表观遗传学.ppt

1、表观遗传学 Epigenetics 网络资源汇编,英同卵双胞胎 1个患白血病1个很健康,同卵双胞胎出生时哥哥体重为弟弟3倍(图),多莉：死掉了,Ian Wilmut,Dolly,多莉：生于1996年7月5日，死于2003年2月14日,Epigenetic differences：monozygotic twins,雌性的一条X染色体完全失去活性,Rainbow,Copy Cat,Allie,X染色体失活,X-Chromosome Inactivation：The calico cat,基因表达模式,不同表型,相同的基因型,Agouti基因 甲基化/叶酸,叶酸很重要,Genomic Imprin

2、ting （基因组印记）： 两条染色体需要随机沉默其一,1. 小头 2. 巨舌 3. 胎盘增生,遗传类型,1. 遗传编码信息： 提供生命必需蛋白质的模板 2. 表观遗传学信息： 何时、何地、以何种方式去应用遗传信息,遗传信息的传递：中心法则,1. DNA自身通过复制传递遗传信息； 2. DNA转录成RNA； 3. RNA自身能够复制 (RNA病毒)； 4. RNA能够逆转录成DNA； 5. RNA翻译成蛋白质。,表观遗传学( epigenetics),1. 概念 基因的DNA序列不发生改变的情况下，基因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)

3、DNA不变,1942 年沃丁顿 (Wadding ton) 在 Endeavour 杂志 首次提出表观遗产学。 基因型的遗传(heredity)或传承(inheritance)是遗传学研究的主旨 ,而基因型产生表型的过程则是属于表观遗传学研究的范畴。,研究历史,Waddingtons epigenetics,基因型,表型,Waddingtons epigenetics,基因型,表型,1987 年 ,霍利德( Holliday) 进一步指出可在两个层面上研究高等生物的基因属性。 第一个层面是基因的世代间传递的规律 遗传学。 第二个层面是生物从受精卵到成体的发育过程中基因活性变化的模式 表观遗传学

4、。,表观遗传学研究 “上代向下代传递的信息 ,可以通过有丝分裂或减数分裂而遗传下去的基因功能的改变，而不是DNA 序列本身” ,这是一种 “不以 DNA序列差别为基础的细胞核遗传” 。,表观遗传学的研究内容,1. 基因选择性转录表达的调控 2. 基因转录后的调控 3. 蛋白质的翻译后修饰,表观遗传修饰,表观遗传修饰,DNA甲基化,组蛋白修饰,siRNA与miRNA介导的调控,基因组印迹(Genomic Imprinting),X染色体失活,染色体构型重塑,表观遗传学,DNA甲基化,基因调控模型,1. DNA甲基化的主要功能：转录沉默 (1) 基因的启动子区域通常不被甲基化修饰 (2) 建立特定

5、的基因表达模式： 组织特异性、生殖特异性 (3) 基因组印记、X染色体失活 2. DNA甲基化抑制基因转录的机制： (1) 干扰转录因子对DNA元件的识别和结合 (2) 将转录因子DNA识别序列转变为阻抑物识别序列 (3) DNA甲基化有利于招募染色质重塑或修饰因子 3. DNA甲基化： 是转录沉默的结果和维持，而不是原因。,DNA甲基化,DNA甲基化(DNA methylation)是研究得最清楚、 也是最重要的表观遗传修饰形式。 在 DNA甲基转移酶的催化下，利用S-腺苷蛋氨酸(SAM)提供的甲基，将胞嘧啶第5位碳原子甲基化，从而使胞嘧啶转化为5甲基胞嘧啶(5-mC)。,DNA甲基化,在哺

6、乳动物基因组中，DNA甲基化的主要位点是CpG二核苷酸。 甲基化CpG二核苷酸在整个基因组中分布不均匀，在基因组大部分区域中CpG序列出现频率较低，但在某些特定区域，如结构基因5-端(启动子区)，CpG二核苷酸呈高频率成串排列，此区域称为CpG岛。,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(gene silence)相关联。 而非甲基化(non-methylated)一般与基因的活化(gene activation)相关联。 而去甲基化(demethylation)往往与一个沉默基因的重新激活(reactivation)

