表观遗传学ppt课件

1、表表 观观 遗遗 传传 学学（epigeneticsepigenetics）沈建英沈建英2022年年1月月26日日2022年年1月月26日日发发 展展 历历 史史v1939年，Waddington CH 首先在中提出了epihenetics这一术语。v1942年定义为生物学的分支，研究基因与决定表型的基因产物之间的因果关系。v1975年，Hollidy R 对表观遗传学进行了较为准确的描述。v2019年James G Herman 和Stephen B Baylin 发明 MSP技术，并发现肿瘤细胞中抑癌基因启动子区CpG呈高甲基化状态。2022年年1月月26日日概概 述述v表观遗传学：表观遗

2、传学：v可遗传的，即这类改变通过有丝分裂或可遗传的，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减数分裂，能在细胞或个体世代间遗传；v可逆性的基因表达调节，也有较少的学可逆性的基因表达调节，也有较少的学者描述为基因活性或功能的改变；者描述为基因活性或功能的改变；v没有没有DNADNA序列的改变或不能用序列的改变或不能用DNADNA序列变序列变化来解释。化来解释。2022年年1月月26日日v三个层面调控基因表达：三个层面调控基因表达：vDNADNA修饰修饰 ：DNADNA共价结合一个修饰基团，使具有相共价结合一个修饰基团，使具有相同序列的等位基因处于不同的修饰状态。同序列的等位基因

3、处于不同的修饰状态。v蛋白修饰：通过对特殊蛋白修饰或改变蛋白的构蛋白修饰：通过对特殊蛋白修饰或改变蛋白的构象实现对基因表达的调控。象实现对基因表达的调控。v非编码非编码RNARNA调控：通过某些机制实现对基因转录的调控：通过某些机制实现对基因转录的调控，如调控，如RNARNA干扰。干扰。v意义：意义：v任何一个层面异常，都将影响染色质结构和基因任何一个层面异常，都将影响染色质结构和基因表达，导致复杂综合征、多因素疾病以及癌症。表达，导致复杂综合征、多因素疾病以及癌症。和和DNADNA序列改变不同的是，许多表观遗传的改变是序列改变不同的是，许多表观遗传的改变是可逆的，这就为疾病的治疗提供乐观的前

4、景。可逆的，这就为疾病的治疗提供乐观的前景。概概 述述2022年年1月月26日日概概 述述v表观遗传学的研究内容：表观遗传学的研究内容：l 基因转录后的调控基因转录后的调控l 基因组中非编码基因组中非编码RNARNAl 微小微小RNARNAmiRNAmiRNA）l 反义反义RNARNAl 内含子、核糖开关等内含子、核糖开关等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l DNADNA甲基化甲基化l 组蛋白共价修饰组蛋白共价修饰l 染色质重塑染色质重塑l 基因印记基因印记l X X染色体失活染色体失活2022年年1月月26日日2022年年1月月26日日概概 述述2022年年1月月26日日

5、遗传与表观遗传遗传与表观遗传2022年年1月月26日日概概 述述2022年年1月月26日日基因组与表观基因组经组织归类的信息经组织归类的信息2022年年1月月26日日2022年年1月月26日日表观遗传学机制表观遗传学机制DNA DNA 甲基化甲基化1组蛋白修饰组蛋白修饰2染色质重塑染色质重塑3RNA RNA 调调 控控4DNA DNA 甲基化甲基化1一、一、DNADNA甲基化甲基化2022年年1月月26日日一、一、DNADNA甲基化甲基化v 哺乳动物基因组中哺乳动物基因组中5mC5mC占胞嘧啶总量的占胞嘧啶总量的2%-7%2%-7%，约，约70%70%的的5mC5mC存在于存在于CpGCpG二

6、连核苷。二连核苷。v 在结构基因的在结构基因的55端调控区域端调控区域, CpG, CpG二连核苷常常以成簇串二连核苷常常以成簇串联形式排列，这种富含联形式排列，这种富含CpGCpG二连核苷的区域称为二连核苷的区域称为CpGCpG岛岛(CpG (CpG islands)islands)，其大小为，其大小为500-1000bp500-1000bp，约，约56%56%的编码基因含该的编码基因含该结构。结构。v 基因调控元件基因调控元件( (如启动子如启动子) )所含所含CpGCpG岛中的岛中的5mC5mC会阻碍转录因会阻碍转录因子复合体与子复合体与DNADNA的结合。的结合。v DNADNA甲基化

