表观遗传学(研究生)（课堂PPT）

1、.1表观遗传学表观遗传学EpigeneticsEpigenetics基础医学院基础医学院 细胞生物学暨遗传学教研室细胞生物学暨遗传学教研室 李清李清.2多莉：生于多莉：生于1996年年7月月5日，死于日，死于2003年年2月月14日日Dolly Ian Wilmut伊恩伊恩维尔穆特爵士维尔穆特爵士 多莉：死掉了多莉：死掉了.3同卵双生的双胞胎虽然同卵双生的双胞胎虽然具有相同的具有相同的DNA序列，序列，却存在表型的差异和疾却存在表型的差异和疾病易感性的差异病易感性的差异.4复杂疾病的产生复杂疾病的产生.51. 小头小头 2.巨舌巨舌 3. 胎盘增生胎盘增生Beckwith-Wiedemann

2、syndrome,BWS 贝威氏综合征贝威氏综合征 .6n单单从单单从DNADNA序列上寻找众多疾病的病因是序列上寻找众多疾病的病因是片面的，往往事倍功半，对于某些疾病片面的，往往事倍功半，对于某些疾病甚至可能永远找不到答案。甚至可能永远找不到答案。.71857年，奥地利的一名神父孟德尔在他所年，奥地利的一名神父孟德尔在他所在的修道院后院开始进行长达在的修道院后院开始进行长达8年的豌豆杂年的豌豆杂交实验。交实验。1865年，孟德尔根据豌豆杂交实年，孟德尔根据豌豆杂交实验的结果，发表了著名的论文验的结果，发表了著名的论文植物杂交植物杂交试验试验，阐述了他所发现的显性、隐性遗，阐述了他所发现的显性

3、、隐性遗传现象和两个重要遗传学规律传现象和两个重要遗传学规律分离规分离规律和自由组合规律。律和自由组合规律。.8 遗传的基本功能单位遗传的基本功能单位2. 基因由基因由DNA编码编码3. 一个基因编码一条蛋白质一个基因编码一条蛋白质4. 基因序列的改变可能导致功能及表型的改变基因序列的改变可能导致功能及表型的改变基因型基因型(Genotype) - 表型表型(Phenotype)基因：可遗传基因：可遗传.9基因的结构基因的结构.101. 搞清楚人类基因组的搞清楚人类基因组的DNA碱基的内容和顺序碱基的内容和顺序2. 编码区编码区(编码蛋白的编码蛋白的DNA序列序列)：占基因组的：占基因组的5,

4、000万个万个(2) 组蛋白修饰：组蛋白密码组蛋白修饰：组蛋白密码(Histone code).141. 概念概念：基因的：基因的DNA序列不发生改变的情况下，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，并产生可遗传基因的表达水平与功能发生改变，并产生可遗传的表型。的表型。不依赖于不依赖于DNA序列的遗传现象序列的遗传现象2. 特征特征: (1)可遗传；可遗传；(2) 可逆性；可逆性；(3) DNA不变不变3. 表观遗传学的现象表观遗传学的现象：(1) DNA甲基化甲基化(2) 组蛋白修饰组蛋白修饰(3) 非编码非编码RNA调节调节(4) Genomic imprinting表观遗传

5、学表观遗传学.15n表观遗传学的研究已成为基因组测序后表观遗传学的研究已成为基因组测序后的人类基因组重大研究方向之一。这一的人类基因组重大研究方向之一。这一飞速发展的科学领域从分子水平揭示了飞速发展的科学领域从分子水平揭示了复杂的生物学现象，为解开人类和其他复杂的生物学现象，为解开人类和其他生物的生命奥秘、造福人类健康带来了生物的生命奥秘、造福人类健康带来了新希望。新希望。 .16n从现在的研究情况来看，表观遗传学变化从现在的研究情况来看，表观遗传学变化主要集中在三大方面：主要集中在三大方面：nDNADNA甲基化修饰：甲基化修饰：基因选择性转录表达的调控基因选择性转录表达的调控n非编码非编码R

