肿瘤表观遗传学课件

EpigeneticsincancerEpigeneticsincancer1肿瘤肿瘤2世界癌症现状全球(2010年)809万人死亡1303万新发病例5肝癌1肺癌7食道癌3结肠癌2乳腺癌4胃癌6宫颈癌Cancer世界癌症现状全球(2010年)809万人死亡1303万3Cancer6宫颈癌5结肠癌8鼻咽癌1肺癌2肝癌7乳腺癌3胃癌4食道癌268万新发病例中国癌症现状197万人死亡中国（2010）Cancer65812734268万新发病例中国癌症现状14肿瘤表观遗传学课件5肿瘤表观遗传学课件6肿瘤表观遗传学课件7肿瘤表观遗传学课件8肿瘤表观遗传学课件9HeredityGenesisolatedforseveralclassicfamilialcancersyndromes:RB1(retinoblastoma)APC(familialpolyposis)HumanNonPolyposisColonCancer(HNPCC)BRCA1&2(breastcancer)p53(manycancers)HeredityGenesisolatedforse10抑癌基因p53ColleenA.BradyandLauraD.Attardi,p53ataglance，JournalofCellScience,2010,123:2527-2532抑癌基因p53ColleenA.BradyandLa11肿瘤表观遗传学课件12Exposuretocarcinogens,failureofDNArepair,andprogressivegeneticinstabilityleadtoaccumulationofmutationsthatdrivecancerdevelopment,growth,andmetastases.Subcloneswithnewmutationsmaybecomedominantwithinmetastasesorwithinpersistentorrecurrentcancerdepositsthroughselectivepressuresexertedbycytotoxicortargetedchemotherapies.Exposuretocarcinogens,failu13肿瘤表观遗传学课件14肿瘤表观遗传学课件15CancerEpigeneticsSincethediscoveryofthefirstrecurrentmutationsinoncogenesandtumorsuppressorgenes,ithasbeenclearthatcanceris,inlargepart,ageneticdisease.Globalchangesintheepigeneticlandscapeareahallmarkofcancer.CancerEpigeneticsSincethed16肿瘤表观遗传学课件17WhatisEpigentics?WhatisEpigentics?18遗传学genetics遗传学genetics19基因组印迹源自双亲的两个等位基因中一个不表达或表达很弱。不遵循孟德尔定律基因组印迹20同卵双胞胎同卵双胞胎21表观遗传表观遗传22WhyYourDNAIsn’tYourDestiny?Thenewfieldofepigeneticsisshowinghow

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geneticcode—andthatof

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kidsWhyYourDNAIsn’tYourDestin23表观遗传学(Epigenetics)

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一门新兴的遗传学分支表观遗传学(Epigenetics)一门新兴的遗传学分支24遗传与表观遗传遗传与表观遗传25肿瘤表观遗传学课件26表观遗传学的特点：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。表观遗传学的特点：27拉马克1809年发表的《动物哲学》：用进废退这种后天获得的性状是可以遗传的拉马克1809年发表的《动物哲学》：用进废退这种后天获得的性28表观遗传学变化具有可遗传性NattD,RubinCJ,WrightDetal.Heritablegenome-widevariationofgeneexpressionandpromotermethylationbetweenwildanddomesticatedchickens.BMCgenomics2012;13:59.表观遗传学变化具有可遗传性NattD,RubinCJ,29ConclusionsOurresultsshowthatepigeneticvariationisinheritedinchickens,andwesuggestthatselectionoffavourableepigenomes,eitherbyselectionofgenotypesaffectingepigeneticstates,orbyselectionofmethylationstateswhichareinheritedindependentlyofsequencedifferences,mayhavebeenanimportantaspectofchickendomestication.Conclusions30DowenRH,PelizzolaM,SchmitzRJetal.WidespreaddynamicDNAmethylationinresponsetobioticstress.ProcNatlAcadSciUSA2012;109:E2183-2191.Ecker及其同事对DNA甲基化调控拟南芥免疫系统的机制进行了研究。甲基化参与抑制整合到基因组中的“跳跃基因”转座子的表达。研究人员在Illumina平台上进行了全基因组测序，发现在植物应对细菌感染的过程中，出现了大量甲基化修饰的改变。表观基因组可因环境而改变DowenRH,PelizzolaM,Schmitz31肿瘤表观遗传学课件32肿瘤表观遗传学课件33表观遗传修饰从多个水平调控基因表达

