表观遗传学_课件

*表 观 遗 传 学（ epigenetics）沈建英* 2发 展 历 史v1939年， Waddington CH 首先在 现代遗传学导论 中提出了 epihenetics这一术语。v1942年定义为生物学的分支，研究基因与决定表型的基因产物之间的因果关系。v1975年， Hollidy R 对表观遗传学进行了较为准确的描述。v1996年 James G Herman 和 Stephen B Baylin 发明 MSP技术，并发现肿瘤细胞中抑癌基因启动子区CpG呈高甲基化状态。* 3概 述v表观遗传学 ：l可遗传的，即这类改变通过有丝分裂或减数分裂，能在细胞或个体世代间遗传；l可逆性的基因表达调节，也有较少的学者描述为基因活性或功能的改变；l没有 DNA序列的改变或不能用 DNA序列变化来解释。v三个层面调控基因表达：lDNA修饰 ： DNA共价结合一个修饰基团，使具有相同序列的等位基因处于不同的修饰状态。l蛋白修饰：通过对特殊蛋白修饰或改变蛋白的构象实现对基因表达的调控。l非编码 RNA调控：通过某些机制实现对基因转录的调控，如 RNA干扰。v意义：l任何一个层面异常，都将影响染色质结构和基因表达，导致复杂综合征、多因素疾病以及癌症。和 DNA序列改变不同的是，许多表观遗传的改变是可逆的，这就为疾病的治疗提供乐观的前景。概 述* 5概 述v表观遗传学的研究内容：l基因转录后的调控u基因组中非编码 RNAu微小 RNA（ miRNA）u反义 RNAu内含子、核糖开关等l基因选择性转录表达的调控uDNA甲基化u组蛋白共价修饰u染色质重塑u基因印记uX染色体失活* 6概 述遗传与表观遗传* 7概 述基因组与表观基因组经组织归类的信息* 8表观遗传学机制DNA 甲基化1组蛋白修饰2染色质重塑3RNA 调 控4DNA 甲基化1以基因型为 a/a的母鼠及其孕育的基因型为AVY/a的仔鼠作实验对象。孕鼠分为两组，试验组孕鼠除喂以标准饲料外，从受孕前两周起还增加富含甲基的叶酸、乙酰胆碱等补充饲料，而对照组孕鼠只喂饲标准饲料。结果结果 试验组 孕鼠产下的仔鼠大多数在身体的不同部位出现了大小不等的棕孕鼠产下的仔鼠大多数在身体的不同部位出现了大小不等的棕色斑块，甚至出现了以棕褐色为主要毛色的小鼠。而对照组孕鼠的仔鼠大多数色斑块，甚至出现了以棕褐色为主要毛色的小鼠。而对照组孕鼠的仔鼠大多数为黄色。分析表明喂以富甲基饲料的孕鼠所产仔鼠的为黄色。分析表明喂以富甲基饲料的孕鼠所产仔鼠的 IAP所含所含 CpG岛的甲基化平岛的甲基化平均水平远高于对照组，转录调控区的高甲基化使原该呈异位表达的基因趋于沉均水平远高于对照组，转录调控区的高甲基化使原该呈异位表达的基因趋于沉默，毛色也趋于棕褐色。默，毛色也趋于棕褐色。 一、 DNA甲基化* 10一、 DNA甲基化v哺乳动物基因组中 5mC占胞嘧啶总量的 2%-7%，约 70%的 5mC存在于 CpG二连核苷。v在结构基因的 5 端调控区域 , CpG二连核苷常常以成簇串联形式排列，这种富含 CpG二连核苷的区域称为 CpG岛 (CpG islands)，其大小为 500-1000bp，约 56%的编码基因含该结构。v基因调控元件 (如启动子 )所含 CpG岛中的 5mC会阻碍转录因子复合体与 DNA的结合。lDNA甲基化一般与基因沉默相关联；l非甲基化一般与基因的活化相关联 ；l而去甲基化往往与一个沉默基因的重新激活相关联 。* 11一、 DNA甲基化5 3vCpG岛主要处于基因 5 端调控区域。v启动子区域的 CpG岛一般是非甲基化状态的，其非甲基化状态对相关基因的转录是必须的。v目前认为基因调控元件（如启动子）的 CpG岛中发生 5mC修饰会在空间上阻碍转录因子复合物与 DNA的结合。因而DNA甲基化一般与基因沉默相关联。