表观遗传研究生一级课件.ppt

1、路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索2022年6月9日星期四表观遗传研究生一级表观遗传研究生一级路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 遗传、变异遗传、变异和和环境环境是生物进化的三大因是生物进化的三大因素素 拉马克主义拉马克主义（Lamarckism）：）：用进废退用进废退 达尔文主义达尔文主义（Darwinism）：）：优胜劣汰优胜劣汰 孟德尔遗传学孟德尔遗传学 分子遗传学分子遗传学第一节第一节 遗传与表观遗传遗传与表观遗传基因表达模式基因表达模式一个多细胞生物机体的不同类型细胞一个多细胞生物机体的不同类型细胞 路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮

2、, ,吾将上下而求索吾将上下而求索从受精卵发育分化成从受精卵发育分化成200200多种不同类型多种不同类型细胞的调控机制是什么？细胞的调控机制是什么？导致同一个细胞内导致同一个细胞内DNADNA序列完全相同的序列完全相同的等位基因发生功能差异的机制是什么？等位基因发生功能差异的机制是什么？组织和细胞特异性基因表达模式的建组织和细胞特异性基因表达模式的建立，及其传递和维持的机制是什么？立，及其传递和维持的机制是什么？环境因素影响表型的机制是什么？环境因素影响表型的机制是什么？需解释的问题：需解释的问题：路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 基因组包含两类遗传信息；基因组

3、包含两类遗传信息；一类提供合成生命必一类提供合成生命必须的须的RNARNA和蛋白质的模板，称和蛋白质的模板，称遗传编码信息遗传编码信息；另一另一类提供何时、何地、以何种方式去应用遗传编码类提供何时、何地、以何种方式去应用遗传编码信息，称为信息，称为表观遗传信息表观遗传信息 表观遗传信息构成了基因和表型间的关键信息界表观遗传信息构成了基因和表型间的关键信息界面。它拓展了经典的遗传信息所涵盖的意义，使面。它拓展了经典的遗传信息所涵盖的意义，使生物在保持遗传稳定的同时能够更好地适应环境生物在保持遗传稳定的同时能够更好地适应环境路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索Agouti

4、Agouti小鼠小鼠的的A A基因基因编码编码一种旁分泌的信号分子一种旁分泌的信号分子, , 能使毛囊黑色素细胞从能使毛囊黑色素细胞从合成黑色素转为合成黄合成黑色素转为合成黄色素。在鼠毛生长的中色素。在鼠毛生长的中间阶段，间阶段，A A基因的一过性基因的一过性短暂表达在每根鼠毛的短暂表达在每根鼠毛的毛尖下方形成黄色条带毛尖下方形成黄色条带，使野生型，使野生型AgoutiAgouti小鼠小鼠呈现特征性的棕褐色呈现特征性的棕褐色 环境因素对基因表达的调控环境因素对基因表达的调控在在A基因基因5 端上游插入一个源自逆转座子的端上游插入一个源自逆转座子的IAP ( intracisternal A p

5、article) 序列后，序列后，A基因受基因受IAP中的启动子调控而持续异位中的启动子调控而持续异位表达，造成携有该突变的小鼠毛色变黄，肥胖。插入了表达，造成携有该突变的小鼠毛色变黄，肥胖。插入了IAP的的A基因称为基因称为AVY等位基因等位基因(Agouti viable yellow gene allele) J. Nutr. 127, 1902S1907S (1997). FASEB J. 12,949957 (1998). IAP启动子区域启动子区域CpG岛的甲基化会使有些细胞中的岛的甲基化会使有些细胞中的AVY基因基因表达受抑。所以，即使在近交系同窝仔鼠中，表达受抑。所以，即使在近