DNA:DNA甲基化蛋白质：组蛋白修饰

染色质：染色质重塑

RNA：非编码RNA表观遗传修饰从多个水平调控基因表达DNA:DNA甲基化蛋34表观遗传学的研究内容：基因转录后的调控基因组中非编码RNA微小RNA（miRNA）反义RNA内含子、核糖开关等基因选择性转录表达的调控DNA甲基化基因印记组蛋白共价修饰染色质重塑表观遗传学的研究内容：基因转录后的调控基因选择性转录表达的调35

1.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。2.特征:(1)可遗传；(2)可逆性；(3)DNA不变3.表观遗传学的现象：(1)组蛋白修饰(2)DNA甲基化(3)MicroRNA(4)Genomicimprinting…表观遗传学

1.概念：基因的DNA序列不发生改变的情况下，基因的表达36肿瘤表观遗传学研究没有DNA序列变化、可遗传的基因表达（活性）调控方式的改变，主要涉及DNA甲基化作用的改变和染色质组蛋白的修饰作用、染色质重塑及非编码RNA等调控方式的变化，通过引起肿瘤遗传学途径中基因的失能与获能、增加基因组不稳定、印迹丢失等途径参与肿瘤的发生发展。肿瘤表观遗传学研究没有DNA序列变化、可遗传的基因表达（活37肿瘤表观遗传修饰机制对基因表达控制的方式：（1）DNA甲基化；（2）组蛋白修饰；（3）染色质重塑；（4）非编码RNA。等４种调控来。肿瘤表观遗传修饰机制对基因表达控制的方式：38DNA甲基化DNA甲基化39DNA甲基化DNA甲基化(DNAmethylation)是研究得最清楚、也是最重要的表观遗传修饰形式，主要是基因组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，5mC)。DNA甲基化DNA甲基化(DNAmethylation)是40在结构基因的调控区段，CpG二联核苷常常以成簇串联的形式排列。结构基因5’端附近富含CpG二联核苷的区域称为CpG岛(CpGislands)。CpG岛是CG二核苷酸含量大于50%的区域。CpG岛通常分布在基因的启动子区域。在结构基因的调控区段，CpG二联核苷常常以成簇串联的形式排列41CpG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。CpG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。42当一个基因的启动子序列中的CpG岛被甲基化以后，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，导致生物表型的改变。DNA甲基化抑制基因表达当一个基因的启动子序列中的CpG岛被甲基化以后，尽管基因序列43DNA甲基化与去甲基化DNA甲基化与去甲基化44肿瘤表观遗传学课件45肿瘤表观遗传学课件46人类表观基因组计划

HumanEpigenomeProject（HEP）：2003年10月由人类表观基因组协会(HumanEpigenomeConsortium,HEC)正式投资和实施。目标：确认、分类和解释人类主要组织中所有基因在基因组水平的DNA甲基化模式，确认DNA甲基化位点在人类基因组的分布和频率，在人类基因组水平绘制不同组织类型和疾病状态的甲基化可变位点（methylaitonariablepositions，MVPs）图谱。人类表观基因组计划HumanEpigenomeP47MolCell2011;44:17-28.甲基化影响造血干细胞命运的机制研究经典的理论普遍认为DNA甲基化是一种稳定的表观遗传学标记，且在细胞分化过程中呈单向性变化，即甲基化程度不断增高。在新研究中，研究人员认为在分化的过程中应该并非仅存在单向的DNA甲基化变化，而是应该呈甲基化和去甲基化双向动态变化。大量的低甲基化区域富集在一些特异的调控因子的结合区域附近，表明其有可能在染色质构型及某些基因调控表达中发挥了重要作用。MolCell2011;44:17-28.甲基化影响造血48双生子表观基因组研究同卵双胞胎之间，新生儿出生时的表观遗传学图谱也存在着广泛的差异。GenomeRes.2012Aug;22(8):1395-406.双生子表观基因组研究同卵双胞胎之间，新生儿出生时的表观遗49发育早期甲基化

