氮杂胞苷(最新版)课件

表观遗传学的出现修补了经典理论，开创了遗传学研究的新局面第2页/共49页表观遗传学的出现修补了经典理论，开创了遗传学研究的新局面第21当前，表观遗传学研究的强度大大增强第3页/共49页当前，表观遗传学研究的强度大大增强第3页/共49页2第4页/共49页第4页/共49页3但是，繁杂多变的表观遗传学因素、表象让很多入门者迷惑第5页/共49页但是，繁杂多变的表观遗传学因素、表象让很多入门者迷惑第5页/44概述1235表观遗传修饰遗传印记X染色体失活基因表达的重新编程表观遗传与疾病6内容第6页/共49页4概述1235表观遗传修饰遗传印记X染色体失活基因表达的重新5概述第7页/共49页概述第7页/共49页61.基本概念基因的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。表观遗传差异：同卵双生第8页/共49页1.基本概念基因的DNA序列不发生改变的情况下，基因的表达水72.表观遗传的特征可遗传；可逆性；DNA不变。第9页/共49页2.表观遗传的特征可遗传；第9页/共49页83.表观遗传学发展简史1942年，ConradHalWaddington提出现代Epigenetics的概念，认为基因型通过一些“偶然的、不确定的机制”决定了不同的表型1941年，HermannJ.Muller发现Positioneffectvariegation(PEV)——第一种表观遗传学现象1958年，发现paramutation现象1961年，MaryLyon发现X染色体失活现象1983年，DNA甲基化的发现。。。。。。。。。。。第10页/共49页3.表观遗传学发展简史1942年，ConradHalWa9第11页/共49页第11页/共49页10表观遗传修饰DNA甲基化RNA相关沉默组蛋白修饰第12页/共49页表观遗传修饰DNA甲基化第12页/共49页111.DNA甲基化DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶（DNMTs）的作用下，将一个甲基添加在DNA分子的碱基上，最常见的是加在胞嘧啶上，形成5-甲基胞嘧啶（5mC)。5mC占胞嘧啶总量的2%-7%，约70%的5mC存在于CpG二连核苷。结构基因含有很多CpG结构，基因组中60%～90%的CpG都被甲基化,未甲基化的CpG成簇地组成CpG岛,位于结构基因启动子的核心序列和转录起始点。第13页/共49页1.DNA甲基化DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶（DNM12第14页/共49页第14页/共49页13（1）DNA甲基转移酶的类型及功能DNMTl在细胞分裂过程中维持DNA复制时新生链的甲基化状态与方式；DNMT2与DNA特异位点结合，但其作用还不清楚，从结构上说DNMT2仅仅含有催化区域，而缺失整个调节区域。

DNMT3A和DNMT3B催化DNA甲基化新生位点，DNMT3A/DNMT3B对着丝粒卫星DNA重复序列甲基化。第15页/共49页（1）DNA甲基转移酶的类型及功能DNMTl在细胞分裂过程中14（2）DNA甲基化的功能DNA甲基化可引起基因组中相应区域的染色质结构变化,使DNA失去DNA酶的敏感位点和限制性内切酶的切割位点；DNA甲基化可使染色质高度螺旋化,凝缩成团,失去转录活性。第16页/共49页（2）DNA甲基化的功能DNA甲基化可引起基因组中相应区域的15（3）DNA甲基化的意义宿主防御模型转座子的活性对机体非常有害甲基化抑制转座子的活性基因调控模型DNA甲基化的主要功能是转录沉默建立特定的基因表达模式：组织特异性、生殖特异性…基因印记、X染色体失活第17页/共49页（3）DNA甲基化的意义宿主防御模型基因调控模型第17页/共161941年，HermannJ.几天后，雄性生殖细胞开始再甲基化，再甲基化将有助于生殖细胞有丝分裂的重新开始及随后的减数分裂。印记基因的内含子小，雄性印记基因重组率高于雌性印记基因印记形成（重新甲基化）H19的基因印记簇（2）DNA甲基化的功能采用基于绝缘子的沉默机制DNArepair：H2AX磷酸化DNMTl在细胞分裂过程中维持DNA复制时新生链的甲基化状态与方式；DNA甲基化的主要功能是转录沉默活性X染色体停止表达不稳定的XistRNA，已有的XistRNA很快降解。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。X染色体失活过程（进展阶段）甲基化状态在分化的体细胞上是稳定和可遗传的，但在哺乳动物中至少有两个时期，一个是配子发生期，另一个是胚胎期，基因组的甲基化状态发生广泛的重新编程。X染色体失活过程（终末阶段）（1）配子发生中的甲基化现象DNA甲基化可引起基因组中相应区域的染色质结构变化,使DNA失去DNA酶的敏感位点和限制性内切酶的切割位点；转座子的活性对机体非常有害（2）胚胎发育中的甲基化现象小鼠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。2.RNA相关沉默RNA干扰（RNAi）作用是生物体内的一种通过双链RNA分子在mRNA水平上诱导特异性序列基因沉默的过程。由于RNAi发生在转录后水平，所以又称为转录后基因沉默（post-transcriptionalgenesilencing,PTGS）。