《表观遗传学》课件

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1、表 观 遗 传 学（ epigenetics）沈 建 英 2021年 5月 4日年 月 日 发 展 历 史v1939年 ， Waddington CH 首 先 在 现 代 遗 传 学 导论 中 提 出 了 epihenetics这 一 术 语 。v1942年 定 义 为 生 物 学 的 分 支 ， 研 究 基 因 与 决 定 表型 的 基 因 产 物 之 间 的 因 果 关 系 。v1975年 ， Hollidy R 对 表 观 遗 传 学 进 行 了 较 为 准确 的 描 述 。v1996年 James G Herman 和 Stephen B Baylin 发 明 MSP技 术 ， 并 发

2、 现 肿 瘤 细 胞 中 抑 癌 基 因 启 动 子 区CpG呈 高 甲 基 化 状 态 。 2021年 5月 4日 概 述v表 观 遗 传 学 ：l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 ；l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 ；l没 有 DNA序 列 的 改 变 或 不 能 用 DNA序 列 变 化 来解 释 。 年 月 日 v三 个 层 面 调 控 基 因 表 达 ：lDNA修 饰 ： DNA共 价 结 合 一

3、 个 修 饰 基 团 ， 使 具 有 相 同 序列 的 等 位 基 因 处 于 不 同 的 修 饰 状 态 。l蛋 白 修 饰 ： 通 过 对 特 殊 蛋 白 修 饰 或 改 变 蛋 白 的 构 象 实现 对 基 因 表 达 的 调 控 。l非 编 码 RNA调 控 ： 通 过 某 些 机 制 实 现 对 基 因 转 录 的 调 控， 如 RNA干 扰 。v意 义 ：l任 何 一 个 层 面 异 常 ， 都 将 影 响 染 色 质 结 构 和 基 因 表 达， 导 致 复 杂 综 合 征 、 多 因 素 疾 病 以 及 癌 症 。 和 DNA序 列改 变 不 同 的 是 ， 许 多 表 观 遗

4、 传 的 改 变 是 可 逆 的 ， 这 就为 疾 病 的 治 疗 提 供 乐 观 的 前 景 。概 述 2021年 5月 4日 概 述v表 观 遗 传 学 的 研 究 内 容 ：l基 因 转 录 后 的 调 控u基 因 组 中 非 编 码 RNAu微 小 RNA（ miRNA）u反 义 RNAu内 含 子 、 核 糖 开 关 等l基 因 选 择 性 转 录 表 达的 调 控uDNA甲 基 化u组 蛋 白 共 价 修 饰u染 色 质 重 塑u基 因 印 记uX染 色 体 失 活 年 月 日 2021年 5月 4日 概 述 年 月 日 遗传与表观遗传 2021年 5月 4日 概 述 年 月 日

5、基因组与表观基因组 经 组 织 归 类 的 信 息 2021年 5月 4日年 月 日 表 观 遗 传 学 机 制DNA 甲 基 化1 组 蛋 白 修 饰2 染 色 质 重 塑3 RNA 调 控4 DNA 甲 基 化1 以 基 因 型 为 a/a的 母鼠 及 其 孕 育 的 基 因 型 为AVY/a的 仔 鼠 作 实 验 对 象 。孕 鼠 分 为 两 组 ， 试 验 组 孕鼠 除 喂 以 标 准 饲 料 外 ， 从受 孕 前 两 周 起 还 增 加 富 含甲 基 的 叶 酸 、 乙 酰 胆 碱 等补 充 饲 料 ， 而 对 照 组 孕 鼠只 喂 饲 标 准 饲 料 。试 验 组 一 、 DNA甲

