表观遗传学ppt课件

第六章 表观遗传学 （epigenetics ） 1 1 xx 马骡驴骡 骡子更象谁？ 2 2 表观遗传学 主要内容： 第一节 表观遗传概述 第二节 表观遗传调控机制 第三节 表观遗传研究的应用 3 3 第一节 表观遗传概述 一、表观遗传现象 分子生物学的中心法则 （entral dogma） 碱基序列（基因）决定性状，序列改变，引起性状的改变。 4 4 影响基因表达的遗传变异因素 l基因突变（错义突变） l基因缺失/倍增 l染色体结构及数目变异 问题： 基因表达的变化（或性状的变化）一定是 DNA序列变异的结果吗？ 5 5 BUT “Some authors use the term “variation” in a technical sense, as implying a modification directly due to the physical conditions of life; and “variations” in this sense are supposed not to be inherited; but who can say that the dwarfed condition of shells in the brackish waters of the Baltic, or dwarfed plants on Alpine summits, or the thicker fur of an animal from far northwards, would not in some cases be inherited for at least a few generations (Darwin, 1859)?” Lamarck was the first man whose conclusions on the subject excited much attention. This justly celebrated naturalist first published his views in 1801. . . he first did the eminent service of arousing attention to the probability of all changes in the organic, as well as in the inorganic world, being the result of law, and not of miraculous interposition.（ Darwin, 1861） 6 6 Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829) 获得性遗传（ Inheritance of acquired characteristics） 7 7 问题 环境的作用能否改变个体的遗传 特性，并传递给下一代? 这种被称为“拉马克学说”(Lamarckism) 的 观点一直被正统的生物学家拒之门外。 8 8 u一种结论：个体在发育和生长过程中获得的环境 影响，被遗传给了后代。 什么决定基因？大自然(环境)如此丰富多彩、如 此变化不停，很难想象，对于一个开放的复杂生 命系统，不会打上它的烙印。 u瑞典一个科学家小组的研究: 对于生于1890- 1920年的瑞典男人的孙辈而言，如果其祖父在青 少年期间吃得很好， 那么孙辈因糖尿病而死亡 的概率就很高；如果其祖父是在饥饿中长大的 那么孙辈死于心脏病的机会就很少。也就是说， 祖父辈的饮食状态影响到了孙辈的健康状态。 9 9 1010 人类同卵双生的孪生子： 具有完全相同的基因组，在同样的环境下成长， 俩人的气质和体质应该非常相似。 实际情形： 一些孪生子的情况并不符合预期的理论。往往在 长大成人后出现性格、健康方面的很大差异。这 种反常现象长期困扰着遗传学家。 现在科学家们发现：可以在不影响DNA序列的情况 下改变基因组的修饰这种改变不仅可以影响个 体的发育，而且还可以遗传下去。 1111 Science 7 April 2000:Vol. 288. no. 5463, p. 38 Was Lamarck Just a Little Bit Right? Michael Balter Although Jean-Baptiste Lamarck is remembered mostly for the discredited theory that acquired traits can be passed down to offspring, new findings in the field of epigeneticsepigenetics, the study of changes in genetic expression that are not linked to alterations in DNA sequences, are returning his name to the scientific literature. Although these new findings do not support Lamarcks overall concept, they raise the possibility that “epimutations,“ as they are called, could play a role in evolution. 