第18页/共49页1941年，HermannJ.2.RNA相关沉默RNA干扰17（1）RNAi的研究历程第19页/共49页（1）RNAi的研究历程第19页/共49页18siRNA结构：21-23nt的双链结构，序列与靶mRNA有同源性，双链两端各有2个突出非配对的3’碱基。功能：是RNAi作用的重要组分，是RNAi发生的中介分子。内源性siRNA使细胞能够抵御转座子、转基因和病毒的侵略。miRNA结构：21-25nt长的单链小分子RNA，5′端有一个磷酸基团，3′端为羟基，由具有发夹结构的约70-90个碱基大小的单链RNA前体经过Dicer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。（2）参与RNA干扰的主要分子第20页/共49页siRNA结构：21-23nt的双链结构，序列与靶mRNA19siRNA介导的RNAi第21页/共49页siRNA介导的RNAi第21页/共49页203.组蛋白修饰乙酰化--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。其他修饰第22页/共49页3.组蛋白修饰乙酰化--一般与活化的染色质构型相关联，乙酰21位点：通常发生在蛋白质的赖氨酸(K)上；可逆的生化反应：乙酰化和去乙酰化分子效应：中和赖氨酸上的正电荷，增加组蛋白与DNA的排斥力，使DNA结构变得疏松，从而导致基因的转录活化。生物学功能：

A.基因转录活化；B.DNA损伤修复(1)组蛋白的乙酰化第23页/共49页位点：(1)组蛋白的乙酰化第23页/共49页22(2)组蛋白的甲基化位点：主要发生在赖氨酸(K)或精氨酸(R)上；分子效应：

增加赖氨酸上的疏水力生物学功能：

A.基因转录活化（H3-K4)；B.基因转录沉默（H3-K9）；C.X染色体失活第24页/共49页(2)组蛋白的甲基化位点：第24页/共49页23(3)组蛋白的磷酸化位点：主要发生在丝氨酸(S)/苏氨酸(T)功能：A.转录调控：H3K10被Rsk-2磷酸化B.异染色质的形成：H4S1的磷酸化C.DNArepair：H2AX磷酸化第25页/共49页(3)组蛋白的磷酸化位点：第25页/共49页24遗传印记DNA甲基化是产生遗传印记的主要原因。第26页/共49页遗传印记DNA甲基化是产生遗传印记的主要原因。第26页/共4251.概念遗传印记（geneimprinting)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。基因组印记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。第27页/共49页1.概念遗传印记（geneimprinting)是指基因组26（2）参与RNA干扰的主要分子印记基因的内含子小，雄性印记基因重组率高于雌性印记基因（2）胚胎发育中的甲基化现象（3）DNA甲基化的意义内源性siRNA使细胞能够抵御转座子、转基因和病毒的侵略。两条染色体都表达不稳定的XistRNA（3）DNA甲基化的意义表观遗传学的出现修补了经典理论，开创了遗传学研究的新局面1961年，MaryLyon发现X染色体失活现象磷酸化--发生与Ser残基，一般与基因活化相关。其中一条X染色体表达的XistRNA包裹自身并启动异染色质化过程结构：21-25nt长的单链小分子RNA，5′端有一个磷酸基团，3′端为羟基，由具有发夹结构的约70-90个碱基大小的单链RNA前体经过Dicer酶加工后生成。1961年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。基因印记、X染色体失活转录调控：H3K10被Rsk-2磷酸化DNMT3A和DNMT3B催化DNA甲基化新生位点，DNMT3A/DNMT3B对着丝粒卫星DNA重复序列甲基化。印记基因的内含子小，雄性印记基因重组率高于雌性印记基因RNA干扰（RNAi）作用是生物体内的一种通过双链RNA分子在mRNA水平上诱导特异性序列基因沉默的过程。（1）RNAi的研究历程1942年，ConradHalWaddington提出现代Epigenetics的概念，认为基因型通过一些“偶然的、不确定的机制”决定了不同的表型2727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-2mIgf-2Igf-2Igf-2m第28页/共49页（2）参与RNA干扰的主要分子2727正交Igf-2272828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。第29页/共49页2828由正反交实验可以看出：第29页/共49页282.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-胚胎发育能力削弱在特定细胞系及神经发育方面有重要功能第30页/共49页2.主要功能出生前的生长发育;第30页/共49页29印记去除（去甲基化）印记形成（重新甲基化）印记维持（甲基化维持）父源基因组的去甲基化是将甲基直接去除；而母源基因组的去甲基化则多数是因甲基转移酶DNMT1活性受阻而使甲基化维持失败。