6、NARNA的调控作用：的调控作用：基因转录后的调控基因转录后的调控n组蛋白修饰：组蛋白修饰：蛋白质的翻译后修饰蛋白质的翻译后修饰.17n这三个方面各自影响特有的表观遗传学这三个方面各自影响特有的表观遗传学现象，而且它们还相互作用，共同决定现象，而且它们还相互作用，共同决定复杂的生物学过程。复杂的生物学过程。n因此，表观遗传学也可理解为环境和遗因此，表观遗传学也可理解为环境和遗传相互作用的一门学科。传相互作用的一门学科。 .18DNADNA甲基化甲基化nDNADNA甲基化是指在甲基化酶的作用下，将一个甲基化是指在甲基化酶的作用下，将一个甲基添加在甲基添加在DNADNA分子的碱基上。分子的碱基上。

7、nDNADNA甲基化修饰决定基因表达的模式，即决定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。从亲代到子代可遗传的基因表达状态。nDNADNA甲基化的部位通常在甲基化的部位通常在CpGCpG岛的胞嘧啶岛的胞嘧啶DNMT1S-腺苷腺苷甲硫氨甲硫氨酸酸SAM胞嘧啶胞嘧啶5-5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶.19n在结构基因的调控区段，在结构基因的调控区段，CpGCpG二联核苷常常以成簇串联的形式排二联核苷常常以成簇串联的形式排列。结构基因列。结构基因55端附近富含端附近富含CpGCpG二联核苷的区域称为二联核苷的区域称为CpGCpG岛岛(CpG (CpG islands)isla

8、nds)。nCpGCpG岛通常分布在基因的启动子区域。岛通常分布在基因的启动子区域。.20nCpGCpG岛的甲基化会稳定核小体之间的紧密结合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。而抑制基因的表达。.21n当一个基因的启动子序列中的当一个基因的启动子序列中的CpGCpG岛被甲基化岛被甲基化以后，尽管基因序列没有发生改变，但基因不以后，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，导致生物表能启动转录，也就不能发挥功能，导致生物表型的改变。型的改变。nDNADNA甲基化抑制基因表达甲基化抑制基因表达.22nDNADNA甲基化模式可以在甲基化模式可以在DNADNA复

9、制后被保持下来复制后被保持下来.23n基因组印记与基因组印记与DNADNA甲基化密切相关甲基化密切相关1956年年Prader-Willi综合征综合征(Prader-Willi Syndrome,PWS)，患者肥胖、矮小、，患者肥胖、矮小、中度智力低下。染色体核型分析表明为中度智力低下。染色体核型分析表明为 父源染色体父源染色体15q11-13区段缺失。区段缺失。.24n19681968年年AngelmanAngelman综合征综合征(Angelman Syndrome(Angelman Syndrome，AS)AS)，共济失调、智力低，共济失调、智力低下和失语。母源染色体下和失语。母源染色体

10、15q11-1315q11-13区段缺失区段缺失.25nPWSPWS和和ASAS综合症表明，父亲和母亲的基因组在综合症表明，父亲和母亲的基因组在个体发育中有着不同的影响，这种现象称为个体发育中有着不同的影响，这种现象称为基因组印迹基因组印迹( (genomic imprintinggenomic imprinting) )。n由于源自某一亲本的等位基因或它所在染色由于源自某一亲本的等位基因或它所在染色体发生了表观遗传修饰，导致不同亲本来源体发生了表观遗传修饰，导致不同亲本来源的两个等位基因在子代细胞中表达不同。在的两个等位基因在子代细胞中表达不同。在基因组中的这类现象就是基因组印记。基因组中的