1212 Epigenetics comes of age “The major problem, I think, is chromatin you can inherit something beyond the DNA sequence. Thats where the real excitement of genetics is now” (Watson, 2003). 1313 n概念：指基因的DNA序列不发生改变的情况 下，基因的表达水平与功能发生改变，并产 生可遗传表型的遗传学分支学科。 nEpigenetics is the study of stable genetic modifications that result in changes in gene expression and function without a corresponding alteration in DNA sequence. 表观遗传学 表观基因组 The epigenome is a catalog of the epigenetic modifications that occur in the genome. 1414 特征: n 可遗传； n 可逆性； n DNA不变 表观遗传学 1515 基因表达模式 相同的基因型不同的表型 一个多细胞生物机体的不同类型细胞 1616 基因表达模式 ( gene expression pattern ) 决定细胞类型的不是基因本身，而是基因表达模 式，通过细胞分裂来传递和稳定地维持具有组织 和细胞特异性的基因表达模式对于整个机体的结 构和功能协调是至关重要的。 基因表达模式在细胞世代之间的可遗传性并不依 赖细胞内DNA的序列信息。 1717 基因表达模式的信息标记 表观遗传修饰 (epigenetic modification) DNA分子的特定碱基的结构修饰 (如胞嘧啶的甲基化) 染色质构型重塑 (chromatinremodeling) (如组蛋白的构型变化) 1818 二、表观遗传学的发展历史 u1941年，Hermann J. Muller发现Position effect variegation (PEV) 第一种表观遗传 学现象。 u1942年，Waddington提出现代Epigenetics的 概念，认为基因型通过一些“偶然的、不确定的 机制”决定了不同的表型。 u1958年，R.A.Brink发现paramutation现象。 u1961年，Mary Lyon发现X染色体失活现象。 u1983年，DNA甲基化的发现。 1919 2020 2121 2222 副突变（paramutation） 是指一个等位基因可以使其同源基因的转录 产生稳定可遗传变化。也就是基因或DNA 本身没有变化，属于一种后天的改变。即具 有同一位点的两个等位基因之间的相互作用 ，它导致其中一个等位基因发生一个可遗传 的变化。 2323 Paramutatio nn一个沉默的基因常常导致等位基因也发生沉默 nmaize P-rr gene：Myb 转录因子 2424 Paramutation n原因一：染色体发生交联，使得等位基因受到 影响； 2525 Paramutation n原因二 ：RNA参与调控 2626 X-chromosome inactivation n雌性的一条X染色体完全失去活性 Rainbow Copy Cat Allie X染色体失活 2727 DNA甲基化 SAH, S-adenosylhomocysteine; SAM, S- adenosylmethionine 2828 u近年来，现代分子生物学认为细胞中信息的表达受 两种因素控制：一种是传统意义上的遗传调控，另 一种是表观遗传调控何时、何地、以何种方式去 应用遗传信息的指令。 u2003 年10月正式宣布开始投资和实施人类表观基 因组计划（HGP）。 u表观遗传学（epigentics）被认为是遗传学领域中 探讨基因型与表现型之间相互关系的一个新的研究 方向。 2929 3030 n 人类基因组：22，000个基因vs. 100,000个蛋白 质可变剪切(Alternative Splicing) 三、人类表观遗传学及表观基因组研究 3131 全球最大表观遗传学项目启动 2010/09/07 南都讯 记者刘凡 通讯员王静思 昨日，深圳华大基因研 究院与伦敦国王学院的知名双胞胎研究团队TwinsUK共同 发起一项专门针对双胞胎的遗传学项目Epitwin。该 项目为目前全球最大的表观遗传学项目，将对全球5000对 双胞胎进行深入研究。 据介绍，这个项目计划对双胞胎中的基因进行分别研 究，并且在同卵双胞胎间进行比较。与以往研究不同的是， 此次研究不是寻找相似之处，而是寻找那些能够解释为什么 同卵双胞胎不得同样疾病的差异。这个项目首先将以肥胖、 糖尿病、过敏反应、心脏病、骨质疏松症和长寿等为主要研 究对象，但研究方法可应用于各种常见性状和疾病。 