3.印记过程第31页/共49页印记去除（去甲基化）3.印记过程第31页/共49页304.遗传印记的特点遗传印记遍布基因组印记基因的内含子小，雄性印记基因重组率高于雌性印记基因印记基因表达具有组织特异性印记基因在世代传递中可以逆转第32页/共49页4.遗传印记的特点遗传印记遍布基因组第32页/共49页315.印记基因的调控方式母源等位基因簇E.g.H19的基因印记簇采用ncRNA介导的沉默机制父源等位基因簇E.g.Igf2的基因印记簇采用基于绝缘子的沉默机制第33页/共49页5.印记基因的调控方式母源等位基因簇第33页/共49页32第34页/共49页第34页/共49页33X染色体失活第35页/共49页X染色体失活第35页/共49页341961年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。1996年等发现X染色体的Xq13.3区段有一个X失活中心(X-inactioncenter，Xic)，X-失活从Xic区段开始启动，然后扩展到整条染色体。第36页/共49页1961年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351.失活X染色体特点：组蛋白H4不被乙酰化CpG岛的高度甲基化第37页/共49页1.失活X染色体特点：第37页/共49页36增加赖氨酸上的疏水力而母源基因组的去甲基化则多数是因甲基转移酶DNMT1活性受阻而使甲基化维持失败。转座子的活性对机体非常有害这些异常表型的高发性和穿越种间的相似性说明：这些问题主要不是由遗传信息的改变引起的而是由外遗传信息的改变导致的，其主要原因就是基因没有获得正确的重新编程。RNA干扰（RNAi）作用是生物体内的一种通过双链RNA分子在mRNA水平上诱导特异性序列基因沉默的过程。印记基因的内含子小，雄性印记基因重组率高于雌性印记基因在胚胎期，同样发生全局性的去甲基化和再甲基化过程。(3)正确重新编程，产生正常克隆动物。基因印记、X染色体失活X染色体失活过程（终末阶段）（2）DNA甲基化的功能组蛋白的甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等）而使基因或DNA片段被标识的过程。乙酰化和去乙酰化DNA甲基化的主要功能是转录沉默胚胎期，在精子进入卵子时发生的主动去甲基化中，一些父系表达的印迹基因将受保护不被去甲基化。甲基化状态在分化的体细胞上是稳定和可遗传的，但在哺乳动物中至少有两个时期，一个是配子发生期，另一个是胚胎期，基因组的甲基化状态发生广泛的重新编程。X染色体失活过程（进展阶段）1983年，DNA甲基化的发现结构：21-25nt长的单链小分子RNA，5′端有一个磷酸基团，3′端为羟基，由具有发夹结构的约70-90个碱基大小的单链RNA前体经过Dicer酶加工后生成。（3）DNA甲基化的意义2.X染色体失活过程（起始阶段）两条染色体都表达不稳定的XistRNA第38页/共49页增加赖氨酸上的疏水力2.X染色体失活过程（起始阶段）两条染色37X染色体失活过程（进展阶段）其中一条X染色体表达的XistRNA包裹自身并启动异染色质化过程第39页/共49页X染色体失活过程（进展阶段）其中一条X染色体表达的Xist38X染色体失活过程（终末阶段）活性X染色体停止表达不稳定的XistRNA，已有的XistRNA很快降解。第40页/共49页X染色体失活过程（终末阶段）活性X染色体停止表达不稳定的Xi39基因表达的重新编程第41页/共49页基因表达的重新编程第41页/共49页40近几年，哺乳动物克隆取得较大进展，体细胞克隆已在多种哺乳动物获得成功，但成功率仍很低，面临着许多问题：重构胚难以植入子宫、流产率高、胎盘过大、出生个体体重过重、许多个体有呼吸循环系统疾病等。这些异常表型的高发性和穿越种间的相似性说明：这些问题主要不是由遗传信息的改变引起的而是由外遗传信息的改变导致的，其主要原因就是基因没有获得正确的重新编程。第42页/共49页近几年，哺乳动物克隆取得较大进展，体细胞克隆已在多种哺乳动物411.配子发生和胚胎发育中的甲基化现象甲基化状态在分化的体细胞上是稳定和可遗传的，但在哺乳动物中至少有两个时期，一个是配子发生期，另一个是胚胎期，基因组的甲基化状态发生广泛的重新编程。第43页/共49页1.配子发生和胚胎发育中的甲基化现象甲基化状态在分化的体细胞42（1）配子发生中的甲基化现象在小鼠，全局性的去甲基化发生在原始生殖细胞(PGC,primordialgermcells)发育早期。一旦PGC去甲基化，雄性生殖细胞的有丝分裂和雌性生殖细胞的减数分裂都将停止。几天后，雄性生殖细胞开始再甲基化，再甲基化将有助于生殖细胞有丝分裂的重新开始及随后的减数分裂。雌性生殖细胞的再甲基化则发生在出生后卵的生长期，Dnmt3A/3B是可能的参与者，但不确定。第44页/共49页（1）配子发生中的甲基化现象在小鼠，全局性的去甲基化发生在原43（2）胚胎发育中的甲基化现象在胚胎期，同样发生全局性的去甲基化和再甲基化过程。当精子进入卵子，在精子DNA未复制之前，精子基因组就已发生广泛的去甲基化。因为细胞核中没有Dnmtl，卵子的基因组则经过一个被动去甲基化过程，直至桑椹胚。