6、交系同窝仔鼠中，AVY小鼠也会小鼠也会出现以黄色为主到杂以大小不等的棕褐色斑块的不同表型出现以黄色为主到杂以大小不等的棕褐色斑块的不同表型 J. Nutr. 127, 1902S1907S (1997). FASEB J. 12,949957 (1998). Effect of maternal dietary supplementation on the phenotype and epigenotype of Avy/a offspring.Mol. Cell. Biol. 23, 52935300 (2003). 路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 （1）表观

7、遗传修饰对环境因子的敏感性可以用来解）表观遗传修饰对环境因子的敏感性可以用来解释遗传学上完全一样的个体在不同的环境中可产生明释遗传学上完全一样的个体在不同的环境中可产生明显的表型差异，也提示表观遗传修饰在基因和环境的显的表型差异，也提示表观遗传修饰在基因和环境的相互作用中起着重要的作用相互作用中起着重要的作用Agouti小鼠实验的深刻启示在于：小鼠实验的深刻启示在于： （2）基因组中可转座因子的异常甲基化，）基因组中可转座因子的异常甲基化， 会引起个会引起个体在细胞水平上的表观遗传镶嵌性，扩大了表型变化体在细胞水平上的表观遗传镶嵌性，扩大了表型变化的范围的范围 路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮,

8、,吾将上下而求索吾将上下而求索表观遗传学表观遗传学(epigenetics)：研究研究不涉及不涉及DNADNA序列序列改变改变的基因表达和调控的可遗传变化机制，或者说的基因表达和调控的可遗传变化机制，或者说是研究从是研究从基因型演绎为表型的过程和机制基因型演绎为表型的过程和机制的一门新的一门新兴的遗传学分支兴的遗传学分支表观遗传的异常会引起表型的改变、机体结构和表观遗传的异常会引起表型的改变、机体结构和功能的异常，甚至导致疾病功能的异常，甚至导致疾病 路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索路漫漫其修远兮路漫漫

9、其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 表观遗传学（表观遗传学（epigenetics）揭示了基因表达调控）揭示了基因表达调控机制的两个特征：一是它们长久地可以受到自机制的两个特征：一是它们长久地可以受到自然性的后天影响（然性的后天影响（可获得性可获得性），二是它们可以），二是它们可以遗传（遗传（可遗传性可遗传性）。这两种因素结合在一起，）。这两种因素结合在一起，那么获得性遗传就是有可能的了那么获得性遗传就是有可能的了 如此，至少在某种程度上，表观遗传学让拉马如此，至少在某种程度上，表观遗传学让拉马克主义复活了，它也许能够成为达尔文进化思克主义复活了，它也许能够成为达尔文进化思想的一个补充

10、想的一个补充路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索表观遗传机制表观遗传机制DNADNA甲基化甲基化组蛋白修饰和染色质重塑组蛋白修饰和染色质重塑非编码非编码RNARNA调控调控第二节第二节 表观遗传密码概述表观遗传密码概述路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 基因组基因组 DNA上胞嘧啶的第上胞嘧啶的第5位碳原子和甲基共价位碳原子和甲基共价结合，被修饰为结合，被修饰为5甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶 (5-methylcytosine，5-mC)，是最重要的表观遗传修饰形式之一是最重要的表观遗传修饰形式之一(DNA methylation) 路漫漫其修远兮

11、路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索结构基因结构基因5端附近富含端附近富含CpG二联核苷的区域称为二联核苷的区域称为CpG岛岛(CpG islands) DNA甲基化哺乳动物基因组哺乳动物基因组DNA中中5-mC约占胞嘧啶总量的约占胞嘧啶总量的2%-7%，绝大多数绝大多数5-mC存在于存在于CpG二联核苷二联核苷(CpG doublets)路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索通常，通常，DNA甲基化与甲基化与基因沉默基因沉默 (gene silence) 相关；非甲基相关；非甲基化与化与基因活化基因活化 (gene activation) 相关；去甲基化与

