基因組環(huán)境與基因組也是相互影響的。道法自然，天人合一?；蚪MDNA和其所處環(huán)境的雞和蛋問題：“thecausalinteractionsbetweengenesandtheirproducts,whichbringthephenotypeintobeing”ConradHalWaddington

(1905–1975)ConradHalWaddington:thelastRenaissancebiologist?NatureReviewsGenetics3,889-895,2002Epigenetics基因的產(chǎn)物形成環(huán)境來影響基因?。」鸫髮W(xué)遺傳學(xué)教授喬治·切奇代孕母親的不同，對后代的影響？一、染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與核小體二、染色質(zhì)重塑三、方法與應(yīng)用不同生物的遺傳信息（基因）表達(dá)特點(diǎn)病毒：時(shí)間依賴性調(diào)節(jié)和利用宿主細(xì)胞的機(jī)制；細(xì)菌：組成性表達(dá)+負(fù)反饋調(diào)控；真核生物：以核小體為基本單位的染色質(zhì)，以激活和沉默為基本方式調(diào)控基因的表達(dá)。DNA序列纏繞在核心組蛋白的八聚體上DNA所處環(huán)境：核小體染色質(zhì):陰陽理論常染色質(zhì)異染色質(zhì)-較為疏松-基因密度高基因活化在S早期復(fù)制DNA缺甲基化-組蛋白H1缺乏組蛋白具有活化性質(zhì)的修飾-高度致密-基因密度低基因沉默在S后期復(fù)制DNA過甲基化-組蛋白H1密集組蛋白具有抑制性的修飾異染色質(zhì)與常染色質(zhì)常染色質(zhì)組成型的異染色質(zhì)端粒動(dòng)粒染色體上基因沉默的區(qū)域染色體上基因活化的區(qū)域組蛋白與DNA的結(jié)合1.保護(hù)遺傳信息；2.控制遺傳信息的表達(dá)。給定一段DNA序列，其和組蛋白組裝成核小體時(shí)，有無規(guī)律？哪些區(qū)域結(jié)合組蛋白？核小體的分布A：有絲分裂間期的染色體纖維：30nmB：DNA鏈拉伸后核小體的分布核小體1.鏈上的珠子+連接DNA:~200bp2.核心組蛋白；3.通過核酶切割DNA：直徑11nm的核小體核小體(2)1.核心組蛋白：8個(gè)組蛋白的復(fù)合物；2.146bp的核心DNA；3.平均纏繞1.65圈。核心組蛋白A.核心組蛋白：H2A,H2B,H3&H4B.組蛋白的結(jié)構(gòu)；C.組蛋白二聚體的結(jié)構(gòu)核心組蛋白(2)二聚體：H3&H4,H2A&H2B核心組蛋白(3)四聚體vs.八聚體核小體DNA序列纏繞在核心組蛋白的八聚體上核小體核小體呈致密或疏松狀態(tài)，形成30nm的染色體纖維組蛋白H1確定核小體的邊界核小體的分布1.8~114bp的連接序列；2.序列特異性的DNA結(jié)合蛋白質(zhì)結(jié)合裸露的DNA序列。DNaseIDNaseI與DNA雙螺旋的小溝結(jié)合，并切斷磷脂鍵；DNaseFootprinting當(dāng)有組蛋白與DNA結(jié)合之后，可觀察到不能被切割的部分Naked&nucleosomalDNATranscriptionfactorfootprintDNA組裝到核小體上能夠阻止DNaseI的切割DNaseI切割：平均間隔~10bpQuesion1：組蛋白和DNA序列的結(jié)合有無規(guī)律？

Answer：StructureofNucleosome核心組蛋白H1組蛋白其他組蛋白核心組蛋白H1組蛋白核心組蛋白Question2：Howistheinteractionbetweenhistone&DNAOK,每146bpDNA和組蛋白包裹形成核小體。對一給定DNA片段，從哪里開始包裹組蛋白？基因組上的一段DNA是隨機(jī)的分布在核小體的任何位置？還是特定位置？核小體定位：NucleosomepositioningRandom？核小體定位：NucleosomepositioningRegulated？InvivoResults：定位不是隨機(jī)的，存在內(nèi)在定位機(jī)制優(yōu)先裝配的核小體內(nèi)在定位機(jī)制：定位信號(hào)（AA,AAA，（CA）n，（GC）n外在定位機(jī)制：在優(yōu)先核小體裝配后，以確定長度特性重復(fù)出現(xiàn)G∶CcontentisanessentialdeterminantSection2：

