表观遗传的生化机理及应用前景

表观遗传的生化机理及应用前景第1页，共39页，2023年，2月20日，星期二主要内容：表观遗传简介表观遗传调控机制理论研究意义及前景实际应用前景第2页，共39页，2023年，2月20日，星期二关键词：表观遗传DNA甲基化组蛋白修饰肿瘤衰老第3页，共39页，2023年，2月20日，星期二GregorMendel(1822-1884）遗传学之父(Thegeneticfactors)，发现了遗传学基本规律（Publishedin1865and1866and“re-discovered”in1900

）。遗传简史：第4页，共39页，2023年，2月20日，星期二遗传简史：ThomasHuntMorgan(1866-1945)发现基因连锁互换定律（Publishedin1915）。Discoveredthe3rdbasicgeneticlaw,togetherwithMendel’stwolaws,theyformthebasisofwhatisnowknownasclassicalgenetics.第5页，共39页，2023年，2月20日，星期二遗传简史：JamesWatson&FrancisCrick发现DNA双螺旋结构（Publishedin1953)，分子遗传学诞生。第6页，共39页，2023年，2月20日，星期二

中心法则（centraldogma）碱基序列（基因）决定性状，序列改变，引起性状的改变。第7页，共39页，2023年，2月20日，星期二BUT…第8页，共39页，2023年，2月20日，星期二从遗传学的角度来看，同卵双生的孪生子具有完全相同的基因组。如果这两个孪生子在同样的环境下成长，从逻辑上说，俩人的气质和体质应该非常相似。但研究者发现，一些孪生子的情况并不符合预期的理论。往往在长大成人后出现性格、健康方面的很大差异。这种反常现象长期困扰着遗传学家。现在科学家们发现。可以在不影响DNA序列的情况下改变基因组的修饰．这种改变不仅可以影响个体的发育，而且还可以遗传下去。在“基因决定论”的背后．隐藏着一个重要的．长期以来争执不休的问题：环境的作用能否改变个体的遗传特性，并传递给下一代?这种被称为“拉马克学说”(Lamarckism)的观点一直被正统的生物学家拒之门外．但现实的生命世界又一次次地把这个话题送到研究者的视线内。瑞典一个科学家小组曾在2002年11月发表了一项研究，他们的统计结果表明，对于生于1890-1920年的瑞典男人的孙辈而言，如果其祖父在青少年期间吃得很好，那么孙辈因糖尿病而死亡的概率就很高；如果其祖父是在饥饿中长大的．那么孙辈死于心脏病的机会就很少。也就是说，祖父辈的饮食状态影响到了孙辈的健康状态。从这个例子可以得到这样一种结论：个体在发育和生长过程中获得的环境影响．被遗传给了后代。从这里可以引申出一个更根本的问题：什么决定基因。大自然(环境)如此丰富多彩、如此变化不停，很难想象，对于一个开放的复杂生命系统，不会打上它的烙印。也许这是一个“先有鸡还是先有蛋”的进化论问题，但不论怎样，基因不会代表一切，更不能决定一切第9页，共39页，2023年，2月20日，星期二Jean-BaptisteLamarck

(1744-1829)获得性遗传（Inheritanceofacquiredcharacteristics）第10页，共39页，2023年，2月20日，星期二1942年，Waddington最早提出表观遗传学（epigentics）一词，认为是遗传学领域中探讨基因型与表现型之间相互关系的一个新的研究方向。近年来，现代分子生物学认为细胞中信息的表达受两种因素控制：一种是遗传调控，另一种是表观遗传调控。2003年10月正式宣布开始投资和实施人类表观基因组计划（HGP）。第11页，共39页，2023年，2月20日，星期二表观遗传学（Epigenetics）？Epigenetics

referstoheritablealterationsingeneexpressionthatdonotentailchangesinnucleotidesequence.表观遗传学是指不需要核苷酸序列变异的基因表达的可遗传改变。第12页，共39页，2023年，2月20日，星期二表观遗传变异是如何实现的？？？第13页，共39页，2023年，2月20日，星期二表观遗传调控机制DNA甲基化DNAmethylation