6、 基 化 2021年 5月 4日 一 、 DNA甲 基 化v哺 乳 动 物 基 因 组 中 5mC占 胞 嘧 啶 总 量 的 2%-7%， 约 70%的 5mC存 在 于 CpG二 连 核 苷 。v在 结 构 基 因 的 5 端 调 控 区 域 , CpG二 连 核 苷 常 常 以 成 簇 串联 形 式 排 列 ， 这 种 富 含 CpG二 连 核 苷 的 区 域 称 为 CpG岛 (CpG islands)， 其 大 小 为 500-1000bp， 约 56%的 编 码 基 因 含 该结 构 。v基 因 调 控 元 件 (如 启 动 子 )所 含 CpG岛 中 的 5mC会 阻 碍 转 录

7、因子 复 合 体 与 DNA的 结 合 。lDNA甲 基 化 一 般 与 基 因 沉 默 相 关 联 ；l非 甲 基 化 一 般 与 基 因 的 活 化 相 关 联 ；l而 去 甲 基 化 往 往 与 一 个 沉 默 基 因 的 重 新 激 活 相 关 联 。 年 月 日 2021年 5月 4日 一 、 DNA甲 基 化 年 月 日vCpG岛 主 要 处 于 基 因 5 端 调 控 区 域 。v启 动 子 区 域 的 CpG岛 一 般 是 非 甲 基 化 状 态 的 ， 其 非 甲 基化 状 态 对 相 关 基 因 的 转 录 是 必 须 的 。v目 前 认 为 基 因 调 控 元 件 （ 如

8、 启 动 子 ） 的 CpG岛 中 发 生 5mC修 饰 会 在 空 间 上 阻 碍 转 录 因 子 复 合 物 与 DNA的 结 合 。 因而 DNA甲 基 化 一 般 与 基 因 沉 默 相 关 联 。 2021年 5月 4日 一 、 DNA甲 基 化 年 月 日 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 ， 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 -met

9、hylcytosine， 5mC)。DNMT1 胞 嘧 啶 5-甲 基 胞 嘧 啶胞 嘧 啶 甲 基 化 反 应 S-腺 苷 甲 硫 氨 酸 2021年 5月 4日 二 、 组 蛋 白 修 饰 年 月 日 2021年 5月 4日 二 、 组 蛋 白 修 饰 年 月 日 2021年 5月 4日年 月 日 二 、 组 蛋 白 修 饰 Bryan M. Turner, nature cell biology, 2007 v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 （ histone code） ， 遗 传 密 码 的表 观 遗

10、传 学 延 伸 ， 决 定 了 基 因 表 达 调 控 的 状 态 ， 并且 可 遗 传 。 2021年 5月 4日 二 、 组 蛋 白 修 饰v组 蛋 白 修 饰 是 表 观 遗 传 研 究 的 重 要 内 容 。v组 蛋 白 的 N端 是 不 稳 定 的 、 无 一 定 组 织 的 亚 单 位 ， 其延 伸 至 核 小 体 以 外 ， 会 受 到 不 同 的 化 学 修 饰 ， 这 种 修饰 往 往 与 基 因 的 表 达 调 控 密 切 相 关 。v被 组 蛋 白 覆 盖 的 基 因 如 果 要 表 达 ， 首 先 要 改 变 组 蛋 白的 修 饰 状 态 ， 使 其 与 DNA的 结

11、合 由 紧 变 松 ， 这 样 靶 基 因才 能 与 转 录 复 合 物 相 互 作 用 。 因 此 ， 组 蛋 白 是 重 要 的染 色 体 结 构 维 持 单 元 和 基 因 表 达 的 负 控 制 因 子 。 年 月 日 2021年 5月 4日 二 、 组 蛋 白 修 饰v组 蛋 白 修 饰 种 类l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 。l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

12、因 的 激 活 相 关 ， 这 往 往取 决 于 被 修 饰 的 位 置 和 程 度 。l磷 酸 化 - 发 生 与 Ser 残 基 ， 一 般 与 基 因 活 化 相 关 。l泛 素 化 - 一 般 是 C端 Lys修 饰 ， 启 动 基 因 表 达 。lSUMO（ 一 种 类 泛 素 蛋 白 ） 化 - 可 稳 定 异 染 色 质 。l其 他 修 饰 2021年 5月 4日 DNA甲 基 化 与 组 蛋 白 去 乙 酰 化 年 月 日 乙 酰 化 酶 基 因 突 变 导 致 基 因 不 能 表 达 ：Rubinstein Taybi综合征、肿瘤、急 性进 行 性 髓 性 白 血 病 。去