HistoneModification組蛋白與核小體Histonevariants組蛋白修飾組蛋白修飾(2)主要的功能基團(tuán)AcetylMethylPhosphorylUbiquitin組蛋白修飾的功能基因轉(zhuǎn)錄、DNA損傷修復(fù)、DNA復(fù)制、染色體凝聚等修飾類型一、組蛋白的乙?；?、組蛋白的甲基化三、組蛋白的磷酸化四、組蛋白的泛素化五、組蛋白的SUMO化六、組蛋白密碼Section3、Chromatinremodeling染色質(zhì)重塑ChromatinRemodeling：遺傳信息表達(dá)、復(fù)制和重組過程中，染色質(zhì)的包裝狀態(tài)，核小體中的組蛋白以及對應(yīng)的DNA分子會(huì)發(fā)生改變的一種現(xiàn)象。組蛋白的乙酰轉(zhuǎn)移酶的結(jié)合活化相應(yīng)區(qū)域去凝聚狀態(tài)的染色質(zhì)活性染色質(zhì)的產(chǎn)生組蛋白乙?；溉旧|(zhì)重塑復(fù)合物組蛋白去乙?；溉旧|(zhì)重塑復(fù)合物1.兩類酶調(diào)控染色質(zhì)重塑的過程：組蛋白修飾因子(histonemodifiers)以及ATP依賴的染色質(zhì)重塑因子(chromatinremodelers)2.histonemodifiers并不改變核小體的位置，而是在組蛋白上作標(biāo)記，以招募其他的活性成分(組蛋白密碼)3.chromatinremodelers：水解ATP釋放能量，從而改變?nèi)旧|(zhì)的結(jié)構(gòu)染色體重塑的當(dāng)前認(rèn)識(shí)：染色質(zhì)重塑因子核小體染色質(zhì)重塑因子與核小體的相互作用細(xì)胞中存在著各種不同的染色質(zhì)重塑因子復(fù)合物：激活或者沉默基因的表達(dá)染色質(zhì)重塑因子(Chromatinremodelingfactors)，ATPase,按照蛋白質(zhì)功能結(jié)構(gòu)域的組成分類：SWI2/SNF2ATPaseSUPERFAMILYSWI2/SNF2subfamilyISWIsubfamilyCHD/Mi2subfamilyIno80subfamilyATPaseBROMOATPaseSANTATPaseDNAbindingCHROMOATPaseATPaseSANTSWI3ADA2N-CoRTFIIIBBROMOfromDrosophila:BrahmaSWI/SNFSWI/SNF復(fù)合物中的功能結(jié)構(gòu)域RecognizesacetylatedlysinesinhistonetailsBindsDNA(sequencedependantORindependent)BindsDNA(sequencedependantORindependent)BindsDNAANDproteinBindsDNAandmaybealsohistonetailsdunnowhat’sthisdoinginthenucleus???ISWI復(fù)合物ChromatinaccessibilitycomplexNucleosomeRemodelingFactorATP-dependentchromatinassemblyandremodelingfactorNucleolarremodelingcomplex

異染色質(zhì)的復(fù)制rDNA的抑制同源異型基因的轉(zhuǎn)錄有絲分裂期間保證姐妹染色體之間的連接ISWI復(fù)合物ISWI分離間期在核內(nèi)的定位ISWI與RNAPolII幾乎不重疊ISWI可能與染色質(zhì)的沉默有關(guān)Deuringetal.(2000)Mol.Cell5:355總結(jié):SWI/SNF&ISWI1.主要的兩類ATPases并構(gòu)成大的復(fù)合物，形成染色質(zhì)重塑復(fù)合物2.利用ATP的能量將核小體DNA重塑3.SWI/SNF亞家族的成員通常與活化的染色質(zhì)相關(guān)聯(lián)，也可以與沉默的相關(guān)4.ISWI亞家族與沉默的染色質(zhì)相關(guān)，也可以起活化功能5.染色質(zhì)重塑因子vs.染色質(zhì)修飾因子關(guān)鍵：染色質(zhì)重塑因子定位到核小體甲基化介導(dǎo):SWI/SNF通過識(shí)別染色體的CpG的甲基化狀態(tài)，使得染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)重塑；Histoneassociation：組蛋白修飾后引來SWI/SNF，進(jìn)而重塑。PolIIassociation:一部分的SWI/SNF通過RNApolII的作用連接到特定的核小體上；Targetingbytranscriptionfactors:SWI/SNF通過轉(zhuǎn)錄因子的介導(dǎo)定位到特定位置上。CRM：chromatinremodelingmachinesa.DNA結(jié)合蛋白的介導(dǎo)b.甲基化DNA的介導(dǎo)c.骨架actin的介導(dǎo)d.乙酰化組蛋白的介導(dǎo)幾種模型染色質(zhì)重塑的幾種模式A、滑動(dòng)；B、重建；C、分離；D、置換滑動(dòng)和重建基因表達(dá)、DNA復(fù)制等核小體上的DNA序列疏松，使得DNA結(jié)合蛋白能夠與DNA結(jié)合LoopingHowepigeneticsisgenetics遺傳信息是如何遺傳的（傳遞給子代的？1.DNA的半保留復(fù)制表觀遺傳信息又是如何遺傳的？1.H3-H4的半保留分配2.窗口學(xué)說先復(fù)制高轉(zhuǎn)錄活性區(qū)域，再復(fù)制異染色質(zhì)保持低轉(zhuǎn)錄活性，不同復(fù)制窗口不一樣。A.DNA復(fù)制合成過程中，父代的組蛋白拆分成四聚體，通過CAF-1填補(bǔ)另外一半B.DNA復(fù)制合成過程中，父代的組蛋白隨機(jī)的嵌入新合成的DNA中，新合成的組蛋白隨后補(bǔ)充空位染色質(zhì)狀態(tài)的遺傳染色質(zhì)狀態(tài)的遺傳1.H3.3替代H3的過程見于活性染色質(zhì)；(Howtokeepthisinthedaughter?)2.DNA復(fù)制后，填入新的H3，使得活化的染色質(zhì)僅占原先的一半。3.復(fù)制后，存在的那部分H3.3再啟動(dòng)替代H3的過程，最終達(dá)到親代染色質(zhì)相似的活性狀態(tài)Whyisnucleosomepositioningimportant1.nucleosomepositioning附近提示TF（啟動(dòng)子）2.表達(dá)的基因，轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近缺少N.P.3.正確的定位是DNA正確包裝的條件Andmorecomplex區(qū)室化細(xì)胞的膜區(qū)室化核區(qū)室化染色質(zhì)的區(qū)室化——隔離子（Insulator）——核基質(zhì)附著區(qū)（MAR）

