遗传学-第15章-表观遗传学课件.ppt
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- 遗传学 15 表观 课件
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1、第第1515章章 表观遗传学表观遗传学(epigenetics)同卵双生的双胞胎虽然同卵双生的双胞胎虽然具有相同的具有相同的DNA序列,序列,却存在表型的差异和疾却存在表型的差异和疾病易感性的差异病易感性的差异复杂疾病的产生复杂疾病的产生1. 小头小头 2.巨舌巨舌 3. 胎盘增生胎盘增生Beckwith-Wiedemann syndrome,BWS 贝威氏综合征贝威氏综合征 Friday, April 15, 2022Friday, April 15, 2022发发 展展 历历 史史v2000多年前,古希腊哲学家亚里士多德在On the Generation of Animals一书中首先提
2、出后生理论(the theory of epigenesis),它相对于先成论,新器官的发育由未分化的团块逐渐形成的。Friday, April 15, 2022Friday, April 15, 2022发发 展展 历历 史史v1939年,生物学家 Waddington CH 首先在现代遗传学导论中提出了epihenetics这一术语,v并于1942年定义表观遗传学为“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”。Friday, April 15, 2022Friday, April 15, 2022发发 展展 历历 史史v1975年,Hollidy R 对表观遗传学进行了较为
3、准确的描述。v他认为表观遗传学不仅在发育过程,而且应在成体阶段研究可遗传的基因表达改变,这些信息能经过有丝分裂和减数分裂在细胞和个体世代间传递,而不借助于DNA序列的改变,也就是说表观遗传是非DNA序列差异的核遗传。概概 述述v表观遗传学表观遗传学l研究不涉及研究不涉及DNADNA序列改变的基因表达和调控的可遗传变序列改变的基因表达和调控的可遗传变化的,或者说是研究从基因演绎为表型的过程和机制化的,或者说是研究从基因演绎为表型的过程和机制的一门新兴的遗传学分支。的一门新兴的遗传学分支。v表观遗传表观遗传l所谓表观遗传就是不基于所谓表观遗传就是不基于DNADNA差异的核酸遗传。即细胞差异的核酸遗
4、传。即细胞分裂过程中,分裂过程中,DNA DNA 序列不变的前提下,全基因组的基序列不变的前提下,全基因组的基因表达调控所决定的表型遗传,涉及染色质重编程、因表达调控所决定的表型遗传,涉及染色质重编程、整体的基因表达调控(如隔离子,增强子,弱化子,整体的基因表达调控(如隔离子,增强子,弱化子,DNADNA甲基化,组蛋白修饰等功能甲基化,组蛋白修饰等功能 ), ), 及基因型对表型的及基因型对表型的决定作用。决定作用。Friday, April 15, 2022概概 述述v表观遗传学的特点表观遗传学的特点:l可遗传的,即这类改变通过有丝分裂或减数可遗传的,即这类改变通过有丝分裂或减数分裂,能在细
5、胞或个体世代间遗传;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;述为基因活性或功能的改变;l没有没有DNADNA序列的改变或不能用序列的改变或不能用DNADNA序列变化来序列变化来解释。解释。Friday, April 15, 2022Friday, April 15, 2022概概 述述Friday, April 15, 2022Friday, April 15, 2022概概 述述Friday, April 15, 2022遗传与表观遗传遗传与表观遗传Friday, April 15, 2022概概
6、 述述Friday, April 15, 2022真核生物全部遗传信息遗传密码组蛋白密码?密码基因组DNA序列组蛋白氨基端修饰?Friday, April 15, 2022概概 述述Friday, April 15, 2022DNA与染色质Friday, April 15, 2022概概 述述Friday, April 15, 2022Friday, April 15, 2022概概 述述v基因表达模式基因表达模式v 决定细胞类型的不是基因本身,而是基因表达模式,决定细胞类型的不是基因本身,而是基因表达模式,通过细胞分裂来传递和稳定地维持具有组织和细胞特通过细胞分裂来传递和稳定地维持具有组织和
7、细胞特异性的基因表达模式对于整个机体的结构和功能协调异性的基因表达模式对于整个机体的结构和功能协调是至关重要的。是至关重要的。v 基因表达模式在细胞世代之间的可遗传性并不依赖细基因表达模式在细胞世代之间的可遗传性并不依赖细胞内胞内DNA的序列信息。的序列信息。v 基因表达模式有表观遗传修饰决定。基因表达模式有表观遗传修饰决定。Friday, April 15, 2022概概 述述v表观遗传学的研究内容:表观遗传学的研究内容:l 基因转录后的调控基因转录后的调控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基因选择性转录表达的调控的调控uD
8、NA甲基化u基因印记u组蛋白共价修饰u染色质重塑Friday, April 15, 2022Quiz, J. nature. 2019Friday, April 15, 2022Friday, April 15, 2022表观遗传学机制表观遗传学机制DNA DNA 甲基化甲基化1组蛋白修饰组蛋白修饰2染色质重塑染色质重塑3RNA RNA 调调 控控4DNA DNA 甲基化甲基化1Friday, April 15, 2022一、一、DNADNA甲基化甲基化Friday, April 15, 2022 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
9、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)。DNMT1胞嘧啶胞嘧啶5-5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶胞嘧啶甲基化反应胞嘧啶甲基化反应 S-S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲硫氨酸以基因型为以基因型为a/aa/a的母的母鼠及其孕育的基因型为鼠及其孕育的基因型为AVY/aAVY/a的仔鼠作实验对象。的仔鼠作实验对象。孕鼠分为两组,试验组孕孕鼠分为两组,试验组孕鼠除喂以标准饲料外,从鼠除喂以标准饲料外,从受孕前两周起还增加富含受孕前两周起还增加富含甲基的叶酸、乙酰胆碱等甲基的叶酸、乙酰胆碱等补
