表观遗传学基础PPT专业课件.ppt

表观遗传学Epigenetics,2015/3/23,1,.,表观遗传学的形成,经典遗传学认为，基因既是一个结构单位又是一个功能单位。基因结构的改变必将引起生物体表型的的改变。几十年来，人们一直认为基因决定着生命过程中所需要的各种蛋白质和生命体表型。,2,表观遗传学的形成,马、驴正反交的后代差别较大（骡和駃騠）同卵双生的两个人具有完全相同的基因组，在同样的环境中长大后，其性格、健康等出现较大差异克隆动物未老先衰复杂疾病的发生,然而，随着研究的不断深入，科研人员发现了一些无法用经典遗传学来解释的现象：,3,研究表明，在DNA之中或者之外存在更高的遗传信息，主要包括非编码RNA、DNA甲基化、组蛋白修饰、染色体重塑。表观遗传学定义：在不改变基因DNA序列的情况下，基因功能发生可遗传的遗传信息变化，并最终导致可遗传的表型变化，而且这种改变在发育和细胞增殖过程中能稳定传递且具有可逆潜能。表观遗传学信息，它决定了何时、何地、以何种方式去应用遗传信息的指令。,表观遗传学的形成,4,可遗传性：可通过有丝分裂或减数分裂在细胞或者个体世代间遗传；可逆性的基因表达调节（基因活性或功能改变）没有DNA序列的变化或不能用DNA序列变化来解释,表观遗传学的形成,5,转录过程中的调控：1.DNA甲基化(DNAmethylation)2.组蛋白共价修饰(histonmodification)3.染色质重塑(chromationremodeling)4.基因组印记(genomicimprinting)5.RNA编辑(RNAediting)6.基因沉默(Genesilencing)转录后的调控：1.非编码RNA(Non-codingRNA)2.微小RNA(microRNA)3.反义RNA4.核糖开关5.,表观遗传学的研究热点,6,定义：DNA甲基化是指在甲基化酶的作用下，将一个甲基添加在DNA分子的碱基上。部位：DNA甲基化的部位通常在启动子区域CpG岛的胞嘧啶形成5-甲基胞嘧啶(5-mC)，也有少量N6-甲基腺嘌呤(N6-mA)和7-甲基鸟嘌呤(7-mG)。,1.DNA甲基化(DNAmethylation),7,催化DNA甲基化的生物酶甲基化维持酶：在每个DNA复制周期，DNA甲基化的保持是维持甲基化活性所必须的。DNA甲基转移酶（DNMT）是在复制结束后，DNMT1对子链进行甲基化，也即是复制过程中子链的甲基化模式的保持。重新甲基化酶：DNMT3A,DNMT3B都是重新甲基化酶负责无甲基化DNA双链上进行甲基化和发育需要的重新DNA甲基化。,8,DNA甲基化特点：通常高甲基化抑制基因表达，低甲基化促进基因表达。人类染色体CpG二核苷酸是最主要的甲基化位点，DNA甲基化不仅影响基因表达过程，而且这种影响可随细胞的有丝分裂和减少分裂遗传并持续下去。研究方向：DNA甲基化再生物发育某个阶段或者细胞分化的某种状态是可以逆转的，这是研究的关键。DNA甲基化状态受多种酶的调节，因此研究调节DNA甲基化状态的酶直观重要。DNA甲基化意义：DNA甲基化修饰决定基因表达的模式，即决定从亲代到子代可遗传的基因表达状态。细的来说，有研究表明DNA甲基化直接阻碍转录因子结合到DNA序列的靶点上面进而阻碍转录。DNA甲基化能持久的沉默重复元件以及染色体的选择性沉。最后，在发育和分化的过程中，甲基化状态可能发生转变，从而介导基因的组织特异性表达。,9,DNA甲基化的检测方法同裂酶：在测序方法发明之前，人们常常利用甲基化敏感的同裂酶检测DNA甲基化程度。缺点就是少于5%的甲基化胞嘧啶被错估在给定的DNA序列中。亚硫酸盐修饰方法：经过亚硫酸盐修饰后，未甲基化的胞嘧啶转变成尿嘧啶，而发生甲基化的则不转变甲基化特异PCR(methylation-specificPCR,MSP)：MSP法的优点在于积极显示甲基化的胞嘧啶，以及描绘出给定DNA序列的整体甲基化状态。它将DNA先用重亚硫酸盐处理，这样未甲基化的胞嘧啶转变为尿嘧啶，而甲基化的不变，随后行引物特异性的PCR。MS-PCR中设计两对引物，并要求：1.引物末端均设计至检测位点结束；2.两对引物分别只能与重亚硫酸盐处理后的序列互补配对，即一对结合处理后的甲基化DNA链，另一对结合处理后非甲基化DNA链。