區(qū)室化的機(jī)制：CTCF與隔離子開放染色質(zhì)結(jié)構(gòu)：概念與意義Extendednucleosomalarray30nmfiberConstitutiveheterochromatin兼性異染色質(zhì)常染色質(zhì)組成異染色質(zhì)開關(guān)DNA元件在發(fā)揮功能時(shí)其所處染色質(zhì)需要開放染色質(zhì)存在開放和關(guān)閉狀態(tài)，DNA所處環(huán)境---染色質(zhì)的狀態(tài)影響DNA信息的表達(dá)HewishandBurgoyne,1973.200bp400bp600bp800bpOlinsandolins,1975Kornberg,1974,1975Chambon,1975Nucleosome:therepeatingunitofchromatinfiberChromatinhigherorderstructure：30nmchromatinfiberThomaetal.,JCB,1979(a)-(c)lowionicstrength,(d)-(e)moderateionicstrength,(f)-(j)highionicstrengthSalt-dependentStepwiseFoldingof30nmChromatinfiberTheimpactofchromatinstructuresontranscription開放染色質(zhì)（Openchromatin）通常情況下，基因組DNA被組蛋白包裹成核小體，處于被隱藏、不可及的沉默狀態(tài)。而在基因活化表達(dá)區(qū)域或調(diào)控區(qū)域，染色體會(huì)通過重塑或核小體丟失，使局部DNA形成松散不致密的開放染色質(zhì)(openchromatin)這種染色質(zhì)局部區(qū)域的開放與否直接影響DNA元件能否暴露在外以結(jié)合相應(yīng)調(diào)控蛋白：如RNA聚合酶等轉(zhuǎn)錄復(fù)合體（啟動(dòng)子）、相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子（增強(qiáng)子或抑制子）或CTCF等染色質(zhì)構(gòu)象蛋白（隔離子或LCR）。開放染色質(zhì)結(jié)構(gòu)：活性功能區(qū)域標(biāo)志在啟動(dòng)子區(qū)域出現(xiàn)或消失的開放染色質(zhì)，提示著基因轉(zhuǎn)錄的活化或沉默；在TSS近端順式作用元件區(qū)域出現(xiàn)或消失的開放染色質(zhì)，代表著該元件能否開放以確實(shí)和與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合；在基因荒漠區(qū)域或未知區(qū)域出現(xiàn)或消失的開放染色質(zhì)則提示該區(qū)域是一新的啟動(dòng)子或調(diào)控元件。染色質(zhì)結(jié)構(gòu)變化是表觀遺傳調(diào)控的核心EpigeneticschromatinTranscriptionHistonevariantsChromatinremodelingNon-codingRNADNAmethylationHistonemodificationsChromatintransactorsRoeder,2010干細(xì)胞編程與重編程中的表觀遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)染色質(zhì)成分及反式作用因子組蛋白變體：H2A.Z，H3.3，macroH2A組蛋白修飾：Ac，Me，Ub染色質(zhì)多梳蛋白復(fù)合物(PRC1andPRC2)，MBT，HP1，LaminA/C染色質(zhì)調(diào)節(jié)因子組蛋白分子伴侶:NAP1,FACT,NASP染色質(zhì)重塑因子:SWI/SNF,RSF,ACFDNA修飾:5mCor5hmCreprogrammingdifferentiationESCellSection4ApproachesDNA所處的環(huán)境：核小體如何檢測openchromatin？Isolationofnuclei(108cells)DNaseItreatmentEmbeddedDNAintoagaroseplugDetermineddistributionofDNAusingPFGEChooseafewDNaseIconcentrationsaccordingtodistributionInvivoEnrichedforfragmentsfromHSonastreptavidincolumnIdentifyOpenchromatin：DNaseIhypersensitivityassayInvitroLigatedbiotinylatedlinkerstoDNAfragments&sonicatedtoshearDNACrawfordGetal.NatureMethods,2006CrawfordGetal.ColdSpringHarbProtoc2010Addedsecondlinker,amplified,labeledandhybridizedtotilingmicroarray研究方法研究方法：ChromatinconformatiocaptureHagegeetal.Natureprotocols,2008研究方法：ChIP(ChromatinImmunoprecipitation)forproteinbindingSection5ApplicationsHigh-resolutionmappingandcharacterizationofopenchromatinacrossthegenome.