组蛋白共价修饰

CovalentmodificationsinHistone染色体重塑Chromatinremodeling非编码RNA调控基因表达重新编程第14页，共39页，2023年，2月20日，星期二DNA甲基化

DNA甲基化是在DNA甲基转移酶(DNAmethyltransferase，Dnmt)的作用下，以s一腺苷甲硫氨酸(sAM)为甲基供体，将甲基基团转移到胞嘧啶第5位碳原子上。甲基化的胞嘧啶多位于CpG岛上，CpG岛是CpG集中的区域，约1kb长，人类及哺乳动物体内约90%发生在CpG岛。启动子区域富含CpG序列，故易发生甲基化。DNA甲基化可以在转录水平抑制基因的表达。

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。第15页，共39页，2023年，2月20日，星期二

DNMT1SAM胞嘧啶5-甲基胞嘧啶胞嘧啶甲基化反应

甲基转移酶第16页，共39页，2023年，2月20日，星期二第17页，共39页，2023年，2月20日，星期二目前，有4种可能机制解释DNA甲基化对转录的抑制：①直接干扰特异转录因子和各种启动子识别位点的结合；②甲基化的DNA结合转录抑制因子引起基因沉默；③通过影响核小体的位置或与其染色体蛋白质相互作用而改变染色体的结构，介导转录抑制；④eCP2(甲基化的CG序列结合蛋白)的C端的转录抑制区域(TRD)与Sin3A结合以及恢复组蛋白脱乙酰化酶(histonedeacetylase，HDAC)活性去修饰染色质，使基因转录失活，MeCP2的TRD还可以与TFⅡB结合抑制转录。第18页，共39页，2023年，2月20日，星期二Modelformethylation-dependentgenesilencing.

Thestructuralelementofchromatinisthenucleosomalcore,whichconsistsofa146-bpDNAsequencewrappedaroundcorehistones.Acetylationofthehistonescausesanopenchromatinconfig-urationthatisassociatedwithtranscriptionalactivity.Methylatedcytosinesarerecognizedbymethyl-CpG-bindingproteins(MBDs),whichinturnrecruithistonedeacetylases(HDACs)tothesiteofmethylation,convert-ingthechromatinintoaclosedstructurethatcannolongerbeaccessedbythetranscriptionalmachinery.第19页，共39页，2023年，2月20日，星期二第20页，共39页，2023年，2月20日，星期二甲基化也是一个可逆的过程基因调控元件(如启动子)所含CpG岛中的5-mC会阻碍转录因子复合体与DNA的结合，所以DNA甲基化一般与基因沉默(genesilence)相关联；而非甲基化(non-methylated)一般与基因的活化(geneactivation)相关联。而去甲基化(demethylation)往往与一个沉默基因的重新激活(reactivation)相关联。第21页，共39页，2023年，2月20日，星期二

DNA复制酶CH3CH3CH3CH3DNA甲基转移酶CH3CH3CH3CH3DNA复制后甲基化型的维持

DNA甲基化第22页，共39页，2023年，2月20日，星期二第23页，共39页，2023年，2月20日，星期二组蛋白的共价修饰乙酰化/去乙酰化

acetylation/deacetylation甲基化（H3-Lys9）

methylation磷酸化ADP核苷酸化糖基化、泛素化、羰基化等第24页，共39页，2023年，2月20日，星期二组蛋白Histone第25页，共39页，2023年，2月20日，星期二组蛋白乙酰化/去乙酰化组蛋白乙酰化也是一可逆的动态过程。组蛋白乙酰基转移酶(HAT)将乙酰辅酶A乙酰基部分转移到核心组蛋白氨基末端上特定赖氨酸残基的ε2氨基基团。这些赖氨酸的乙酰化导致电荷的中和以及DNA与组蛋白的分离,使核小体DNA易于接近转录因子。在此种情况下,其他因子就可乘虚而入结合于DNA上。第26页，共39页，2023年，2月20日，星期二第27页，共39页，2023年，2月20日，星期二

