表观遗传学简介课件

1、表观遗传学简介（Introduce to Epigenetics）表观遗传学(epigenetics) 是指基于非基因序列改变所致基因表达水平变化,如DNA甲基化、组蛋白乙酰化等。在基因组中除了DNA和RNA序列以外，还有许多调控基因的信息，它们虽然本身不改变基因的序列，但是可以通过基因修饰，蛋白质与蛋白质、DNA和其它分子的相互作用，而影响和调节遗传的基因的功能和特性，并且通过细胞分裂和增殖周期影响遗传的一门新兴学科。因此表观遗传学又称为实验遗传学、化学遗传学、特异性遗传学、后遗传学、表遗传学和基因外调节系统，它是生命科学中一个普遍而又十分重要的新的研究领域。什么是表观遗传学表观遗传有三个密

2、切相关的含义：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； 可逆性的基因表达调节； 没有DNA序列的变化或不能用DNA序列变化来解释。主要包括：(1)基因选择性转录表达的调控：DNA 甲基化、组蛋白共价修饰等所导致的基因组印迹、染色质重构（塑）等; (2)基因转录后的调控： 针对mRNA的调控。如基因组中非编码RNA（主要来源于内含子和转录的基因间序列）、miRNA（能够自我折叠形成发夹状结构，通过RNAi或类似于RNAi的机制起作用）、反义RNA、内含子和核糖体开关等 借以调控基因表达活性，在生殖与发育、遗传与进化、生理与病理现象中具有重要的生物学意义，表观遗传学及

3、应运而生的人类表观基因组计划（HEP）已成为近年关注的热点问题。已知表观遗传学现象与多种人类疾病有着密切的关系，如肿瘤、基因印迹病等。同时基因甲基化异常存在可逆性，这可能为相关疾病的治疗提供崭新的途径。表观遗传学的研究内容DNA 甲基化是生物关闭基因表达的一种有效手段，也是印迹遗传的主要机制之一；基因的去甲基化可能使得印迹丢失，基因过度表达，甚至引起肿瘤或癌症的发生，如促肿瘤生长因子IGF2基因过度表达引发大肠癌。在特定组织中，非甲基化基因表达,甲基化基因不表达,基因选择性的去甲基化形成特异的组织类型。DNA甲基化不仅与染色质重构、转录抑制密切相关, 而且与疾病的易感性、发生发展、预后和转归均

4、有密切关系。多种肿瘤的发生都涉及到基因组甲基化的改变, 包括抑癌基因的高/新甲基化和癌基因的低/去甲基化。脊椎动物基因的甲基化状态有3种：持续的低甲基化状态，如管家基因；去甲基化状态，如发育阶段中的一些基因；高度甲基化状态，如女性的一条失活的X染色体。DNA甲基化DNA甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则可诱导基因的重新活化和表达。甲基化的主要形式有5-甲基胞嘧啶，N6-甲基腺嘌呤和7-甲基鸟嘌呤。原核生物中CCA/TGG 和GATC 常被甲基化，而真核生物中甲基化仅发生于胞嘧啶上。DNA的甲基化是在DNA甲基化转移酶（DNMTs）的作用下使CpG 二核苷酸5端的胞嘧啶转变为5-甲基胞嘧啶，

5、这种DNA修饰方式并没有改变基因序列，但它由此调控了基因的表达。DNA甲基化通常是指胞嘧啶（C） 5位碳原子的甲基化（m5C）。m5C存在于5CpG3二核苷酸回文结构中,CpG二核苷酸在人类基因组中只占10% ,其中70%80%呈甲基化状态。非甲基化CpG二核苷酸主要存在于位于CpG富集区即CpG岛（CpG islands），长约几百至几千bp、GC含量达55以上、在进化中很保守。真核生物基因组中存在着广泛的甲基化，DNA甲基化主要发生在CpG岛上，其作用是导致基因的表达受到抑制而沉默。 CpG 岛DNA甲基化所致基因沉默是表观遗传学（epigenetics） 的主要改变之一。DNA 甲基化及

6、CpG 岛(一) 全基因组范围CpG岛DNA甲基化分析采用甲基化敏感或/和甲基化不敏感的酶（同裂酶）进行全基因组DNA范围内的酶切，在基因组消化产物的两端加上特异性的接头，然后以PCR扩增来筛选甲基化和未甲基化的CpG岛片段。(二) 位点特异性甲基化分析目前多采用亚硫酸氢盐作前期的基因组DNA预处理。亚硫酸氢盐修饰是众多序列特异性甲基化检测方法的基础。胞嘧啶（C）与亚硫酸氢钠的反应可以迅速鉴别出以任何序列存在的5mC，修饰后单链DNA中的C通过磺酸基作用脱氨基形成U，而CmG不变。（三）新甲基化位点的寻找DNA甲基化研究方法组蛋白转录后的修饰，包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化、ADP-核糖基