12、相关；去甲基化与沉默基沉默基因的重新激活因的重新激活 (reactivation) 相关相关 路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 基因启动子所含基因启动子所含CpG岛岛中的中的5-mC会阻碍转录因子复合会阻碍转录因子复合体与体与DNA的结合，抑制转录的结合，抑制转录 DNA甲基化序列与甲基化序列与MeCP、MBD结合后，募集转录阻遏结合后，募集转录阻遏蛋白质到局部，使组蛋白去乙酰化、染色质重构、异染色蛋白质到局部，使组蛋白去乙酰化、染色质重构、异染色质化，抑制基因表达质化，抑制基因表达路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 路漫漫其修远兮路漫

13、漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索识别、结合甲基化序列的蛋白质识别、结合甲基化序列的蛋白质路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 从头甲基化从头甲基化胚胎期，对称，胚胎期，对称，Dnmt3a、b完成完成 维持甲基化维持甲基化 成熟体细胞，成熟体细胞， Dnmt1完成完成路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索5-羟甲基胞嘧啶羟甲基胞嘧啶第六种碱基的奥秘第六种碱基的奥秘 5mC 和和 5hmC 的生成图示的生成图示Science, 2009, 324(5929): 929930

14、Science, 2009, 324(5929): 930935 TET 蛋白家族结构示意图蛋白家族结构示意图路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索Schematic diagrams of the Tet proteins路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 5hmC 在基因组中的分布在基因组中的分布路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 5hmC 在在 DNA 去甲化过程中的作用去甲化过程中的作用路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索Relationship of Tet1/5hmC and

15、transcription in mouse ES cells.路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 组蛋白的组蛋白的 N端会受到不同的化学修饰，如磷酸化、端会受到不同的化学修饰，如磷酸化、乙酰化和甲基化等修饰乙酰化和甲基化等修饰 组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型组成了组成了组蛋白密码（组蛋白密码（histone code） 组蛋白的结构修饰可使染色质的构型改变，与基组蛋白的结构修饰可使染色质的构型改变，与基因的表达调控密切相关。以核小体变化为基本特因的

16、表达调控密切相关。以核小体变化为基本特征的染色质结构变化过程称为征的染色质结构变化过程称为染色质重塑染色质重塑路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索染色质结构状态染色质结构状态路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索l 乙酰化：乙酰化：大多发生在大多发生在H3、H4的的 Lys 残基上，一般与残基上，一般与活化的染色质构型相关活化的染色质构型相关l 甲基化：甲基化：发生在发生在H3、H4的的 Lys 和和 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，取决于与基因抑制有关，也可以与基因的激活相关，取决于被修饰的位置和程度被

17、修饰的位置和程度l 磷酸化：磷酸化：发生与发生与 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端端Lys修饰，启动基因表达修饰，启动基因表达l SUMO（一种类泛素蛋白）化：（一种类泛素蛋白）化： 可稳定异染色质可稳定异染色质路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索l 组蛋白乙酰化修饰大多集中在组蛋白乙酰化修饰大多集中在H3的第的第9、14、18、27位赖氨酸及位赖氨酸及H4的第的第5、8、12和和16位的位的赖氨酸赖氨酸l 组蛋白乙酰化是由组蛋白乙酰基转移酶组蛋白乙酰化是由组蛋白乙酰基转移酶(HAT)和组蛋白去乙酰基酶和组蛋

18、白去乙酰基酶(HDAC)协调催协调催化完成，是一个可逆的动力学过程，可以调化完成，是一个可逆的动力学过程，可以调节基因的转录节基因的转录组蛋白乙酰化修饰组蛋白乙酰化修饰路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索HAT and HDAC40KAT: lysine (K) acetyltransferase路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索41路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索l 组蛋白甲基化多发生于组蛋白组蛋白甲基化多发生于组蛋白H3、H4的赖氨酸、的赖氨酸、精氨酸和组氨酸残基上，可发生一甲基、二甲精氨酸和组氨酸残基上，

