zxl表观遗传学(学时)

1、表观(bio un)遗传学教师(jiosh)：周小玲共五十八页共五十八页共五十八页2022年7月14日4一、概 述表观遗传学研究不涉及DNA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的一门新兴的遗传学分支。表观遗传通过有丝分裂或减数分裂来传递非DNA序列信息的现象。所谓表观遗传就是不基于DNA序列差异的核酸遗传。即细胞分裂过程中，DNA 序列不变的前提(qint)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，增强子，弱化子，DNA甲基化，组蛋白修饰等功能 ), 及基因型对表型的决定作用。2022年7月14日4共

2、五十八页表观遗传修饰(xish)机制DNA甲基化和组蛋白修饰非编码(bin m)小RNA分子调节基因组印迹基因表达的重新编程 x染色体失活共五十八页拉马克与长颈鹿用进废退共五十八页2022年7月14日72022年7月14日7发 展 历 史1939年，Waddington C 首先在现代遗传学导论中提出了epihenetics这一术语，1975年，Hollidy R 不仅在发育过程(guchng)，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。 2007Adrian Bir

3、d, (nature, A unifying definition of epigenetics）the structural adaptation of chromosomal regions so as to register, signal or perpetuate altered activity states. This definition is inclusive of chromosomal marks, because transient modifications associated with both DNA repair or cell-cycle phases a

4、nd stable changes maintained across multiple cell generations qualify共五十八页2022年7月14日8特点(tdin)概括表观遗传学的特点：可遗传(ychun)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(ychun)；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；没有DNA序列的改变或不能用DNA序列变化来解释。2022年7月14日8共五十八页人类(rnli)基因组计划完成带来的挑战1. 100多个物种的基因组测序已经完成；2. 4,000个物种的基因组计划正在进行；3. 比较基因组学：比

5、较多个物种的基因、蛋白质的序列来揭示功能的保守(boshu)性，并发现新的规律。共五十八页DNA双螺旋共五十八页基因(jyn)的结构共五十八页基因(jyn)：可遗传1. 遗传的基本功能单位2. 基因(jyn)由DNA编码3. 一个基因编码一条蛋白质4. 基因序列的改变可能导致功能及表型的改变基因型 (Genotype) - 表型 (Phenotype)共五十八页基因(jyn)概念的延伸：生物体的复杂性1. 人类(rnli)基因组：22，000个基因 vs. 100,000个蛋白质可变剪切 (Alternative Splicing)2. 表观遗传学共五十八页遗传信息的传递(chund)：中心法

6、则1. DNA自身通过复制传递遗传信息；2. DNA转录(zhun l)成RNA；3. RNA自身能够复制 (RNA病毒)；4. RNA能够逆转录成DNA；5. RNA翻译成蛋白质。共五十八页表观(bio un)遗传学1. 概念：基因的DNA序列不发生(fshng)改变的情况下，基因的表达水平与功能发生(fshng)改变，并产生可遗传的表型。2. 特征: (1)可遗传；(2) 可逆性；(3) DNA不变3. 表观遗传学修饰机制：(1) DNA甲基化和组蛋白修饰(2)非编码小RNA分子调节(3)基因组印迹(4) 基因表达的重新编程 (5) x染色体失活共五十八页遗传信息1. 遗传编码信息：提供生

7、命必需蛋白质的模板2. 表观(bio un)遗传学信息：何时、何地、以何种方式去应用遗传信息(1) DNA的甲基化：CpG位点，5,000万个(2) 组蛋白修饰：组蛋白密码 (Histone code)共五十八页表观(bio un)遗传学的研究内容1. 基因选择性转录(zhun l)表达的调控2. 基因转录后的调控3. 蛋白质的翻译后修饰共五十八页二、表观遗传(ychun)修饰机制(1) DNA甲基化和组蛋白修饰(2)非编码小RNA分子调节(3)基因组印迹(4) 基因表达(biod)的重新编程 (5) x染色体失活共五十八页2.1 DNA甲基化SAH, S-adenosylhomocystei

8、ne; SAM, S-adenosylmethionine共五十八页甲基转移酶（DNMTs） 的作用(zuyng)Dnmt1 的作用(zuyng)Dnmt3a Dnmt3b的作用共五十八页DNA中5-mC的分布(fnb) 哺乳动物(brdngw)基因组DNA中5-mC约占胞嘧啶总量的2%-7%，绝大多数5-mC存在于CpG二联核苷(CpG doublets)。 结构基因5端附近富含CpG二联核苷的区域称为CpG岛(CpG islands)。 共五十八页DNA去甲基化1） 被动途径(tjng)： 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

9、作用 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（-KG）和Fe2+依赖的双加氧酶，在靠近C的一端拥有(yngyu)一个催化结构域，该结构域具 有 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（5-mC）转化为5-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

10、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共五十八页TET介导的去甲基化途径(tjng)和机制共五十八页TET3 在合子表观(bio un)遗传重编程过程中起重要作用共五十八页重编程过程(guchng)甲基化变化human ES cellsDifferentiated fibroblastsHuman iPS cellsHuman iPS cells共五十八页DNA甲基化与癌症(i zhn)的发生共五十八页组蛋白修饰(xish) 组成核小体的组蛋白可以被多种化学加合物所修饰，如磷酸化、乙酰化和甲基化等，组蛋白的这类结构修饰可使染色质的构型发生改变，称为染色质构型重塑。组蛋

