表 观 遗 传学PPT课件

表观遗传学 epigenetics 提纲 第一节表观遗传概述第二节表观遗传修饰及调控机制第三节表观遗传研究的医学应用 第一节表观遗传概述 基因表达模式 相同基因型 不同表型 从母鼠中继承的 agouti基因 甲基化程度高低决定皮毛的颜色 一 表观遗传现象 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 晏子春秋 杂下之十 橘逾淮为枳 晏子使楚 晏子至 楚王赐晏子酒 酒酣 吏二缚一人诣王 王曰 缚者曷为者也 对曰 齐人也 坐盗 王视晏子曰 齐人固善盗乎 晏子避席对曰 婴闻之 橘生淮南则为橘 生于淮北则为枳 叶徒相似 其实味不同 所以然者何 水土异也 今民生长于齐不盗 入楚则盗 得无楚之水土使民善盗耶 王笑曰 圣人非所与熙也 寡人反取病焉 表观遗传学 epigenetics 在基因组中除了DNA和RNA序列以外 还有许多调控基因的信息 它们虽然本身不改变基因的序列 但是可以通过基因修饰 蛋白质与蛋白质 DNA和其它分子的相互作用 而影响和调节基因的功能和特性概念 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 遗传信息的传递 中心法则 1 DNA自身通过复制传递遗传信息 2 DNA转录成RNA 3 RNA自身能够复制 RNA病毒 4 RNA能够逆转录成DNA 5 RNA翻译成蛋白质 遗传类型 1 遗传编码信息 提供生命必需蛋白质的模板2 表观遗传学信息 何时 何地 以何种方式去应用遗传信息 表观遗传学特点 基因的DNA序列不发生改变的情况下 基因表达水平与功能发生改变 并产生可遗传的表型 可遗传的基因表达的改变没有DNA序列的改变 1942年沃丁顿 Waddington 在Endeavour杂志首次提出表观遗传学 基因型的遗传 heredity 或传承 inheritance 是遗传学研究的主旨 而基因型产生表型的过程则是属于表观遗传学研究的范畴 历史沿革 Waddington sepigenetics 基因型 表型 1961年 MaryLyon发现X染色体失活现象 1983年 DNA甲基化的发现 1987年 霍利德 Holliday 一步指出可在两个层面上研究高等生物的基因属性 第一个层面是基因的世代间传递的规律 遗传学 第二个层面是生物从受精卵到成体的发育过程中基因活性变化的模式 表观遗传学 2003年10月正式宣布开始投资和实施人类表观基因组计划 HumanEpigenomeProject HEP 2010年全球最大表观遗传学项目 Epitwin启动 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 表观遗传学的研究内容 1 基因选择性转录表达的调控2 基因转录后的调控3 蛋白质的翻译后修饰 第二节表观遗传修饰及调控机制 表观遗传修饰 DNA甲基化 组蛋白修饰 siRNA与miRNA介导的调控 基因组印迹 X染色体失活 染色体构型重塑 机制 DNA甲基化 DNAmethylation DNA甲基化是研究得最清楚 也是最重要的表观遗传修饰形式 在DNA甲基转移酶的催化下 利用S 腺苷蛋氨酸提供的甲基 将胞嘧啶第5位碳原子甲基化 从而使胞嘧啶转化为5甲基胞嘧啶 5 Methylcytosine 5 mC 在哺乳动物基因组中 DNA甲基化的主要位点是CpG二核苷酸 甲基化CpG二核苷酸在整个基因组中分布不均匀 在基因组大部分区域中CpG序列出现频率较低 但在某些特定区域 如结构基因5 端 启动子区 CpG二核苷酸呈高频率成串排列 此区域称为CpG岛 基因调控元件 如启动子 所含CpG岛中的5 mC会阻碍转录因子复合体与DNA的结合 所以DNA甲基化一般与基因沉默 genesilence 相关联 而非甲基化 non methylated 一般与基因的活化 geneactivation 相关联 