19、可发生一甲基、二甲基和三甲基化。研究最多的位点是基和三甲基化。研究最多的位点是H3K4, H3K9, H3K27, H3K36, H3K79 和和 H4K20。l 组蛋白甲基化由特异的组蛋白甲基转移酶组蛋白甲基化由特异的组蛋白甲基转移酶(histone methyltransferase, HMT)催化完成，去催化完成，去甲基化是由赖氨酸去甲基酶甲基化是由赖氨酸去甲基酶(lysine-specific demethylase 1, LSD1)催化完成。催化完成。组蛋白甲基化修饰组蛋白甲基化修饰路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索Nature Review Geneti

20、cs, 2012,13(5): 343路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索lncRNome: http:/genome.igib.res.in/lncRNome/NONCODE: http:/www.noncode.org/index.php LNCipedia:

21、 http:/www.lncipedia.org/DIANA-LncBase : http:/diana.imis.athena-innovation.gr/DianaTools/index.php?r=lncBase/indexstarBase : http:/ ,吾将上下而求索吾将上下而求索真核细胞中真核细胞中, ,存在着一个由存在着一个由DNADNA甲基化甲基化、组蛋白修饰、染色质结构重塑、组蛋白修饰、染色质结构重塑和和ncRNAncRNA系统组成的一个系统组成的一个表观遗传修饰网表观遗传修饰网络络，能动地调控着具有组织和细胞特，能动地调控着具有组织和细胞特异性的基因表达模式。机体的表观

22、遗异性的基因表达模式。机体的表观遗传模式的变化在整个发育过程中是高传模式的变化在整个发育过程中是高度有序的，也是严格受控的度有序的，也是严格受控的 路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索表观遗传表观遗传调控作用调控作用基因组印迹基因组印迹基因表达编程基因表达编程X X染色体失活染色体失活第三节第三节 DNA甲基化与表观遗传现象甲基化与表观遗传现象路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索1956年年, A.Prader 和和 H.Willi 父源父源染色体染色体15q11-13区段缺失区段缺失Prader-Willi 综合征综合征路漫漫其修远兮路漫漫

23、其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索Angelman综合征综合征 1968年年H.Angelman 母源母源染色体染色体15q11-13区段缺失区段缺失路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 PWS和和AS这一对综合征表明父亲和母亲的基因组在这一对综合征表明父亲和母亲的基因组在个体发育中有着不同的影响，这种现象被称为个体发育中有着不同的影响，这种现象被称为基因组印基因组印迹迹(genomic imprinting)。也称为。也称为遗传印记遗传印记（genetic impriting） 基因组印记基因组印记 (genomic imprinting) 是在受精卵形成过

24、是在受精卵形成过程中，特异性地对源于父亲或母亲的等位基因做一印记，程中，特异性地对源于父亲或母亲的等位基因做一印记，使其只表达父源或母源等位基因，在子代中产生不同表使其只表达父源或母源等位基因，在子代中产生不同表型。是一种不符合孟德尔遗传规律的表观遗传现象型。是一种不符合孟德尔遗传规律的表观遗传现象1. 基因组印记基因组印记 (genomic imprinting)近年研究表明，基因组印迹是两个亲本等位基因的差异性甲基化造成了一个近年研究表明，基因组印迹是两个亲本等位基因的差异性甲基化造成了一个亲本等位基因的沉默，另一个亲本等位基因保持单等位基因活性亲本等位基因的沉默，另一个亲本等位基因保持单

25、等位基因活性。 路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 在父源和母源染色体上，这些调控元件的在父源和母源染色体上，这些调控元件的CpG岛呈现岛呈现甲基化型的明显差异。甲基化型的明显差异。 在在PWS和和AS患者中发现，微小染色体缺失集中的区域有患者中发现，微小染色体缺失集中的区域有成簇排列的富含成簇排列的富含CpG岛的基因表达调控元件，称为岛的基因表达调控元件，称为印迹中心印迹中心(imprinting centers , ICs)SNRPN的的23个个CpG二联核苷二联核苷父源父源非甲基化非甲基化完全甲基化