7、一般与基因沉默相关联；甲基化一般与基因沉默相关联；v 非甲基化一般与基因的活化相关联；非甲基化一般与基因的活化相关联；v 而去甲基化往往与一个沉默基因的重新激活相关联。而去甲基化往往与一个沉默基因的重新激活相关联。2022年年1月月26日日2022年年1月月26日日一、一、DNADNA甲基化甲基化2022年年1月月26日日v CpGCpG岛主要处于基因岛主要处于基因55端调控区域。端调控区域。v 启动子区域的启动子区域的CpGCpG岛一般是非甲基化状态的，其非甲基岛一般是非甲基化状态的，其非甲基化状态对相关基因的转录是必须的。化状态对相关基因的转录是必须的。v 目前认为基因调控元件如启动子的目

8、前认为基因调控元件如启动子的CpGCpG岛中发生岛中发生5mC5mC修饰会在空间上阻碍转录因子复合物与修饰会在空间上阻碍转录因子复合物与DNADNA的结合。因的结合。因而而DNADNA甲基化一般与基因沉默相关联。甲基化一般与基因沉默相关联。2022年年1月月26日日一、一、DNADNA甲基化甲基化2022年年1月月26日日 DNADNA甲基化甲基化(DNA methylation)(DNA methylation)是研究得最清是研究得最清楚、楚、 也是最重要的表观遗传修饰形式，主要是基也是最重要的表观遗传修饰形式，主要是基因组因组 DNA DNA上的胞嘧啶第上的胞嘧啶第5 5位碳原子和甲基间的

9、共价位碳原子和甲基间的共价结合，胞嘧啶由此被修饰为结合，胞嘧啶由此被修饰为5 5甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶(5-(5-methylcytosinemethylcytosine，5mC)5mC)。DNMT1胞嘧啶胞嘧啶5-5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶胞嘧啶甲基化反应胞嘧啶甲基化反应 S-S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸2022年年1月月26日日二、组蛋白修饰二、组蛋白修饰2022年年1月月26日日2022年年1月月26日日二、组蛋白修饰二、组蛋白修饰2022年年1月月26日日2022年年1月月26日日2022年年1月月26日日二、组蛋白修饰二、组蛋白修饰Bryan M. Turner, nature cell

10、 biology, 2019v组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型被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称为组蛋白密码histone codehistone code），遗传密码的），遗传密码的表观遗传学延伸，决定了基因表达调控的状态，并表观遗传学延伸，决定了基因表达调控的状态，并且可遗传。且可遗传。2022年年1月月26日日二、组蛋白修饰二、组蛋白修饰v组蛋白修饰是表观遗传研究的重要内容。组蛋白修饰是表观遗传研究的重要内容。v组蛋白的组蛋白的 N N端是不稳定的、无一定组织的亚单位，其端是不稳定的、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

11、修延伸至核小体以外，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。饰往往与基因的表达调控密切相关。v被组蛋白覆盖的基因如果要表达，首先要改变组蛋白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，使其与的修饰状态，使其与DNADNA的结合由紧变松，这样靶基因的结合由紧变松，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。染色体结构维持单元和基因表达的负控制因子。2022年年1月月26日日2022年年1月月26日日二、组蛋白修饰二、组蛋白修饰v组蛋白修饰种类v乙酰化- 一般与活化

12、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。v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。v磷酸化- 发生与 Ser 残基，一般与基因活化相关。v泛素化- 一般是C端Lys修饰，启动基因表达。vSUMO一种类泛素蛋白化- 可稳定异染色质。v其他修饰2022年年1月月26日日DNADNA甲基化与组蛋白去乙酰化甲基化与组蛋白去乙酰化2022年年1月月26日日乙酰化酶基因突变导致基因不能表达：乙酰化酶基因突变导致基因不能表达：Rubinstein Taybi综合征、肿瘤、急综合征、肿瘤

