肿瘤表观遗传学ppt课件.ppt

1,Epigeneticsincancer,2,肿瘤,3,世界癌症现状,全球(2010年),809万人死亡,1303万新发病例,5肝癌,1肺癌,7食道癌,3结肠癌,2乳腺癌,4胃癌,6宫颈癌,Cancer,4,Cancer,6宫颈癌,5结肠癌,8鼻咽癌,1肺癌,2肝癌,7乳腺癌,3胃癌,4食道癌,268万新发病例,中国癌症现状,197万人死亡,中国（2010）,5,6,7,Whatcausescancer?,8,Carcinogenesis.Somefactorstoconsider,HeredityImmunityChemicalPhysicalViralBacterialLifestyle,9,10,Heredity,Genesisolatedforseveralclassicfamilialcancersyndromes:RB1(retinoblastoma)APC(familialpolyposis)HumanNonPolyposisColonCancer(HNPCC)BRCA113:59.,30,ConclusionsOurresultsshowthatepigeneticvariationisinheritedinchickens,andwesuggestthatselectionoffavourableepigenomes,eitherbyselectionofgenotypesaffectingepigeneticstates,orbyselectionofmethylationstateswhichareinheritedindependentlyofsequencedifferences,mayhavebeenanimportantaspectofchickendomestication.,31,DowenRH,PelizzolaM,SchmitzRJetal.WidespreaddynamicDNAmethylationinresponsetobioticstress.ProcNatlAcadSciUSA2012;109:E2183-2191.,Ecker及其同事对DNA甲基化调控拟南芥免疫系统的机制进行了研究。甲基化参与抑制整合到基因组中的“跳跃基因”转座子的表达。研究人员在Illumina平台上进行了全基因组测序，发现在植物应对细菌感染的过程中，出现了大量甲基化修饰的改变。,表观基因组可因环境而改变,32,33,34,表观遗传修饰从多个水平调控基因表达,DNA:DNA甲基化,蛋白质：组蛋白修饰,染色质：染色质重塑,RNA：非编码RNA,35,表观遗传学的研究内容：,基因转录后的调控基因组中非编码RNA微小RNA（miRNA）反义RNA内含子、核糖开关等,基因选择性转录表达的调控DNA甲基化基因印记组蛋白共价修饰染色质重塑,36,1.概念：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，并产生可遗传的表型。2.特征:(1)可遗传；(2)可逆性；(3)DNA不变3.表观遗传学的现象：(1)组蛋白修饰(2)DNA甲基化(3)MicroRNA(4)Genomicimprinting,表观遗传学,37,肿瘤表观遗传学,研究没有DNA序列变化、可遗传的基因表达（活性）调控方式的改变，主要涉及DNA甲基化作用的改变和染色质组蛋白的修饰作用、染色质重塑及非编码RNA等调控方式的变化，通过引起肿瘤遗传学途径中基因的失能与获能、增加基因组不稳定、印迹丢失等途径参与肿瘤的发生发展。,38,肿瘤表观遗传修饰机制,对基因表达控制的方式：（1）DNA甲基化；（2）组蛋白修饰；（3）染色质重塑；（4）非编码RNA。等种调控来。,39,DNA甲基化,40,DNA甲基化,DNA甲基化(DNAmethylation)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)。,41,在结构基因的调控区段，CpG二联核苷常常以成簇串联的形式排列。结构基因5端附近富含CpG二联核苷的区域称为CpG岛(CpGislands)。CpG岛是CG二核苷酸含量大于50%的区域。CpG岛通常分布在基因的启动子区域。,42,CpG岛的甲基化会稳定核小体之间的紧密结合而抑制基因的表达。,43,当一个基因的启动子序列中的CpG岛被甲基化以后，尽管基因序列没有发生改变，但基因不能启动转录，也就不能发挥功能，导致生物表型的改变。DNA甲基化抑制基因表达,44,DNA甲基化与去甲基化,45,46,47,人类表观基因组计划,HumanEpigenomeProject（HEP）：2003年10月由人类表观基因组协会(HumanEpigenomeConsortium,HEC)正式投资和实施。目标：确认、分类和解释人类主要组织中所有基因在基因组水平的DNA甲基化模式，确认DNA甲基化位点在人类基因组的分布和频率，在人类基因组水平绘制不同组织类型和疾病状态的甲基化可变位点（methylaitonariablepositions，MVPs）图谱。