26、完全甲基化母源母源例如 差异甲基化差异甲基化(differential methylation)：父源和母源染色父源和母源染色体上的体上的ICs的甲基化呈现出分化状态的甲基化呈现出分化状态路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索BeckwitBeckwith-Wh-Wiedemanniedemann综合征综合征(BWS)(BWS)是一种过度生长综是一种过度生长综合征合征, ,常伴有肥胖和先天性脐疝等症状，并有儿童期常伴有肥胖和先天性脐疝等症状，并有儿童期肿瘤易患倾向肿瘤易患倾向路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 在长约在长约1Mb的该区段中至少

27、有的该区段中至少有12个成簇排列的印迹个成簇排列的印迹基因，其中有些呈父源等位基因表达模式，另一些基因，其中有些呈父源等位基因表达模式，另一些呈母源等位基因表达模式，这些基因分属两个印迹呈母源等位基因表达模式，这些基因分属两个印迹域域(imprinted domain)，它们的印迹状态分别受控于，它们的印迹状态分别受控于印迹调控区印迹调控区(impriting control regions，ICR)源于染色体源于染色体11p15.5区段的多种能造成该区段印迹基区段的多种能造成该区段印迹基因表达失衡的遗传学和表观遗传学调节机制异常因表达失衡的遗传学和表观遗传学调节机制异常路漫漫其修远兮路漫漫其

28、修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索差异甲基化区（差异甲基化区（ICE）、锌指蛋白（）、锌指蛋白（CTCF）和增强）和增强子（子（E）对）对Igf2和和H19的交互易换式印迹调节模式的交互易换式印迹调节模式路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索已发现已发现100多个印迹基因，大多成簇排列，其中多个印迹基因，大多成簇排列，其中许多与疾病相关许多与疾病相关多数印迹基因的作用机制尚不清楚，但都与多数印迹基因的作用机制尚不清楚，但都与DNA甲基化型的异常相关甲基化型的异常相关不同亲本来源的印迹基因的不同亲本来源的

29、印迹基因的DNA甲基化型是在生甲基化型是在生殖细胞成熟过程中建立的殖细胞成熟过程中建立的 印迹基因的印迹基因的DNADNA甲基化型在生殖细胞成熟过程中的建立甲基化型在生殖细胞成熟过程中的建立原始性细胞原始性细胞（2n）配子配子（n）合子合子（2n）路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 基因组印迹是性细胞系的一种表观遗传修饰，由基因组印迹是性细胞系的一种表观遗传修饰，由一整套分布于染色体不同部位的印迹中心来协调一整套分布于染色体不同部位的印迹中心来协调 印迹中心介导印迹标记的建立及其在发育全过程印迹中心介导印迹标记的建立及其在发育全过程中的维持和传递，并以亲本来源特异性

30、方式优先表中的维持和传递，并以亲本来源特异性方式优先表达两个亲本等位基因中的一个，而使另一个沉默。达两个亲本等位基因中的一个，而使另一个沉默。 哺乳动物中相当数量的印迹基因与胎儿的生长发哺乳动物中相当数量的印迹基因与胎儿的生长发育和胎盘的功能密切相关育和胎盘的功能密切相关 路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索发育是一个高度有序的生物学过程，是从一个全能的发育是一个高度有序的生物学过程，是从一个全能的受精卵开始，到建成一个由受精卵开始，到建成一个由200200多种结构和功能各异的多种结构和功能各异的细胞组成的整体的过程细胞组成的整体的过程2. 2. 基因重新编程基因重新

