表观遗传学简介PPT课件

1、表观遗传学简介表观遗传学简介基因突变？第1页/共30页表观遗传学研究意义表观遗传学研究意义表观遗传学研究内容表观遗传学研究内容表观遗传学概述表观遗传学概述表观遗传学简介第2页/共30页3表观遗传学概述表观遗传学概述-表观遗传（表观遗传（Epigenetics） 所谓表观遗传就是不基于DNA差异的核酸遗传。即细胞分裂过程中，DNA 序列不变的前提下，全基因组的基因表达调控所决定的表型遗传，涉及染色质重编程、整体的基因表达调控（如隔离子，增强子，弱化子，DNA甲基化，组蛋白修饰等功能 ), 及基因型对表型的决定作用。-表观遗传学表观遗传学 研究不涉及DNA序列改变的基因表达和调控的可遗传变化的，或

2、者说是研究从基因演绎为表型的过程和机制的一门新兴的遗传学分支。第3页/共30页4-词源及定义表观遗传学概述表观遗传学概述1942，C. H. Waddington；作为一个后生论和遗传学的合词而提出。1968，Erik Erikson；在他的著作里提到“后生论”，“任何生长的事物都有一个平面图，在这个图之外各个部分出现，每个部分都有其特定的优势期，直至所有的部分出现从而形成一个功能整体。” 1990，Robin Holliday；将表观遗传学定义为“在复杂有机体的发育过程中，基因活性在时间和空间中调控机制的研究。”1993，Li E et,al；引进“表观遗传模板”这个术语。1996，Arth

3、ur Riggs et,al；一项关于能引起可遗传的基因功能改变的有丝分裂和/或减数分裂的研究，而这些变化是DNA序列的改变无法解释的。2007，Adrian Bird；将表观遗传学定义为染色体的构造适应，以便启始、发出信号或保持变构的活性状态。2008，冷泉港会议；达成了关于表观遗传学的共识，即“染色体的改变所引起的稳定的可遗传的表现型，而非DNA序列的改变。”概念模型定义深化概念共识第4页/共30页表观遗传机制表观遗传学概述表观遗传学概述第5页/共30页6表观遗传学概述表观遗传学概述-表观遗传学的主要特点 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； 可逆性的基因

4、表达调节，也有较少的学者描述为基因活性或功能的改变； 没有DNA序列的改变或不能用DNA序列变化来解释。第6页/共30页7表观遗传学研究内容表观遗传学研究内容l 基因选择性转录表达基因选择性转录表达的调控的调控uDNA甲基化u组蛋白修饰u染色质重塑u基因印记等l 基因转录后的调控基因转录后的调控uRNA干扰（RNAi）u基因组中非编码RNAu微小RNA（miRNA）u核糖开关等第7页/共30页表观遗传学研究内容表观遗传学研究内容第8页/共30页 CpG岛（CpG island） 许多基因，尤其是管家基因的启动子区，基因的末端通常存在一些富含双核苷酸“CG”的区域； CpG表示核苷酸对，其中G在

5、DNA链中紧随C后，长度通常在几百到几千核苷酸的长度内变化； 在在人类基因组内，存在有近3万个CpG岛；在大多数染色体上，平均每100万碱基含有515个CpG岛，其中有1.8万多个CpG岛的GC含量为60%70%； 正常细胞的CpG岛由于被保护而处于非甲基化状态； 全基因组低甲基化，维持甲基化模式酶的调节失控和正常非甲基化 CpG岛的高甲基化是人类肿瘤中普遍存在的现象； 研究证明启动子区的高甲基化导致抑癌基因失活是人类肿瘤所具有的共同特征之一，而且这种高甲基化是导致抑癌基因失活的又一个机制。表观遗传学研究内容表观遗传学研究内容第9页/共30页表观遗传学研究内容表观遗传学研究内容-DNA甲基化的

6、转录抑制机制 直接干扰特异转录因子与各自启动子结合的识别位置。 DNA的大沟是许多蛋白因子与DNA结合的部位，胞嘧啶的甲基化干扰转录因子与DNA的结合。 转录抑制复合物干扰基因转录。 甲基化DNA结合蛋白与启动子区内的甲基化CpG岛结合，再与其他一些蛋白共同形成转录抑制复合物（TRC），阻止转录因子与启动子区靶序列的结合，从而影响基因的转录。 通过改变染色质结构而抑制基因表达。 染色质构型变化伴随着组氨酸的乙酰化和去乙酰化，许多乙酰化和去乙酰化本身就分别是转录增强子和转录阻遏物蛋白。第10页/共30页表观遗传学研究内容表观遗传学研究内容-DNA甲基化(DNA methylation) 主要是基

7、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，5-mC)，是目前研究得最清楚、 也是最重要的表观遗传修饰形式。DNMT1胞嘧啶胞嘧啶C5-5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶5-mCS-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸甲基化转移酶甲基化转移酶胞嘧啶甲基化反应第11页/共30页表观遗传学研究内容表观遗传学研究内容-DNA甲基化的遗传与保持 DNA复制后，新合成链在DNMT1的作用下，以旧链为模板进行甲基化； 甲基化并非基因沉默的原因而是基因沉默的结果，其以某种机制识别沉默基因，后进行甲基化； DNA全新甲基化。引发因素可能包括： DNA本身的

