zxl 0612表观遗传学(2学时)

1、教师：周小玲教师：周小玲2022年年6月月15日日r 表观遗传学表观遗传学l 研究研究不涉及不涉及DNADNA序列改变序列改变的基因表达和调控的可遗传变化的，或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的一门新兴的遗传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。学分支。r 表观遗传表观遗传l 通过有丝分裂或减数分裂来传递通过有丝分裂或减数分裂来传递非非DNADNA序列信息序列信息的现象。所谓表的现象。所谓表观遗传就是观遗传就是不基于不基于DNADNA序列差异序列差异的核酸遗传。即细胞分裂过程中，的核酸遗传。即细胞分裂过程中，DNA DNA 序列不

2、变的前提下，全基因组的基因表达调控所决定的表序列不变的前提下，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、整体的基因表达调控（如隔离子，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，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 ), ), 及基因型及基因型对表型的决定作用。对表型的决定作用。2022年年6月月15日日|DNA甲基化和组蛋白修饰甲基化和组蛋白修饰|非编码小非编码小RNA分子调节分子调节|基因组印迹基因组印迹|基因表达的重新编程基因表达的重新编程 |x染色体失活染色体失活r 用进废退用进废退2022年年6月月1

3、5日日2022年年6月月15日日r1939年，Waddington C| 首先在现代遗传学导论中提出了epihenetics这一术语，r1975年，Hollidy R| 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。r 2007Adrian Bird, (nature, A unifying definition of epigenetics）lthe structural adaptation of chromosomal regions so as t

4、o register, signal or perpetuate altered activity states. lThis definition is inclusive of chromosomal marks, because transient modifications associated with both DNA repair or cell-cycle phases and stable changes maintained across multiple cell generations qualify2022年年6月月15日日r 表观遗传学的特点表观遗传学的特点：l 可

5、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。2022年年6月月15日日r 1. 100多个物种的基因组测序已经完成；多个物种的基因组测序已经完成；r 2. 4,000个物种的基因组计划正在进行；个物种的基因组计划正在进行；r 3. 比较基因组学：比较多个物种的基因、蛋白质的序列比较基因组学：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。来揭示功能的保守性，并发现新的规律。r 1. 遗传的基本功能单位遗传的基本功能单位r 2. 基

6、因由基因由DNA编码编码r 3. 一个基因编码一条蛋白质一个基因编码一条蛋白质r 4. 基因序列的改变可能导致功能及表型的改变基因序列的改变可能导致功能及表型的改变r 基因型基因型 (Genotype) - 表型表型 (Phenotype)r 1. 人类基因组：人类基因组：22，000个基因个基因 vs. 100,000个蛋白质个蛋白质可变剪切可变剪切 (Alternative Splicing)r 2. 表观遗传学表观遗传学r 1. DNA自身通过复制传递遗传信息；自身通过复制传递遗传信息；r 2. DNA转录成转录成RNA；r 3. RNA自身能够复制自身能够复制 (RNA病毒病毒)；r

7、4. RNA能够逆转录成能够逆转录成DNA；r 5. RNA翻译成蛋白质。翻译成蛋白质。r 1. 概念：基因的概念：基因的DNA序列不发生改变的情况下，序列不发生改变的情况下，基因的表达水平与功能发生改变，并产生可遗传基因的表达水平与功能发生改变，并产生可遗传的表型。的表型。r 2. 特征特征: (1)可遗传；可遗传；(2) 可逆性；可逆性；(3) DNA不变不变r 3. 表观遗传学修饰机制：表观遗传学修饰机制：| (1) DNA甲基化和组蛋白修饰甲基化和组蛋白修饰| (2)非编码小非编码小RNA分子调节分子调节| (3)基因组印迹基因组印迹| (4) 基因表达的重新编程基因表达的重新编程 |