31、编程 (reprogramming)一个生物机体的所有细胞虽具有完全一样的基因组，却一个生物机体的所有细胞虽具有完全一样的基因组，却有不一样的基因表达模式。与组织和细胞特异性的基因有不一样的基因表达模式。与组织和细胞特异性的基因表达模式的建立和维持相关的细胞信息，必需是可以通表达模式的建立和维持相关的细胞信息，必需是可以通过细胞分裂而遗传的，同时也应该具备被删除和重建的过细胞分裂而遗传的，同时也应该具备被删除和重建的潜在可能性潜在可能性 路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 “多莉多莉”克隆绵羊的诞生雄辩地证明：一个来自成年的哺乳克隆绵羊的诞生雄辩地证明：一个来自成年

32、的哺乳动物的高度分化的体细胞仍然保持发育成为完整个体的能力，动物的高度分化的体细胞仍然保持发育成为完整个体的能力，也就是说细胞的分化并没有造成不可逆的遗传物质修饰也就是说细胞的分化并没有造成不可逆的遗传物质修饰 路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索已完全分化的细胞，其基因组在特定条件已完全分化的细胞，其基因组在特定条件下可经表观遗传修饰重建而为胚胎发育中下可经表观遗传修饰重建而为胚胎发育中的基因表达重新编程，赋予发育全能性，的基因表达重新编程，赋予发育全能性，为胚胎发育和分化发出正确的指令。胚胎为胚胎发育和分化发出正确的指令。胚胎发育中表观基因组重新编程的差误将会导发

33、育中表观基因组重新编程的差误将会导致多种表观遗传缺陷性疾病致多种表观遗传缺陷性疾病 路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索Ian WilmutDolly多莉：生于多莉：生于19961996年年7 7月月5 5日，死于日，死于20032003年年2 2月月1414日日路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索早期原始生殖细胞在沿着生殖系统管腔移行时，原属体细胞型的早期原始生殖细胞在沿着生殖系统管腔移行时，原属体细胞型的表观遗传修饰表观遗传修饰( (包括基因组印迹包括基因组印迹) )会被删除。在生殖细胞发生与成会被删除。在生殖细胞发生与成熟过程中表观遗传

34、标记重新建立熟过程中表观遗传标记重新建立路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索受精后，会进行除印迹基因以外的表观遗传修饰的删除与重建，受精后，会进行除印迹基因以外的表观遗传修饰的删除与重建，重建后的表观基因组在组织特异性定型后被稳定地维持重建后的表观基因组在组织特异性定型后被稳定地维持路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索Dynamic changes of 5mC and 5hmC levels in the paternal and maternal genomes during preimplantation development.路漫漫

35、其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索Levels of mC, hmC, and the TET enzymes during cellular developmentCell Stem Cell. 2013 Mar 13. Tet1 acts at the Oct4 loci to promote 5mC-to-5hmC conversion and facilitates the DNA demethylation and transcriptional reactivation during OSKM iPSC induction.Tet1 (T) can repla

36、ce Oct4 and initiate somatic cell reprogramming in conjunction with Sox2 (S), Klf4 (K), and c-Myc (M). Established an efficient TSKM secondary reprogramming system5hmC enrichment is involved in the demethylation and reactivation of genes and regulatory regions that are important for pluripotency. A

37、Schematic Model of TSKM-Mediated Reprogramming and Quantification of 5mC and 5hmC in iPSCsMol Cell. 2013 Feb 28. Genomic imprinting directs the allele-specific marking and expression of loci according to their parental origin. Differential DNA methylation at imprinted control regions (ICRs) is estab

38、lished in gametes and, although largely preserved through development, can be experimentally reset by fusing somatic cells with embryonic germ cell (EGC) lines.The fusion of B cells with EGCs initiates pluripotent reprogramming, in which rapid re-expression of Oct4 is accompanied by an accumulation

39、of 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) at several ICRs. Tet2 was required for the efficient reprogramming capacity of EGCs, whereas Tet1 was necessary to induce 5-methylcytosine oxidation specifically at ICRs. These data show that the Tet1 and Tet2 proteins have discrete roles in cell-fusion-mediated plu