11、白中不同氨基酸残基的乙酰化一般与活化(huhu)的染色质构型常染色质(euchromatin)和有表达活性的基因相关联；而组蛋白的甲基化则与浓缩的异染色质(hetero-chromatin)和表达受抑的基因相关联。 共五十八页ChromatidDNANucleosomeSolenoidSuper SolenoidChromosome7X6X40X5XTotal: 7 x 6 x 40 x 5=8400染色质重塑共五十八页Model for methylation-dependent gene silencing. The structural element of chromatin is t

12、he nucleosomal core, which consists of a 146-bp DNA sequence wrapped around core histones. Acetylation of the histones causes an open chromatin config-uration that is associated with transcriptional activity. Methylated cytosines are recognized by methyl-CpG-binding proteins (MBDs), which in turn re

13、cruit histone deacetylases (HDACs) to the site of methylation, convert-ing the chromatin into a closed structure that can no longer be accessed by the transcriptional machinery.共五十八页1.2 非编码小RNA分子(fnz)的调节1. short interfering RNAs (siRNA)2. MicroRNA (miRNA)3. piwi-interacting RNA (piRNA)共五十八页siRNAshor

14、t hairpin RNA (shRNA)RNA-induced silencing complex (RISC)共五十八页Antisense共五十八页2.3 基因(jyn)组印记Genomic Imprinting: 两条染色体需要随机(su j)沉默其一Beckwith-Wiedemann Syndrome: 1/15,000BWS：20%的致死率BWS: embryonic tumor共五十八页共五十八页(Prader-Willi Syndrome,PWS)1956年A.Prader 和H.Willi 父源染色体15q11-13区段(q dun)缺失Prader-Willi综合征共五十八

15、页Beckwith-Wiedemann SyndromeH19 and Igf2 are genes that are expressed from only the maternal or the paternal chromosome. H19 is expressed from the maternal chromosome only; Igf2 is expressed only from the paternal chromosome. The two genes share an enhancer region, located downstream of H19. The new

16、 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 maternal ICR. This prevents the promoters located in the Igf2 gene from interacting with the enhancers downstream of the H19 gene, r

17、esulting in transcriptional silencing of Igf2 . The paternal ICR is methylated (filled circles), preventing binding of CTCF. This allows the enhancers to contact the promoters of the paternal Igf2, allowing the gene to be transcribed. The paternal H19 gene is thought to be silenced by methylation. D

18、ifferentially methylated regions are also found in Igf2, but are not shown here. 共五十八页Angelman综合征 1968年H.Angelman 母源染色体15q11-13区段(q dun)缺失(Angelman Syndrome，AS)共五十八页PWS和AS这一对综合征表明(biomng)父亲和母亲的基因组在个体发育中有着不同的影响，这种现象被称为基因组印迹(genomic imprinting)。 共五十八页近年研究表明，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(chnm)，另

19、一个亲本等位基因保持单等位基因活性(monoallelic activity)。 共五十八页 在父源和母源染色体上，这些调控元件的CpG岛呈现(chngxin)甲基化型的明显差异。 在PWS和AS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CpG岛的基因表达调控元件，称为(chn wi)印迹中心(imprinting centers , ICs)。SNRPN的23个CpG二联核苷父源非甲基化完全甲基化母源例如 差异甲基化(differential methylation)：父源和母源染色体上的ICs的甲基化呈现出分化状态。共五十八页 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

20、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发育全过程中的维持和传递，并导致(dozh)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。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。 共五十八页2.4 基因(jyn)表达重编程 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新编程(reprogramming)并赋予发育全能性，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致(dozh)多种表观遗传缺陷性疾病。 共五十八页2.4 基因(jy

21、n)表达重编程共五十八页重编程方法(fngf)比较共五十八页多莉：死掉了Ian WilmutDolly多莉：生于1996年7月5日，死于2003年2月14日共五十八页Snuppy Is Real共五十八页IPS细胞(xbo)iPS Cells(诱导性多能(du nn)干细胞）成纤维细胞中转入关键基因，得到iPS 细胞Oct4Sox2Klf4c-Myc小鼠成纤维细胞共五十八页共五十八页2.5 X染色体失活 1961年M.F.Lyon就提出了关于雌性哺乳动物体细胞的两条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(jling)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，

22、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。 共五十八页X染色体失活过程(guchng)模式图共五十八页表观(bio un)遗传学对医学的影响1. 环境对基因表达的调控作用 表型=基因型+环境2. 环境因素对人的影响(1) 癌症(2) 衰老(3) 心血管疾病(4) 自身免疫性疾病(5) 心血管疾病3. 表观(bio un)治疗共五十八页表观(bio un)遗传与癌症DNA甲基化(1) 高甲基化 (Hypermethylation)：基因表达量低(2) 低甲基化 (Hypomethylation)：基因表达量高肿瘤细胞：(1) 整个

23、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甲基化程度低：染色体容易发生功能(gngnng)异常共五十八页Rudolf Jaenisch1. Dnmt1chip/-: Dnmt1的表达量为正常小鼠的10%；2. 低甲基化3. Dnmt1chip/-小鼠出生体重(tzhng)为正常的70%4. 80%的小鼠4-8个月内产生淋巴瘤5. 癌基因c-myc表达量异常增高共五十八页Jun Lu2013年10月10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断血癌，甚至导致出现新的治疗形式。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。基因突变已发现存在于约20的白血病患者中，基因突变也能预示(ysh)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。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TET2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microRNAs的患者更有可能发生TET2功能受损，因此可能成为更积极形式的癌症。耶鲁大学干细胞中心和耶鲁大学癌症中心研究员Jun Lu助理教授