7、相关联。,DNA甲基化抑制基因转录的机制,基因启动子区的甲基化可影响转录激活因子和其识别序列的结合，直接抑制基因表达。 甲基化的CpG双核苷酸序列可被甲基结合蛋白家族(MBD)识别，而后者通过吸引组蛋白去乙酰化酶(HDAC)和组蛋白甲基化转移酶(HMT)等组蛋白修饰蛋白来改变染色质活性，间接影响基因表达。,转录,Prevent the binding of transcription factors,TF,直接干扰机制 (1),直接干扰机制 (2),间接机制,The methyl-CpG-binding proteins MeCP1 and MeCP2能够与甲基化的DNA结合 MeCP2能够招

8、募Sin3a, HDACs，形成复合物，阻遏转录,MeCP2,Model for methylation-dependent gene silencing. The structural element of chromatin is the nucleosomal core, which consists of a 146-bp DNA sequence wrapped around core histones. Acetylation of the histones causes an open chromatin config-uration that is associated wit

9、h transcriptional activity. Methylated cytosines are recognized by methyl-CpG-binding proteins (MBDs), which in turn recruit histone deacetylases (HDACs) to the site of methylation, convert-ing the chromatin into a closed structure that can no longer be accessed by the transcriptional machinery.,DNA

10、甲基化抑制基因转录的机制,Long-term silencing,影响DNA甲基化的因素,1.DNA甲基化转移酶(DNA Methyltransferase,DNMT) 2. 组蛋白甲基化 3.饮食等环境因素对DNA甲基化的影响 4.RNA干扰与DNA甲基化,DNA甲基化转移酶,DNMT1 作为DNA复制复合物的组分，催化子链DNA半甲基化位点甲基化，维持复制过程中甲基化位点的遗传稳定性。 DNMT3a和 DNMT3b 主要催化从头甲基化，以非甲基化DNA为模板催化新的甲基化位点形成。,CH3,CH3,CH3,CH3,CH3,CH3,CH3,CH3,Maintenance DNA methyl

11、transferase,DNA replication,CH3,CH3,De novo methyltransferase,Demethylase,CH3,CH,(DNMT1),DNA methylation reactions,影响DNA甲基化的因素,1.DNA甲基化转移酶(DNA Methyltransferase,DNMT) 2. 组蛋白甲基化 3.饮食等环境因素对DNA甲基化的影响 4.RNA干扰与DNA甲基化,组蛋白甲基化,当沉默脉孢菌编码组蛋白H3尾部的第位赖氨酸甲基转移酶基因dim-5时，组蛋白H3K9不能发生甲基化，导致基因组胞嘧啶甲基化的丢失，由此推断该菌中组蛋白H3 k9甲

12、基化可以指导DNA甲基化。 在哺乳动物细胞中，甲基化的CpG结合蛋白MeCP2不仅能促进组蛋白去乙酰化，抑制基因沉寂；同时它还是DNA甲基化和组蛋白甲基化的桥梁。MeCP2可结合于H19基因启动子区甲基化DNA，并影响组蛋白H3甲基转移酶的活性，促使组蛋白H3的赖氨酸甲基化，后者与DNA甲基化一起对H19基因的表达起抑制作用。,DNA甲基化模式：正常细胞 vs. 癌症,影响DNA甲基化的因素,1.DNA甲基化转移酶(DNA Methyltransferase,DNMT) 2. 组蛋白甲基化 3.饮食等环境因素对DNA甲基化的影响 4.RNA干扰与DNA甲基化,Waterland R A等发现断

13、奶后的饮食影响IGF2基因甲基化状态，饮食中缺乏叶酸、B12等甲基供体时可导致成年后IGF2的印记丢失。,饮食等环境因素,叶酸是生成SAM的前体物质，而SAM 是胞嘧啶甲基化主要的甲基供体，叶酸摄入不足时可导致DNA低甲基化。 荷兰的一项队列研究表明，叶酸摄入过低可导致甲基化状态紊乱，这种变化可被过量饮酒加剧。,影响DNA甲基化的因素,1.DNA甲基化转移酶(DNA Methyltransferase,DNMT) 2. 组蛋白甲基化 3.饮食等环境因素对DNA甲基化的影响 4.RNA干扰与DNA甲基化,RNA干扰与DNA甲基化,在人类细胞中，特异的siRNA可以结合于E-cadherin启动子