40、ripotent reprogramming and imprint erasure in somatic cells.路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 动物实验中，改变胚胎培养液会引起异常甲基动物实验中，改变胚胎培养液会引起异常甲基化和印迹基因化和印迹基因Igf2和和H19的表达失调，造成印迹性的表达失调，造成印迹性疾病疾病辅助生育是在配子生成和胚胎发育早期干预生殖辅助生育是在配子生成和胚胎发育早期干预生殖 ，这正是表观遗传编程获得和维持的关键时期，提，这正是表观遗传编程获得和维持的关键时期，提示有必要对经辅助生育技术孕育的孩子作表观遗传示有必要对经辅助生育技术

41、孕育的孩子作表观遗传学监测学监测表观遗传修饰的重新编程对环境变化非常敏感表观遗传修饰的重新编程对环境变化非常敏感 1949年年,Barr在雌猫神经元的核中发现紧贴核膜有深染，在雌猫神经元的核中发现紧贴核膜有深染，呈圆、椭圆、三角形的小体，而雄猫中没有。其它哺乳呈圆、椭圆、三角形的小体，而雄猫中没有。其它哺乳类（包括人类）都有这一现象，当时命名为类（包括人类）都有这一现象，当时命名为Barr小体，小体，现在称现在称X染色质染色质路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 雌性哺乳动物细胞内仅有一条雌性哺乳动物细胞内仅有一条X X染色体是有活性的，染色体是有活性的，另一条在遗传

42、上是失活的，在间期细胞核中固化为异另一条在遗传上是失活的，在间期细胞核中固化为异染色质。因此，雌雄两性细胞中都只有一条染色质。因此，雌雄两性细胞中都只有一条X X染色体染色体保持转录活性，使保持转录活性，使X X连锁基因产物的量保持相同水平连锁基因产物的量保持相同水平 失活发生在胚胎早期（第失活发生在胚胎早期（第1616天）天） X X染色体的失活是随机的，失活后是恒定的染色体的失活是随机的，失活后是恒定的 失活的失活的X X染色体上仍有部分基因是有活性的染色体上仍有部分基因是有活性的Lyon 化现象化现象 X染色体的剂量补偿（染色体的剂量补偿（dosage compensation）X X染

43、色体失活过程模式图染色体失活过程模式图路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 1991年，发现年，发现X染色体染色体Xq13.3区段有一个区段有一个X失活中心失活中心 (X-inaction center，Xic)，X-失活从失活从Xic区段开始启动，然后扩展到整条染色体区段开始启动，然后扩展到整条染色体X X染色体失活的机制染色体失活的机制路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索Xist：X X染色体失活的特异性转录子，产物是染色体失活的特异性转录子，产物是lncRNAlncRNA。 Tsix：位于位于XistXist下游的反向转录子，产物也是下

44、游的反向转录子，产物也是lncRNAlncRNA，调控，调控XistXist的功能的功能 DXPas34：富含富含CpGCpG，包括，包括15Kb15Kb的微卫星序列，参与的微卫星序列，参与X-X-失活。失活。 XicXic长约长约1Mb1Mb，包括基因，包括基因：XistXist、TsixTsix 和和DXPas34DXPas34 路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 LncRNAs in X-chromosome inactivation路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 X

45、染色体失活相关的疾病多是由染色体失活相关的疾病多是由X染色体的不对称失活使携染色体的不对称失活使携带有突变等位基因的带有突变等位基因的X染色体在多数细胞中具有活性所致染色体在多数细胞中具有活性所致 Wiskott-Aldrich综合征：由于综合征：由于WASP基因突变所致基因突变所致 自身免疫性疾病：女性易感也和自身免疫性疾病：女性易感也和X染色体失活相关，因为染色体失活相关，因为女性为嵌合体，如果自身免疫性女性为嵌合体，如果自身免疫性T细胞不能耐受两个细胞不能耐受两个X染色染色体所编码的抗原，则会导致自身免疫缺陷性疾病，如红斑体所编码的抗原，则会导致自身免疫缺陷性疾病，如红斑狼疮等狼疮等 与