染色质是由DNA双链缠绕组蛋白及非组蛋白形成。组蛋白乙酰化后染色体处于开放状态有利于转录，且与乙酰化的组蛋白相联的DNA片段上的基因活化_4；反之，组蛋白脱乙酰化可使基因表达沉默

组蛋白乙酰化的影响第28页，共39页，2023年，2月20日，星期二

研究表明，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，这往往取决于被修饰的赖氨酸处于什么位置。

例如，组蛋白H3Lys9甲基化最终导致了基因的沉默；然而，位于H3Lys4的甲基化则与基因的活化相关联。组蛋白甲基化/去甲基化第29页，共39页，2023年，2月20日，星期二磷酸化第30页，共39页，2023年，2月20日，星期二ATP-核苷酸化第31页，共39页，2023年，2月20日，星期二染色质重塑

指染色质位置和结构的变化。主要涉及密集的染色质丝在核小体连接处发生松解造成染色质解压缩，从而暴露基因转录启动子区中的顺式作用元件，为反式作用蛋白（转录因子）与之结合提供了一种称为可接近性（accesibility）的状态。这一过程由两类结构介导：ATP依赖型核小体重塑复合体和组蛋白修饰复合体。前者通过水解作用改变核小体构型；后者对核心组蛋白N端尾部的共价修饰进行催化其中还有I型DNA酶（DNaseI）超敏性的改变。第32页，共39页，2023年，2月20日，星期二通常，DNA甲基化、组蛋白甲基化和染色质的压缩状态和DNA的不可接近性，以及基因处于抑制和静息状态相关；而DNA的去甲基化、组蛋白的乙酰化和染色质压缩状态的开启，则与转录的启动、基因活化和行使功能有关。这意味着，不用改变基因本身的结构，而是改变基因转录的微环境条件就可以左右基因的活性：或者令其静息（silencing），或者使其激活。其结果（表观遗传现象）包括基因沉默、基因组印迹、DNA甲基化、X染色体失活（组蛋白H4不被乙酰化、CpG岛的高度甲基化）、转座因子激活和基因组印记等多个方面。

第33页，共39页，2023年，2月20日，星期二

Epigeneticsisanadvancedbiologicalsystemthatselectivelyutilizesgenomicinformationandisinvolvedinvariousfundamentalphenomena.Specifically,itputsemphasisontheregulationofgeneexpression,throughDNAmethylation,chromatin,andpost-translationalmodificationofproteinssuchashistones.Arrowsindicatepossiblefunctionalinteractionsbetweenthem.DNAhypermethylation,histonehypoacetylationandinactivechromatinrepresstranscription.Incontrast,atranscriptionallyactiveconditionmayencourageDNAhypomethylation,histonehyperacetylationandactivechromatin.Also,aparticularchromatinstructuremayberequiredforestablishingDNAmethylation.第34页，共39页，2023年，2月20日，星期二Toobig!Apparentlyasaresultofabnormalimprinting,theclonedlambatleftisbiggerthanthenormallambatright.Clonedanimalsoftenhaveotherhealthproblemsaswell.

第35页，共39页，2023年，2月20日，星期二前景展望了解人类发育机制本质,影响免疫细胞分化和功能。免疫学中表观遗传学调控所发挥的影响，波及基因、细胞和应答等不同的水平。

基因组进化表观遗传修饰的环境因子敏感性也许可以用来解释遗传学上完全一样的个体（如双生子）在不同的环境中可以产生明显的表型差异，也提示表观遗传修饰的可遗传性在基因和环境的相互作用中起着重要的作用。表观遗传研究过程中还形成了表观遗传修饰，表观遗传突变，表观等位基因(epialleles)，表观基因组，表观基因组学(epigenomics)，表观遗传病和表观基因治疗(epigenetictherapy)等一系列科学概念。这些概念和思想已经成为哺乳动物克隆技术的进步和干细胞移植技术用于临床等应用性研究的理论先导第36页，共39页，2023年，2月20日，星期二