当囊胚植入子宫后，立即发生由Dnmt3A/3B介导的从头甲基化，但仅作用在内细胞团(innercellmass)，滋养外胚层不被从头合成甲基化，此时需别的外遗传标记使基因组序列被甲基化或不被甲基化。第45页/共49页（2）胚胎发育中的甲基化现象在胚胎期，同样发生全局性的去甲基442.配子发生和胚胎发育中的遗传印迹现象印记基因的“印记”形成于配子发育晚期，并且独立于胚胎发育中的全局性去甲基化作用和甲基化作用；在配子发生晚期，将建立印记基因亲本特异的甲基化标志，若此标志一旦丢失，除非经过生殖系(germline)的传递，否则将不可能再次获得。胚胎期，在精子进入卵子时发生的主动去甲基化中，一些父系表达的印迹基因将受保护不被去甲基化。第46页/共49页2.配子发生和胚胎发育中的遗传印迹现象印记基因的“印记”形成453.哺乳动物克隆过程中的基因重新编程哺乳动物克隆过程中基因的重新编程有其显著的特殊性，最主要在于它没有经过配子发生这一阶段，重新编程必须在供核进入卵子和重构胚基因组开始转录这一短暂阶段发生。重新编程后有3种结果：(1)没有得到重新编程，克隆胚胎立即死亡；(2)部分重新编程，将导致各种异常表型和(或)死于发育的各个阶段；(3)正确重新编程，产生正常克隆动物。第47页/共49页3.哺乳动物克隆过程中的基因重新编程哺乳动物克隆过程中基因的46转座子的活性对机体非常有害（2）DNA甲基化的功能（2）胚胎发育中的甲基化现象基因印记、X染色体失活（2）胚胎发育中的甲基化现象DNA甲基化的主要功能是转录沉默DNA甲基化可使染色质高度螺旋化,凝缩成团,失去转录活性。而母源基因组的去甲基化则多数是因甲基转移酶DNMT1活性受阻而使甲基化维持失败。印记基因的内含子小，雄性印记基因重组率高于雌性印记基因转录调控：H3K10被Rsk-2磷酸化DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶（DNMTs）的作用下，将一个甲基添加在DNA分子的碱基上，最常见的是加在胞嘧啶上，形成5-甲基胞嘧啶（5mC)。X染色体失活过程（进展阶段）(3)正确重新编程，产生正常克隆动物。基因转录活化（H3-K4)；结构：21-25nt长的单链小分子RNA，5′端有一个磷酸基团，3′端为羟基，由具有发夹结构的约70-90个碱基大小的单链RNA前体经过Dicer酶加工后生成。当精子进入卵子，在精子DNA未复制之前，精子基因组就已发生广泛的去甲基化。结构：21-25nt长的单链小分子RNA，5′端有一个磷酸基团，3′端为羟基，由具有发夹结构的约70-90个碱基大小的单链RNA前体经过Dicer酶加工后生成。两条染色体都表达不稳定的XistRNA特点：具有高度的保守性、时序性和组织特异性。甲基化抑制转座子的活性表观遗传与疾病第48页/共49页转座子的活性对机体非常有害表观遗传与疾病第48页/共49页47第49页/共49页第49页/共49页481.DNA甲基化DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶（DNMTs）的作用下，将一个甲基添加在DNA分子的碱基上，最常见的是加在胞嘧啶上，形成5-甲基胞嘧啶（5mC)。5mC占胞嘧啶总量的2%-7%，约70%的5mC存在于CpG二连核苷。结构基因含有很多CpG结构，基因组中60%～90%的CpG都被甲基化,未甲基化的CpG成簇地组成CpG岛,位于结构基因启动子的核心序列和转录起始点。第13页/共49页1.DNA甲基化DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶（DNM49（2）DNA甲基化的功能DNA甲基化可引起基因组中相应区域的染色质结构变化,使DNA失去DNA酶的敏感位点和限制性内切酶的切割位点；DNA甲基化可使染色质高度螺旋化,凝缩成团,失去转录活性。第16页/共49页（2）DNA甲基化的功能DNA甲基化可引起基因组中相应区域的50（3）DNA甲基化的意义宿主防御模型转座子的活性对机体非常有害甲基化抑制转座子的活性基因调控模型DNA甲基化的主要功能是转录沉默建立特定的基因表达模式：组织特异性、生殖特异性…基因印记、X染色体失活第17页/共49页（3）DNA甲基化的意义宿主防御模型基因调控模型第17页/共51（3）DNA甲基化的意义宿主防御模型转座子的活性对机体非常有害甲基化抑制转座子的活性基因调控模型DNA甲基化的主要功能是转录沉默建立特定的基因表达模式：组织特异性、生殖特异性…基因印记、X染色体失活第17页/共49页（3）DNA甲基化的意义宿主防御模型基因调控模型第17页/共525.印记基因的调控方式母源等位基因簇E.g.H19的基因印记簇采用ncRNA介导的沉默机制父源等位基因簇E.g.Igf2的基因印记簇采用基于绝缘子的沉默机制第33页/共49页5.印记基因的调控方式母源等位基因簇第33页/共49页53第34页/共49页第34页/共49页54（2）胚胎发育中的甲基化现象在胚胎期，同样发生全局性的去甲基化和再甲基化过程。当精子进入卵子，在精子DNA未复制之前，精子基因组就已发生广泛的去甲基化。因为细胞核中没有Dnmtl，卵子的基因组则经过一个被动去甲基化过程，直至桑椹胚。当囊胚植入子宫后，立即发生由Dnmt3A/3B介导的从头甲基化，但仅作用在内细胞团(innercellmass)，滋养外胚层不被从头合成甲基化，此时需别的外遗传标记使基因组序列被甲基化或不被甲基化。