13、乙 酰 化 酶 相 关 基 因 的 突 变 导 致 错 误 募 集去 乙 酰 化 酶 ： Rett综 合 征 、 急 性 早 幼 粒 细胞 性 白 血 病 ， 急 性 淋 巴 细 胞 性 白 血 病 和 非何 杰 金 氏 淋 巴 瘤 的 治 疗 。 2021年 5月 4日 三 、 染 色 质 重 塑核 小 体 2021年 5月 4日 三 、 染 色 质 重 塑v染 色 质 重 塑 （ chromatin remodeling） 是 一 个重 要 的 表 观 遗 传 学 机 制 。v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

14、变 化 为 基 本 特 征 的 生 物 学过 程 。v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 。 2021年 5月 4日 三 、 染 色 质 重 塑染 色 质 修 饰 与 重 塑 （ 共 价 修 饰 型 与 ATP依 赖 型 ） v染 色 质 重 塑 复 合 物 、 组 蛋 白 修 饰 酶 的 突 变 均 和 转录 调 控 、 DNA甲 基 化 、 DNA重 组 、 细 胞 周 期 、DNA的 复 制 和 修 复 的 反 常 相 干 ,这 些 反 常 可 以

15、引 起生 长 发 育 反 常 ,智 力 发 育 缓 慢 ,乃 至 导 致 癌 症 。 v依 赖 ATP的 物 理 修 饰 主 要 是 使 用 ATP水 注 解 放 的能 量 ,使 DNA超 螺 旋 旋 矩 和 旋 相 产 生 转 变 ,使 转 录因 子 更 易 靠 近 并 连 合 核 小 体 DNA,从 而 调 控 基 因 的转 录 进 程 。 三 、 染 色 质 重 塑 2021年 5月 4日 三 、 染 色 质 重 塑（ A） 结 合（ B） 松 链 （ C） 重 塑八 聚 体 转 移 八 聚 体 滑 动+ ATP 重 塑复 合 物 ATP 依赖的染色质重构机制 染 色 质 重 塑 复 合

16、 物 ： 依 靠 水 解 ATP提供 能 量 来 完 成 染 色 质结 构 的 改 变 ， 根 据 水解 ATP的 亚 基 不 同 ，可 将 复 合 物 分 为SWI/SNF复 合 物 、 ISW复 合 物 等 ， 这 些 复 合物 及 相 关 蛋 白 均 与 转录 激 活 和 抑 制 、 DNA甲 基 化 、 DNA修 复 及细 胞 周 期 相 关 。 2021年 5月 4日 v染 色 质 重 塑 与 人 类 疾 病（ ATRX、 ERCC6、 SMARCAL1编 码 与 SWI/SNF复 合 物 相 关 的ATP酶 ）lX连 锁 -地 中 海 贫 血 综 合 征 、 Juerg Maris

17、idi综 合 征、 Carpenter-Waziri综 合 征 、 Sutherland-Haan综 合 征和 Smith-Fineman-Myers综 合 征 ： ATRX突 变 引 起 DNA甲基 化 异 常 。 核 小 体 重 新 定 位 的 异 常 引 起 基 因 表 达 抑 制。lSkeletal综 合 征 和 B型 Cockayne综 合 征 ： ERCC6（ 在 DNA修 复 中 起 重 要 作 用 ） 突 变 。lSchimke免 疫 性 骨 质 发 育 异 常 ： SMARCAL1（ 调 控 细 胞 增殖 相 关 基 因 的 表 达 ） l肿 瘤 ： BRG1、 SMARCB

