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文档简介
表观遗传学Epigenetics谭理,副研究员复旦大学上海医学院生物医学研究院表观遗传学实验室&基础医学院细胞与遗传医学系12提
纲表观遗传学的历史表观遗传调控的主要机制表观遗传调控异常与疾病表观遗传药物的开发31.表观遗传学的历史GeneticsMendel+Morgan
+
Watson&ClickGene
Phenotype遗传学4GeneticcentraldogmaGenotypePhenotype
中心法则5GeneticscannotanswerallquestionsTwogeneticallyidenticalmalemonozygotictwins,raisedinthesameenvironment,manifestedverydifferentneurologicalfunctions.6(Korenkeetal.
Ann.Neurol.1996)Clonedanimalsgivedifferentcolor:
InCC,theorangecolorgenewasinactivatedinalloftheskincells—thusnoorangeinhercoat7ThebirthofCC
(CopyCat),theworld’sfirstclonedcat(TexasA&MUniversity,December22,2001)DonorCopy
CatABigGapbetweenGeneandPhenotypeGenome(Genotype)Phenotype1Phenotype2PhenotypeNEpigenome(Epigenotype)…GenotypeEpigenotype(s)Phenotype(s)表观遗传调控的重要作用8Epigeneticsisthestudyof“causalmechanisms”bywhich“thegenesofthegenotypebringaboutphenotypiceffects”.(Waddington1953)Nanney:cellswiththesamegenotypecouldhavedifferentphenotypesthatpersistedformanygenerations.Old
Epigenetics9GeneticsEpigeneticsThestudyofmitoticallyand/ormeioticallyheritablechangesingenefunctionthatcannotbeexplainedbychangesinDNAsequenceCurrent
Epigenetics10表观遗传
生物体不依赖于DNA序列变化的基因表达改变11表观遗传因子vs转录因子表观遗传学vs遗传学122.表观遗传调控的主要机制133000,000,000
base
pairIn10µmdiameternucleusEuchromatinv.s.HeterochromatinEuchromatin,or“active”chromatin,consistslargelyofcodingsequences,whichonlyaccountforasmallfraction(lessthan4%)ofthegenomeinmammalsAT-richDNAsequenceTranscriptionalfactoroccupancyAcetylationandH3K4methylationDynamicnatureHeterochromatin,or“locked-down”stateHistonedeacetylationMethylationofspecificlysineresidues(H3K9me3)Recruitmentofheterochromatin-associatedproteins(e.g.,HP1)EstablishmentofDNAmethylation14ChromatinremodelingcomplexesDNAmodificationsHistonemodificationscovalentposttranslationalmodificationsofprotrudingN-terminalhistonetails——“histonecode”
4.NoncodingRNAs
tRNA;rRNA;spliceosomalRNASmallnoncodingRNA:smallnucleolarRNA;microRNA;shortinterferingRNA;smalldouble-strandedRNALongnoncodingRNA5.
Post-transcriptional
epigenetic
regulation:
m6A主要调控方式15DNA甲基化16HowardCedar
(Hebrew
Univ)AharonRazin(Hebrew
Univ)AdrianBird(Univ
of
Edinburg)DNA去甲基化Anjana
RaoHarvad
Medical
School&UCSD17DNA甲基化的功能调节基因表达:基因转录起始位点、启动子、增强子区域的DNA甲基化通常导致DNA转录抑制直接改变转录因子与DNA顺式作用元件的结合募集DNA甲基化结合蛋白及转录沉默复合物
基因突变与染色体稳定性:CpG含量低于预期,进化过程中5mC容易突变DNA重复序列(非基因区域、转座子序列等)的CpG通常被甲基化
18胚胎着床前的DNA甲基化动态变化1.