11、这类现象就是基因组印记。.26.27 基因印记1. 父系印记基因父系印记基因:来自父系的等位基因的表达被抑制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来自母系的等位基因表达2. 母系印记基因母系印记基因:来自母系的等位基因的表达被抑制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来自父系的等位基因表达.281. 1. 每一个印记基因簇由一个印记控制元件每一个印记基因簇由一个印记控制元件(imprint(imprintcontrol element, ICE) control element, ICE) 所调控所调控2. 2. 也称为印记控制区域也称为印记控制区域(imprint

12、 control region, (imprint control region, ICR)ICR)或者印记中心或者印记中心(imprinting centre, IC)(imprinting centre, IC)3. 3. 绝大多数都有绝大多数都有CpGislandsCpGislands，能够发生，能够发生DNADNA甲基化甲基化4. 4. 在在CpGislandsCpGislands内或附近通常有成簇的、有向的重内或附近通常有成簇的、有向的重复片段复片段印记基因的特征印记基因的特征.29启动子（启动子（P）、差异甲基化区（）、差异甲基化区（DMR1）、锌指蛋白（）、锌指蛋白（CTCF）和

13、）和增强子（增强子（E）对）对Igf2和和H19的交互易换式印迹调节模式示意图的交互易换式印迹调节模式示意图（ 为非甲基化为非甲基化CpG岛，岛， 为甲基化为甲基化CpG岛）。岛）。母源母源PDMR1EIgf2CTCFH19父源父源E印迹调控区印迹调控区.30n涉及到不同亲本涉及到不同亲本来源的印迹基因来源的印迹基因的的DNADNA甲基化型都甲基化型都是在生殖细胞成是在生殖细胞成熟过程中建立的。熟过程中建立的。 印迹基因的印迹基因的DNADNA甲基化型在生殖细胞成熟过程中的建立甲基化型在生殖细胞成熟过程中的建立原始性细胞原始性细胞（2n）合子合子（2n）配子配子（n）.31n基因组印迹是基因组

14、印迹是性细胞系性细胞系的一种的一种表观遗传表观遗传修饰修饰，这种修饰有一整套分布于染色体，这种修饰有一整套分布于染色体不同部位的不同部位的印迹中心印迹中心来来协调协调。n印迹中心直接介导了印迹标记的建立及印迹中心直接介导了印迹标记的建立及其在发育全过程中的维持和传递，并导其在发育全过程中的维持和传递，并导致以亲本来源特异性方式优先表达两个致以亲本来源特异性方式优先表达两个亲本等位基因中的一个，而使另一个沉亲本等位基因中的一个，而使另一个沉默。默。.32n研究表明，在哺乳动物中相当数量的印迹基因研究表明，在哺乳动物中相当数量的印迹基因是与胎儿的生长发育和胎盘的功能密切相关的。是与胎儿的生长发育和

15、胎盘的功能密切相关的。n迄今已发现的印迹基因已有迄今已发现的印迹基因已有150150余个，大多成余个，大多成簇排列，其中许多是疾病基因。虽多数印迹基簇排列，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，然而几乎都与因的作用机制尚不清楚，然而几乎都与DNADNA甲甲基化型的异常相关联。基化型的异常相关联。.33组蛋白修饰组蛋白修饰.34DNA Packing 如何将如何将10,00010,000公里长的蚕丝公里长的蚕丝 ( (半径半径1010-5-5米米) )装入一个篮球中。装入一个篮球中。2. 2. 蚕丝的体积：蚕丝的体积：3.143.14* *1010-3-3m m3 33. 3.