检测MSP扩增产物，如果用针对处理后甲基化DNA链的引物能扩增出片段，则说明该被检测的位点存在甲基化；若用针对处理后的非甲基化DNA链的引物扩增出片段，则说明被检测的位点不存在甲基化。下图是MSP的原理图。,10,11,DNA甲基化的检测方法甲基化DNA免疫免疫沉淀法:由于高通量技术，全基因组及芯片平台技术应用于肿瘤中特定的甲基化类型检测。methylatedDNAimmunoprecipitationMeDIP是一种富集DNA的方法。它依据的原理是基因组DNA可以被超声波裂解而随意进行修剪，同时被特异性5-甲基胞苷的抗体免疫沉淀。它可以用来测定整体基因组甲基化程度以及鉴别异常甲基化基因。甲基化CpG岛扩增：是基于在甲基化敏感性酶如仅在未甲基化位点进行剪切，在胞嘧啶于鸟苷酸间留下平端SamI酶对基因组DNA的消化作用一种方法。,12,染色质是由组蛋白和DNA组成的。,2.组蛋白共价修饰(histonmodification),13,组蛋白修饰是表观遗传研究的重要内容。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。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。,14,组蛋白修饰种类乙酰化-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。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。磷酸化-发生与Ser残基，一般与基因活化相关。泛素化-一般是C端Lys修饰，启动基因表达。SUMO（一种类泛素蛋白）化-可稳定异染色质。其他修饰,15,乙酰化和去乙酰化,甲基化和去甲基化,16,组蛋白共价修饰与表达调控的关系这些修饰反应会影响组蛋白与DNA分子的相互作用，从而导致基因转录、DNA修复与复制、染色体的重排生理过程发生改变。总体上，组蛋白乙酰化与转录激活相关联，而去乙酰化则与转录抑制有关。乙酰化作用可中和位于组蛋白尾部的赖氨酸残基电荷，减少组蛋白尾部与DNA结合键的长度。这种现象表明核小体更加容易接近转录因子而发挥生物学作用。组蛋白的甲基化作用对转录过程起到积极地或消极地影响。伴随着DNA的甲基化作用与组蛋白不同类型的修饰同时发生，染色质的修饰效果将会发生明显改变。这一领域是目前研究的热点。,17,组蛋白修饰检测方法质谱分析方法：质谱分析方法可以很方便且准确地对染色质的修饰程度进行检测。但是，这些技术仅局限于实验室使用，而且对仪器设备的要求较高。DNA测序技术：为了阐述组蛋白修饰的真正生物学意义，DNA序列的详细信息也是必需的。最佳的检测技术为染色质免疫沉淀反应（chromatinimmunoprecipitation，ChIP）联合特异地与组蛋白修饰变化反应的抗体DNA测序技术。,18,依然回到染色质的结构，核小体是染色质的基本结构单元核小体是由组蛋白和DNA组成。遗传物质在有限的空间中完成复制和转录,并且在有限的体积中保证基因失活和活化状态的转变。由于组蛋白与DNA的紧密结合为基因的表达设置了障碍,所以要使基因正常表达,就要通过染色质去凝集、核小体变成疏松的开放式结构等方式,使转录因子等调节因子更容易接近和结合核小体DNA。在基因表达的复制和重组过程中,对应基因尤其是基因调控区的染色质包装状态,核小体和组蛋白以及对应的DNA分子会发生一系列的改变,与基因表达调节所伴随的这类染色质结构和位置的改变的现象称为染色质重塑。,3.染色质重塑(chromationremodeling),19,染色质重塑发生的位置染色质重塑的发生和组蛋白N端末尾的修饰密切相关,尤其是组蛋白H3和H4的修饰直接影响核小体的结构,并为其他蛋白质提供了与DNA结合的位点。染色质重塑类型依赖ATP的物理修饰:在ATP水解所释放的能量驱动下,组蛋白和DNA的构象发生局部变化。化学修饰：组蛋白含有乙酰转移酶和脱乙酰酶的化学修饰。染色质重塑和其他调控的关系染色质重塑复合物、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复制和修复的异常相关,这些异常可引起生长发育畸形,智力发育迟缓,甚至导致癌症。,20,4.