46、与X X染色体失活相关的疾病染色体失活相关的疾病路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 Rett综合征是一种综合征是一种X连锁遗传性进行性神经系统疾病，连锁遗传性进行性神经系统疾病，其疾病基因是其疾病基因是X染色体上编码染色体上编码McCP2 蛋白质蛋白质的基因的基因RettRett综合征综合征路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 ICF综合征是一种罕见的常染色体隐性遗传综合征是一种罕见的常染色体隐性遗传病，主要病症是不同程度的免疫缺陷，并伴以面病，主要病症是不同程度的免疫缺陷，并伴以面部畸形和智力低下。患者至少有两种同型免疫球部畸形和智力低下

47、。患者至少有两种同型免疫球蛋白的减少或缺失，并造成细胞免疫缺陷蛋白的减少或缺失，并造成细胞免疫缺陷 ICFICF综合征综合征路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 患者有典型随体序列患者有典型随体序列和和的低甲基化，是能催化的低甲基化，是能催化DNA从头甲基化的从头甲基化的DNMT3B编码基因的突变所致编码基因的突变所致 患者的淋巴细胞分裂中，患者的淋巴细胞分裂中，1号、号、9号和号和16号等多条染号等多条染色体的环着丝粒区域的不稳定性明显增高。这些区域色体的环着丝粒区域的不稳定性明显增高。这些区域含一种卫星含一种卫星DNA序列，与着丝粒的功能和动基体装配序列，与着丝粒

48、的功能和动基体装配有关。这些序列通常是被甲基化的，但在有关。这些序列通常是被甲基化的，但在ICF患者中患者中几乎完全非甲基化几乎完全非甲基化路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索Cell. 2012 Dec 21;151(7):1417-30.路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 早在早在1979年年R.Holliday就曾经提出就曾经提出DNA甲基化可甲基化可能在癌变过程中起着重要的作用。能在癌变过程中起着重要的作用。 1983年，发现癌细胞中年，发现癌细胞中DNA甲基化的总体水平低甲基化的总体水平低于正常细胞于正常细胞，肿瘤细胞的低，肿瘤细

49、胞的低 甲甲 基化频繁发生于重复基化频繁发生于重复序列和在生物进化过程中引入的寄生性序列和在生物进化过程中引入的寄生性DNA，造成，造成基因组不稳定基因组不稳定第四节 表观遗传与肿瘤路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索 除除DNA甲基化的总体水平降低之外，癌细胞甲基化的总体水平降低之外，癌细胞往往出现往往出现局部序列的高甲基化局部序列的高甲基化，高甲基化通常集，高甲基化通常集中在抑癌基因启动子附近的中在抑癌基因启动子附近的GpG岛岛 DNA甲基化的异常可能是癌细胞中某些抑制恶甲基化的异常可能是癌细胞中某些抑制恶性生长的基因沉默的原因性生长的基因沉默的原因 组织特异性甲

50、基化组织特异性甲基化遗传印记遗传印记X-染色体失活染色体失活转座重复顺序的静息化转座重复顺序的静息化 抑癌基因的启动子抑癌基因的启动子CpG岛岛的高甲基化的高甲基化全景性的去甲基化全景性的去甲基化 5mC 的高变异性的高变异性T正常细胞正常细胞肿瘤细胞肿瘤细胞肿瘤细胞的表观遗传变化肿瘤细胞的表观遗传变化路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索表观遗传异常与肿瘤发生表观遗传异常与肿瘤发生路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索路漫漫其修远兮路漫漫其修远兮, ,吾将上下而求索吾将上下而求索甲基化和去乙酰化药物治疗肿瘤甲基化和去乙酰化药物治疗肿瘤路漫漫其修