8、序列、成分和次级结构； RNA根据序列同源性可能靶定的区域； 特定染色质蛋白、组蛋白修饰或相当有序的染色质结构。第12页/共30页表观遗传学研究内容表观遗传学研究内容甲基化状态保持的方式第13页/共30页表观遗传学研究内容表观遗传学研究内容-组蛋白修饰（histone modification） 组蛋白（histone） 组蛋白是存在于染色体内上与DNA结合的碱性蛋白质，赖氨酸和精氨酸含量丰富； 染色质中的组蛋白与DNA的含量之比为1:1； 几乎所有真核细胞染色体的组蛋白均可分成5种主要的组分：H1，H2A，H2B，H3，H4；核小体组成的核心蛋白； 是脱氧核糖核酸（DNA）折叠时所依赖的线轴

9、； 组蛋白的基因非常保守，亲缘关系较远的种属中，四种组蛋白（除H1外）氨基酸序列都非常相似； 第14页/共30页表观遗传学研究内容表观遗传学研究内容-组蛋白修饰 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（甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等），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。 组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型被称为

10、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。第15页/共30页表观遗传学研究内容表观遗传学研究内容-组蛋白修饰种类乙酰化 Acetylation 大多发生在H3、H4的 Lys 残基上，一般与活化的染色质构型、活化状态相关联。甲基化 Methylation 发生在H3、H4的 Lys 和 Arg残基上，可与基因抑制有关，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 Phosphorylation 发生与 Ser 残基，一般与基因活化相关。泛素化 Ubiquitination 一般是C端Lys修饰，启动基因表达。 泛素

11、是一种存在于大多数真核细胞中的小蛋白，它的主要功能是标记需要分解掉的蛋白质，使其被水解；当附有泛素的蛋白质移动到桶状的蛋白酶的时候，蛋白酶就会将该蛋白质水解，泛素也可以标记跨膜蛋白，如受体，将其从细胞膜上除去。第16页/共30页表观遗传学研究内容表观遗传学研究内容-染色质重塑（chromatin remodeling）染色质与染色体的区别？核小体有什么特殊结构？H1H2-H4是由染色质重塑复合物(Chromatin Remodeling Complexes,CRC)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。第17页/共30页表观遗传学研究内容表观遗传学研究内容-调节基因表达的机制

12、 机制1： 1 个转录因子独立地与核小体DNA 结合(DNA 可以是核小体或核小体之间的) , 然后, 这个转录因子再结合1 个重塑因子（重塑复合物）, 导致附近核小体结构发生稳定性的变化, 又导致其他转录因子的结合, 这是一个串联反应的过程; 机制2： 由重塑因子首先独立地与核小体结合, 不改变其结构, 但使其松动并发生滑动, 这将导致转录因子的结合, 不断地从而使新形成染色质的区域稳定。（A A）结合）结合（B B）松链）松链（C C) )重塑重塑八聚体转移八聚体转移八聚体滑动八聚体滑动+ATP+ATP重塑重塑复合复合物物第18页/共30页-核小体定位（Nucleosome locatio

13、n） 概念 核小体在DNADNA上特异性定位的现象。 机制 内在定位机制：每个核小体被定位于特定的DNA片断； 外在定位机制：内在定位结束后，核小体以确定的长度特性重复出现。 意义 是DNA正确包装的条件； 调节基因表达。表观遗传学研究内容表观遗传学研究内容第19页/共30页-RNA干扰（RNA interference，RNAi） 是指一种分子生物学上由双链RNA诱发的基因沉默现象，其机制是通过阻碍特定基因的翻译或转录来抑制基因表达。当细胞中导入与内源性mRNA编码区同源的双链RNA时，该mRNA发生降解而导致基因表达沉默。 在线虫与植物中，EGO1（一种RNA-dependent RNA

14、Polymerase,RdRP）为RNAi必须因子，但在人和果蝇中是非必须的。不同物种之间RNAi机制的基本框架虽然相同，但存在着微妙差异。表观遗传学研究内容表观遗传学研究内容第20页/共30页siRNA介导的RNAi表观遗传学研究内容表观遗传学研究内容第21页/共30页表观遗传学研究内容表观遗传学研究内容miRNA（microRNA）介导的RNAi第22页/共30页表观遗传学研究内容表观遗传学研究内容-其他内容转录后基因沉默（Post-transcriptional Gene Silencing ,PTGS） 研究结果发现有大量的转基因植株不能正常表达，通常这并不是由于转基因的缺失或突变引起

15、的，而是基因失活的结果。这种失活的现象称为基因沉默。部分的植物中的基因沉默是在转录后发生的，称为转录后基因沉默。基因印记（genomic imprinting） 指在配子或合子发生期间，来自亲本的等位基因或染色体在发育过程中产生专一性的加工修饰，导致后代体细胞中两个亲本来源的等位基因(IGF2)有不同的表达方式，又称遗传印记或配子印记。它是一种伴有基因组改变的非孟德尔遗传形式，可遗传给子代细胞，但并不包括DNA序列的改变。核糖开关（riboswitches） mRNA一些非编码区的序列折叠成一定的构象，这些构象的改变应答于体内的一些代谢分子，从而通过这些构象的改变达到调节mRNA转录的目的，如