第45页/共49页（2）胚胎发育中的甲基化现象在胚胎期，同样发生全局性的去甲基55胚胎期，在精子进入卵子时发生的主动去甲基化中，一些父系表达的印迹基因将受保护不被去甲基化。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。当精子进入卵子，在精子DNA未复制之前，精子基因组就已发生广泛的去甲基化。H19的基因印记簇（2）DNA甲基化的功能小鼠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。3区段有一个X失活中心(X-inactioncenter，Xic)，X-失活从Xic区段开始启动，然后扩展到整条染色体。转座子的活性对机体非常有害DNMTl在细胞分裂过程中维持DNA复制时新生链的甲基化状态与方式；（2）参与RNA干扰的主要分子X染色体失活过程（进展阶段）X染色体失活过程（起始阶段）采用基于绝缘子的沉默机制RNA干扰（RNAi）作用是生物体内的一种通过双链RNA分子在mRNA水平上诱导特异性序列基因沉默的过程。印记基因表达具有组织特异性采用基于绝缘子的沉默机制1996年等发现X染色体的Xq13.（2）胚胎发育中的甲基化现象磷酸化--发生与Ser残基，一般与基因活化相关。功能：是RNAi作用的重要组分，是RNAi发生的中介分子。DNA甲基化可使染色质高度螺旋化,凝缩成团,失去转录活性。甲基化抑制转座子的活性X染色体失活过程（终末阶段）磷酸化--发生与Ser残基，一般与基因活化相关。DNA甲基化的主要功能是转录沉默基因印记、X染色体失活（2）参与RNA干扰的主要分子（1）配子发生中的甲基化现象基因印记、X染色体失活DNA甲基化可引起基因组中相应区域的染色质结构变化,使DNA失去DNA酶的敏感位点和限制性内切酶的切割位点；转座子的活性对机体非常有害父系基因的表达-胚胎发育能力增强DNA甲基化是产生遗传印记的主要原因。建立特定的基因表达模式：组织特异性、生殖特异性…(2)部分重新编程，将导致各种异常表型和(或)死于发育的各个阶段；而母源基因组的去甲基化则多数是因甲基转移酶DNMT1活性受阻而使甲基化维持失败。（2）参与RNA干扰的主要分子X染色体失活过程（终末阶段）采用ncRNA介导的沉默机制5mC占胞嘧啶总量的2%-7%，约70%的5mC存在于CpG二连核苷。第49页/共49页胚胎期，在精子进入卵子时发生的主动去甲基化中，一些父系表达的56表观遗传学的出现修补了经典理论，开创了遗传学研究的新局面第2页/共49页表观遗传学的出现修补了经典理论，开创了遗传学研究的新局面第257当前，表观遗传学研究的强度大大增强第3页/共49页当前，表观遗传学研究的强度大大增强第3页/共49页58第4页/共49页第4页/共49页59但是，繁杂多变的表观遗传学因素、表象让很多入门者迷惑第5页/共49页但是，繁杂多变的表观遗传学因素、表象让很多入门者迷惑第5页/604概述1235表观遗传修饰遗传印记X染色体失活基因表达的重新编程表观遗传与疾病6内容第6页/共49页4概述1235表观遗传修饰遗传印记X染色体失活基因表达的重新61概述第7页/共49页概述第7页/共49页621.基本概念基因的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。表观遗传差异：同卵双生第8页/共49页1.基本概念基因的DNA序列不发生改变的情况下，基因的表达水632.表观遗传的特征可遗传；可逆性；DNA不变。第9页/共49页2.表观遗传的特征可遗传；第9页/共49页643.表观遗传学发展简史1942年，ConradHalWaddington提出现代Epigenetics的概念，认为基因型通过一些“偶然的、不确定的机制”决定了不同的表型1941年，HermannJ.Muller发现Positioneffectvariegation(PEV)——第一种表观遗传学现象1958年，发现paramutation现象1961年，MaryLyon发现X染色体失活现象1983年，DNA甲基化的发现。。。。。。。。。。。第10页/共49页3.表观遗传学发展简史1942年，ConradHalWa65第11页/共49页第11页/共49页66表观遗传修饰DNA甲基化RNA相关沉默组蛋白修饰第12页/共49页表观遗传修饰DNA甲基化第12页/共49页671.DNA甲基化DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶（DNMTs）的作用下，将一个甲基添加在DNA分子的碱基上，最常见的是加在胞嘧啶上，形成5-甲基胞嘧啶（5mC)。5mC占胞嘧啶总量的2%-7%，约70%的5mC存在于CpG二连核苷。结构基因含有很多CpG结构，基因组中60%～90%的CpG都被甲基化,未甲基化的CpG成簇地组成CpG岛,位于结构基因启动子的核心序列和转录起始点。第13页/共49页1.DNA甲基化DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶（DNM68第14页/共49页第14页/共49页69（1）DNA甲基转移酶的类型及功能DNMTl在细胞分裂过程中维持DNA复制时新生链的甲基化状态与方式；DNMT2与DNA特异位点结合，但其作用还不清楚，从结构上说DNMT2仅仅含有催化区域，而缺失整个调节区域。