Rb基因基因CpG频率频率* 12一、 DNA甲基化DNA甲基化 (DNA methylation)是研究得最清楚、 也是最重要的表 观遗传 修 饰 形式，主要是基因 组 DNA上的胞 嘧啶 第 5位碳原子和甲基 间 的共价 结 合，胞 嘧啶 由此被修 饰为 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应 S-腺苷甲硫氨酸* 15二、组蛋白修饰* 16二、组蛋白修饰* 17二、组蛋白修饰Bryan M. Turner, nature cell biology, 2007v组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型被称为组蛋白密码（ histone code），遗传密码的表观遗传学延伸，决定了基因表达调控的状态，并且可遗传。* 18二、组蛋白修饰v组蛋白修饰是表观遗传研究的重要内容。v组蛋白的 N端是不稳定的、无一定组织的亚单位 ，其延伸至核小体以外，会受到不同的化学修饰，这种修饰往往与基因的表达调控密切相关。v被组蛋白覆盖的基因如果要表达，首先要改变组蛋白的修饰状态，使其与 DNA的结合由紧变松，这样靶基因才能与转录复合物相互作用。因此，组蛋白是重要的染色体结构维持单元和基因表达的负控制因子。* 19二、组蛋白修饰v组蛋白修饰种类l乙酰化 - 一般与活化的染色质构型相关联，乙酰化修饰大多发生在 H3、 H4的 Lys 残基上。l甲基化 - 发生在 H3、 H4的 Lys 和 Asp 残基上，可以与基因抑制有关，也可以与基因的激活相关，这往往取决于被修饰的位置和程度。l磷酸化 - 发生与 Ser 残基，一般与基因活化相关。l泛素化 - 一般是 C端 Lys修饰，启动基因表达。lSUMO（一种类泛素蛋白）化 - 可稳定异染色质。l其他修饰* 20DNA甲基化与组蛋白去乙酰化乙酰化酶基因突变导致基因不能表达：Rubinstein Taybi综 合征、 肿 瘤、 急性进行性髓性白血病。去乙酰化酶相关基因的突变导致错误募集去乙酰化酶： Rett综合征、急性早幼粒细胞性白血病，急性淋巴细胞性白血病和非何杰金氏淋巴瘤的治疗。* 21三、染色质重塑核小体* 22三、染色质重塑v染色质重塑（ chromatin remodeling）是一个重要的表观遗传学机制。v染色质重塑是由染色质重塑复合物介导的一系列以染色质上核小体变化为基本特征的生物学过程。v组蛋白尾巴的化学修饰（乙酰化、甲基化及磷酸化等）可以改变染色质结构，从而影响邻近基因的活性。* 23三、染色质重塑染色质修饰与重塑（共价修饰型与 ATP依赖型）v染色质重塑复合物、组蛋白修饰酶的突变均和转录调控、 DNA甲基化、 DNA重组、细胞周期、DNA的复制和修复的反常相干 ,这些反常可以引起生长发育反常 ,智力发育缓慢 ,乃至导致癌症。 v依赖 ATP的物理修饰主要是使用 ATP水注解放的能量 ,使 DNA超螺旋旋矩和旋相产生转变 ,使转录因子更易靠近并连合核小体 DNA,从而调控基因的转录进程。三、染色质重塑* 25三、染色质重塑（ A）结合（ B）松链（ C）重塑八聚体转移 八聚体滑动+ ATP重塑复合物ATP依赖的染色质重构机制染色质重塑复合物：依靠水解 ATP提供能量来完成染色质结构的改变，根据水解 ATP的亚基不同，可将复合物分为SWI/SNF复合物、 ISW复合物等，这些复合物及相关蛋白均与转录激活和抑制、 DNA甲基化、 DNA修复及细胞周期相关 。* 26v染色 质 重塑与人 类 疾病（ ATRX、 ERCC6、 SMARCAL1编码与 SWI/SNF复合物相关的ATP酶）lX连锁 - 地中海贫血综合征、 Juerg Marisidi综合征、 Carpenter-Waziri综合征、 Sutherland-Haan综合征和 Smith-Fineman-Myers综合征： ATRX突变引起 DNA甲基化异常。核小体重新定位的异常引起基因表达抑制。lSkeletal综合征和 B型 Cockayne综合征： ERCC6（在 DNA修复中起重要作用）突变。lSchimke免疫性骨质发育异常： SMARCAL1（调控细胞增殖相关基因的表达） l肿瘤： BRG1、 SMARCB1和 BRM编码与 SWI/SNF复合物特异的 ATP酶（改变染色质结构）三、染色质重塑四、 RNA调控* 28四、 RNA 调控siRNAvsiRNA结构： 21-23nt的双链结构，序列与靶mRNA有同源性，双链两端各有 2个突出非配对的3碱基。vsiRNA功能：是 RNAi 作用的重要组分，