OocyteTet3initiatesDNAdemethylationofpaternalDNAfrom
sperm2.The
function
of
Tet1
and
Tet2
in
blastocyst
development
remains
elusive19组蛋白乙酰化与去乙酰化DAVIDALLISRockefeller
University20组蛋白甲基化与去甲基化Yang
ShiHarvard
Medical
SchoolThomas
JenuweinUniversity
of
Vienna21Writer,
Reader,
and
EraserBothDNA
and
histone
modifications
are
reversibleand
instructive22非编码RNAAndrewFireStanford
UniversityCraigMelloUMSS23ENCODE计划“DNA元件百科全书”计划(Encyclopedia
of
DNA
Elements,简称ENCODE)
ENCODE发表了一系列重要文章,挑战了关于人类基因组的传统理论,即人类基因蓝图不是由孤立的基因和大量“垃圾DNA片段”组成的,而是一个复杂的网络系统,单个基因、调控元件以及与编码蛋白无关的其他类型的DNA序列一道,以交叠的方式相互作用,共同控制着人类的生理活动ECODE计划是继“人类基因组计划”后最大的国际合作计划之一,本质为“人类表观基因组计划”
24253.表观遗传调控异常与疾病Thefirstdefinitiveevidenceofaroleforepigeneticsinhumandiseasecameaboutaftertheunderstandingofgenomicimprintingandthefindingthatseveralgenesaresubjecttoregulationbythismechanism.(Reik.TrendsGenet.1989)Theepigenotypeshowsplasticityduringdevelopmentandpostnatally,dependingonenvironmentalfactorsandexperiences.Currently,
epigenetic
changes
could
be
detected
in
all
diseases
and
function
as
driving
force
or
regulatory
factors
261.基因印迹病Aformofepigeneticregulationinwhichtheexpressionofagenedependsonwhetheritisinheritedfromthemotherorthefather.Unequalexpressionofthematernalandpaternalallelesatanimprinteddiploidlocus.Uniparental
disomy(UDP,单亲源二体)
described
in
the
racetofind“Cysticfibrosis”gene
Prader-Willisyndrome(PWS;OMIM176270)
Angelmansyndrome(AS;OMIM105830):5-to6-Mbdeletionin15q11-q1327InmostMendeliandisordersareusuallyidentifiedbyfindingmutationsineitherexonsorsplicesites,wherebythegeneproducts,RNAorproteins,arealteredornotproduced.Formanyofthesedisorders,however,thereisfrequentlyasmallgroupofpatientsinwhommutationscannotbeidentified
despitelinkagetothespecificlocus
FragileXsyndrome(OMIM309550):XchromosomelinkageExpansionofanunstablenoncodingCGGrepeat(Warren2001)Change
in
gene
expression
dosage
(Quantitative
Biology)282.表观遗传调控因子异常导致疾病Genes
coding
epigenetic
regulators(enzyme/reader)
are
mutation
hotspotsManydisordersthemselvesdonothaveepigeneticmutationsbutalterchromatinstatesthatarecriticalcomponentsoftheepigenotype.CBP,MeCP2,DNMT3B,MTHFRRubinstein-Taybisyndrome(RSTS;OMIM180849)CREBBPorCBP29TET2突变与血液系统恶性肿瘤AML与CMML病人中TET2突变Tet2基因敲除小鼠在成年后自发MDS与CMML30Tet2基因敲除小鼠PhenocopyCMMLTable1.SummaryofthephenotypesofTetgenesknockoutmicePre-implantationdevelopmentPost-implantationdevelopmentPost-nataldevelopmentTet1-/-(Dawlatyetal.,2011)NormalSmallerbodysizeSmallerbodysizeTet2-/-(Quivoronetal.,2011;Moran-Crusioetal.,2011;Koetal.,2011;Lietal.,2011)NormalNormalSpontaneousmyeloidleukemiaTet3-/-
Tet3mat-/pat+(Guetal.,2011)Normal(AbnormalityinpaternalDNAdemethylation)MultipleorganabnormalityNeonatallethalityTet1:
Adult
learning
and
recognition
abilityTet2:
Adult
hematopoietic
stability,
ischemia
reperfusioninjuryTet3:
Unknown
(conditional
knockout)313.环境因素对表观基因组的影响Diet
(nutrients)andepigenotypesinaginganddiseaseAnage-dependentdecreaseofglobalDNAmethylation;Roleofdietasacontributingfactorincontrollingglobalmethylationstatus;FolateandB12deficienciesinsporadicneuropsychiatricdisordersSAMsupplementationinfoodHungry
and
CREarlyexperiences(behavior)andepigenotype
FrequentlickingandgroomingbyratmothersalteredtheDNAmethylationstatusinthepromoterregionoftheglucocorticoidreceptor(GR)geneinthehippocampusoftheirpups.(Weaveretal.
Nat.Neurosci.2004)Other
environmental
factors324.表观遗传药物的开发331.
Drugs
targeting
“Writer”DNMT(DNA甲基转移酶)抑制剂--地西他滨:骨髓增生异常综合症(MDS)等EZH2(H3K27甲基转移酶)抑制剂:ALL、肺癌等DOT1L(H3K79甲基转移酶)抑制剂:AML342.
Drugs
targeting
“Eraser”HDAC抑制剂西达
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