表觀遺傳學(xué)課件

2025年2月7日1概述表觀遺傳學(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DNA甲基化和染色質(zhì)構(gòu)象變化等；定義：研究基因的核苷酸序列不發(fā)生改變的情況下，基因表達(dá)了可遺傳的變化的一門遺傳學(xué)分支學(xué)科。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)體的結(jié)構(gòu)和功能協(xié)調(diào)是至關(guān)重要的?；虮磉_(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的序列信息?；虮磉_(dá)模式有表觀遺傳修飾決定。2025年2月7日1表觀遺傳學(xué)12025年2月7日2概述表觀遺傳學(xué)的特點(diǎn)：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；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(lái)解釋。表觀遺傳實(shí)質(zhì)是非DNA序列差異的核遺傳。22025年2月7日2表觀遺傳學(xué)1表觀遺傳學(xué)內(nèi)容表觀遺傳的現(xiàn)象很多，已知的有DNA甲基化，基因組印記，母體效應(yīng)，基因沉默，核仁顯性，休眠轉(zhuǎn)座子激活和RNA編輯等。2025年2月7日3表觀遺傳學(xué)12025年2月7日42025年2月7日表觀遺傳學(xué)機(jī)制DNA甲基化14組蛋白修飾2染色質(zhì)重塑3RNA調(diào)控4DNA甲基化12025年2月7日4表觀遺傳學(xué)12025年2月7日5一、DNA甲基化2025年2月7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)

5S-腺苷甲硫氨酸2025年2月7日5表觀遺傳學(xué)1所謂表觀遺傳學(xué)的DNA甲基化是指在DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶的作用下，在基因組CpG二核苷酸的胞嘧啶5‘碳位共價(jià)鍵結(jié)合一個(gè)甲基基團(tuán).DNA甲基化能關(guān)閉某些基因的活性,去甲基化則誘導(dǎo)了基因的重新活化和表達(dá).DNA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X染色體中的一條X染色體上的基因。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)。2025年2月7日6表觀遺傳學(xué)12025年2月7日7一、DNA甲基化2025年2月7日75’3’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2025年2月7日7表觀遺傳學(xué)1DNA甲基化抑制轉(zhuǎn)錄活性的機(jī)制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,使DNA失去核酶和限制性內(nèi)切酶的切割位點(diǎn),以及DNA酶的敏感位點(diǎn),以及DNA酶的敏感位點(diǎn),使染色質(zhì)高度螺旋化,凝縮成團(tuán),失去轉(zhuǎn)錄活性。5位C甲基化的胞嘧啶脫氨基生成胸腺嘧啶,由此可能導(dǎo)致基因置換突變,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,就會(huì)誘發(fā)遺傳病或癌癥,而且,生物體甲基化的方式是穩(wěn)定的,可遺傳的。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)錄活性甲基化的DNA對(duì)一些專一阻遏物具有特異親和力，比如MeCP1（甲基化CpG結(jié)合蛋白）和MeCP2與CpG甲基化DNA序列結(jié)合，阻遏基因轉(zhuǎn)錄MeCP2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DNA，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)生蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用，最終控制基因表達(dá)。2025年2月7日8表觀遺傳學(xué)1DNA甲基化狀態(tài)的遺傳和保持：DNA復(fù)制后，新合成鏈在DNMT1（持續(xù)性DNA甲基轉(zhuǎn)移酶）的作用下，以舊鏈為模板進(jìn)行甲基化。甲基化并非基因沉默的原因而是基因沉默的結(jié)果，其以某種機(jī)制識(shí)別沉默基因，后進(jìn)行甲基化。DNA全新甲基化。引發(fā)因素可能包括：DNA本身的序列、成分和次級(jí)結(jié)構(gòu)。RNA根據(jù)序列同源性可能靶定的區(qū)域。特定染色質(zhì)蛋白、組蛋白修飾或相當(dāng)有序的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。2025年2月7日9表觀遺傳學(xué)1DNA甲基化生物學(xué)意義★DNA甲基化能引起染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、DNA構(gòu)象、DNA穩(wěn)定性及DNA與蛋白質(zhì)相互作用方式的改變，從而控制基因表達(dá)?！顳NA甲基化在維持正常細(xì)胞功能、遺傳印記、胚胎發(fā)育以及人類腫瘤發(fā)生中起著重要作用.特別是CpG島甲基化所致抑癌基因轉(zhuǎn)錄失活問題，DNA的甲基化的這些功能,主要是通過(guò)基因表達(dá)抑制來(lái)實(shí)現(xiàn).DNA甲基化已經(jīng)成為表觀遺傳學(xué)和表觀基因組學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。2025年2月7日10表觀遺傳學(xué)1二、組蛋白修飾組蛋白修飾種類甲基化--發(fā)生在H3、H4的Lys和Arg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。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。磷酸化--發(fā)生在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2025年2月7日11表觀遺傳學(xué)1組蛋白甲基化多發(fā)生于H3、H4的賴氨酸和精氨酸殘基上