13、、急性进行性髓性白血病。性进行性髓性白血病。去乙酰化酶相关基因的突变导致错误募集去乙酰化酶相关基因的突变导致错误募集去乙酰化酶：去乙酰化酶：Rett综合征、急性早幼粒综合征、急性早幼粒细胞性白血病，急性淋巴细胞性白血病和细胞性白血病，急性淋巴细胞性白血病和非何杰金氏淋巴瘤的治疗。非何杰金氏淋巴瘤的治疗。2022年年1月月26日日三、染色质重塑三、染色质重塑核小体2022年年1月月26日日三、染色质重塑三、染色质重塑v染色质重塑染色质重塑chromatin remodelingchromatin remodeling是一个是一个重要的表观遗传学机制。重要的表观遗传学机制。v染色质重塑是由染色质重

14、塑复合物介导的一系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列以染色质上核小体变化为基本特征的生物学过程。过程。v组蛋白尾巴的化学修饰乙酰化、甲基化及磷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，从而影响邻近酸化等可以改变染色质结构，从而影响邻近基因的活性。基因的活性。2022年年1月月26日日三、染色质重塑三、染色质重塑染色质修饰与重塑共价修饰型与染色质修饰与重塑共价修饰型与ATPATP依赖型）依赖型）v染色质重塑复合物、组蛋白修饰酶的突变均和转染色质重塑复合物、组蛋白修饰酶的突变均和转录调控、录调控、DNA甲基化、甲基化、DNA重组

15、、细胞周期、重组、细胞周期、DNA的复制和修复的反常相干的复制和修复的反常相干,这些反常可以引起这些反常可以引起生长发育反常生长发育反常,智力发育缓慢智力发育缓慢,乃至导致癌症。乃至导致癌症。 v依赖依赖ATP的物理修饰主要是使用的物理修饰主要是使用ATP水注解放的水注解放的能量能量,使使DNA超螺旋旋矩和旋相产生转变超螺旋旋矩和旋相产生转变,使转录使转录因子更易靠近并连合核小体因子更易靠近并连合核小体DNA,从而调控基因的从而调控基因的转录进程。转录进程。三、染色质重塑三、染色质重塑2022年年1月月26日日三、染色质重塑三、染色质重塑（A A结合结合（B B松链松链（C C重塑重塑八聚体转

16、移八聚体转移八聚体滑动八聚体滑动+ ATP+ ATP重塑重塑复合物复合物ATPATP依赖的染色质重构机制依赖的染色质重构机制染色质重塑复合物：染色质重塑复合物： 依靠水解依靠水解ATPATP提提供能量来完成染色质供能量来完成染色质结构的改变，根据水结构的改变，根据水解解ATPATP的亚基不同，的亚基不同，可将复合物分为可将复合物分为SWI/SNFSWI/SNF复合物、复合物、ISWISW复合物等，这些复合复合物等，这些复合物及相关蛋白均与转物及相关蛋白均与转录激活和抑制、录激活和抑制、DNADNA甲基化、甲基化、DNADNA修复及修复及细胞周期相关。细胞周期相关。2022年年1月月26日日v染

17、色质重塑与人类疾病染色质重塑与人类疾病v（ ATRX ATRX、 ERCC6 ERCC6、 SMARCAL1 SMARCAL1编码与编码与SWI/SNFSWI/SNF复复合物相关的合物相关的ATPATP酶）酶）vX X连锁连锁-地中海贫血综合征、地中海贫血综合征、Juerg Juerg MarisidiMarisidi综合征、综合征、Carpenter-WaziriCarpenter-Waziri综合征、综合征、Sutherland-HaanSutherland-Haan综合征和综合征和Smith-Fineman-MyersSmith-Fineman-Myers综合征：综合征：ATRXATRX

18、突变引起突变引起DNADNA甲基化异常。核小体重甲基化异常。核小体重新定位的异常引起基因表达抑制。新定位的异常引起基因表达抑制。vSkeletalSkeletal综合征和综合征和B B型型CockayneCockayne综合征：综合征：ERCC6ERCC6在在DNADNA修复中起重要作用突变。修复中起重要作用突变。vSchimkeSchimke免疫性骨质发育异常：免疫性骨质发育异常：SMARCAL1SMARCAL1调控细调控细胞增殖相关基因的表达）胞增殖相关基因的表达） v肿瘤：肿瘤：BRG1BRG1、SMARCB1SMARCB1和和BRMBRM编码与编码与SWI/SNFSWI/SNF复合复合