16、抗终止子的形成。第23页/共30页在多细胞真核生物的生长、发育中非常重要；细胞记忆，调节基因表达。表观遗传在医学上有巨大潜在应用，同时它在世界上趋向多面的；先天性遗传性疾：普拉德-威利综合征，Angelman综合征等。表观遗传的改变可影响进化，长期或短暂更好适应当前环境；表突变率突变率多种复合物被认为是表观遗传致癌物；组蛋白乙酰化前列腺癌.表观遗传学研究意义表观遗传学研究意义第24页/共30页RNA干扰表观遗传Epigenetics第25页/共30页第26页/共30页 相同点相同点/联系点联系点siRNAmiRNA长度及特征长度及特征都约在都约在22nt左右，左右，5端是磷酸基，端是磷酸基，3

17、端是羟基端是羟基合成的底物合成的底物miRNA和和siRNA合成都是由双链的合成都是由双链的RNA或或RNA前体形成的前体形成的Dicer酶酶依赖依赖Dicer酶的加工，是酶的加工，是Dicer的产物，所以具有的产物，所以具有Dicer产物的特点产物的特点Argonaute家族蛋家族蛋白白都需要都需要Argonaute家族蛋白参与家族蛋白参与RISC组分组分二者都是二者都是RISC组分，所以其功能界限变得不清晰，如二者在介导沉默机制上有重叠组分，所以其功能界限变得不清晰，如二者在介导沉默机制上有重叠；产生了；产生了on target和和off target的问题的问题作用方式作用方式都可以阻遏

18、靶标基因的翻译，也可以导致都可以阻遏靶标基因的翻译，也可以导致mRNA降解，即在转录水平后和翻译水平起降解，即在转录水平后和翻译水平起作用作用进化关系进化关系可能的两种推论：可能的两种推论：siRNA是是miRNA的补充，的补充，miRNA在进化过程中替代了在进化过程中替代了siRNA第27页/共30页不同点不同点/分歧点分歧点siRNAmiRNA来源、机制来源、机制往往是往往是外源外源引起的，如病毒感染引起的，如病毒感染和人工插入和人工插入dsRNA之后诱之后诱导而产生，属于异常情况导而产生，属于异常情况是是生物体自身生物体自身的一套正常的调控机制的一套正常的调控机制分子结构分子结构dsRN

19、A,3端有端有2个非配对碱基，个非配对碱基，通常为通常为UUmiRNA是发夹状单链是发夹状单链RNA对靶对靶RNA特异性特异性较高，一个突变容易引起较高，一个突变容易引起RNAi沉默效应的改变沉默效应的改变相对较低，一个突变不影响相对较低，一个突变不影响miRNA的效的效应应生物合成，成熟过程生物合成，成熟过程由由dsDNA在在Dicer酶切割下产生酶切割下产生;发生在细胞质中发生在细胞质中pri-miRNA在核内由一种称为在核内由一种称为Drosha酶酶处理后成为处理后成为60nt的带有茎环结构的的带有茎环结构的Precursor miRNAs (pre-miRNAs)；这些；这些pre-m

20、iRNAs在转在转运到细胞核外之后再由运到细胞核外之后再由Dicer酶进酶进行处理，酶切后成为成熟的行处理，酶切后成为成熟的miRNAs；发生在细胞核和细胞质发生在细胞核和细胞质中中互补性（互补性（complementarity）一般要求一般要求完全互补完全互补不完全互补，存在不完全互补，存在错配现象错配现象第28页/共30页生物学功能生物学功能抵抗病毒的防御机制抵抗病毒的防御机制; 沉默那些过分表达的沉默那些过分表达的mRNA; 保护基因组免受转座子的破坏；保护基因组免受转座子的破坏；对有机体的对有机体的生长发育生长发育有重要作用有重要作用重要特性重要特性高度特异性高度特异性高度的保守性、时

21、序性和组织特异性高度的保守性、时序性和组织特异性作用机制作用机制单链的单链的siRNA结合到结合到RISC复合物中，引导复合复合物中，引导复合物与物与mRNA完全互补，通过其自身的解旋完全互补，通过其自身的解旋酶活性，解开酶活性，解开siRNAs，通过反义，通过反义siRNA链链识别目的识别目的mRNA片段，通过内切酶活性切片段，通过内切酶活性切割目的片段，接着再通过细胞外切酶进一割目的片段，接着再通过细胞外切酶进一步降解目的片段。同时步降解目的片段。同时,siRNA也可以阻遏也可以阻遏3UTR具有短片断互补的具有短片断互补的mRNA的翻译的翻译（off target）.成熟的成熟的miRNAsmiRNAs则是通过与则是通过与miRNPmiRNP核蛋白核蛋白体复合物结合，识别靶体复合物结合，识别靶m