Cell,2008.132(2):311-22.Openchromatininpluripotencyandreprogramming.NatRevMolCellBiol

12,36-47(2011).Chd1regulatesopenchromatinandpluripotencyofembryonicstemcells.Nature460,863-868(2009).Amapofopenchromatininhumanpancreaticislets.NatGenet

42,3,255-259(2010).EpigeneticinstabilityofcytokineandtranscriptionfactorgenelociunderliesplasticityoftheThelper17celllineage.Immunity32,616–627(2010).基因組注釋重編程胚胎干細(xì)胞胰島細(xì)胞Th17細(xì)胞發(fā)育104ApplicationinmonogenicdiseaseFacioscapulohumeralmusculardystrophy(FSHD)Oneofthestrangestknownautosomaldominantdiseases.Thirdmostpopularmuscledisease.D4Z4FAM149A,CYP4V2,MTNR1AFAT1ZFP42TRIML2TRIML1FRG1FRG2TUBB4QF1F2F3C1C2C31.3-Mbgenedesert

1.8-Mbgenedesert4-Mb4q35.2

DH8,9,&10DH272DHFRG1DH20DUX4DHSinthegenedesertsof4q35.2KLKB1,F11DH11&12Xuetal,Nucl.AcidsRes,2009F1F2F3C1C2C3RepeatmaskRefseqgenes187320K187360K187440K187400KFAM149ACYP4V2KLKB1F11chr4:187,290,932-187,458,654DHsitemappinginsixmyoblastcellcultures:theproximalendof4q35.2Xuetal,Nucl.AcidsRes,2009TheremayunknowngenesnearbyortheyareLCRsfordistantgenesincisOr,theymightbestructuralelementsinchromatinButtheywerenotseeninothercelltypes,musclespecific(Crawfordetal.,unpub.)

Av.FSHDstrainsGM12878K562GM12878K562HepG2IMR90DH8DH9DH10140kbAv.controlstrainsVertebrateChicken391kbtoZFP42750kbfromFAT1Xuetal,Nucl.AcidsRes,2009DHsitewasobservedatthepromoterofFRG1inallmyoblastcellstrainsDH272:preferentiallyinFSHDrelativetocontrolmyoblastsDH272:alsoseeninothercelltypes(Crawfordet.al.)overlapsaconsensusCTCFseq.&bindsCTCFinothercelltypesCTCF:implicatedinchromatinlooping,couldbeimportanttoFSHDWehavenotyetmappedCTCFsitesinmyoblasts&aredoing4CanalysesDH272istheunexpectedDHsite272kbproximaltoD4Z4DH272FRG1Control:FSHDK562K562Verte.ChickenDHFRG125kb272kbtoD4Z4125kbtoD4Z420kbMappingopenchromatinincd28/ctl4/icoslocusregionduringTcellsactivationTheCD28superfamilySharpe,ArleneH.2002Thegenomicstructureofcd28/ctla4/icoslocusCD28：促進(jìn)免疫應(yīng)答。CTLA-4：抑制免疫應(yīng)答。ICOS：促進(jìn)免疫應(yīng)答。問題：cd28/ctla4/icos位點(diǎn)差異活化表達(dá)的基因組機(jī)制？--->1Mb基因組區(qū)域存在哪些功能元件？--->這些功能元件在活化前后的差異？GenomeAnnotation初始T細(xì)胞效應(yīng)T細(xì)胞記憶T細(xì)胞CD28+CD28+，CTLA4+,ICOS+CD28+，CTLA4+,ICOS+Mappingfunctionalelementsincd28/ctla4/icosl