14、区的CpG岛，诱导DNA甲基化和组蛋白H3 K9甲基化。 Bao N等通过对植物研究发现miRNA 可诱导PHB基因甲基化及染色质重塑。,DNA甲基化的生物学意义,调控基因表达, 在胚胎发育、细胞生长分化，衰老，疾病等方面发挥重要作用。 维持染色体结构 X染色体失活 基因印记 肿瘤发生发展,DNA甲基化的检测方法,1.甲基化敏感的限制性内切酶法 2.基于亚硫酸氢盐修饰的方法 3.基于甲基化DNA特异结合富集方法,表观遗传修饰,表观遗传修饰,DNA甲基化,组蛋白修饰,siRNA与miRNA介导的调控,基因组印迹(Genomic Imprinting),X染色体失活,染色体构型重塑,表观遗传学,组

15、蛋白修饰,核小体,DNA序列缠绕在核心组蛋白的八聚体上,染色质构型和基因转录的关系,DNA Packing,1. 如何将10,000公里长的蚕丝(半径10-5米)装入一个篮球中。 2. 蚕丝的体积：3.14*10-3m3 3. 折叠、缠绕,组蛋白质修饰,一、组蛋白的乙酰化 二、组蛋白的甲基化 三、组蛋白的磷酸化 四、组蛋白的泛素化 五、组蛋白的SUMO化 六、组蛋白密码,主要的功能基团,Acetyl Methyl Phosphoryl Ubiquitin,组蛋白的共价修饰,组蛋白修饰,组蛋白修饰 (2),Epigenetic differences：monozygotic twins,5mC,

16、H4 乙酰化,H3 乙酰化,组蛋白的乙酰化,1. 通常发生在蛋白质的赖氨酸(K)上； 2. 可逆的生化反应： A. Histone acetyltransferase，HAT (30) B. Histone deacetylase, HDAC (18) 3. 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 4. 生物学功能： A. 基因转录活化 B. DNA损伤修复,组蛋白的甲基化,1. 主要发生在赖氨酸(K)或精氨酸(R)上； 2. Long-term； 3. HKMTs (histone lysine methyltransferases) vs. PRMTs (protein

17、 arginine methyltransferases) 4. 可逆的生化反应? 5. 分子效应：增加赖氨酸上的疏水力 6. 生物学功能： A. 基因转录活化 B. 基因转录沉默 C. X染色体失活 D. 异染色质致密状态 (heterochromatin compaction),组蛋白乙酰化、甲基化以及DNA甲基化的关系,A. MBD结合甲基化的DNA, 招募HDAC, 组蛋白去乙酰化, 招募HMT, 甲基化组蛋白, 转录沉默； B. 组蛋白无乙酰化修饰, MBD结合甲基化的DNA, 再与SET结合，甲基化组蛋白 C. 甲基化的组蛋白尾部招募DNMT，对基因长期沉默,组蛋白的SUMO化,1

18、. 通常发生在赖氨酸(K)上； 2. 可逆的生化反应： A. E1, E2, 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 3. 在特定细胞系及神经发育方面有重要功能,印记基因的特征,1. 通常成簇出现，在染色体上的分布较为分散 一个簇中一般有311个印记基因 绝大多数多时编码可表达蛋白质的基因 至少有一个起拮抗作用的ncRNA基因，具有双亲特异性的表达模式,每一个印记基因簇由一个印记控制元件 (imprint control element, ICE) 所调控 印记控制区域 (imprint control region, ICR) 或者印记中心 (imprinting