8、 (5) x染色体失活染色体失活r 1. 遗传编码信息：提供生命必需蛋白质的模板遗传编码信息：提供生命必需蛋白质的模板r 2. 表观遗传学信息：何时、何地、以何种方式去表观遗传学信息：何时、何地、以何种方式去应用遗传信息应用遗传信息| (1) DNA的甲基化：的甲基化：CpG位点，位点，5,000万个万个| (2) 组蛋白修饰：组蛋白密码组蛋白修饰：组蛋白密码 (Histone code)r 1. 基因选择性转录表达的调控基因选择性转录表达的调控r 2. 基因转录后的调控基因转录后的调控r 3. 蛋白质的翻译后修饰蛋白质的翻译后修饰|(1) DNA甲基化和组蛋白修饰甲基化和组蛋白修饰|(2)非

9、编码小非编码小RNA分子调节分子调节|(3)基因组印迹基因组印迹|(4) 基因表达的重新编程基因表达的重新编程 |(5) x染色体失活染色体失活SAH, S-adenosylhomocysteine; SAM, S-adenosylmethionineDnmt1 的作用的作用Dnmt3a Dnmt3b的作用的作用 哺乳动物基因组哺乳动物基因组DNADNA中中5-5-mCmC约占胞嘧啶总量的约占胞嘧啶总量的2%-7%2%-7%，绝大多数绝大多数5-5-mCmC存在于存在于CpGCpG二联核苷二联核苷( (CpG doublets)CpG doublets)。 结构基因结构基因5 5端附近富含端附

10、近富含CpGCpG二联核苷的区域称为二联核苷的区域称为CpGCpG岛岛( (CpG islands)CpG islands)。 r 1） 被动途径： 由于核因子N F 粘附甲基化的DNA，使粘附点附近的DNA不能被完全甲基化，从而阻断DNM T1 的作用 r 2） 主动途径： 是由去甲基酶（DNA demethylase) 的作用，将甲基基团移去的过程r TET家族(TET1、TET2、TET3）的去甲基化功能TET（ten-eleven translocation）蛋白是生物体内存在的一种-酮戊二酸酮戊二酸（-KG）和Fe2+依赖的双加氧酶，在靠近C的一端拥有一个催化结构域，该结构域具 有

11、3个 金 属 离 子（Fe2+）和1个-KG的结合位点，催化结构域前还有一 段 富 含 半 胱 氨 酸 区，TET蛋白可以催化5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶（5-mC）转化为5-羟甲基胞嘧啶羟甲基胞嘧啶（5-hmC），是DNA去甲基化过程中的一种重要的酶，对于维持干细胞的多能性有重要作用。TET基因的突变可以引起多种肿瘤尤其是造血系统肿瘤。1 human ES cellsDifferentiated fibroblastsHuman iPS cellsHuman iPS cells 组成核小体的组蛋白可以被多种化学加合物所组成核小体的组蛋白可以被多种化学加合物所修饰，如修饰，如磷酸化磷酸化、乙酰化乙

12、酰化和和甲基化甲基化等，组蛋白的这等，组蛋白的这类结构修饰可使染色质的构型发生改变，称为类结构修饰可使染色质的构型发生改变，称为染色染色质构型重塑质构型重塑。组蛋白中不同氨基酸残基的乙酰化一。组蛋白中不同氨基酸残基的乙酰化一般与活化的染色质构型般与活化的染色质构型常染色质常染色质( (euchromatin)euchromatin)和有和有表达活性的基因相关联；而组蛋白的甲基化则与浓表达活性的基因相关联；而组蛋白的甲基化则与浓缩的缩的异染色质异染色质( (hetero-chromatin)hetero-chromatin)和表达受抑的基和表达受抑的基因相关联。因相关联。 ChromatidDN

13、ANucleosomeSolenoidSuper SolenoidChromosome7X6X40X5XTotal: 7 x 6 x 40 x 5=8400Model 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

14、chromatin config-uration that is associated with 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

15、 accessed by the transcriptional machinery.r 1. short interfering RNAs (siRNA)r 2. MicroRNA (miRNA)r 3. piwi-interacting RNA (piRNA)short hairpin RNA (shRNA)RNA-induced silencing complex (RISC)r Genomic Imprinting: 两条染色体需要随机沉默其一两条染色体需要随机沉默其一r Beckwith-Wiedemann Syndrome: 1/15,000r BWS：20%的致死率的致死率r B