基因组印记(genomicimprinting),定义是指来自父方和母方的等位基因在通过精子和卵子传递给子代时发生了某种修饰，这种作用使其后代仅表达父源或母源等位基因的一种，这种现象被称作基因印记（geneimprinting）或基因组印记（genomiceimprintng）基因组印记中来自父亲和母亲的印记基因在子代的表型是不同的。根据孟德尔遗传定律，来自父母双亲的位于同源染色体上的等位基因应进行同等表达，而基因组印记现象显然不符合孟德尔式遗传。,21,基因组印记特点基因组印记遍布基因组：例如在人基因组中有100多个印记基因，成簇时形成染色体印记区，连锁时会有不同的印记效应；基因组印记的内含子小：雄性印记基因重组频率高于雌性印记基因；印记基因组织特异性表达：例如小鼠中Ins1、Ins2是等位印记基因，在卵黄中Ins1单等位基因表达，在胰腺中Ins1、Ins2同时表达；基因组印记在世代中可以逆转：个体产生配子时上代印记消除，打上自身印记。,22,基因组印记与基因表达调控的关系基因组印记主要与DNA甲基化、染色质的结构变化、DNA复制时机的变化和非编码RNA的调节作用有关。DNA甲基化包括印记基因甲基化失活，等位基因低甲基化表达。染色质的结构变化包括染色质包装时的因素决定基因是否转录。印记基因在发育过程中扮演着重要角色,研究发现,许多印记基因对胚胎和胎儿出生后的生长发育具有重要的调节作用,对人的行为和大脑功能也具有重要影响,印记丢失不仅影响胚胎发育且可诱发胎儿出生后发育异常,从而导致癌症发生。,23,5.非编码RNA(NoncodingRNA),24,非编码RNA定义非编码RNA指不能翻译为蛋白质的功能性RNA分子，具有调控作用的非编码RNA，按照它们的大小可分为长链和短链非编码RNA，前者在基因簇以至于整个染色体水平发挥顺式调节作用，短链RNA在基因组水平调控基因表达并介导mRNA的降解，诱导染色质结构改变，决定细胞的分化命运，还对外源的核酸序列有降解作用以保护本身的基因组。,25,非编码RNA调控的生物学意义各种生物中双链RNA(dsRNA)可通过不同途径被分割成小的干涉RNA(siRNA)或RNAi。RNA干涉(RNAi)属于转录后基因沉默,它可使转录后的同源mRNA降解,使同系的DNA序列发生修饰性变化(甲基化),使rRNA甲基化,从而使目的基因表达沉默。,26,表观遗传学的研究进展,表观遗传学补充了“中心法则”忽略的2个问题:哪些因素决定了基因的正常转录和翻译;核酸并不是存储遗传信息的唯一载体。表观遗传信息可通过控制基因的表达时间、空间位置和表达方式调控发育过程及各种生理反应。所以,许多用DNA序列不能解释的现象,通过表观遗传学的研究找到了答案。,27,表观遗传调控与肿瘤DNA甲基化和染色质的调节因子在基因表达、细胞增殖、分化和凋亡中起着重要作用,以抑癌基因为代表的CpG岛异常甲基化所致基因转录失活已经成为肿瘤表观基因组学(cancerepigenomics)的研究重点。CpG岛高甲基化导致抑癌基因转录失活是一个可以逆转的表观遗传学基因修饰过程,而CpG岛去甲基化可以恢复抑癌基因功能。因此,DNA去甲基化作用恢复癌基因功能的研究也成为肿瘤基因治疗的新型手段之一。,28,表观遗传调控与双胞胎双胞胎拥有同一套遗传物质,本来应该长得一模一样,而且在小的时候双胞胎的确让人难以区分,但是长大以后很多就会明显不同,这种差异到底是如何来的一直不十分清楚。西班牙国家癌症中心的Fraga等通过对160名374岁的双胞胎进行分析,结果表明,在外界影响下基因组在表达水平上的不同导致了双胞胎出现差异。他们对基因组上的2种修饰作用进行了检测,将双胞胎的检测结果进行比对,结果发现,DNA的甲基化和组蛋白的乙酰化作用可以让基因的表达增强或者减弱。在小的时候双胞胎基因的表达形式几乎是一样的,但是年龄在28岁以上的双胞胎基因表达特征就会出现明显的不同。虽然这些修饰作用可能只是改变了一点点,但是造成的影响,特别是在疾病方面是十分明显的。,29,表观遗传调控与X染色体失活在哺乳动物中,雌雄性个体X染色体数目不同,这类动物需要以一种方式来解决X染色体剂量的差异。在雌性哺乳动物中,2条X染色体有一条是失活的,称为X染色体的剂量补偿(dosagecompensation)。X染色体失活的选择和起始发生在胚胎发育早期,这个过程被X失活中心(X-inac