DNMT3A和DNMT3B催化DNA甲基化新生位点，DNMT3A/DNMT3B对着丝粒卫星DNA重复序列甲基化。第15页/共49页（1）DNA甲基转移酶的类型及功能DNMTl在细胞分裂过程中70（2）DNA甲基化的功能DNA甲基化可引起基因组中相应区域的染色质结构变化,使DNA失去DNA酶的敏感位点和限制性内切酶的切割位点；DNA甲基化可使染色质高度螺旋化,凝缩成团,失去转录活性。第16页/共49页（2）DNA甲基化的功能DNA甲基化可引起基因组中相应区域的71（3）DNA甲基化的意义宿主防御模型转座子的活性对机体非常有害甲基化抑制转座子的活性基因调控模型DNA甲基化的主要功能是转录沉默建立特定的基因表达模式：组织特异性、生殖特异性…基因印记、X染色体失活第17页/共49页（3）DNA甲基化的意义宿主防御模型基因调控模型第17页/共721941年，HermannJ.几天后，雄性生殖细胞开始再甲基化，再甲基化将有助于生殖细胞有丝分裂的重新开始及随后的减数分裂。印记基因的内含子小，雄性印记基因重组率高于雌性印记基因印记形成（重新甲基化）H19的基因印记簇（2）DNA甲基化的功能采用基于绝缘子的沉默机制DNArepair：H2AX磷酸化DNMTl在细胞分裂过程中维持DNA复制时新生链的甲基化状态与方式；DNA甲基化的主要功能是转录沉默活性X染色体停止表达不稳定的XistRNA，已有的XistRNA很快降解。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。X染色体失活过程（进展阶段）甲基化状态在分化的体细胞上是稳定和可遗传的，但在哺乳动物中至少有两个时期，一个是配子发生期，另一个是胚胎期，基因组的甲基化状态发生广泛的重新编程。X染色体失活过程（终末阶段）（1）配子发生中的甲基化现象DNA甲基化可引起基因组中相应区域的染色质结构变化,使DNA失去DNA酶的敏感位点和限制性内切酶的切割位点；转座子的活性对机体非常有害（2）胚胎发育中的甲基化现象小鼠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。2.RNA相关沉默RNA干扰（RNAi）作用是生物体内的一种通过双链RNA分子在mRNA水平上诱导特异性序列基因沉默的过程。由于RNAi发生在转录后水平，所以又称为转录后基因沉默（post-transcriptionalgenesilencing,PTGS）。第18页/共49页1941年，HermannJ.2.RNA相关沉默RNA干扰73（1）RNAi的研究历程第19页/共49页（1）RNAi的研究历程第19页/共49页74siRNA结构：21-23nt的双链结构，序列与靶mRNA有同源性，双链两端各有2个突出非配对的3’碱基。功能：是RNAi作用的重要组分，是RNAi发生的中介分子。内源性siRNA使细胞能够抵御转座子、转基因和病毒的侵略。miRNA结构：21-25nt长的单链小分子RNA，5′端有一个磷酸基团，3′端为羟基，由具有发夹结构的约70-90个碱基大小的单链RNA前体经过Dicer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。（2）参与RNA干扰的主要分子第20页/共49页siRNA结构：21-23nt的双链结构，序列与靶mRNA75siRNA介导的RNAi第21页/共49页siRNA介导的RNAi第21页/共49页763.组蛋白修饰乙酰化--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。其他修饰第22页/共49页3.组蛋白修饰乙酰化--一般与活化的染色质构型相关联，乙酰77位点：通常发生在蛋白质的赖氨酸(K)上；可逆的生化反应：乙酰化和去乙酰化分子效应：中和赖氨酸上的正电荷，增加组蛋白与DNA的排斥力，使DNA结构变得疏松，从而导致基因的转录活化。生物学功能：

A.基因转录活化；B.DNA损伤修复(1)组蛋白的乙酰化第23页/共49页位点：(1)组蛋白的乙酰化第23页/共49页78(2)组蛋白的甲基化位点：主要发生在赖氨酸(K)或精氨酸(R)上；分子效应：

增加赖氨酸上的疏水力生物学功能：

A.基因转录活化（H3-K4)；B.基因转录沉默（H3-K9）；C.X染色体失活第24页/共49页(2)组蛋白的甲基化位点：第24页/共49页79(3)组蛋白的磷酸化位点：主要发生在丝氨酸(S)/苏氨酸(T)功能：A.转录调控：H3K10被Rsk-2磷酸化B.异染色质的形成：H4S1的磷酸化C.DNArepair：H2AX磷酸化第25页/共49页(3)组蛋白的磷酸化位点：第25页/共49页80遗传印记DNA甲基化是产生遗传印记的主要原因。第26页/共49页遗传印记DNA甲基化是产生遗传印记的主要原因。第26页/共4811.概念遗传印记（geneimprinting)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。基因组印记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。第27页/共49页1.