,48,MolCell2011;44:17-28.,甲基化影响造血干细胞命运的机制研究经典的理论普遍认为DNA甲基化是一种稳定的表观遗传学标记，且在细胞分化过程中呈单向性变化，即甲基化程度不断增高。在新研究中，研究人员认为在分化的过程中应该并非仅存在单向的DNA甲基化变化，而是应该呈甲基化和去甲基化双向动态变化。大量的低甲基化区域富集在一些特异的调控因子的结合区域附近，表明其有可能在染色质构型及某些基因调控表达中发挥了重要作用。,49,双生子表观基因组研究,同卵双胞胎之间，新生儿出生时的表观遗传学图谱也存在着广泛的差异。,GenomeRes.2012Aug;22(8):1395-406.,50,发育早期甲基化,大多数基因在我们的一生中都保持活性，不过有些基因只在胚胎发育早期激活，一旦这些基因完成了自己的使命它们就会被永远关闭。,Cellreports2012;2:766-773.,51,表观遗传与癌症,52,低甲基化：诱导原瘤基因和转座子成分活化、基因的印迹丢失以及增加染色体的不稳定性，最终诱发肿瘤。如肺癌和结肠癌。高甲基化（启动子区域CpG岛）：抑瘤基因转录沉默。如肾癌和视网膜母细胞瘤：VHL基因的沉默、前列腺癌：DNA损伤修复有关的GSTP基因的沉默。,53,DNA低甲基化vs.癌症,1.DNA低甲基化/去甲基化对癌症细胞发育的作用：A.产生染色体的不稳定性B.激活转座元件C.印记的缺失2.甲基化水平较低的DNA区域在有丝分裂过程中容易发生重组，从而产生删除或者移位，或者染色体重排3.DNA低甲基化损坏基因组印记,54,DNA低甲基化促进染色体不稳定性与癌症发生,A.DNA低甲基化降低小鼠的生存率；B.DNA低甲基化的细胞中染色体不稳定性升高(2.2倍)C.染色体不稳定性,55,Dnmt敲除：染色体不稳定性,Dnmts敲除的细胞中出现染色体的非整倍现象,56,肿瘤细胞DNA甲基化修饰：印迹丢失：是一个表观遗传事件，是一种在基因组DNA水平对双亲等位基因特异性的基因外遗传学修饰。基因组印迹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修饰，使带有亲代印迹的等位基因具有不同的表达特性。,57,基因组印记,GenomicImprinting:两条染色体需要随机沉默其一Beckwith-WiedemannSyndrome:1/15,000BWS：20%的致死率BWS:embryonictumor,58,遗传印迹,概念：或称亲本印迹（parentimprinting）是指基因组在传递遗传信息的过程中，通过基因组的化学修饰（DNA的甲基化；组蛋白的甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等）而使基因或DNA片段被标识的过程。特点：基因组印迹依靠单亲传递某种性状的遗传信息，被印迹的基因会随着其来自父源或母源而表现不同，即源自双亲的两个等位基因中一个不表达或表达很弱。不遵循孟德尔定律，是一种典型的非孟德尔遗传，正反交结果不同。,59,60,61,遗传印迹,由正反交实验可以看出：印迹基因的正反交结果不一致、不符合孟德尔定律。小鼠Igf-2基因总是母本来源的等位基因被印迹，父本来源的等位基因表达，因此是母本印迹。基因印迹使基因的表达受到抑制，导致被印迹的基因的生物功能的丧失。,62,遗传印迹,基因印迹过程印迹的形成印迹形成于成熟配子，并持续到出生后。印记的维持印记的去除印记的去除过程是发生在原始生殖细胞的早期阶段。基因组印迹的机制配子在形成过程中，DNA产生的甲基化、核组蛋白产生的乙酰化、磷酸化和泛素化等修饰，使基因的表达模式发生了改变。,63,基因印迹的建立,64,组蛋白修饰,65,65,Chromatinpackaging,66,组蛋白修饰,AdaptedfromLundandLohuizenGenesDev2004,67,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,68,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（histonecode），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。,69,组蛋白密码,A.修饰结合蛋白质：组蛋白密码的阅读器B.组蛋白密码的组合方式C.不同组蛋白的修饰组合起来发挥功能,70,染色质重塑,染色质重塑（chromatinremodeling）是一个重要的表观遗传学机制。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。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。,71,72,X-inactive-specifictranscript,1.XIST:X-inactive-specifictranscript2.XIST:产生一个17kb的非编码的RNA分子3.