表观遗传学课件共44页.ppt

1、2022-5-162022年年5月月16日日发发 展展 历历 史史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。v2019年James G Herman 和Stephen B Baylin 发明 MSP技术，并发现肿瘤细胞中抑癌基因启动子区CpG呈高甲基化状态。2022年年5月月16日日概概 述述v表观遗传学表观遗传学：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

2、分裂，能在细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。2022年年5月月16日日v三个层面调控基因表达：三个层面调控基因表达：lDNADNA修饰修饰 ：DNADNA共价结合一个修饰基团，使具有相同序共价结合一个修饰基团，使具有相同序列的等位基因处于不同的修饰状态。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蛋白修饰：通过

3、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。现对基因表达的调控。l非编码非编码RNARNA调控：通过某些机制实现对基因转录的调控调控：通过某些机制实现对基因转录的调控，如，如RNARNA干扰。干扰。v意义：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，导致复杂综合征、多因素疾病以及癌症。和DNADNA序列序列改变不同的是，许多表观遗传的改变是可逆的，这就改变不同的是，许多表观遗传的改变是可逆的，这就为疾病的治疗提供乐观的前景。为疾病的治疗提供乐观的前景。概概 述述2022-5-16概概 述述

4、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2022年年5月月16日日2022-5-16概概 述述2022年年5月月16日日遗传与表观遗传遗传与表观遗传2022-5-16概概 述述2022年年5月月16日日基因组与表观基因组经组织归类的信息经组织归类的信息2022-5-162022年年5月月16日日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

5、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1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。试验组试验组 一、一、DNADNA甲基化甲基化2022年年5月月16日日一、一、DNADNA甲基化甲基化v 哺乳动物

6、基因组中哺乳动物基因组中5 5mCmC占胞嘧啶总量的占胞嘧啶总量的2%-7%2%-7%，约，约70%70%的的5 5mCmC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CpGCpG二连核苷的区域称为二连核苷的区域称为CpGCpG岛岛( (CpG CpG islandsislands) )，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

7、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。而去甲基化往往与一个沉默基因的重新激活相关联。2022年年5月月16日日2022年年5月月16日日一、一、DNADNA甲基化甲基化2022年年5月月16日日v 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

8、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。2022-5-16一、一、DNADNA甲基化甲基化2022年年5月月16日日 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

9、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2022-5-16二、组蛋白修饰二、组蛋白修饰2022年年5月月16日日2022-5-16二、组蛋白修饰二、组蛋白修饰2022年年5月月16日日2022年年5月月16日日2022年年5月月16日日二、组蛋白修饰二、组蛋白修饰Bryan M. Turner, nature cell biology, 2019v组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和

10、修饰类型被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（称为组蛋白密码（histone codehistone code），遗传密码的），遗传密码的表观遗传学延伸，决定了基因表达调控的状态，并表观遗传学延伸，决定了基因表达调控的状态，并且可遗传。且可遗传。2022-5-16二、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

11、控密切相关。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。2022年年5月月16日日2022-5-16二、组蛋白修饰二、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

12、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- - 一般是一般是C C端端LysLys修饰，启动基因表达。修饰，启动基因表达。lSUMOSUMO（一种类泛素蛋白）化（一种类泛素蛋白）

13、化- - 可稳定异染色质。可稳定异染色质。l其他修饰其他修饰2022年年5月月16日日DNADNA甲基化与组蛋白去乙酰化甲基化与组蛋白去乙酰化2022年年5月月16日日乙酰化酶基因突变导致基因不能表达：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。去乙酰化酶相关基因的突变导致错误募集去乙酰化酶相关基因的突变导致错误募集去乙酰化酶：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。2022年年5月月16日日三、染色质重塑三、染色质重塑核小体2022-5-16三、染色质重塑三、染色质重塑v染色质

14、重塑（染色质重塑（chromatin remodelingchromatin remodeling）是一个）是一个重要的表观遗传学机制。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变化为基本特征的生物学列以染色质上核小体变化为基本特征的生物学过程。过程。v组蛋白尾巴的化学修饰（乙酰化、甲基化及磷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，从而影响邻近酸化等）可以改变染色质结构，从而影响邻近基因的活性。基因的活性。2022年年5月月16日日三、染色质重塑三、染色质重塑染色质修饰与重塑（共价修饰型