概念遗传印记（geneimprinting)是指基因组82（2）参与RNA干扰的主要分子印记基因的内含子小，雄性印记基因重组率高于雌性印记基因（2）胚胎发育中的甲基化现象（3）DNA甲基化的意义内源性siRNA使细胞能够抵御转座子、转基因和病毒的侵略。两条染色体都表达不稳定的XistRNA（3）DNA甲基化的意义表观遗传学的出现修补了经典理论，开创了遗传学研究的新局面1961年，MaryLyon发现X染色体失活现象磷酸化--发生与Ser残基，一般与基因活化相关。其中一条X染色体表达的XistRNA包裹自身并启动异染色质化过程结构：21-25nt长的单链小分子RNA，5′端有一个磷酸基团，3′端为羟基，由具有发夹结构的约70-90个碱基大小的单链RNA前体经过Dicer酶加工后生成。1961年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。基因印记、X染色体失活转录调控：H3K10被Rsk-2磷酸化DNMT3A和DNMT3B催化DNA甲基化新生位点，DNMT3A/DNMT3B对着丝粒卫星DNA重复序列甲基化。印记基因的内含子小，雄性印记基因重组率高于雌性印记基因RNA干扰（RNAi）作用是生物体内的一种通过双链RNA分子在mRNA水平上诱导特异性序列基因沉默的过程。（1）RNAi的研究历程1942年，ConradHalWaddington提出现代Epigenetics的概念，认为基因型通过一些“偶然的、不确定的机制”决定了不同的表型8383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-2mIgf-2Igf-2Igf-2m第28页/共49页（2）参与RNA干扰的主要分子2727正交Igf-2838484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。第29页/共49页2828由正反交实验可以看出：第29页/共49页842.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-胚胎发育能力削弱在特定细胞系及神经发育方面有重要功能第30页/共49页2.主要功能出生前的生长发育;第30页/共49页85印记去除（去甲基化）印记形成（重新甲基化）印记维持（甲基化维持）父源基因组的去甲基化是将甲基直接去除；而母源基因组的去甲基化则多数是因甲基转移酶DNMT1活性受阻而使甲基化维持失败。3.印记过程第31页/共49页印记去除（去甲基化）3.印记过程第31页/共49页864.遗传印记的特点遗传印记遍布基因组印记基因的内含子小，雄性印记基因重组率高于雌性印记基因印记基因表达具有组织特异性印记基因在世代传递中可以逆转第32页/共49页4.遗传印记的特点遗传印记遍布基因组第32页/共49页875.印记基因的调控方式母源等位基因簇E.g.H19的基因印记簇采用ncRNA介导的沉默机制父源等位基因簇E.g.Igf2的基因印记簇采用基于绝缘子的沉默机制第33页/共49页5.印记基因的调控方式母源等位基因簇第33页/共49页88第34页/共49页第34页/共49页89X染色体失活第35页/共49页X染色体失活第35页/共49页901961年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。1996年等发现X染色体的Xq13.3区段有一个X失活中心(X-inactioncenter，Xic)，X-失活从Xic区段开始启动，然后扩展到整条染色体。第36页/共49页1961年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911.失活X染色体特点：组蛋白H4不被乙酰化CpG岛的高度甲基化第37页/共49页1.失活X染色体特点：第37页/共49页92增加赖氨酸上的疏水力而母源基因组的去甲基化则多数是因甲基转移酶DNMT1活性受阻而使甲基化维持失败。转座子的活性对机体非常有害这些异常表型的高发性和穿越种间的相似性说明：这些问题主要不是由遗传信息的改变引起的而是由外遗传信息的改变导致的，其主要原因就是基因没有获得正确的重新编程。RNA干扰（RNAi）作用是生物体内的一种通过双链RNA分子在mRNA水平上诱导特异性序列基因沉默的过程。印记基因的内含子小，雄性印记基因重组率高于雌性印记基因在胚胎期，同样发生全局性的去甲基化和再甲基化过程。(3)正确重新编程，产生正常克隆动物。基因印记、X染色体失活X染色体失活过程（终末阶段）（2）DNA甲基化的功能组蛋白的甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等）而使基因或DNA片段被标识的过程。乙酰化和去乙酰化DNA甲基化的主要功能是转录沉默胚胎期，在精子进入卵子时发生的主动去甲基化中，一些父系表达的印迹基因将受保护不被去甲基化。甲基化状态在分化的体细胞上是稳定和可遗传的，但在哺乳动物中至少有两个时期，一个是配子发生期，另一个是胚胎期，基因组的甲基化状态发生广泛的重新编程。X染色体失活过程（进展阶段）1983年，DNA甲基化的发现结构：21-25nt长的单链小分子RNA，5′端有一个磷酸基团，3′端为羟基，由具有发夹结构的约70-90个碱基大小的单链RNA前体经过Dicer酶加工后生成。