而去甲基化 demethylation 往往与一个沉默基因的重新激活 reactivation 相关联 DNA甲基化抑制基因转录的机制 基因启动子区的甲基化可影响转录激活因子和其识别序列的结合 直接抑制基因表达 甲基化的CpG双核苷酸序列可被甲基结合蛋白家族 MBD 识别 而后者通过吸引组蛋白去乙酰化酶 HDAC 和组蛋白甲基化转移酶 HMT 等组蛋白修饰蛋白来改变染色质活性 染色质重塑 间接影响基因表达 Preventthebindingoftranscriptionfactors TF 直接抑制机制 间接机制 Themethyl CpG bindingproteinsMeCP1andMeCP2能够与甲基化的DNA结合MeCP2能够招募Sin3a HDACs 形成复合物 阻遏转录 MeCP2 Modelformethylation dependentgenesilencing Thestructuralelementofchromatinisthenucleosomalcore whichconsistsofa146 bpDNAsequencewrappedaroundcorehistones Acetylationofthehistonescausesanopenchromatinconfig urationthatisassociatedwithtranscriptionalactivity Methylatedcytosinesarerecognizedbymethyl CpG bindingproteins MBDs whichinturnrecruithistonedeacetylases HDACs tothesiteofmethylation convert ingthechromatinintoaclosedstructurethatcannolongerbeaccessedbythetranscriptionalmachinery 影响DNA甲基化的因素 1 DNA甲基化转移酶 DNAMethyltransferase DNMT 2 组蛋白甲基化3 饮食等环境因素对DNA甲基化的影响4 RNA干扰与DNA甲基化 1 DNA甲基化转移酶 DNMT1作为DNA复制复合物的组分 催化子链DNA半甲基化位点甲基化 维持复制过程中甲基化位点的遗传稳定性 DNMT3a和DNMT3b主要催化从头甲基化 以非甲基化DNA为模板催化新的甲基化位点形成 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 MaintenanceDNAmethyltransferase DNAreplication CH3 CH3 Denovomethyltransferase Demethylase CH3 CH DNMT1 DNAmethylationreactions 2 组蛋白甲基化 在哺乳动物细胞中 甲基化的CpG结合蛋白MeCP2不仅能促进组蛋白去乙酰化 抑制基因沉默 同时它还是DNA甲基化和组蛋白甲基化的桥梁 MeCP2可结合于H19基因启动子区甲基化DNA 并影响组蛋白H3甲基转移酶的活性 促使组蛋白H3的赖氨酸甲基化 后者与DNA甲基化一起对H19基因的表达起抑制作用 3 饮食等环境因素 叶酸是生成SAM的前体物质 而SAM是胞嘧啶甲基化主要的甲基供体 叶酸摄入不足时可导致DNA低甲基化 荷兰的一项队列研究表明 叶酸摄入过低可导致甲基化状态紊乱 这种变化可被过量饮酒加剧 4 RNA干扰与DNA甲基化 在人类细胞中 特异的siRNA可以结合于E cadherin启动子区的CpG岛 诱导DNA甲基化和组蛋白H3K9甲基化 对植物研究发现miRNA可诱导PHB基因甲基化及染色质重塑 DNA甲基化的生物学意义 调控基因表达 在胚胎发育 细胞生长分化 衰老 疾病等方面发挥重要作用 维持染色体结构X染色体失活基因印记肿瘤发生发展 DNA甲基化的检测方法 