3232 n人类表观基因组和疾病联合会 于2003 年10月正式宣布开 始投资和实施旨在解析人类全 基因组中表观遗传信息及其与 疾病状态相关的特定表观遗传 修饰的人类表观基因组计划 (Human Epigenome Project , HEP) 。 nHEP 的提出和实施，标志着 与人类发育和肿瘤疾病密切相 关的表观遗传学 (epigenetic) 和表观基因组 (epigenome) 研究跨上了一 个新的台阶。 3333 Epigenetic changes have been associated with disease, but further progress requires the development of better methods to detect the modifications and a clearer understanding of factors that drive these changes. 192 million USD for 5 years ( 2008 to 2012) The international AHEAD scientific committee will discuss the issue of the global collaborative efforts in light of the recent launch of NIH routemap Epigenetics program AHEAD(人类表观基因组与疾病联合会） （Alliance for the Human Epigenome and Disease）计划. NIH-National Institutes of Health(美国) 3434 3535 12.5 M euro 2004-2009 3636 1.7 M euro 2005-2008 3737 10.9 M euro 2005-20103838 12 M euro 2005-2010 3939 3.5 M euro 2006-2009 4040 12 M euro 2006-2010 4141 第二节 表观遗传修饰机制 nDNA甲基化 n染色质重塑 nX染色体失活 n基因组印迹 n基因表达重新编程 nRNA编辑与RNA干扰（略） 4242 （一）DNA 甲基化 pDNA甲基化(DNA methylation)是研究得 最清楚、 最重要的表观遗传修饰形式。 pDNA 甲基化指在DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase，Dnmt)的作用下，以s- 腺苷甲硫氨酸(sAM)为甲基供体，将甲基基 团转移到胞嘧啶第5位碳原子上。 p甲基化的胞嘧啶多位于CpG岛上。 4343 Whats DNA methylation? C5-methyl-cytosine CH3 O NH2 1 2 3 4 5 6 cytosine DNA methyltransferase DNMT CG m O NH2 1 2 3 4 5 6 4444 CpG岛 结构基因5端 4545 4646 DNA甲基化的特点 n不改变DNA的碱基配对特性 n不改变DNA的编码属性 n增加额外的信息 n体细胞可遗传 4747 维持甲基化（maintenance methylation) DNMT1 DNADNA甲基化的遗传机制甲基化的遗传机制 忠实度：9598% DNA 双链 4848 DNMT3 从头甲基化 （de novo methylation) DNA 双链 4949 DNA甲基化导致基因 沉默 基因之“锁” 沉默 启动子区 转录 永固牌 5050 锁定“自私”基因 反转座子反转座子反转座子反转座子 永固牌 5151 干扰转录因子结合 TF TF 转录 沉默 DNA甲基化导致基因沉默的机制 5252 （二）染色质重塑（ Chromatin remodeling） n组成核小体的组蛋白可以被多种化学加合物 所修饰，如磷酸化、乙酰化和甲基化等，组 蛋白的这类结构修饰可使染色质的构型发生 改变，称为染色质重塑。 n组蛋白的乙酰化一般与常染色质构型 (euchromatin)和基因活化相关联。 n组蛋白的去乙酰化和甲基化则与浓缩的异染 色质(hetero-chromatin)构型和基因表达 受抑相关联。 5353 染色质重塑过程涉到及几个酶， 包括： n DNA甲基转移酶(DNMT) n 甲基胞嘧啶结合蛋白（MBD） n 组蛋白去乙酰化酶(HDAC) n 组蛋白甲基化酶（HMT） 5454 染色质重塑 异染色质形成 AC 转录 Pol II HMT AC AC AC AC AC AC M M M M MBD MBD MBD MBD甲基化酶 甲基化酶 HDAC HDAC HDAC HDAC HM HMT HMT 疏松开放致密封闭 MBD: methyl-C binding protein，甲基C结合蛋白 HDAC: histone deactyltransferase, 组蛋白去乙酰化酶HMT: histone methyltransferase 组蛋白甲基化酶 AC: actyl group, 乙酰基 5555 （三）X染色体失活 n雌性哺乳动物细胞中的两条X染色体中会 有一条发生随机失活。 