16、WS: embryonic tumor(Prader-Willi Syndrome,PWS)19561956年年A.Prader A.Prader 和和H.Willi H.Willi 父源染色体父源染色体1515q11-13q11-13区段缺失区段缺失Prader-WilliPrader-Willi综合征综合征H19 and Igf2 are genes that are expressed from only the maternal or the paternal chromosome. H19 is expressed from the maternal chromosome only;

17、 Igf2 is expressed only from the paternal chromosome. The two genes share an enhancer region, located downstream of H19. The new papers1, 2, 3, 4 show that the ICR (imprinting-control region) of H19 is a boundary element, controlled by DNA methylation. The CTCF protein binds to the unmethylated mate

18、rnal ICR. This prevents the promoters located in the Igf2 gene from interacting with the enhancers downstream of the H19 gene, resulting in transcriptional silencing of Igf2 . The paternal ICR is methylated (filled circles), preventing binding of CTCF. This allows the enhancers to contact the promot

19、ers of the paternal Igf2, allowing the gene to be transcribed. The paternal H19 gene is thought to be silenced by methylation. Differentially methylated regions are also found in Igf2, but are not shown here. AngelmanAngelman综合征综合征 19681968年年H.Angelman H.Angelman 母源染色体母源染色体1515q11-13q11-13区段缺失区段缺失(

20、(Angelman SyndromeAngelman Syndrome，AS)AS)PWSPWS和和ASAS这一对综合征表明父亲和母亲的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，这种现基因组在个体发育中有着不同的影响，这种现象被称为基因组印迹象被称为基因组印迹( (genomic imprinting)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型造成了一个亲本近年研究表明，基因组印迹是两个亲本等位基因的差异性甲基化型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等位基因的沉默，另一个亲本等位基因保持

21、单等位基因活性( (monoallelicmonoallelic actactivity)ivity)。 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CpGCpG岛呈现甲基化型的明显差异岛呈现甲基化型的明显差异。 在在PWSPWS和和ASAS患者中发现，微小染色体缺失集中患者中发现，微小染色体缺失集中的区域有成簇排列的富含的区域有成簇排列的富含CpGCpG岛的基因表达调控元岛的基因表达调控元件，称为印迹中心件，称为印迹中心( (imprinting centers , ICs)imprinting centers , ICs)。SNRPN的23个CpG二联核苷父源非

22、甲基化完全甲基化母源例如 差异甲基化差异甲基化( (differential methylation)differential methylation)：父源和母源父源和母源染色体上的染色体上的ICsICs的甲基化呈现出分化状态。的甲基化呈现出分化状态。 基因组印迹是性细胞系的一种表观遗传修饰，基因组印迹是性细胞系的一种表观遗传修饰，这种修饰有一整套分布于染色体不同部位的印迹中心这种修饰有一整套分布于染色体不同部位的印迹中心来协调，印迹中心直接介导了印迹标记的建立及其在来协调，印迹中心直接介导了印迹标记的建立及其在发育全过程中的维持和传递，并导致以亲本来源特异发育全过程中的维持和传递，并导致以

23、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。研究表明，在哺乳动物中相当数量的印迹一个沉默。研究表明，在哺乳动物中相当数量的印迹基因是与胎儿的生长发育和胎盘的功能密切相关的。基因是与胎儿的生长发育和胎盘的功能密切相关的。 已完全分化的细胞，其基因组在特定条件下经已完全分化的细胞，其基因组在特定条件下经历表观遗传修饰重建而为胚胎发育中的基因表达重历表观遗传修饰重建而为胚胎发育中的基因表达重新编程新编程( (reprogramming)reprogramming)并赋予发育全能性，为胚胎并赋予发育全能性，为胚胎发育和分化发出正确的