1 甲基化敏感的限制性内切酶法2 基于重亚硫酸氢盐修饰的方法3 基于甲基化DNA特异结合富集方法每种策略和方法中又衍生出不同的检测手段 包括PCR 等位特异PCR 实时定量PCR 基因测序 DHPLC和基因芯片等 重亚硫酸氢盐修饰法分析甲基化 甲基化特异性PCR 限制性内切酶法 甲基化敏感性单链构象分析 尤其值得一提的是 甲基化型分析可能发展为理想的检测或诊断对象有两大优势 第一 甲基化型既能反映有关基因功能状态及与此相连的多种疾病相关的丰富信息 又具有简单的 二元化 性质 即令甲基化为 0 非甲基化为 1 就可以进行数字化处理 便于开展大规模和自动化监测分析 第二 DNA分子十分稳定 有可能将它和DNA的SNP分析等置于同一个技术平台 同时它又比RNA和蛋白质更便于保存和运输 并可对已经石蜡 甲醛或乙醇预处理的样本进行分析 可以开发历史上贮备的大量病理学资源 组蛋白修饰 DNA序列缠绕在核心组蛋白的八聚体上形成核小体 染色质蛋白并非只是一种包装蛋白 而是在DNA和细胞其他组分之间构筑了一个动态的功能界面 组蛋白质修饰的功能基团 AcetylMethylPhosphorylUbiquitin 一 组蛋白的乙酰化二 组蛋白的甲基化三 组蛋白的磷酸化四 组蛋白的泛素化五 组蛋白的SUMO化六 组蛋白密码 小泛素相关修饰物 smallubiquitin relatedmodifier SUMO 组蛋白的共价修饰 组蛋白的乙酰化 1 通常发生在组蛋白H3和H4的N端尾部比较保守的赖氨酸 K 上 2 可逆的生化反应 A 组蛋白乙酰化酶Histoneacetyltransferase HAT 30 B 组蛋白去乙酰化酶Histonedeacetylase HDAC 18 3 分子效应 中和赖氨酸上的正电荷 增加组蛋白与DNA的排斥力4 生物学功能 A 基因转录活化B DNA损伤修复 组蛋白乙酰化调控基因转录机制 HAT将乙酰辅酶A的乙酰基转移到组蛋白赖氨酸残基上 可中和组蛋白正电荷 削弱组蛋白与DNA磷酸骨架之间的亲和力 导致核小体结构不稳定和解离 并抑制核小体聚集形成高级结构 从而使染色体结构松散 有利于转录因子 RNA多聚酶和基本转录复合体进入 与其相应的DNA位点结合 促进转录 相反 HDAC可移去乙酰基使组蛋白去乙酰化 稳定核小体结构 诱导核小体聚集 形成更高级的染色体结构 并抑制基本转录复合体组装 从而抑制转录 组蛋白的甲基化 1 主要发生在赖氨酸 K 或精氨酸 R 上 2 Long term 3 HKMTs histonelysinemethyltransferases vs PRMTs proteinargininemethyltransferases 4 可逆的生化反应 5 分子效应 增加赖氨酸上的疏水力6 生物学功能 A 基因转录活化B 基因转录沉默C X染色体失活D 异染色质致密状态 heterochromatincompaction 迄今已知 在组蛋白H3中有5个赖氨酸 K4 K9 K27 K36 K79 和组蛋白H4中的1个赖氨酸 K20 可被特异的组蛋白赖氨酸甲基转移酶甲基化 组蛋白乙酰化 甲基化以及DNA甲基化的关系 A MBD结合甲基化的DNA 招募HDAC 组蛋白去乙酰化 招募HMT 甲基化组蛋白 转录沉默 B 组蛋白无乙酰化修饰 MBD结合甲基化的DNA 再与SET结合 甲基化组蛋白C 甲基化的组蛋白尾部招募DNMT 对基因长期沉默 染色质重塑 异染色质形成 转录 PolII HMT 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 Cbindingprotein 甲基C结合蛋白 HDAC histonedeactyltransferase 组蛋白去乙酰化酶 HMT histonemethyltransferase组蛋白甲基化酶 AC actylgroup 乙酰基 Epigeneticdifferences