18、1和 BRM编 码 与 SWI/SNF复 合 物 特 异的 ATP酶 （ 改 变 染 色 质 结 构 ）三 、 染 色 质 重 塑 四 、 RNA调 控 2021年 5月 4日 四 、 RNA 调 控 siRNAvsiRNA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 。vsiRNA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 。 年

19、 月 日 2021年 5月 4日 四 、 RNA 调 控 miRNAv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 。v特 点 ： 具 有 高 度 的 保 守 性 、 时 序 性 和 组 织 特 异性 。 年 月 日 2021年 5月 4日 四 、 RNA 调 控 年 月 日 非 编 码 RNA与 疾 病v癌 症v神 经 性 疾 病 ： 如 精 神 分 裂 症 （ DISC2 RNA异 常

20、 所诱 发 的 精 神 分 裂 症 。 ） 、 孤 独 症 、 忧 郁 症 、 躁 动症 等v 牛 皮 癣 易 感 性 四 、 RNA调 控 2021年 5月 4日 五 、 其 他 表 观 遗 传 机 制v除 DNA甲 基 化 、 组 蛋 白 修 饰 、 染 色 质 重 塑 、 和RNA调 控 以 外 ， 还 有 遗 传 印 迹 、 X染 色 体 失 活 、等 。v遗 传 印 迹 、 X染 色 体 失 活 的 本 质 仍 为 DNA甲 基 化、 组 蛋 白 修 饰 、 染 色 质 重 塑 。 2021年 5月 4日 遗 传 印 迹 年 月 日 v概 念 ：l传 给 子 代 的 亲 本 基 因

21、在 子 代 中 表 达 的 状 况 取 决 于 基 因来 自 母 本 还 是 父 本 的 现 象 。 该 现 象 在 合 子 形 成 时 已 经决 定 ， 是 涉 及 基 因 表 达 调 控 的 遗 传 。v特 点 ：l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 。l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

22、 。v 机 制 ：l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 。 2021年 5月 4日 遗 传 印 迹 年 月 日 正 交 Igf-2Igf-2Igf-2mIgf-2mIgf-2Igf-2 Igf-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-2 Igf-2Igf-2m 2

23、021年 5月 4日 遗 传 印 迹 年 月 日 v由 正 反 交 实 验 可 以 看 出 ：l印 迹 基 因 的 正 反 交 结 果 不 一 致 、 不 符 合 孟 德尔 定 律 。l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 。l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 。 2021年 5月 4日 遗 传 印 迹 年 月 日 v基 因 印 迹 过 程l印 迹 的 形 成 印 迹 形 成 于 成 熟

24、 配 子 ， 并 持 续 到 出 生 后 。l印 记 的 维 持l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 。v基 因 组 印 迹 的 机 制l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 。 父本PWS印记中心缺失 母本AS印记中心缺失 2021年 5月 4日 X染 色 体 失 活v 1961年 M.F.Lyon就 提 出 了 关 于 雌 性 哺 乳 动 物 体 细 胞

25、 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 。v以 后 的 研 究 表 明 在 给 定 的 体 细 胞 有 丝 分 裂 谱 系 中 ， 有 一 条X染 色 体 是 完 全 失 活 并 呈 异 染 色 质 状 态 ， 而 在 另 一 个 细 胞谱 系 中 同 一 条 X染 色 体 又 可 以 是 活 化 的 且 呈 常 染 色 质 状 态 。 v1996年 G.D.Penny等 发 现 X染 色 体 的 Xq13.3区 段 有 一 个 X失活 中 心 ( X-inaction center， Xic)， X-失 活 从 Xic区 段 开 始启 动 ， 然 后 扩 展 到 整 条 染 色 体 。 2021年 5月 4日 X染 色 体 失 活v失 活 X染 色 体 即 为 巴 氏 小 体 。v失 活 X染 色 体 特 点 ：l组 蛋 白 H4不 被 乙 酰 化lCpG岛 的 高 度 甲 基 化 巴 氏 小 体 2021年 5月 4日 X染 色 体 失 活 X 染色体失活过程模式图