基因组学讲课课件

1、染色质和DNA修饰 韩兰春 2013年11月28日主要内容1、染色质，DNA的概念2、组蛋白修饰种类及对基因表达的影响3、DNA修饰种类及对表达的影响4、染色质重构回顾知识染色质（chromatin）最早是1879年Flemming提出的用以描述核中染色后强烈着色的物质。现在认为染色质是细胞间期细胞核内能被碱性染料染色的物质。染色质的基本化学成分为脱氧核糖核酸核蛋白，它是由DNA、组蛋白、非组蛋白和少量RNA组成的复合物。根据着色的深浅染色质有常染色质和异染色质之分 DNA：即脱氧核糖核酸，是一种长链聚合物，组成单位称为四种脱氧核苷酸，也叫碱基。DNA是染色体的主要化学成分。DNA是一种分子，

2、可组成遗传指令，以引导生物发育与生命机能运作。带有遗传信息的DNA片段称为基因。常染色质与异染色质1. 常染色质：基因表达活跃的区域，染色体结构较为疏松2. 异染色质：基因表达沉默的区域，染色体结构致密核小体常染色质异染色质常规的染色质修饰染色质化学修饰的类型染色质化学修饰是指对染色质的组成成分，如DNA、RNA、组蛋白、非组蛋白进行化学基团的添加或去除的反应过程。常见的染色质化学修饰方式有：甲基化-去甲基化，乙酰化-去乙酰，磷酸化去磷酸。除此之外，还包括泛素化ADP-核糖基化和二硫键形成等修饰方式。染色质中的组蛋白和DNA成分是最主要的化学修饰底物。目前，已在细胞中发现了一系列的染色质修饰酶

3、类，这些酶不仅具有高度的位点特异性，而且对底物原有的修饰状态也有选择性。组蛋白的化学修饰位点通常位于其N-端或C-端尾区，极少数情况下（如H3-K79）位于内部；有些位点可发生双修饰反应；相邻位点的磷酸化修饰与甲基化修饰可能相互干扰染色质中的组蛋白和DNA成分是最主要的化学修饰底物。 一 组蛋白的化学修饰组蛋白化学修饰发生在组蛋白N端尾部，尤其是组蛋白H3和H4的修饰起始了染色质结构的变化。组蛋白尾部由20个氨基酸组成，并且从DNA转弯处的核小体间延伸出来。acK: acetyl-Lys; meR: methyl-Arg. meK: methyl-Lys; PS: phospho-Ser. u

4、K: ubiquitinated Lys 2乙酰化 组蛋白乙酰化主要发生在H3、H4的N端比较保守的赖氨酸位置上，是由组蛋白乙酰转移酶和组蛋白去乙酰化酶协调进行。组蛋白乙酰化呈多样性，核小体上有多个位点可提供乙酰化位点，但特定基因部位的组蛋白乙酰化和去乙酰化是以一种非随机的、位置特异的方式进行。 组蛋白乙酰化在DNA复制过程中短暂发生. 组蛋白乙酰化与激活基因表达相关.组蛋白的乙酰化在两种环境下发生组蛋白乙酰化乙酰化可能通过中和赖氨酸以及精氨酸的正电荷来增加与DNA的排斥力，以及通过相互作用蛋白的影响，来调节基因转录。早期对染色质及其特征性组分进行归类划分时就有人总结指出：异染色质结构域组蛋白

5、呈低乙酰化，常染色质结构域组蛋白呈高乙酰化。最近有研究发现，某些HAT复合物含有一些常见的转录因子，某些HDAC复合物含有已被证实的阻遏蛋白。这些发现支持了高乙酰化与激活基因表达、低乙酰化与抑制基因表达有关的看法。 组蛋白共价修饰的功能基因转录、DNA损伤修复、DNA复制、染色体凝聚等 4 组蛋白修饰与基因调控 基因表达是一个受多因素调控的复杂过程.组蛋白是染色体基本结构-核小体中的重要组成部分,其N-末端氨基酸残基可发生乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、多聚ADP糖基化等多种共价修饰作用. 大多数组蛋白上的修饰位点被单一的, 特异的修饰, 但一些位点可以多于一个位点的修饰. 个别功能与一些位点