monozygotictwins 5mC H4乙酰化 H3乙酰化 组蛋白的SUMO化 1 通常发生在赖氨酸 K 上 2 可逆的生化反应 3 生物学功能 A 转录沉默B 抑制组蛋白的乙酰化和甲基化 染色质重塑 Chromatinremodeling 染色质重塑是指在能量驱动下核小体的置换或重新排列 它改变了核小体在基因启动子区的排列 增加了基础转录装置和启动子的可接近性 染色质重塑的发生和组蛋白N端尾巴修饰密切相关 尤其是对组蛋白H3和H4的修饰 修饰直接影响核小体的结构 并为其它蛋白提供了和DNA作用的结合位点 常染色质与异染色质 1 常染色质 基因表达活跃的区域 染色体结构较为疏松2 异染色质 基因表达沉默的区域 染色体结构致密 核小体 常染色质 异染色质 染色体上不同的区域 Euchromatin 常染色质 Heterochromatin 异染色质E H称为染色质重塑 ChromatinRemodeling 分子机理 DNA甲基化 组蛋白修饰 染色质重塑复合物的协同作用 染色质重塑的假设步骤 1 两类酶调控染色质重塑的过程 组蛋白修饰因子 histonemodifiers 以及ATP依赖的染色质重塑因子 chromatinremodelers 2 组蛋白修饰因子并不改变核小体的位置 而是在DNA上作标记 以招募其他的活性成分 组蛋白密码 3 染色质重塑因子 水解ATP释放能量 从而改变染色质的结构4 染色质重塑因子复合物 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 组蛋白乙酰化酶染色质重塑复合物 组蛋白去乙酰化酶染色质重塑复合物 基因组印记 基因印记 与传统的孟德尔遗传方式不同 分别来自父母方的两个等位基因中只有一方呈现表达 另一方被印迹 即不表达或表达甚微 这种遗传方式称为印迹遗传 动物基因组的这种依赖单亲传递遗传信息的现象称为基因组印迹 又称亲代印迹或基因印迹 出现印迹遗传的基因称为印迹基因 1 父系印记基因 来自父系的等位基因的表达被抑制来自母系的等位基因表达 mono allelic 2 母系印记基因 来自母系的等位基因的表达被抑制来自父系的等位基因表达 mono allelic 基因印记 1 由表观遗传修饰决定的 来源于双亲 Parent of origin 的特异性表达的基因 A 两个等位基因中只有一个印记基因表达B 可遗传的修饰 并且不改变基因序列的组成2 由双亲基因组功能的不对称性所决定 印记基因 1 在小鼠中已发现 80个印记基因一般认为在人中具有大致相等数量的印记基因 基因表达谱的分析结果表明可能有更多的印记基因2 主要功能 出生前的生长发育父系基因的表达 胚胎发育能力增强母系基因的表达 胚胎发育能力削弱3 在特定细胞系及神经发育方面有重要功能 基因的印迹过程的三个阶段 建立阶段 例如母系印迹 印迹在卵子形成过程中建立 维持阶段 在胚胎和个体的体细胞中 来自母系的基因继续维持被印迹的状态 父源的等位基因得到表达 抹除与重建阶段 发生在配子形成的过程中 印记基因的特征 通常成簇出现 在染色体上的分布较为分散 一个簇中一般有3 11个印记基因 绝大多数多时编码可表达蛋白质的基因 至少有一个起拮抗作用的ncRNA基因 具有双亲特异性的表达模式每一个印记基因簇由一个印记控制元件 imprintcontrolelement ICE 所调控的印记控制区域 imprintcontrolregion ICR 或者印记中心 imprintingcentre IC 绝大多数都有CpGislands 能够发生DNA甲基化在CpGislands内或附近通常有成簇的 有向的重复片段 具有等位基因不同的甲基化区域 differentiallymethylatedregions DMRs 有些是在所有细胞里 有些具有组织特异性有些甲基化的DMR存在于激活的等位基因中 有些则存在于失活的等位基因中通常具有不同的组蛋白修饰 