（3）DNA甲基化的意义2.X染色体失活过程（起始阶段）两条染色体都表达不稳定的XistRNA第38页/共49页增加赖氨酸上的疏水力2.X染色体失活过程（起始阶段）两条染色93X染色体失活过程（进展阶段）其中一条X染色体表达的XistRNA包裹自身并启动异染色质化过程第39页/共49页X染色体失活过程（进展阶段）其中一条X染色体表达的Xist94X染色体失活过程（终末阶段）活性X染色体停止表达不稳定的XistRNA，已有的XistRNA很快降解。第40页/共49页X染色体失活过程（终末阶段）活性X染色体停止表达不稳定的Xi95基因表达的重新编程第41页/共49页基因表达的重新编程第41页/共49页96近几年，哺乳动物克隆取得较大进展，体细胞克隆已在多种哺乳动物获得成功，但成功率仍很低，面临着许多问题：重构胚难以植入子宫、流产率高、胎盘过大、出生个体体重过重、许多个体有呼吸循环系统疾病等。这些异常表型的高发性和穿越种间的相似性说明：这些问题主要不是由遗传信息的改变引起的而是由外遗传信息的改变导致的，其主要原因就是基因没有获得正确的重新编程。第42页/共49页近几年，哺乳动物克隆取得较大进展，体细胞克隆已在多种哺乳动物971.配子发生和胚胎发育中的甲基化现象甲基化状态在分化的体细胞上是稳定和可遗传的，但在哺乳动物中至少有两个时期，一个是配子发生期，另一个是胚胎期，基因组的甲基化状态发生广泛的重新编程。第43页/共49页1.配子发生和胚胎发育中的甲基化现象甲基化状态在分化的体细胞98（1）配子发生中的甲基化现象在小鼠，全局性的去甲基化发生在原始生殖细胞(PGC,primordialgermcells)发育早期。一旦PGC去甲基化，雄性生殖细胞的有丝分裂和雌性生殖细胞的减数分裂都将停止。几天后，雄性生殖细胞开始再甲基化，再甲基化将有助于生殖细胞有丝分裂的重新开始及随后的减数分裂。雌性生殖细胞的再甲基化则发生在出生后卵的生长期，Dnmt3A/3B是可能的参与者，但不确定。第44页/共49页（1）配子发生中的甲基化现象在小鼠，全局性的去甲基化发生在原99（2）胚胎发育中的甲基化现象在胚胎期，同样发生全局性的去甲基化和再甲基化过程。当精子进入卵子，在精子DNA未复制之前，精子基因组就已发生广泛的去甲基化。因为细胞核中没有Dnmtl，卵子的基因组则经过一个被动去甲基化过程，直至桑椹胚。当囊胚植入子宫后，立即发生由Dnmt3A/3B介导的从头甲基化，但仅作用在内细胞团(innercellmass)，滋养外胚层不被从头合成甲基化，此时需别的外遗传标记使基因组序列被甲基化或不被甲基化。第45页/共49页（2）胚胎发育中的甲基化现象在胚胎期，同样发生全局性的去甲基1002.配子发生和胚胎发育中的遗传印迹现象印记基因的“印记”形成于配子发育晚期，并且独立于胚胎发育中的全局性去甲基化作用和甲基化作用；在配子发生晚期，将建立印记基因亲本特异的甲基化标志，若此标志一旦丢失，除非经过生殖系(germline)的传递，否则将不可能再次获得。胚胎期，在精子进入卵子时发生的主动去甲基化中，一些父系表达的印迹基因将受保护不被去甲基化。第46页/共49页2.配子发生和胚胎发育中的遗传印迹现象印记基因的“印记”形成1013.哺乳动物克隆过程中的基因重新编程哺乳动物克隆过程中基因的重新编程有其显著的特殊性，最主要在于它没有经过配子发生这一阶段，重新编程必须在供核进入卵子和重构胚基因组开始转录这一短暂阶段发生。重新编程后有3种结果：(1)没有得到重新编程，克隆胚胎立即死亡；(2)部分重新编程，将导致各种异常表型和(或)死于发育的各个阶段；(3)正确重新编程，产生正常克隆动物。第47页/共49页3.哺乳动物克隆过程中的基因重新编程哺乳动物克隆过程中基因的102转座子的活性对机体非常有害（2）DNA甲基化的功能（2）胚胎发育中的甲基化现象基因印记、X染色体失活（2）胚胎发育中的甲基化现象DNA甲基化的主要功能是转录沉默DNA甲基化可使染色质高度螺旋化,凝缩成团,失去转录活性。而母源基因组的去甲基化则多数是因甲基转移酶DNMT1活性受阻而使甲基化维持失败。印记基因的内含子小，雄性印记基因重组率高于雌性印记基因转录调控：H3K10被Rsk-2磷酸化DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶（DNMTs）的作用下，将一个甲基添加在DNA分子的碱基上，最常见的是加在胞嘧啶上，形成5-甲基胞嘧啶（5mC)。X染色体失活过程（进展阶段）(3)正确重新编程，产生正常克隆动物。基因转录活化（H3-K4)；结构：21-25nt长的单链小分子RNA，5′端有一个磷酸基团，3′端为羟基，由具有发夹结构的约70-90个碱基大小的单链RNA前体经过Dicer酶加工后生成。当精子进入卵子，在精子DNA未复制之前，精子基因组就已发生广泛的去甲基化。结构：21-25nt长的单链小分子RNA，5′端有一个磷酸基团，3′端为羟基，由具有发夹结构的约70-90个碱基大小的单链RNA前体经过Dicer酶加工后生成。两条染色体都表达不稳定的XistRNA特点：具有高度的保守性、时序性和组织特异性。甲基化抑制转座子的活性表观遗传与疾病第48页/共49页转座子的活性对机体非常有害表观遗传与疾病第48页/共49页103第49页/共49页第49页/共49页1041