15、与染色质修饰与重塑（共价修饰型与ATPATP依赖型）依赖型）v染色质重塑复合物、组蛋白修饰酶的突变均和转染色质重塑复合物、组蛋白修饰酶的突变均和转录调控、录调控、DNA甲基化、甲基化、DNA重组、细胞周期、重组、细胞周期、DNA的复制和修复的反常相干的复制和修复的反常相干,这些反常可以引起这些反常可以引起生长发育反常生长发育反常,智力发育缓慢智力发育缓慢,乃至导致癌症。乃至导致癌症。 v依赖依赖ATP的物理修饰主要是使用的物理修饰主要是使用ATP水注解放的水注解放的能量能量,使使DNA超螺旋旋矩和旋相产生转变超螺旋旋矩和旋相产生转变,使转录使转录因子更易靠近并连合核小体因子更易靠近并连合核小体

16、DNA,从而调控基因的从而调控基因的转录进程。转录进程。三、染色质重塑三、染色质重塑2022-5-16三、染色质重塑三、染色质重塑（A A）结合）结合（B B）松链）松链（C C）重塑）重塑八聚体转移八聚体转移八聚体滑动八聚体滑动+ ATP+ ATP重塑重塑复合物复合物ATPATP依赖的染色质重构机制依赖的染色质重构机制染色质重塑复合物：染色质重塑复合物： 依靠水解依靠水解ATPATP提提供能量来完成染色质供能量来完成染色质结构的改变，根据水结构的改变，根据水解解ATPATP的亚基不同，的亚基不同，可将复合物分为可将复合物分为SWI/SNFSWI/SNF复合物、复合物、ISWISW复合物等，这

17、些复合复合物等，这些复合物及相关蛋白均与转物及相关蛋白均与转录激活和抑制、录激活和抑制、DNADNA甲基化、甲基化、DNADNA修复及修复及细胞周期相关细胞周期相关。2022年年5月月16日日v染色质重塑与人类疾病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 X连锁连锁-地中海贫血综合征、地中海贫血综合征、Juerg MarisidiJuerg Marisidi综合综合征、征、Carpenter-WaziriCarpenter-Waziri综合征、综合征、Sutherland-HaanSutherland-Haan综合综合征和

18、征和Smith-Fineman-MyersSmith-Fineman-Myers综合征：综合征：ATRXATRX突变引起突变引起DNADNA甲基化异常。核小体重新定位的异常引起基因表达抑甲基化异常。核小体重新定位的异常引起基因表达抑制。制。lSkeletalSkeletal综合征和综合征和B B型型CockayneCockayne综合征：综合征：ERCC6ERCC6（在（在DNADNA修复中起重要作用）突变。修复中起重要作用）突变。lSchimkeSchimke免疫性骨质发育异常：免疫性骨质发育异常：SMARCAL1SMARCAL1（调控细胞增（调控细胞增殖相关基因的表达）殖相关基因的表达）

19、l肿瘤：肿瘤：BRG1BRG1、SMARCB1SMARCB1和和BRMBRM编码与编码与SWI/SNFSWI/SNF复合物特异复合物特异的的ATPATP酶（改变染色质结构）酶（改变染色质结构）三、染色质重塑三、染色质重塑四、四、RNA调控调控2022-5-16四、四、RNA 调控调控 siRNAvsiRNA结构：结构：21-23nt的双链结构，序列与靶的双链结构，序列与靶mRNA有同源性，双链两端各有有同源性，双链两端各有2个突出非配对的个突出非配对的3碱基。碱基。vsiRNA功能：是功能：是RNAi 作用的重要组分，是作用的重要组分，是RNAi发生的中介分子。内源性发生的中介分子。内源性si

20、RNA使细胞能够抵御使细胞能够抵御转座子、转基因和病毒的侵略。转座子、转基因和病毒的侵略。2022年年5月月16日日2022-5-16四、四、RNA 调控调控 miRNAv结构：结构：21-25nt长的单链小分子长的单链小分子RNA ，5端有端有一个磷酸基团，一个磷酸基团，3端为羟基，由具有发夹结构端为羟基，由具有发夹结构的约的约70-90个碱基大小的单链个碱基大小的单链RNA前体经过前体经过Dicer酶加工后生成。酶加工后生成。v特点：具有高度的保守性、时序性和组织特异特点：具有高度的保守性、时序性和组织特异性性 。2022年年5月月16日日2022-5-16四、四、RNA 调控调控2022