19、物特异的物特异的ATPATP酶改变染色质结构）酶改变染色质结构）三、染色质重塑三、染色质重塑四、四、RNARNA调控调控2022年年1月月26日日四、四、RNA 调控调控 siRNAsiRNA结构：结构：21-23nt的双链结构，序列与靶的双链结构，序列与靶mRNA有同源性，双链两端各有有同源性，双链两端各有2个突出非配对的个突出非配对的3碱基碱基。siRNA功能：是功能：是RNAi 作用的重要组分，是作用的重要组分，是RNAi发发生的中介分子。内源性生的中介分子。内源性siRNA使细胞能够抵御转使细胞能够抵御转座子、转基因和病毒的侵略。座子、转基因和病毒的侵略。2022年年1月月26日日20

20、22年年1月月26日日四、四、RNA 调控调控 miRNA构造：构造：21-25nt长的单链小分子长的单链小分子RNA ，5端有一个磷酸基团端有一个磷酸基团，3端为羟基，由具有发夹结构的约端为羟基，由具有发夹结构的约70-90个碱基大小的单个碱基大小的单链链RNA前体经过前体经过Dicer酶加工后生成。酶加工后生成。特点：具有高度的保守性、时序性和组织特异性特点：具有高度的保守性、时序性和组织特异性 。2022年年1月月26日日2022年年1月月26日日四、四、RNA 调控调控2022年年1月月26日日非编码非编码RNA与疾病与疾病癌症癌症神经性疾病：如精神分裂症神经性疾病：如精神分裂症DIS

21、C2 RNA异常所诱异常所诱发的精神分裂症。）、孤独症、忧郁症、躁动症发的精神分裂症。）、孤独症、忧郁症、躁动症等等 牛皮癣易感性牛皮癣易感性四、四、RNA调控调控2022年年1月月26日日五、其他表观遗传机制五、其他表观遗传机制v除除DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、和甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、和RNA调控以外，还有遗传印迹、调控以外，还有遗传印迹、X染色体失活、染色体失活、等。等。v遗传印迹、遗传印迹、X染色体失活的本质仍为染色体失活的本质仍为DNA甲基化甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑。、组蛋白修饰、染色质重塑。2022年年1月月26日日遗遗 传传 印印 迹迹2022年年1月月2

22、6日日v概念：概念：v传给子代的亲本基因在子代中表达的状况取决于传给子代的亲本基因在子代中表达的状况取决于基因来自母本还是父本的现象。该现象在合子形基因来自母本还是父本的现象。该现象在合子形成时已经决定，是涉及基因表达调控的遗传。成时已经决定，是涉及基因表达调控的遗传。v特点：特点：v基因组印迹依靠单亲传递某种性状的遗传信息，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同，即源自双亲的两个等位基因中一个不表达或表达很弱。表达很弱。v不遵循孟德尔定律，是一种典型的非孟德尔遗

23、传，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。正反交结果不同。v 机制：机制：v基因组在传递遗传信息的过程中，通过基因组的基因组在传递遗传信息的过程中，通过基因组的化学修饰化学修饰DNA的甲基化；组蛋白的甲基化、乙的甲基化；组蛋白的甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等而使基因或酰化、磷酸化、泛素化等而使基因或DNA片段片段被标识的过程。被标识的过程。2022年年1月月26日日遗遗 传传 印印 迹迹2022年年1月月26日日正交Igf-2Igf-2Igf-2mIgf-2mIgf-2Igf-2Igf-2mIgf-2m反交正常小鼠矮小型小鼠矮小型小鼠矮小型小鼠正常小鼠正常小鼠Igf-2

24、mIgf-2Igf-2Igf-2m2022年年1月月26日日遗遗 传传 印印 迹迹2022年年1月月26日日v由正反交实验可以看出：由正反交实验可以看出：v印迹基因的正反交结果不一致、不符合孟德尔印迹基因的正反交结果不一致、不符合孟德尔定律。定律。v小鼠小鼠 Igf-2 基因总是母本来源的等位基因被印迹，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。父本来源的等位基因表达，因此是母本印迹。v基因印迹使基因的表达受到抑制，导致被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。的基因的生物功能的丧失。2022年年1月月26日日遗遗 传传 印印 迹迹2022年年1月月26日日v基因印迹过程基因印迹过程v印迹的形成印迹的形成v 印迹形成于成熟配子，并持续到出生后。印迹形成于成熟配子，并持续到出生后。v印记的维持印记的维