nX染色体的Xq13.3区段有一个X失活中心(X -inaction center，Xic)，存在着X染色 体失活相关的特异性转录基因Xist，这个 基因转录一段17kb不翻译的RNA与X 染 色体结合，引发失活。失活从Xic区段开 始启动，然后扩展到整条染色体。 5656 X染色体失活 （X-chromosome inactivation） XXXY XY XX Barr body 5757 X 染色体的失活状态需要表观遗传修饰 如DNA 甲基化来维持。 X染色体 失活特点 组蛋白H4不 被乙酰化 CpG岛的高 度甲基化 5858 X染色体失活障碍引发疾病 Wiskott-Aldrich Syndrome 免疫缺陷性疾病 Puck JM, et al. N Engl J Med. 1998 5959 （四）基因组印迹 二倍体细胞中来自某一亲本的等位基 因或它所在染色体发生了表观遗传修 饰，导致不同亲本来源的两个等位基 因只有一个可以表达，另一个因甲基 化而沉默。 6060 基因组印迹是两个亲本等位基因的差异性甲基化 型造成了一个亲本等位基因的沉默，另一个亲本 等位基因保持单等位基因活性(monoallelic activity)。 B AA B 表达沉默 表达沉默 6161 马骡（马驴）驴骡（驴马） 6262 不同亲本来源的印迹基因的DNA甲基化型都 是在生殖细胞成熟过程中建立的。 原始性细胞（2n ） 配子（n ） 合子（2n ） 6363 n基因组印迹是性细胞系的一种表观遗传修 饰，这种修饰有一整套分布于染色体不同 部位的印迹中心来协调，印迹中心直接介 导了印迹标记的建立及其在发育全过程中 的维持和传递，并导致以亲本来源特异性 方式优先表达两个亲本等位基因中的一个 ，而使另一个沉默。 n研究表明，在哺乳动物中相当数量的印迹 基因是与胎儿的生长发育和胎盘的功能密 切相关的。 6464 （五）基因表达重新编程（五）基因表达重新编程 n同一生物体中，由于基因表达模式的 不同，造成具有相同基因组的细胞执 行的功能也各不相同。 n与组织和细胞特异性相关的基因表达 模式的建立和细胞信息的维持，必需 是可以通过细胞分裂而遗传的， 同 时也应该具备被删除和重建的潜在可 能性。 6565 “多莉”的诞生证明：一个来自成年的哺乳动物 的高度分化的体细胞仍然保持发育成为完整个 体的能力，也就是说细胞的分化并没有造成不 可逆的遗传物质修饰。 6666 n已径完全分化的细胞，其基因组在特 定条件下经过表观遗传修饰重建，可 以为胚胎发育中的基因表达重新编程 (reprogramming)并赋予发育全能性 。 n胚胎发育中表观基因组重新编程的差 误将会导致多种表观遗传缺陷性疾病 。 基因表达重新编程 6767 发育过程中表观基因组的重编程 表 观 基 因 组 原始性细胞 (2n) 胚胎组织成熟性细胞 受精卵 精子分化 卵子分化 早期原始生殖细胞的表观遗传修饰(包括基因组印迹)会被删除。在 生殖细胞发生与成熟过程中表观遗传标记重新建立。受精后会进行 除印迹基因(由黑色虚线表示)以外的表观遗传修饰的删除与重建， 重建后的表观基因组在组织特异性定型后被稳定地维持。 6868 辅助生育是在配子生成和胚胎发育早期干预 了生殖，而这个时期正是表观遗传编程获得 和维持的关键时期，因此： n核移植克隆成功率极低的原因是由于基因 组表观遗传状态重新编程的失败。 n辅助生育是在配子生成和胚胎发育早期干 预了生殖，而这个时期正是表观遗传编程 获得和维持的关键时期。 n试管婴儿会出现遗传缺陷增高的现象，有 必要对经辅助生育技术孕育的孩子作表观 遗传学监测。 6969 第三节第三节 表观遗传研究的应用表观遗传研究的应用 （一）表观遗传与肿瘤（一）表观遗传与肿瘤 1 1、DNADNA甲基化甲基化整体与局部的悖论 l癌基因组整体甲基化水平降低 Global hypomethylation l抑癌基因特异性过度甲基化 gene specific hypermethylation 7070 整体甲基化不足 在肿瘤发生中的作 用 Holm TM, et al. Cancer Cell. 2005Sakatani T, et al. Science. 2005 染色体稳定性降低 基因印迹丢失 癌基因激活 7171 基因特异性DNA过度甲基 化 （hypermethylation) Feinberg AP, et al. Nat Rev Genet. 2006 被上锁的抑癌基因 抑癌基因沉默 7272 2、肿瘤的抗甲基化治疗 1）打开锁链 解救基因 TRENDS in Pharmacological Sciences 2004 . Zebularine Procaine EGCG Psammaplins Decitabine Chemicals Clinical trial Phase III Phase II Phase I preclinical preclinical (甲基化酶抑制剂） 7373 抗甲基化治疗：解救英雄与释放 恶魔 癌基因 自私基因 抑癌基因 7474 2）靶向性DNA甲基化 造一把专用之锁，锁定 魔鬼 7575 永固牌 “锁”定病毒基因 HSV-IE175 p