染色体结构等DNA复制不同步父系的拷贝较早发生复制 印记基因的特征 印迹遗传的特点 总是表现为父方印迹 母方表达或母方印迹 父方表达 正反交结果不同 基因印迹的实质是基因表达受到抑制 导致被印迹基因的生物学功能的丧失 已被证实为印迹遗传的哺乳动物重要功能基因有 类胰岛素2 IGF2 H19 IGFR 基因组印记的相关理论 1 两性之战 Kinship 遗传斗争 GeneticConflict 父系 希望后代健康 能够延续基因的存在 父系表达的基因 例如Igf2 Peg3能够促进胎儿的生长以及营养的摄取 可能会损害母系的健康母系 产生更多后代 延续自己的基因 母系表达基因 例如Igf2R Mash2 Gnas等能够抑制胎儿生长 减少营养的开支 从而提高生育后代的数量 2 进化能力模型 EvolvabilityModel 通过印记的方式 保护一些等位基因免受选择压力的影响 从而提高群体对环境变化的适应能力 生物体感知环境变化 决定等位基因是沉默还是表达例如 如果发育增强有好处 并且该等位基因已出现 则其印记状态将被改变3 卵巢时间炸弹 Ovariantimebomb 避免卵巢滋养细胞疾病孤雌胚胎 parthenogeneticembryos 的生长和发育 葡萄胚 卵子不能成熟 持续生长以致形成癌症等 如果改变孤雌胚胎的基因组 如删除特定的母系印记基因 能够存活并类似父系基因组的印记模式 人类的PWS和AS综合征 不同的症状 PWS智力低下 过度肥胖 身材矮小 小手小足 AS特殊面容 大嘴呆笑 步态不稳 智力低下 相同的原因15号染色体长臂15q11 q13有微小缺失 不同的原因PWS患者缺失的15号染色体来自父亲 即缺少父源15号染色体缺失片段上的基因 AS患者缺失的15号染色体来自母亲 即缺少母源15号染色体缺失片段上的基因 Prader Willi综合征 1956年A Prader和H Willi父源染色体15q11 13区段缺失 Angelman综合征 AngelmanSyndrome AS 1968年H Angelman发现 母源染色体15q11 13区段缺失 这两种疾病都和神经功能失调相关 PWS是由于突变导致父本印记基因在大脑中高表达所致 如SNPNP基因高表达 AS是由于母本的UBE3A基因的缺失或受到抑制所致 该基因编码泛素蛋白连接酶并在脑中表达 父本表达的SNRNP基因的微缺失可导致PWS 而在其上游进一步缺失则可导致AS 这说明这两个区域就是印记中心所在的位置 基因组印记与癌症 印记丢失不仅影响胚胎发育并可诱发出生后的发育异常 从而导致癌症发生 如果抑癌基因有活性的等位基因失活便提高了发生癌症的几率 例如IGF2基因印记丢失将导致多种肿瘤 如Wilm s瘤 和印记丢失相关的疾病还有成神经细胞瘤 急性早幼粒细胞性白血病 横纹肌肉瘤和散发的骨肉瘤等 与基因组印记相关的疾病常常是由于印记丢失导致两个等位基因同时表达 或突变导致有活性的等位基因失活所致 调控基因簇的印记中心发生突变将导致一系列基因不表达 引发复杂综合征 基因组印记的本质仍为DNA修饰和蛋白修饰 所以和印记相关的蛋白发生突变也将导致表观遗传疾病 迄今已发现的人类印迹基因分布于基因组的12个区域 大多成簇排列 其中许多是疾病基因 虽多数印迹基因的作用机制尚不清楚 然而几乎都与DNA甲基化型的异常相关联 值得注意的是涉及到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 X染色体失活 X chromosomeinactivation 女性有两条X染色体 而男性只有一条X染色体 为了保持平衡 女性的一条X染色体被永久失活 这便是 剂量补偿 效应 哺乳动物雌性个体的X染色体失活遵循n 1法则 不论有多少条X染色体 最终只能随机保留一条的活性 对有多条X染色体的个体研究发现有活性的染色体比无活性的染色体提前复制 哺乳动物受精以后 X染色体发生系统变化 首先父本X染色体 