24、指令。胚胎发育中表观基因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致多种表观遗传缺陷性组重新编程的差误将会导致多种表观遗传缺陷性疾病。疾病。 Ian WilmutDolly多莉：生于1996年7月5日，死于2003年2月14日iPS Cells(诱导性多能干细胞诱导性多能干细胞）成纤维细胞中转入关键基因，得到成纤维细胞中转入关键基因，得到iPS iPS 细胞细胞Oct4Sox2Klf4c-Myc小鼠成纤维细胞小鼠成纤维细胞r 19611961年年M.F.LyonM.F.Lyon就提出了关于雌性哺乳动物体细胞就提出了关于雌性哺乳动物体细胞的两条的两条X X染色体中会有一条

25、发生随机失活的假说，并认为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。以后的研究表明在给定这是一种基因剂量补偿的机制。以后的研究表明在给定的体细胞有丝分裂谱系中，有一条的体细胞有丝分裂谱系中，有一条X X染色体是完全失活并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呈异染色质状态，而在另一个细胞谱系中同一条X X染色体染色体又 可 以 是 活 化 的 且 呈 常 染 色 质 状 态 。又 可 以 是 活 化 的 且 呈 常 染 色 质 状 态 。 X X染色体失活过程模式图染色体失活过程模式图r 1. 环境对基因表达的调控作用环境对基因表达的调控作用r

26、 表型表型=基因型基因型+环境环境r 2. 环境因素对人的影响环境因素对人的影响| (1) 癌症癌症| (2) 衰老衰老| (3) 心血管疾病心血管疾病| (4) 自身免疫性疾病自身免疫性疾病| (5) 心血管疾病心血管疾病r 3. 表观治疗表观治疗r DNA甲基化甲基化| (1) 高甲基化高甲基化 (Hypermethylation)：基因表达量低：基因表达量低| (2) 低甲基化低甲基化 (Hypomethylation)：基因表达量高：基因表达量高r 肿瘤细胞：肿瘤细胞：| (1) 整个基因组甲基化程度很低整个基因组甲基化程度很低| (2) 某些抑癌基因错误的发生甲基化被沉默某些抑癌基因

27、错误的发生甲基化被沉默r 甲基化程度低：染色体容易发生功能异常甲基化程度低：染色体容易发生功能异常r 1. Dnmt1chip/-: Dnmt1的表达量为正常小鼠的表达量为正常小鼠的的10%；r 2. 低甲基化低甲基化r 3. Dnmt1chip/-小鼠出小鼠出生体重为正常的生体重为正常的70%r 4. 80%的小鼠的小鼠4-8个月个月内产生淋巴瘤内产生淋巴瘤r 5. 癌基因癌基因c-myc表达表达量异常增高量异常增高r2013年年10月月10日，耶鲁大学医学院研究人员在日，耶鲁大学医学院研究人员在Cell Reports杂志上发表文章证实：一种有助于保杂志上发表文章证实：一种有助于保持血液摆

28、脱（抵抗）癌症的基因被微小的持血液摆脱（抵抗）癌症的基因被微小的RNA片段控制，这一发现可能导致出现更好的方法来诊片段控制，这一发现可能导致出现更好的方法来诊断血癌，甚至导致出现新的治疗形式。断血癌，甚至导致出现新的治疗形式。r在过去的几年中，研究人员已经确定在过去的几年中，研究人员已经确定TET2基因在保持血细胞健康中起到关键作用。基因突变已发基因在保持血细胞健康中起到关键作用。基因突变已发现存在于约现存在于约20的白血病患者中，基因突变也能预示患者的预后不良。然而，该基因被认为与的白血病患者中，基因突变也能预示患者的预后不良。然而，该基因被认为与80的白血病病例是不相关的。的白血病病例是不相关的。r这项新的研究改变了这一观点，研究人员确定了宿主小分子这项新的研究改变了这一观点，研究人员确定了宿主小分子RNA可能是可能是TET2没有突变的许多白没有突变的许多白血病的主要原因。他们发现，携带这些大量血病的主要原因。他们发现，携带这些大量microRNAs的患者更有可能发生的患者更有可能发生TET2功能受损，因功能受损，因此可能成为更积极形式