大多数基因在我们的一生中都保持活性，不过有些基因只在胚胎发育早期激活，一旦这些基因完成了自己的使命它们就会被永远关闭。Cellreports2012;2:766-773.发育早期甲基化大多数基因在我们的一生中都保持活性，不过50表观遗传与癌症表观遗传与癌症51——低甲基化：诱导原瘤基因和转座子成分活化、基因的印迹丢失以及增加染色体的不稳定性，最终诱发肿瘤。如肺癌和结肠癌。——高甲基化（启动子区域CpG岛）：抑瘤基因转录沉默。如肾癌和视网膜母细胞瘤：VHL基因的沉默、前列腺癌：DNA损伤修复有关的GSTP１基因的沉默。——低甲基化：52DNA低甲基化vs.癌症1.DNA低甲基化/去甲基化对癌症细胞发育的作用：A.产生染色体的不稳定性B.激活转座元件C.印记的缺失2.甲基化水平较低的DNA区域在有丝分裂过程中容易发生重组，从而产生删除或者移位，或者染色体重排3.DNA低甲基化损坏基因组印记DNA低甲基化vs.癌症1.DNA低甲基化/去甲基化对53DNA低甲基化促进染色体不稳定性与癌症发生A.DNA低甲基化降低小鼠的生存率；B.DNA低甲基化的细胞中染色体不稳定性升高(~2.2倍)C.染色体不稳定性DNA低甲基化促进染色体不稳定性与癌症发生A.DNA低甲基54Dnmt敲除：染色体不稳定性Dnmts敲除的细胞中出现染色体的非整倍现象Dnmt敲除：染色体不稳定性Dnmts敲除的细胞中出现染色体55肿瘤细胞DNA甲基化修饰：印迹丢失：是一个表观遗传事件，是一种在基因组DNA水平对双亲等位基因特异性的基因外遗传学修饰。基因组印迹是指来自父方和母方的等位基因在通过精子和卵子传递给子代时发生了修饰，使带有亲代印迹的等位基因具有不同的表达特性。肿瘤细胞DNA甲基化修饰：56基因组印记GenomicImprinting:两条染色体需要随机沉默其一Beckwith-WiedemannSyndrome:1/15,000BWS：20%的致死率BWS:embryonictumor基因组印记GenomicImprinting:两条染色体57遗传印迹概念：或称亲本印迹（parentimprinting）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。特点：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。遗传印迹概念：58肿瘤表观遗传学课件59肿瘤表观遗传学课件60遗传印迹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。遗传印迹由正反交实验可以看出：61遗传印迹基因印迹过程印迹的形成印迹形成于成熟配子，并持续到出生后。印记的维持印记的去除印记的去除过程是发生在原始生殖细胞的早期阶段。基因组印迹的机制配子在形成过程中，DNA产生的甲基化、核组蛋白产生的乙酰化、磷酸化和泛素化等修饰，使基因的表达模式发生了改变。遗传印迹基因印迹过程62基因印迹的建立基因印迹的建立63组蛋白修饰组蛋白修饰6465Chromatinpackaging65Chromatinpackaging65组蛋白修饰AdaptedfromLundandLohuizenGenesDev2004组蛋白修饰AdaptedfromLundandLoh66组蛋白修饰种类乙酰化--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。其他修饰组蛋白修饰种类67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（histonecode），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。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（68组蛋白密码A.修饰结合蛋白质：组蛋白密码的阅读器B.组蛋白密码的组合方式C.不同组蛋白的修饰组合起来发挥功能组蛋白密码A.修饰结合蛋白质：组蛋白密码的阅读器69染色质重塑染色质重塑（chromatinremodeling）是一个重要的表观遗传学机制。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过程。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，从而影响邻近基因的活性。染色质重塑染色质重塑（chromatinremodelin70肿瘤表观遗传学课件71X-inactive-specifictranscript1.XIST:X-inactive-specifictranscript2.XIST:产生一个17kb的非编码的RNA分子3.将~150MB的X染色体包裹起来-顺式作用，4.LINE(LongINterspersedElements)：协助信号的传播X-inactive-specifictranscript72《Science》-lncRNAXist与X染色体三维结构Fig.6AmodelforhowXistexploitsandaltersthree-dimensionalgenomearchitecturetospreadacrosstheXchromosome.Science.