paternalXchromosome Xp 在所有的早期胚胎细胞中失活 表现为整个染色体的组蛋白被修饰和对细胞分裂有抑制作用的Pc G蛋白 Polycombgroupproteins Pc G 表达 然后Xp又选择性恢复活性 最后父本或母本X染色体再随机失活 1961年M F Lyon就提出了关于雌性哺乳动物体细胞的两条X染色体中会有一条发生随机失活的假说 并认为这是一种基因剂量补偿的机制 以后的研究表明在给定的体细胞有丝分裂谱系中 有一条X染色体是完全失活并呈异染色质状态 而在另一个细胞谱系中同一条X染色体又可以是活化的且呈常染色质状态 1 1961年 TheLyonHypothesis 由英国遗传学家MaryLyon提出2 体细胞中X染色体失活发生在胚胎发育的早期3 失活是随机的 每一个细胞中随机挑选父系 母系的X染色体失活4 整条X染色体都失去活性 例外 正常WASP失活导致Wiskott Aldrich综合征 5 X染色体的失活是永久性的 克隆过程中保持失活的状态6 所有哺乳动物中都存在X染色体失活现象 X染色体失活 Lyonization X染色体的Xq13 3区段有一个X失活中心 X inactioncenter 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 Xic是一个顺式作用位点 包含辨别X染色体数目的信息和Xist基因 前者可保证仅有一条染色体有活性 但机制不明 后者缺失将导致X染色体失活失败 X染色体失活过程为 Xist基因编码XistRNA XistRNA包裹在合成它的X染色体上 引发X染色体失活 随着XistRNA在X染色体上的扩展 DNA甲基化和组蛋白的修饰马上发生 这对X染色体失活的建立和维持有重要的作用 失活的染色体依旧持续合成XistRNA 维持本身的失活状态 但有活性的X染色体如何阻止XistRNA的结合机制还不明确 X染色体失活 XX XY 与X染色体失活相关的疾病 和X染色体失活相关的疾病多是由X染色体的不对称失活使携带有突变等位基因的X染色体在多数细胞中具有活性所致 Wiskott Aldrich综合征表现为免疫缺陷 湿疹 伴血小板缺乏症 该病是由于WASP基因突变所致 因为染色体随机失活导致女性为嵌合体 携带有50 的正常基因 通常无症状表现 该病患者多为男性 存在女性患病的原因在于不对称X染色体失活 即携带有正常WASP基因的染色体过多失活 女性体内还存在另一种机制 通过不对称失活使携带有突变基因的X染色体大部分失活 对Pelizaeus Merzbacher病的研究表明这种机制的存在 它使带有突变PLP基因的X染色体倾向于失活 RTT综合征也和不对称X染色体失活有关 携带有MeCP2突变基因的女性 X染色体失活时倾向于使携带有发生突变的等位基因的染色体失活 即便是失活的X染色体 也有一部分基因可以逃避失活而存在两个有活性的等位基因 但逃避失活的等位基因的表达水平有很大的差异 由于逃避失活而易使一些抑癌基因丧失功能 这是引发女性癌症的一个重要原因 也有一些逃避失活的基因过量表达而增加某些疾病的易感性 如TIMP1基因随着年龄的增加表达量逐渐增加 导致迟发型疾病 女性易感的自身免疫性疾病也和X染色体失活相关 因为女性为嵌合体 如果自身免疫性T细胞不能耐受两个X染色体所编码的抗原 则会导致自身免疫缺陷性疾病 如红斑狼疮等 siRNA与miRNA介导的调控 miRNA stem loopqPCR检测miRNA microRNA靶标数据库 非编码RNA与疾病 非编码RNA对防止疾病发生有重要的作用 染色体着丝粒附近有大量的转座子 转座子可在染色体内部转座导致基因失活而引发多种疾病甚至癌症 然而在着丝粒区存在大量有活性的短链RNA 它们通过抑制转座子的转座而保护基因组的稳定性 在细胞分裂时 短链RNA异常将导致染色体无法在着丝粒处开始形成异染色质 细胞分裂异常 如果干细胞发生这种情况可能导致癌症的发生 si