将150MB的X染色体包裹起来-顺式作用，4.LINE(LongINterspersedElements)：协助信号的传播,73,Science-lncRNAXist与X染色体三维结构,Fig.6AmodelforhowXistexploitsandaltersthree-dimensionalgenomearchitecturetospreadacrosstheXchromosome.,Science.2013Aug16;341(6147):1237973.doi:10.1126/science.1237973.,74,常染色质vs.异染色质,Ac:乙酰基Me:甲基P：磷酸基,75,组蛋白的乙酰转移酶的结合活化相应区域,去凝聚状态的染色质,活性染色质的产生,76,组蛋白修饰：正常细胞vs.癌症,77,癌症细胞中的组蛋白修饰,1.肿瘤细胞中，H4缺失单乙酰化和三甲基化修饰2.在肿瘤发育的过程中，该修饰水平的降低将持续积累3.单乙酰化的缺失：Lys16，三甲基化的缺失：Lys20；两种修饰的缺失与DNA重复片段的低甲基化伴随出现4.H4的修饰缺失至少在乳腺癌和肝癌中发生5.在前列腺癌中，H3K4的去甲基化与H3K18的乙酰化是该癌症发生的分子标记,78,非编码RNA的表观遗传学修饰非编码小RNA（no-codingsmallRNA）不仅能在转录后水平抑制基因的表达，进行转录后调控（post-transcriptionalregulation），而且也能通过诱导DNA甲基化达到转录水平的基因调控，是表观遗传修饰中的一种新的基因表达调控机制。,79,Non-CodingRNA:Formerlyknownas“JUNK”,80,Non-CodingRNA:AKeytoEukaryoticComplexity?,81,Biogenesis,-Primary-miRNAistranscribedinthenucleus,andisusuallyseveralkilobaseslong;posses5capandapoly-Atail.-CleavedinthenucleusbyDrochaenzymeto70nthairpintranscript(pre-miRNA).-TransportedtothecytoplasmbyExportin5throughnuclearpores.-CleavedbyDicerenzyme(RNaseIIIenzyme)into19-22ntds-transcripts.-700Humangenes,490mousegenes.1400possiblehumansequencesbut733clonedordetected.Only120tested.,Esquela-Kerscher,A.,andSlack,F.J.(2006).NatureReviews6,p.263,82,siRNAmediateddegradationofmRNAversusmiRNAmediatedinhibitionofmRNAtranslation,Filipowicz,Curr.Op.StructuralBiology15:331-341(2005),siRNAandmiRNA,83,83,http:/microrna.sanger.ac.uk/sequences/search.shtml,利用公共数据库寻找某个miRNA的target基因,84,84,/cgi-bin/mirnaviewer/mirnaviewer.pl,利用公共数据库还能找被几个miRNA的共同调节的target基因,85,Rolesincancer,RecentstudiesshowthatsomemicroRNAsregulatecellproliferationandapoptosis,processesthatareimportantincancerformation.Inaddition,somemiRNAsmayfunctionasoncogenesortumorsuppressors.Morethan50%ofmiRNAgenesarelocatedincancerassociatedgenomicregionsorinfragilesites.,86,86,miRNA与肿瘤发生的关系存在两种可能的模式Caldas,etal.（NatureMedicine2005）：1、若miRNA表达上调，其对应抑癌基因表达下调时，则可能导致肿瘤发生；2、若miRNA表达下调，其对应癌基因表达上调时，同样可能导致肿瘤发生。,87,88,88,许多瘤基因和肿瘤抑制基因都受到miRNAs分子的调控，此时的miRNAs可能起到癌基因或是肿瘤抑制基因的作用。miRNA癌基因的活化和miRNA抑癌基因失活导致肿瘤抑瘤基因表达下调以及这些miRNA基因与蛋白编码癌基因、抑癌基因协同作用导致肿瘤发生.,89,miRNA的甲基化修饰,90,在肿瘤中，miRNA分子表达常常发生异常改变。miR-125b-1（11q24脆性位点）：乳腺癌、肺癌、卵巢癌、子宫癌患者中存在缺失；miR-143和mir-145在结肠癌、乳腺癌、前列腺癌、子宫癌、淋巴癌等细胞系中其表达量也明显下调；miR-15-92基因簇在人类恶性淋巴瘤中表达上调。,91,92,93,siRNA诱导的DNA甲基化与肿瘤发生si