21、年年5月月16日日非编码非编码RNA与疾病与疾病v癌症癌症v神经性疾病：如精神分裂症（神经性疾病：如精神分裂症（DISC2 RNA异常所异常所诱发的精神分裂症。）、孤独症、忧郁症、躁动诱发的精神分裂症。）、孤独症、忧郁症、躁动症等症等v 牛皮癣易感性牛皮癣易感性四、四、RNA调控调控2022-5-16五、其他表观遗传机制五、其他表观遗传机制v除除DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、和甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、和RNA调控以外，还有遗传印迹、调控以外，还有遗传印迹、X染色体失活、染色体失活、等。等。v遗传印迹、遗传印迹、X染色体失活的本质仍为染色体失活的本质仍为DNA甲基化甲基化、组蛋白

22、修饰、染色质重塑。、组蛋白修饰、染色质重塑。2022-5-16遗遗 传传 印印 迹迹2022年年5月月16日日v概念：概念：l传给子代的亲本基因在子代中表达的状况取决于基因传给子代的亲本基因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。决定，是涉及基因表达调控的遗传。v特点：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

23、不表达或表达很弱。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。反交结果不同。v 机制：机制：l基因组在传递遗传信息的过程中，通过基因组的化学基因组在传递遗传信息的过程中，通过基因组的化学修饰（修饰（DNA的甲基化；组蛋白的甲基化、乙酰化、磷的甲基化；组蛋白的甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等）而使基因或酸化、泛素化等）而使基因或DNA片段被标识的过程。片段被标识的过程。2022-5-16遗遗 传传 印印 迹迹2022年年5月月16日日正交Igf-2Igf-2Igf-2mIgf-2mIgf-

24、2Igf-2Igf-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-2Igf-2Igf-2m2022-5-16遗遗 传传 印印 迹迹2022年年5月月16日日v由正反交实验可以看出：由正反交实验可以看出：l印迹基因的正反交结果不一致、不符合孟德印迹基因的正反交结果不一致、不符合孟德尔定律。尔定律。l小鼠小鼠 Igf-2 基因总是母本来源的等位基因被印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，因此是母本迹，父本来源的等位基因表达，因此是母本印迹。印迹。l基因印迹使基因的表达受到抑制，导致被印基因印迹使基因的表达受到抑制，导致被印迹的基

25、因的生物功能的丧失。迹的基因的生物功能的丧失。2022-5-16遗遗 传传 印印 迹迹2022年年5月月16日日v基因印迹过程基因印迹过程l印迹的形成印迹的形成 印迹形成于成熟配子，并持续到出生后。印迹形成于成熟配子，并持续到出生后。l印记的维持印记的维持l印记的去除印记的去除 印记的去除过程是发生在原始生殖细胞的早期阶段。印记的去除过程是发生在原始生殖细胞的早期阶段。v基因组印迹的机制基因组印迹的机制l配子在形成过程中，配子在形成过程中，DNA产生的甲基化、核组蛋白产产生的甲基化、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

26、改变。模式发生了改变。父本父本PWS印记中心缺失印记中心缺失母本母本AS印记中心缺失印记中心缺失2022-5-16X染色体失活染色体失活v 1961年年M.F.Lyon就提出了关于雌性哺乳动物体细胞的两就提出了关于雌性哺乳动物体细胞的两条条X染色体中会有一条发生随机失活的假说，并认为这是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。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谱系

27、中同一条X染色体又可以是活化的且呈常染色质状态。染色体又可以是活化的且呈常染色质状态。 v 2019年年G.D.Penny等发现等发现X染色体的染色体的Xq13.3区段有一个区段有一个X失失活中心活中心( X-inaction center，Xic)，X-失活从失活从Xic区段开始区段开始启动，然后扩展到整条染色体。启动，然后扩展到整条染色体。2022-5-16X染色体失活染色体失活v失活失活X染色体即为巴氏小体。染色体即为巴氏小体。v失活失活X染色体特点：染色体特点：l组蛋白组蛋白H4不被乙酰化不被乙酰化lCpG岛的高度甲基化岛的高度甲基化巴氏小体巴氏小体2022-5-16X染色体失活染色体失活X染色体失活过程模式图染色体失活过程模式图