16、折叠、缠绕折叠、缠绕.35染色体上的不同区域染色体上的不同区域Euchromatin: Euchromatin: 常染色质常染色质Heterochromatin: Heterochromatin: 异染色质异染色质E-HE-H或或H-H-称为染色质重塑称为染色质重塑(Chromatin (Chromatin Remodeling)Remodeling)分子机理：分子机理：DNADNA甲基化，甲基化，组蛋白修饰，染色质重塑复组蛋白修饰，染色质重塑复合物的协同作用。合物的协同作用。.36常染色质与异染色质常染色质与异染色质1. 常染色质：基因表达常染色质：基因表达活跃的区域，染色体结活跃的区域，染

17、色体结构较为疏松构较为疏松2. 异染色质：基因表达异染色质：基因表达沉默的区域，染色体结沉默的区域，染色体结构致密构致密.37n组成核小体的组蛋白可以被多种化合物所组成核小体的组蛋白可以被多种化合物所修饰，如磷酸化、乙酰化和甲基化等，组修饰，如磷酸化、乙酰化和甲基化等，组蛋白的这类结构修饰可使染色质的构型发蛋白的这类结构修饰可使染色质的构型发生改变，称为生改变，称为染色质构型重塑染色质构型重塑。.38n组蛋白中不同氨基酸残基的组蛋白中不同氨基酸残基的乙酰化乙酰化一般与一般与活化的染色质构型活化的染色质构型常染色质常染色质(euchromatin)(euchromatin)和和有表达活性的基因有

18、表达活性的基因相关联；而组蛋白的相关联；而组蛋白的甲基化甲基化则与浓缩的则与浓缩的异染色质异染色质(hetero-(hetero-chromatin)chromatin)和和表达受抑的基因表达受抑的基因相关联。相关联。.39组蛋白的乙酰化组蛋白的乙酰化中和赖氨酸的正电荷，中和赖氨酸的正电荷，C=O具有一定的负电，能够增加与具有一定的负电，能够增加与DNA的的斥力，使得斥力，使得DNA结构变得疏松，从而导致基因的转录活化结构变得疏松，从而导致基因的转录活化.40组蛋白的甲基化组蛋白的甲基化n组蛋白甲基化可以与基因抑制有关，也组蛋白甲基化可以与基因抑制有关，也可以与基因的激活相关，这往往取决于可以

19、与基因的激活相关，这往往取决于被修饰的赖氨酸处于什么位置。被修饰的赖氨酸处于什么位置。n基因转录沉默基因转录沉默 基因转录活化基因转录活化.41精氨酸和赖氨酸甲基化的过程精氨酸和赖氨酸甲基化的过程.42n组蛋白修饰主要是氨基端的甲基化修饰和组蛋白修饰主要是氨基端的甲基化修饰和( (或或) )乙酰化修饰，特定组蛋白的氨基酸残基被甲基乙酰化修饰，特定组蛋白的氨基酸残基被甲基化和化和( (或或) )乙酰化既可激活基因的表达，也可抑乙酰化既可激活基因的表达，也可抑制基因的表达。制基因的表达。n特定组蛋白羧基端的泛素化同样影响蛋白质的特定组蛋白羧基端的泛素化同样影响蛋白质的降解过程，从而也可调节基因的表

20、达。降解过程，从而也可调节基因的表达。n目前研究还发现组蛋白修饰与目前研究还发现组蛋白修饰与CpGCpG岛的甲基化岛的甲基化密切相关。密切相关。.43Histone CodeHistone Coden染色质蛋白并非只是染色质蛋白并非只是一种包装蛋白，而是一种包装蛋白，而是在在DNADNA和细胞其他组和细胞其他组分之间构筑了一个动分之间构筑了一个动态的功能平台。态的功能平台。.44非编码非编码RNARNA调节调节n无论是无论是DNADNA修饰还是组蛋白修饰，都是基修饰还是组蛋白修饰，都是基因活性调节的中间参与者，而真正诱导因活性调节的中间参与者，而真正诱导基因活性改变的最大可能者是功能性非基因活