6、的修饰直接相关. 组蛋白修饰为什么会影响基因表达呢？ 两种解释(1) 组蛋白的修饰可通过影响组蛋白与DNA双链的亲和性,从而改变染色质的疏松或凝集状态,(2)或通过影响其它转录因子与结构基因启动子的亲和性来发挥基因调控作用.组蛋白修饰对基因表达的调控有类似DNA遗传密码的调控作用. 二DNA修饰（一） DNA甲基化 DNA甲基化是最早发现的修饰途径之一，这一修饰途径可能存在于所有高等生物中并与基因表达密切相关。大量研究表明，DNA甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则诱导了基因的重新活化和表达。DNA甲基化能引起染色质的结构、DNA构象、DNA稳定性以及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控

7、制基因表达。研究证实，CpG二核苷酸的胞嘧啶的甲基化导致了人体三分之一以上剪辑转换而引起的遗传病。 实验证明，甲基化这个过程不但与DNA的复制起始及错误修正时的定位有关，还可以通过基因的表达参与细胞生长，发育过程及染色印迹，X染色体失活等的调控。 CpG占基因组的10，其中7080为甲基化。未甲基化的CpG岛处于组成性表达基因启动子的周围；也存在于一些组织特异性基因的启动子周围CpG岛的甲基化改变了染色质结构，造成高度螺旋化，失去了DNase敏感性，阻止了启动子的活化，同时能够与甲基化CpG结合蛋白质结合，如组蛋白去乙酰化酶等，可以抑制基因的表达。DNA甲基化的分布染色体水平上，DNA甲基化在

8、着丝粒附近水平最高基因水平上，DNA甲基化高水平区域涵盖了多数转座子，假基因和小RNA编码区,在最新的研究发现，甲基化似乎对长度较短的基因有较强的转录调控能力，而对长基因的调控能力十分微弱。甲基化与基因表达调控关系图 甲基化与基因表达调控 * 哺乳动物基因组的大片区域被甲基化的DNA序列所标记，这种甲基化的DNA区通常是异染色质区； * 甲基化的DNA序列经常可以被一些DNA结合蛋白(如 MeCP2)所识别，这些DNA结合蛋白可以招募组蛋白去乙酰化酶和组蛋白甲基化酶，从而修饰附近的染色质； * 因此, DNA甲基化往往能标记异染色质形成的区域。甲基化的作用：1、 原核生物中，DNA甲基化是为了

9、抵抗噬菌体侵害而发生碱基C和A上的化学修饰 。如大肠杆菌的限制修饰系统中，自身DNA特定位点的甲基化可以避免限制性内切酶的切割。2、真核生物中，甲基化被分为对称性甲基化(canotical / symmetric methylation)，包括CpG和CpNpG，以及非对称甲基化(asymmetric methylation)，包括CpHpH。多数细胞 5-甲基胞嘧啶主要出现在CpG中。DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、组蛋白修饰及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。 DNA甲基化为正常发育所必需。正常细胞中DNA甲基化的功能包括转座因子的沉默、病毒序列的失活、染色体完

10、整性的维持、X染色体失活、基因组印记及大量基因的转录调节等。一些研究还发现随着个体年龄的不同，DNA甲基化水平存在差异，提示个体的发育和衰老过程与DNA甲基化相关DNA甲基化特点：可遗传的，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；（表观遗传学）是基因表达的改变;没有DNA序列的变化，或不能用DNA序列变化来解释。在DNA去甲基化酶的作用下可以去甲基化，即具有可逆性。（二）、基因突变定义：是由于DNA分子中发生碱基对的增添、缺失或替换，而引起的基因结构的改变。从分子水平上看，基因突变是指基因在结构上发生碱基对组成或排列顺序的改变。基因虽然十分稳定，能在细胞分裂时精确地复制自己，

11、但这种稳定性是相对的。在一定的条件下基因也可以从原来的存在形式突然改变成另一种新的存在形式，就是在一个位点上，突然出现了一个新基因，代替了原有基因，这个基因叫做突变基因。于是后代的表现中也就突然地出现祖先从未有的新性状。基因突变的性质 （1）普遍性 （2）随机性 （3）稀有性 （4）可逆性 （5）少利多害性 （6）不定向性 （7）有益性 （8）独立性 （9）重演性 基因突变的种类 （1）碱基置换突变 ： 转换和颠换 （2）移码突变 （3）缺失突变 （4）插入突变基因突变在我们实际生活当中也有一定的应用，比如诱变育种，害虫防治等。 Tet蛋白是重新编程已经分化的细胞的一种重要功能蛋白，人类和小鼠