如：H3K4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)區(qū)基因阻遏果蠅：SUV39特異地甲基化H3K9，導(dǎo)致HP1的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)域與甲基化的H3K9結(jié)合，從而導(dǎo)致異染色質(zhì)沉默。2025年2月7日12表觀遺傳學(xué)1DNA甲基化和組蛋白甲基化的聯(lián)系二者可以聯(lián)合作用以建立一種長(zhǎng)期的沉默，并且可通過(guò)DNA復(fù)制傳遞下去組蛋白甲基化與DNA甲基化在功能上相偶聯(lián)組蛋白（H3K9)的甲基化是指導(dǎo)DNA的甲基化的一個(gè)常規(guī)信號(hào)（因?yàn)镈NA甲基轉(zhuǎn)移酶并不具有DNA序列特異性）2025年2月7日13表觀遺傳學(xué)1相互作用模型MeCP（甲基化CpG結(jié)合蛋白）募集HDAC（組蛋白去乙?；福M蛋白尾端去乙?；菇M蛋白尾端適合作為甲基化的底物2025年2月7日14表觀遺傳學(xué)1組蛋白乙酰化多發(fā)生于核心組蛋白N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DNA與組蛋白的相互作用。復(fù)制過(guò)程中，組蛋白更易與新核結(jié)合。轉(zhuǎn)錄過(guò)程中，核心組蛋白從DNA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。2025年2月7日15表觀遺傳學(xué)1組蛋白低乙?；龠M(jìn)DNA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，如MeCP2或MBD（DNA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?；瘡?fù)合物上。DNMT1（DNA甲基轉(zhuǎn)移酶）與HDAC（組蛋白去乙?；福┫嗷プ饔?，可加速?gòu)?fù)制叉處組蛋白的去乙酰化，同時(shí)維持5mC表觀標(biāo)志，加強(qiáng)沉默染色質(zhì)的遺傳。2025年2月7日16表觀遺傳學(xué)1DNA甲基化與組蛋白修飾的關(guān)系總體上說(shuō)，組蛋白高度乙?；浅Ｈ旧|(zhì)和基因轉(zhuǎn)錄活性標(biāo)志；在異染色質(zhì)中組蛋白都處于低乙?；癄顟B(tài)；組蛋白甲基化與DNA甲基化相互影響促進(jìn)異染色質(zhì)的形成。2025年2月7日17表觀遺傳學(xué)1四、RNA調(diào)控RNA干擾（RNAi）是生物體內(nèi)的一種通過(guò)雙鏈RNA分子在mRNA水平上誘導(dǎo)特異性序列基因沉默的過(guò)程。由于RNAi發(fā)生在轉(zhuǎn)錄后水平，所以又稱為轉(zhuǎn)錄后基因沉默（post-transcriptionalgenesilencing,PTGS）。RNA干擾是一種重要而普遍表觀遺傳的現(xiàn)象。2025年2月7日18表觀遺傳學(xué)12025年2月7日19五、其他表觀遺傳機(jī)制基因組印跡、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?；蚪M印跡特點(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(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。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?；蚪M印跡的機(jī)制:配子在形成過(guò)程中，DNA產(chǎn)生的甲基化、核組蛋白產(chǎn)生的乙酰化、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。2025年2月7日19表觀遺傳學(xué)1基因組印跡由正反交實(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(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。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。2025年2月7日20表觀遺傳學(xué)1X染色體失活X染色體的甲基化與失活雌性哺乳動(dòng)物體細(xì)胞內(nèi)Barr小體系胚胎早期兩X染色體之一發(fā)生隨機(jī)失活.X染色體上有一序列Xist(X-chromosomeinactivationspecialtranscript)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X染色體失活的關(guān)鍵元素，Xist甲基化使X染色體保持活性,去甲基化則轉(zhuǎn)錄出XistRNA，與Xic(X-chromosomeinactivationcenter)即X失活中心作用使其易與蛋白因子結(jié)合而表達(dá),使得與其相連的X染色體上的基因失活。XistX染色體X染色體甲基化、不轉(zhuǎn)錄活性去甲基化、活性去甲基化、轉(zhuǎn)錄失活甲基化、失活2025年2月7日21表觀遺傳學(xué)12025年2月7日22X染色體失活X染色體失活過(guò)程模式圖2025年2月7日22表觀遺傳學(xué)12025年2月7日23X染色體失活失活X染色體即為巴氏小體。失活X染色體特點(diǎn)：組蛋白H4不被乙酰化CpG島的高度甲基化巴氏小體2025年2月7日23表觀遺傳學(xué)1表觀遺傳學(xué)的意義

表觀遺傳學(xué)已成為生命科學(xué)中普遍關(guān)注的前沿，在功能基因組時(shí)代尤其如此。它是生命科學(xué)中一個(gè)普遍而又十分重要的新的研究領(lǐng)域。它不僅對(duì)基因表達(dá)、調(diào)控、遺傳有