21、性改变的最大可能者是功能性非编码编码RNARNA。n非编码非编码RNARNA: :一般指不能翻译蛋白质的一般指不能翻译蛋白质的RNARNA。 （ncRNAncRNA：miRNAmiRNA和和siRNAsiRNA）.45非编码非编码RNARNA不仅能对整个染色体进行活性调节，也可对单个基因活性进行调不仅能对整个染色体进行活性调节，也可对单个基因活性进行调节，它们对基因组的稳定性、细胞分裂、个体发育都有重要的作用。节，它们对基因组的稳定性、细胞分裂、个体发育都有重要的作用。RNARNA干干扰是研究人类疾病的重要手段，通过其它物质调节扰是研究人类疾病的重要手段，通过其它物质调节RNARNA干扰的效果

22、以及实现干扰的效果以及实现RNARNA干扰在特异的组织中发挥作用是未来干扰在特异的组织中发挥作用是未来RNARNA干扰的研究重点。干扰的研究重点。 .46X X染色体失活染色体失活nX X染色体失活就是非编码染色体失活就是非编码RNARNA所介导的一个所介导的一个重要表观遗传学现象，可以说是表观遗传重要表观遗传学现象，可以说是表观遗传学中由学中由RNARNA引导的引导的DNADNA甲基化和组蛋白修饰甲基化和组蛋白修饰共同参与的一个复杂的过程。共同参与的一个复杂的过程。n哺乳动物的雌性个体中仅有随机的一条哺乳动物的雌性个体中仅有随机的一条X染色体有活性，而失活的染色体有活性，而失活的X染色体是由

23、自染色体是由自身的一个身的一个失活中心（失活中心（X inactivation centerX inactivation center）调控的。调控的。.47失活的失活的X染色体被称为染色体被称为Barr bodyX染色质染色质.48X染色体失活：染色体失活：Lyon假说假说1.19611.1961年，年，The Lyon Hypothesis, The Lyon Hypothesis, 由英国遗传学家由英国遗传学家Mary LyonMary Lyon提出。提出。2.2.体细胞中的体细胞中的X X染色体失活发生在胚胎发育的早期。染色体失活发生在胚胎发育的早期。3.3.失活是随机的：每一个细胞中

24、，随机挑选父系失活是随机的：每一个细胞中，随机挑选父系/ /母母系的系的X X染色体失活。染色体失活。4.4.整条整条X X染色体都失去活性染色体都失去活性( (有例外有例外) )。5.X5.X染色体的失活是永久性的，克隆过程中保持失活染色体的失活是永久性的，克隆过程中保持失活的状态。的状态。6.6.所有哺乳动物中都存在所有哺乳动物中都存在X X染色体失活现象。染色体失活现象。.49TSIX的不对称表达决定了的不对称表达决定了X染色体失活的选择性染色体失活的选择性1.在将要失活的在将要失活的X染色体上，染色体上，TSIX沉默保证沉默保证XIST的表达的表达2.在将要活化的在将要活化的X染色体上

25、，染色体上，TSIX激活保证激活保证XIST的沉默的沉默.50nXICXIC失活基因编码出对应的失活基因编码出对应的RNARNA，这些，这些RNARNA包裹在合成它包裹在合成它的的X X染色体上，当达到某一染色体上，当达到某一水平后，在水平后，在DNADNA甲基化和组甲基化和组蛋白修饰的参与下共同导致蛋白修饰的参与下共同导致并维持并维持X X染色体的失活。染色体的失活。.51基因表达的重新编程基因表达的重新编程n已完全分化的细胞，其基因组在特定条件下经已完全分化的细胞，其基因组在特定条件下经历表观遗传修饰重建而为胚胎发育中的基因表历表观遗传修饰重建而为胚胎发育中的基因表达重新编程达重新编程(reprogramming)(reprogramming)并赋予发育全能并赋予发育全能性，为胚胎发育和分化发出正确的指令。性，为胚胎发育和分化发出正确的指令。n胚胎发育中表观基因组重新编程的差误将会导胚胎发育中表观基因组重新编程的差误将会导致多种表观遗传缺陷性疾病。致多种表观遗传缺陷性疾病。 .52nDNA