12、都拥有Tet蛋白，研究发现这种蛋白在DNA脱甲基过程和干细胞重新编程方面起关键作用。张毅教授研究组近年来都在进行这一蛋白的研究工作，他们曾在去年发现Tet蛋白在干细胞自我更新功能中的重要作用，今年还发现这一蛋白能促进干细胞中与多能性相关的因子的转录，以及参与Polycomb靶向的发育调控因子的抑制。 据报道，在去年的研究中，研究人员发现在一个4步反应的第一步中，Tet蛋白能将第5种碱基转变为第6种碱基，但他们没有再接再厉，继续进行该实验，导致他们未能发现第7种、第8种碱基。在最新的研究中，研究人员重新设计了实验并探测到了最新的两种DNA碱基，并在人体胚胎干细胞和实验老鼠器官染色体组的DNA中发

13、现了它们的踪迹。 早期研究表明：表观修饰在胚胎干细胞命运中发挥着极为重要的作用，干细胞5mC含量与其他类型细胞存在明显差异，对小鼠胚胎干细胞基因组范围内的5hmC高通量测序表明：5hmC(5甲酰胞嘧啶）主要在全能性基因外显子内部和靠近转录起始点附近富集，并且该位点常伴有组蛋白H3的第4位赖氨酸甲基化修饰，而这种组蛋白修饰是转录激活的一个显著特征，因此5hmC也可以看成转录激活的特征之一。另一项研究表明：5hmC含量与常染色质状态成正比相关，在多个基因转录位点都出现5mC的含量降低而5hmC升高的现象。这两种新碱基代表了DNA脱甲基过程中的一个中间状态。通过去甲基化或重新激活DNA甲基化所沉默的

14、肿瘤抑制基因，它们可能为干细胞重新编程和癌症研究提供非常重要的信息。这一成果也说明科学家们可以利用DNA甲基化，重新激活已被沉默的肿瘤抑制基因。（四）DNA的限制与修饰限制修饰系统是一种存在于细菌（可能还有其他原核生物），可保护个体免于外来DNA（如噬菌体）侵入的系统，主要由限制内切酶和甲基化酶组成的二元系统。作用机理: 有些细菌体内含有限制酶，可将双股DNA切断，之后其他的内切酶再将切下的片段降解，因此能将入侵的外来DNA摧毁；有些病毒则演化出对抗此系统的机制，它们的DNA经过了甲基化或糖基化的修饰，可阻碍限制酶的作用；另外还有一些病毒，如T3及T7噬菌体，则合成出一些可抑制限制酶的蛋白质；

15、而为了进一步对抗病毒，有些细菌演化出专门辨识并切割已修饰DNA的限制系统。（五）、基因敲除 是自80年代末以来发展起来的一种新型分子生物学技术，是通过一定的途径使机体特定的基因失活或缺失的技术。通常意义上的基因敲除主要是应用DNA 同源重组原理，用设计的同源片段替代靶基因片段，从而达到基因敲除的目的。随着基因敲除技术的发展，除了同源重组外，新的原理和技术也逐渐被应用，比较成功的有基因的插入突变和iRNA ，它们同样可以达到基因敲除的目的。DNA除了甲基化也可以进行乙酰化，羟甲基化，甲基化和乙酰化都是对DNA分子的组成元件碱基的修饰。除此之外还有在基因复制和转录过程中，对内含子的剪切以及外显子的

16、连接，基因复制过程中加入了一些稀有碱基等都可以称为是对基因的修饰。四、染色体的修饰可能导致染色体的重构 （1）染色质重塑：是指染色质位置和结构的变化，主要涉及核小体的置换或重新排列，改变了核小体在基因启动序列区域的排列，增加了基因转录装置和启动序列的可接近性。染色质重塑与组蛋白 N 端尾巴修饰密切相关，尤其是对组蛋白 H3 和 H4的修饰 ，通过修饰直接影响核小体的结构，并为其他蛋白质提供了与DNA作用的结合位点。 （2）染色质重塑修饰方式主要包括两种：一种是含有组蛋白乙酰转移酶和脱乙酰酶的化学修饰；另一种是依赖ATP水解释放能量解开组蛋白与 DNA 的结合，使转录得以进行。染色质重塑在一个大的复合体，其使用ATP水解提供能量来完成重塑. 重塑复合体(Remodeling complexes )的核心是它的ATPase亚单位(ATPase subunit). 重塑复合体通常根据ATPase亚单位来进行分类。两种主要的染色质重塑复合物: SWI/SNF and ISW (imitation SWI)重塑复合体能引起核小体沿着DNA滑动，能从DNA上进行核小体的替代,或能识别并调整核小体间的空间位置。三种可能的染色质重塑重塑复合体可以被序列特异性的激活因子招募到启动子的位置全基因组范