10、充饲料,而对照组孕鼠补充饲料,而对照组孕鼠只喂饲标准饲料。只喂饲标准饲料。 Friday, April 15, 2022一、一、DNADNA甲基化甲基化Friday, April 15, 2022Friday, April 15, 2022一、一、DNADNA甲基化甲基化v 哺乳动物基因组中哺乳动物基因组中5mC5mC占胞嘧啶总量的占胞嘧啶总量的2%-7%2%-7%,约,约70%70%的的5mC5mC存在于存在于CpGCpG二连核苷。二连核苷。v 在结构基因的在结构基因的55端调控区域端调控区域, CpG, CpG二连核苷常常以成簇串二连核苷常常以成簇串联形式排列,这种富含联形式排列,这种富含
11、CpGCpG二连核苷的区域称为二连核苷的区域称为CpGCpG岛岛(CpG (CpG islands)islands),其大小为,其大小为500-1000bp500-1000bp,约,约56%56%的编码基因含该的编码基因含该结构。结构。v 基因调控元件基因调控元件( (如启动子如启动子) )所含所含CpGCpG岛中的岛中的5mC5mC会阻碍转录因会阻碍转录因子复合体与子复合体与DNADNA的结合。的结合。lDNADNA甲基化一般与基因沉默相关联;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;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。而去甲基
12、化往往与一个沉默基因的重新激活相关联。Friday, April 15, 2022Friday, April 15, 2022一、一、DNADNA甲基化甲基化Friday, April 15, 2022v CpGCpG岛主要处于基因岛主要处于基因55端调控区域。端调控区域。v 启动子区域的启动子区域的CpGCpG岛一般是非甲基化状态的,其非甲基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。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(如启动子)的目前认为基因调控元件(如启动子)的CpGCpG岛中发生岛中发生5mC5mC修饰会在空间上阻碍转录因子复合物与修饰会在空间
13、上阻碍转录因子复合物与DNADNA的结合。因的结合。因而而DNADNA甲基化一般与基因沉默相关联。甲基化一般与基因沉默相关联。Friday, April 15, 2022一、一、DNADNA甲基化甲基化Friday, April 15, 2022Friday, April 15, 2022一、一、DNADNA甲基化甲基化Friday, April 15, 2022vDNA甲基化状态的遗传和保持:lDNADNA复制后,新合成链在复制后,新合成链在DNMT1DNMT1的作用下,以旧链的作用下,以旧链为模板进行甲基化。(缺乏严格的精确性,为模板进行甲基化。(缺乏严格的精确性,95%95%)l甲基化并
14、非基因沉默的原因而是基因沉默的结果甲基化并非基因沉默的原因而是基因沉默的结果,其以某种机制识别沉默基因,后进行甲基化。,其以某种机制识别沉默基因,后进行甲基化。lDNADNA全新甲基化。引发因素可能包括:全新甲基化。引发因素可能包括:uDNADNA本身的序列、成分和次级结构。本身的序列、成分和次级结构。uRNARNA根据序列同源性可能靶定的区域。根据序列同源性可能靶定的区域。u特定染色质蛋白、组蛋白修饰或相当有序的染色质特定染色质蛋白、组蛋白修饰或相当有序的染色质结构。结构。Friday, April 15, 2022vDNA去甲基化l主动去甲基化主动去甲基化l复制相关的去甲基化复制相关的去甲
15、基化l在复制过程中维持甲基化酶活性被关闭或维持甲基化酶在复制过程中维持甲基化酶活性被关闭或维持甲基化酶活性被抵制。活性被抵制。一、一、DNADNA甲基化甲基化Friday, April 15, 2022Friday, April 15, 2022一、一、DNADNA甲基化甲基化Friday, April 15, 2022复制相关的复制相关的DNA去甲基化去甲基化Friday, April 15, 2022Manel Esteller, nature, 2019Friday, April 15, 2022一、一、DNADNA甲基化甲基化Friday, April 15, 2022DNADNA甲基
16、化状态的保持甲基化状态的保持DNADNA主动去甲基化主动去甲基化DNADNA全新甲基化全新甲基化Friday, April 15, 2022二、组蛋白修饰二、组蛋白修饰Friday, April 15, 2022Friday, April 15, 2022二、组蛋白修饰二、组蛋白修饰v组蛋白修饰是表观遗传研究的重要内容。组蛋白修饰是表观遗传研究的重要内容。v组蛋白的组蛋白的 N N端是不稳定的、无一定组织的亚单位端是不稳定的、无一定组织的亚单位,其,其延伸至核小体以外,会受到不同的化学修饰,这种修延伸至核小体以外,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。饰往往与基因的表达调
17、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,使其与的修饰状态,使其与DNADNA的结合由紧变松,这样靶基因的结合由紧变松,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。染色体结构维持单元和基因表达的负控制因子。Friday, April 15, 2022Friday, April 15, 2022二、组蛋白修饰二、组蛋白修饰Friday, April 15, 2022Friday, April 15, 2022二、组蛋白修饰
18、二、组蛋白修饰v组蛋白修饰种类l乙酰化乙酰化- - 一般与活化的染色质构型相关联,乙酰化修一般与活化的染色质构型相关联,乙酰化修饰大多发生在饰大多发生在H3H3、H4H4的的 Lys Lys 残基上。残基上。l甲基化甲基化- - 发生在发生在H3H3、H4H4的的 Lys Lys 和和 Asp Asp 残基上,可以残基上,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。取决于被修饰的位置和程度。l磷酸化磷酸化- - 发生与发生与 Ser Ser 残基,一般与基因活化相关。残基,一般与基因活化相关。l泛素化泛素化- - 一
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