7、化等，形成了复杂的组蛋白密码（histone code），或“表观遗传学分子记忆”（epigenetic molecular memory），可以被不同细胞因子识别和在亲子代间传递。它们都是组蛋白密码的基本元素，共同参与了基因表达调控。研究发现组蛋白H3 N端的赖氨酸4（H3-K4）甲基化与基因表达的活化相关，主要存在于活化基因的启动子区；而组蛋白H3 N端赖氨酸9甲基化（H3-K9）甲基化则直接导致了中心粒周围异染色质DNA的甲基化，参与基因沉默。表观遗传学尤其是组蛋白乙酰化修饰的深入研究对于更好地认识肿瘤发生机制和临床选择潜在的药物靶点具有重要价值。在真核基因中，组蛋白会发生多种共价修饰，

8、其中组蛋白的甲基化在表观遗传学中起重要作用。不同的甲基化位点产生不同的作用机理，组蛋白H3K9的甲基化与异染色质形成、基因沉默有关；组蛋白H3K4的甲基化与基因转录激活有关；组蛋白H3K36的甲基化与RNAP 11有一定的关系。最近首次报道了组蛋白甲基化的可逆性，并发现组蛋白去甲基酶:LSD1和含有Jmjc域的组蛋白去甲基酶。这些去甲基酶可使不同程度甲基化的组蛋白H3K4，K9，K36去甲基化，同时与基因转录存在联系。组蛋白的甲基化组蛋白乙酰化修饰是基因表观转录调控的重要机制，组蛋白翻译后修饰所引起的染色质结构重塑在真核生物基因表达调控中发挥着重要的作用，组蛋白乙酰化主要由组蛋白乙酰化酶（hi

9、stone acetylases, HATs)和组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylases, HDACs) 催化完成。HATs通过在组蛋白赖氨酸残基乙酰化,激活特定基因的转录；而HDACs使组蛋白去乙酰化，使基因启动子不易接近转录调控元件，抑制基因转录。组蛋白乙酰化和去乙酰化与基因的表达调控密切相关。HATs和HDACs 之间的动态平衡控制着染色质的结构和基因的表达，组蛋白乙酰化状态的失衡与肿瘤发生密切相关。组蛋白的乙酰化 RNA干扰的作用机制 长片段dsRNA在细胞内被型RNA酶Dicer切成长度大约为19-23nt的小片段干扰 RNA (small interfering

10、RNA，siRNA)，由siRNA参与构成复合物RISC(RNA-induced silence complex)。siRNA通过与同源mRNA的特异配对，引导RISC特异地降解同源mRNA，导致基因表达的抑制。因此小片段的siRNA也可以诱导高效的基因沉默。RNA 沉默大多数哺乳动物的基因组序列高度保守，而这些保守区域之间多见非编码RNA产物，可能在基因表达调控中起作用，包括非编码RNA、功能性RNA、小RNA（microRNA）、小干扰RNA （siRNA）、小核RNA （snRNA,包括剪切体RNAs）和小核小体RNA （snoRNA，已知一些snoRNAs参与rRNA修饰）。RNA介导

11、的表观遗传学调控机制主要指序列特异性的RNA降解和RNA指导的DNA甲基化，其主要作用在于参与宿主对病原体的防御功能。RNA以反义转录、非编码RNA、RNA干扰的形式发挥作用，也可以形成异染色质导致有丝分裂水平的可遗传的转录基因沉默（TGS）。如反义RNAs同一些哺乳动物印迹基因沉默有关。此外，RNA在转录后基因沉默（PTGS）中的作用也受到关注，因此认为，RNA可能是导致组蛋白修饰（如H3-K9甲基化）、DNA特异性位点的甲基化（如中心粒周围的异染色质）的直接触发因素，从而引起了稳定的可遗传的基因沉默。作为遗传学水平上的改变，非编码RNAs在人类疾病的表观遗传学致病机制中的作用将引起越来越高

12、的重视。RNA干扰的应用 研究基因功能的新工具； 病毒性疾病的治疗； 遗传性疾病的治疗； 肿瘤病的治疗染色质的基本单位为核小体，核小体中部是由四种组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）各两个分子构成的八聚体核心。染色质重塑（remodeling）指染色质位置和结构的变化。主要涉及密集的染色质丝在核小体连接处发生松解造成染色质解压缩，从而暴露基因转录启动子区中的顺式作用元件，为反式作用蛋白（转录因子）与之结合提供了一种称为可接近性（accessibility ）的状态。这一过程由两类结构介导：ATP 依赖型核小体重塑复合体和组蛋白修饰复合体。前者通过水解作用改变核小体构型；后者对核心组蛋白N端尾部的