2013Aug16;341(6147):1237973.doi:10.1126/science.1237973.《Science》-lncRNAXist与X染色体三维结构73常染色质vs.异染色质Ac:乙酰基Me:甲基P：磷酸基常染色质vs.异染色质Ac:乙酰基Me:甲基P74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75组蛋白修饰：正常细胞vs.癌症组蛋白修饰：正常细胞vs.癌症76癌症细胞中的组蛋白修饰1.肿瘤细胞中，H4缺失单乙酰化和三甲基化修饰2.在肿瘤发育的过程中，该修饰水平的降低将持续积累3.单乙酰化的缺失：Lys16，三甲基化的缺失：Lys20；两种修饰的缺失与DNA重复片段的低甲基化伴随出现4.H4的修饰缺失至少在乳腺癌和肝癌中发生5.在前列腺癌中，H3K4的去甲基化与H3K18的乙酰化是该癌症发生的分子标记癌症细胞中的组蛋白修饰1.肿瘤细胞中，H4缺失单乙酰化和三77非编码RNA的表观遗传学修饰非编码小RNA（no-codingsmallRNA）不仅能在转录后水平抑制基因的表达，进行转录后调控（post-transcriptionalregulation），而且也能通过诱导DNA甲基化达到转录水平的基因调控，是表观遗传修饰中的一种新的基因表达调控机制。非编码RNA的表观遗传学修饰78Non-CodingRNA:Formerlyknownas“JUNK”Non-CodingRNA:Formerlyknown79Non-CodingRNA:AKeytoEukaryoticComplexity?Non-CodingRNA:AKeytoEukar80Biogenesis-Primary-miRNAistranscribedinthenucleus,andisusuallyseveralkilobaseslong;posses5’capandapoly-Atail.-CleavedinthenucleusbyDrochaenzymeto70nthairpintranscript(pre-miRNA).-TransportedtothecytoplasmbyExportin5throughnuclearpores.-CleavedbyDicerenzyme(RNaseIIIenzyme)into19-22ntds-transcripts.-700Humangenes,490mousegenes.1400possiblehumansequencesbut733clonedordetected.Only~120tested.Esquela-Kerscher,A.,andSlack,F.J.(2006).NatureReviews6,p.263Biogenesis-Primary-miRNAistr81siRNAmediateddegradationofmRNA

versusmiRNAmediatedinhibitionofmRNAtranslationFilipowicz,Curr.Op.StructuralBiology15:331-341(2005)siRNAandmiRNA

siRNAmediateddegradationof8283http://microrna.sanger.ac.uk/sequences/search.shtml利用公共数据库寻找某个

miRNA的target基因83http://microrna.sanger.ac.uk8384/cgi-bin/mirnaviewer/mirnaviewer.pl利用公共数据库还能找被几个

miRNA的共同调节的target基因84/cgi-bi84Rolesincancer

RecentstudiesshowthatsomemicroRNAsregulatecellproliferationandapoptosis,processesthatareimportantincancerformation.Inaddition,somemiRNAsmayfunctionasoncogenesortumorsuppressors.Morethan50%ofmiRNAgenesarelocatedincancerassociatedgenomicregionsorinfragilesites.Rolesincancer

Recentst8586

miRNA与肿瘤发生的关系存在两种可能的模式[Caldas,etal.（NatureMedicine2005）]：1、若miRNA表达上调，其对应抑癌基因表达下调时，则可能导致肿瘤发生；2、若miRNA表达下调，其对应癌基因表达上调时，同样可能导致肿瘤发生。8686肿瘤表观遗传学课件8788