19、 centre, IC) 绝大多数都有CpG islands，能够发生DNA甲基化 在CpG islands内或附近通常有成簇的、有向的重复片段,2. 具有等位基因不同的甲基化区域 (differentially methylated regions, DMRs) 有些是在所有细胞里，有些具有组织特异性 有些甲基化的DMR存在于激活的等位基因中，有些则存在于失活的等位基因中 3. 通常具有不同的组蛋白修饰，染色体结构等 4. DNA复制不同步 父系的拷贝较早发生复制,印记基因的特征,表达模式: 母系 父系 双等位 未知,PWS/AS SNURF-SNRPN UBE3A-UBE3A-AS,印记基

20、因的特征,基因组印记的相关理论,1. 两性之战 (Kinship)，遗传斗争 (Genetic Conflict), 双亲投资 (Parental Investment) 许多印记基因与胎儿 (fetus) 和胎盘 (placenta)的生长和发育相关 父系：希望后代健康，能够延续基因的存在。父系表达的基因，例如 Igf2, Peg3能够促进胎儿的生长以及营养的摄取，可能会损害母系的健康 母系：产生更多后代，延续自己的基因。母系表达基因，例如Igf2R, Mash2, Gnas等能够抑制胎儿生长，减少营养的开支，从而提高生育后代的数量。,2. 进化能力模型 (Evolvability Mode

21、l): 通过印记的方式，保护一些等位基因免受选择压力的影响，从而提高群体对环境变化的适应能力。 生物体感知环境变化，决定等位基因是沉默还是表达 例如，如果发育增强有好处，并且该等位基因已出现，则其印记状态将被改变 3. 卵巢里的时间炸弹 (Ovarian time bomb): 避免卵巢滋养细胞疾病 孤雌胚胎 (parthenogenetic embryos)的生长和发育：葡萄胚，卵子不能成熟，持续生长以致形成癌症等； 如果改变孤雌胚胎的基因组，如删除特定的母系印记基因，能够存活并类似父系基因组的印记模式,表观遗传修饰,表观遗传修饰,DNA甲基化,组蛋白修饰,siRNA与miRNA介导的调控,

22、基因组印迹(Genomic Imprinting),X染色体失活,染色体构型重塑,表观遗传学,X染色体失活,X,Y,X,X,性染色体：人类、哺乳动物,性染色体：鸟类,X,X,X,性染色体：果蝇,X,X,X,性染色体：线虫,雄性：单叶的性腺，输精管； 雌雄同体：两个卵巢、输卵管、藏精器，一个子宫 优先选择雄性的精子,MATa,MAT,MATa,MAT,a,a,性染色体：酵母,无性染色体：海龟,无性染色体：海龟,1. 1961年，The Lyon Hypothesis, 由英国遗传学家Mary Lyon提出 2. 体细胞中X染色体失活发生在胚胎发育的早期 3. 失活是随机的：每一个细胞中随机挑选父

23、系/母系的X染色体失活 4. 整条X染色体都失去活性 (例外,正常 WASP 失活导致Wiskott-Aldrich 综合征) 5. X染色体的失活是永久性的，克隆过程中保持失活的状态 6. 所有哺乳动物中都存在X染色体失活现象,X 染色体失活：Lyonization,雌性的一条X染色体完全失去活性,Rainbow,Copy Cat,Allie,X染色体失活,表观遗传修饰,表观遗传修饰,DNA甲基化,组蛋白修饰,siRNA与miRNA介导的调控,基因组印迹(Genomic Imprinting),X染色体失活,染色体构型重塑,表观遗传学,siRNA与miRNA介导的调控,表观遗传学应用,人类基因组计划完成带来的挑战,1. 100多个物种的基因组测序已经完成； 2. 4,000个物种的基因组计划正在进行； 3. 比较基因组学：比较多个物种的基因、蛋白质的序列来揭示功能的保守性，并发现新的规律。,人类基因组计划,1. 搞清楚人类基因组的DNA碱基的内容和顺序 2. 编码区 (编码蛋白的DNA序列)：占基因组的2% 3. 非编码区：功能？ a. 非编码RNA：具有调控功能 b. 重复片段：维持基因组的结构？ c. 转座子,表观基因组学和人类表观基因组计划,表观基因组学(epigenomics)则是在基因组水平上对表观