许多瘤基因和肿瘤抑制基因都受到miRNAs分子的调控，此时的miRNAs可能起到癌基因或是肿瘤抑制基因的作用。miRNA癌基因的活化和miRNA抑癌基因失活导致肿瘤抑瘤基因表达下调以及这些miRNA基因与蛋白编码癌基因、抑癌基因协同作用导致肿瘤发生.88许多瘤基因和肿瘤抑制基因都受到miRNAs分子的调88miRNA的甲基化修饰miRNA的89在肿瘤中，miRNA分子表达常常发生异常改变。miR-125b-1（11q24脆性位点）：乳腺癌、肺癌、卵巢癌、子宫癌患者中存在缺失；miR-143和mir-145在结肠癌、乳腺癌、前列腺癌、子宫癌、淋巴癌等细胞系中其表达量也明显下调；miR-15-92基因簇在人类恶性淋巴瘤中表达上调。在肿瘤中，miRNA分子表达常常发生异常改变。90肿瘤表观遗传学课件91肿瘤表观遗传学课件92siRNA诱导的DNA甲基化与肿瘤发生siRNA是RNAi途径中的中间产物，是RNAi发挥效应所必需的因子；在细胞质中siRNA诱导的转录后水平特异性基因沉默是依靠RNA-RNA的序列识别的；siRNA指导的基因组修饰和诱导转录水平的基因沉默则是RNA-DNA序列相互识别产生的生物学效应。siRNA诱导的DNA甲基化与肿瘤发生93siRNA诱导的DNA甲基化与肿瘤发生已经在人类乳腺癌细胞和非转化的乳腺上皮细胞证实了siRNA通过RdDM诱导转录水平的基因沉默。用人工合成的靶向E-cadherin启动子CpG岛的siRNA，在MCF-7乳腺癌细胞和正常的乳腺上皮细胞中诱导出了有意义的DNA甲基化和H3K9的甲基化。siRNA诱导的DNA甲基化与肿瘤发生94肿瘤表观遗传学课件95是一类转录本长度超过200nt的RNA分子，它们并不编码蛋白，而是以RNA的形式在多种层面上（表观遗传调控、转录调控以及转录后调控等）调控基因的表达水平。lncRNA起初被认为是基因组转录的“噪音”，是RNA聚合酶II转录的副产物，不具有生物学功能。然而，近年来的研究表明，lncRNA参与了X染色体沉默，基因组印记以及染色质修饰，转录激活，转录干扰，核内运输等多种重要的调控过程，lncRNA的这些调控作用也开始引起人们广泛的关注。哺乳动物基因组序列中4%~9%的序列产生的转录本是lncRNA（相应的蛋白编码RNA的比例是1%），虽然近年来关于lncRNA的研究进展迅猛，但是绝大部分的lncRNA的功能仍然是不清楚的。长链非编码RNA(lncRNA)是一类转录本长度超过200nt的RNA分子，它们并不编码蛋白96生物学功能许多lncRNA都具有保守的二级结构，剪切形式以及亚细胞定位，这种保守性和特异性表明它们是具有功能的。但lncRNA的功能相对于microRNA和蛋白质的功能来说更加难以确定，因为目前并不能仅根据序列或者结构来推测它们的功能。生物学功能许多lncRNA都具有保守的二级结构，剪切形式以及97EpigeneticsincancerEpigeneticsincancer98肿瘤肿瘤99世界癌症现状全球(2010年)809万人死亡1303万新发病例5肝癌1肺癌7食道癌3结肠癌2乳腺癌4胃癌6宫颈癌Cancer世界癌症现状全球(2010年)809万人死亡1303万100Cancer6宫颈癌5结肠癌8鼻咽癌1肺癌2肝癌7乳腺癌3胃癌4食道癌268万新发病例中国癌症现状197万人死亡中国（2010）Cancer65812734268万新发病例中国癌症现状1101肿瘤表观遗传学课件102肿瘤表观遗传学课件103肿瘤表观遗传学课件104肿瘤表观遗传学课件105肿瘤表观遗传学课件106HeredityGenesisolatedforseveralclassicfamilialcancersyndromes:RB1(retinoblastoma)APC(familialpolyposis)HumanNonPolyposisColonCancer(HNPCC)BRCA1&2(breastcancer)p53(manycancers)HeredityGenesisolatedforse107抑癌基因p53ColleenA.BradyandLauraD.Attardi,p53ataglance，JournalofCellScience,2010,123:2527-2532抑癌基因p53ColleenA.BradyandLa108肿瘤表观遗传学课件109Exposuretocarcinogens,failureofDNArepair,andprogressivegeneticinstabilityleadtoaccumulationofmutationsthatdrivecancerdevelopment,growth,andmetastases.Subcloneswithnewmutationsmaybecomedominantwithinmetastasesorwithinpersistentorrecurrentcancerdepositsthroughselectivepressuresexertedbycytotoxicortargetedchemotherapies.Exposuretocarcinogens,failu110肿瘤表观遗传学课件111肿瘤表观遗传学课件112CancerEpigeneticsSincethediscoveryofthefirstrecurrentmutationsinoncogenesandtumorsuppressorgenes,ithasbeenclearthatcanceris,inlargepart,ageneticdisease.Globalchangesintheepigeneticlandscapeareahallmarkofcancer.CancerEpigeneticsSincethed113肿瘤表观遗传学课件114WhatisEpigentics?WhatisEpigentics?115遗传学genetics遗传学genetics116基因组印迹源自双亲的两个等位基因中一个不表达或表达很弱。不遵循孟德尔定律基因组印迹117同卵双胞胎同卵双胞胎118表观遗传表观遗传119WhyYourDNAIsn’tYourDestiny?Thenewfieldofepigeneticsisshowinghow

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kidsWhyYourDNAIsn’tYourDestin120表观遗传学(Epigenetics)

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一门新兴的遗传学分支表观遗传学(Epigenetics)一门新兴的遗传学分支121遗传与表观遗传遗传与表观遗传122肿瘤表观遗传学课件123表观遗传学的特点：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。表观遗传学的特点：124拉马克1809年发表的《动物哲学》：用进废退这种后天获得的性状是可以遗传的拉马克1809年发表的《动物哲学》：用进废退这种后天获得的性125表观遗传学变化具有可遗传性NattD,RubinCJ,WrightDetal.Heritablegenome-widevariationofgeneexpressionandpromotermethylationbetweenwildanddomesticatedchickens.BMCgenomics2012;13:59.表观遗传学变化具有可遗传性NattD,RubinCJ,126ConclusionsOurresultsshowthatepigeneticvariationisinheritedinchickens,andwesuggestthatselectionoffavourableepigenomes,eitherbyselectionofgenotypesaffectingepigeneticstates,orbyselectionofmethylationstateswhichareinheritedindependentlyofsequencedifferences,mayhavebeenanimportantaspectofchickendomestication.Conclusions127DowenRH,PelizzolaM,SchmitzRJetal.WidespreaddynamicDNAmethylationinresponsetobioticstress.ProcNatlAcadSciUSA2012;109:E2183-2191.Ecker及其同事对DNA甲基化调控拟南芥免疫系统的机制进行了研究。甲基化参与抑制整合到基因组中的“跳跃基因”转座子的表达。研究人员在Illumina平台上进行了全基因组测序，发现在植物应对细菌感染的过程中，出现了大量甲基化修饰的改变。表观基因组可因环境而改变DowenRH,PelizzolaM,Schmitz128肿瘤表观遗传学课件129肿瘤表观遗传学课件130表观遗传修饰从多个水平调控基因表达

DNA:DNA甲基化蛋白质：组蛋白修饰

染色质：染色质重塑

RNA：非编码RNA表观遗传修饰从多个水平调控基因表达DNA:DNA甲基化蛋131表观遗传学的研究内容：基因转录后的调控基因组中非编码RNA微小RNA（miRNA）反义RNA内含子、核糖开关等基因选择性转录表达的调控DNA甲基化基因印记组蛋白共价修饰染色质重塑表观遗传学的研究内容：基因转录后的调控基因选择性转录表达的调132

1.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。2.特征:(1)可遗传；(2)可逆性；(3)DNA不变3.表观遗传学的现象：(1)组蛋白修饰(2)DNA甲基化(3)MicroRNA(4)Genomicimprinting…表观遗传学

1.概念：基因的DNA序列不发生改变的情况下，基因的表达133肿瘤表观遗传学研究没有DNA序列变化、可遗传的基因表达（活性）调控方式的改变，主要涉及DNA甲基化作用的改变和染色质组蛋白的修饰作用、染色质重塑及非编码RNA等调控方式的变化，通过引起肿瘤遗传学途径中基因的失能与获能、增加基因组不稳定、印迹丢失等途径参与肿瘤的发生发展。肿瘤表观遗传学研究没有DNA序列变化、可遗传的基因表达（活134肿瘤表观遗传修饰机制对基因表达控制的方式：（1）DNA甲基化；（2）组蛋白修饰；（3）染色质重塑；（4）非编码RNA。等４种调控来。肿瘤表观遗传修饰机制对基因表达控制的方式：135DNA甲基化DNA甲基化136DNA甲基化DNA甲基化(DNAmethylation)是研究得最清楚、也是最重要的表观遗传修饰形式，主要是基因组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，5mC)。DNA甲基化DNA甲基化(DNAmethylation)是137在结构基因的调控区段，CpG二联核苷常常以成簇串联的形式排列。结构基因5’端附近富含CpG二联核苷的区域称为CpG岛(CpGislands)。CpG岛是CG二核苷酸含量大于50%的区域。CpG岛通常分布在基因的启动子区域。在结构基因的调控区段，CpG二联核苷常常以成簇串联的形式排列138CpG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。CpG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。139当一个基因的启动子序列中的CpG岛被甲基化以后，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，导致生物表型的改变。DNA甲基化抑制基因表达当一个基因的启动子序列中的CpG岛被甲基化以后，尽管基因序列140DNA甲基化与去甲基化DNA甲基化与去甲基化141肿瘤表观遗传学课件142肿瘤表观遗传学课件143人类表观基因组计划

HumanEpigenomeProject（HEP）：2003年10月由人类表观基因组协会(HumanEpigenomeConsortium,HEC)正式投资和实施。目标：确认、分类和解释人类主要组织中所有基因在基因组水平的DNA甲基化模式，确认DNA甲基化位点在人类基因组的分布和频率，在人类基因组水平绘制不同组织类型和疾病状态的甲基化可变位点（methylaitonariablepositions，MVPs）图谱。人类表观基因组计划HumanEpigenomeP144MolCell2011;44:17-28.甲基化影响造血干细胞命运的机制研究经典的理论普遍认为DNA甲基化是一种稳定的表观遗传学标记，且在细胞分化过程中呈单向性变化，即甲基化程度不断增高。在新研究中，研究人员认为在分化的过程中应该并非仅存在单向的DNA甲基化变化，而是应该呈甲基化和去甲基化双向动态变化。大量的低甲基化区域富集在一些特异的调控因子的结合区域附近，表明其有可能在染色质构型及某些基因调控表达中发挥了重要作用。MolCell2011;44:17-28.甲基化影响造血145双生子表观基因组研究同卵双胞胎之间，新生儿出生时的表观遗传学图谱也存在着广泛的差异。GenomeRes.2012Aug;22(8):1395-406.双生子表观基因组研究同卵双胞胎之间，新生儿出生时的表观遗146发育早期甲基化

大多数基因在我们的一生中都保持活性，不过有些基因只在胚胎发育早期激活，一旦这些基因完成了自己的使命它们就会被永远关闭。Cellreports2012;2:766-773.发育早期甲基化大多数基因在我们的一生中都保持活性，不过147表观遗传与癌症表观遗传与癌症148——低甲基化：诱导原瘤基因和转座子成分活化、基因的印迹丢失以及增加染色体的不稳定性，最终诱发肿瘤。如肺癌和结肠癌。——高甲基化（启动子区域CpG岛）：抑瘤基因转录沉默。如肾癌和视网膜母细胞瘤：VHL基因的沉默、前列腺癌：DNA损伤修复有关的GSTP１基因的沉默。——低甲基化：149DNA低甲基化vs.癌症1.DNA低甲基化/去甲基化对癌症细胞发育的作用：A.产生染色体的不稳定性B.激活转座元件C.印记的缺失2.甲基化水平较低的DNA区域在有丝分裂过程中容易发生重组，从而产生删除或者移位，或者染色体重排3.DNA低甲基化损坏基因组印记DNA低甲基化vs.癌症1.DNA低甲基化/去甲基化对150DNA低甲基化促进染色体不稳定性与癌症发生A.DNA低甲基化降低小鼠的生存率；B.DNA低甲基化的细胞中染色体不稳定性升高(~2.2倍)C.染色体不稳定性DNA低甲基化促进染色体不稳定性与癌症发生A.DNA低甲基151Dnmt敲除：染色体不稳定性Dnmts敲除的细胞中出现染色体的非整倍现象Dnmt敲除：染色体不稳定性Dnmts敲除的细胞中出现染色体152肿瘤细胞DNA甲基化修饰：印迹丢失：是一个表观遗传事件，是一种在基因组DNA水平对双亲等位基因特异性的基因外遗传学修饰。基因组印迹是指来自父方和母方的等位基因在通过精子和卵子传递给子代时发生了修饰，使带有亲代印迹的等位基因具有不同的表达特性。肿瘤细胞DNA甲基化修饰：153基因组印记GenomicImprinting:两条染色体需要随机沉默其一Beckwith-WiedemannSyndrome:1/15,000BWS：20%的致死率BWS:embryonictumor基因组印记GenomicImprinting:两条染色体154遗传印迹概念：或称亲本印迹（parentimprinting）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。特点：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。遗传印迹概念：155肿瘤表观遗传学课件156肿瘤表观遗传学课件157遗传印迹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。遗传印迹由正反交实验可以看出：158遗传印迹基因印迹过程印迹的形成印迹形成于成熟配子，并持续到出生后。印记的维持印记的去除印记的去除过程是发生在原始生殖细胞的早期阶段。基因组印迹的机制配子在形成过程中，DNA产生的甲基化、核组蛋白产生的乙酰化、磷酸化和泛素化等修饰，使基因的表达模式发生了改变。遗传印迹基因印迹过程159基因印迹的建立基因印迹的建立160组蛋白修饰组蛋白修饰161162Chromatinpackaging65Chromatinpackaging162组蛋白修饰AdaptedfromLundandLohuizenGenesDev2004组蛋白修饰AdaptedfromLundandLoh163组蛋白修饰种类乙酰化--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。其他修饰组蛋白修饰种类164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（histonecode），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。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（165组蛋白密码A.修饰结合蛋白质：组蛋白密码的阅读器B.组蛋白密码的组合方式C.不同组蛋白的修饰组合起来发挥功能组蛋白密码A.修饰结合蛋白质：组蛋白密码的阅读器166染色质重塑染色质重塑（chromatinremodeling）是一个重要的表观遗传学机制。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过程。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，从而影响邻近基因的活性。染色质重塑染色质重塑（chromatinremodelin167肿瘤表观遗传学课件168X-inactive-specifictranscript1.XIST:X-inactive-specifictranscript2.XIST:产生一个17kb的非编码的RNA分子3.将~150MB的X染色体包裹起来-顺式作用，4.LINE(LongINterspersedElements)：协助信号的传播X-inactive-specifictranscript169《Science》-lncRNAXist与X染色体三维结构Fig.6AmodelforhowXistexploitsandaltersthree-dimensionalgenomearchitecturetospreadacrosstheXchromosome.Science.

2013Aug16;341(6147):1237973.doi:10.1126/science.1237973.《Science》-lncRNAXist与X染色体三维结构170常染色质vs.异染色质Ac:乙酰基Me:甲基P：磷酸基常染色质vs.异染色质Ac:乙酰基Me:甲基P171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172组蛋白修饰：正常细胞vs.癌症组蛋白修饰：正常细胞vs.癌症173癌症细胞中的组蛋白修饰1.肿瘤细胞中，H4缺失单乙酰化和三甲基化修饰2.在肿瘤发育的过程中，该修饰水平的降低将持续积累3.单乙酰化的缺失：Lys16，三甲基化的缺失：Lys20；两种修饰的缺失与DNA重复片段的低甲基化伴随出现4.H4的修饰缺失至少在乳腺癌和肝癌中发生5.在前列腺癌中，H3K4的去甲基化与H3K18的乙酰化是该癌症发生的分子标记癌症细胞中的组蛋白修饰1.肿瘤细胞中，H4缺失单乙酰化和三174非编码RNA的表观遗传学修饰非编码小RNA（no-codingsmallRNA）不仅能在转录后水平抑制基因的表达，进行转录后调控（post-transcriptionalregulation），而且也能通过诱导DNA甲基化达到转录水平的基因调控，是表观遗传修饰中的一种新的基因表达调控机制。非编码RNA的表观遗传学修饰175Non-CodingRNA:Formerlyknownas“JUNK”Non-CodingRNA:Formerlyknown176Non-CodingRNA:AKeytoEukaryoticComplexity?Non-CodingRNA:AKeytoEukar177Biogenesis-Primary-miRNAistranscribedinthenucleus,andisusuallyseveralkilobaseslong;posses5’capandapoly-Atail.-CleavedinthenucleusbyDrochaenzymeto70nthairpintranscript(pre-miRNA).-TransportedtothecytoplasmbyExportin5throughnuclearpores.-CleavedbyDicerenzyme(RNaseIIIenzyme)into19-22ntds-transcripts.-700Humangenes,490mousegenes.1400possiblehumansequencesbut733clonedordetected.Only~120tested.Esquela-Kerscher,A.,andSlack,F.J.(2006).NatureReviews6,p.263Biogenesis-Primary-miRNAistr178