DNA甲基化与癌症的发生教学讲义课件

DNA甲基化与癌症的发生DNA甲基化与癌症的发生1癌症癌症是医学术语，其为最常见的恶性肿瘤，但也有人将癌症和恶性肿瘤混合使用，由控制细胞分裂增殖机制失常而引起的疾病癌症癌症是医学术语，其为最常见的恶性肿瘤，但也有人将癌症和恶2癌症之首第一肺癌第二肝癌第三胃癌第四食道癌（食管癌）第五结直肠癌第六宫颈癌第七乳腺癌第八鼻咽癌第九白血病（血癌）第十淋巴瘤（淋巴癌）癌症之首第一肺癌3DNA甲基化与癌症的发生教学讲义课件4DNA甲基化与癌症的发生教学讲义课件5DNA甲基化与癌症的发生教学讲义课件6转座子转座子（Transposon），又名转位子、跳跃基因是一类DNA序列，它们能够在基因组中通过转录或逆转录，在内切酶的作用下，在其他基因座上出现。转座子转座子（Transposon），又名转位子、跳跃基因是7表观遗传表观遗传(epigenetic)是指在DNA序列不发生改变的情况，基因的表达水平或功能发生改变，并产生可遗传的表型。表观遗传的改变不仅可以遗传，而且还是可逆的，正是这一特性使之成为一种新的治疗靶点。表观遗传表观遗传(epigenetic)是指在DNA序列不发8表观遗传与DNA甲基化由于DNA甲基化与人类发育和肿瘤疾病的密切关系，特别是CpG岛甲基化所致抑癌基因转录失活问题，DNA甲基化已经成为表观遗传学和表观基因组学的重要研究内容。表观遗传与DNA甲基化由于DNA甲基化与人类发育和肿瘤疾病的9DNA甲基化DNA甲基化是指在DNA甲基转移酶(DNAmethyltransferases,DNMTs)的作用下，以S一腺普甲硫氨酸(SAM)为甲基供体，将甲基转移到特定的碱基上形成5一甲基胞pwpi}(5-mC)的过程。在哺乳动物体内，5-mC通常发生在5'-CpG-3'(cytosine-phosphate-guanine,CpG)二联核普酸上[7]。除此之外，研究人员在5'-CpNpG-3‘和5'-CpCpWpGpG-3‘等非CG位点也发现了甲基化[8]。DNA甲基化DNA甲基化是指在DNA甲基转移酶(DN10DNA甲基化DNA甲基化11不同生物的DNA甲基化不同生物的DNA甲基化12总体概况总体概况13DNA的CpC岛.

DNA甲基化是重要的表观遗传修饰，主要发生在DNA的CpC岛.CpG表示核苷酸对。哺乳动物中，CpG序列在基因组中出现的频率仅有1%，远低于基因组中的其它双核苷酸序列。但在基因组的某些区域中，CpG序列密度很高，可以达均值的5倍以上，成为鸟嘌呤和胞嘧啶的富集区，形成所谓的CpG岛[5]DNA的CpC岛.

DNA甲基化是重要的表观遗传修饰，主要发14DNA低甲基化与癌症

基因组DNA的低甲基化(hypomethylation)是癌细胞表观遗传的重大改变之一[}zu。研究发现，癌细胞的低甲基化水平主要是由于DNA重复序列的低甲基化以及基因编码区和外显子的去甲基化所致。一些常见的重复序列，如LINE,Alu等，在多种癌症中存在低甲基化的现象[22-23]。一方面可能通过影响染色体的稳定性，造成癌细胞中常见的染色体异常[[24];另一方面通过激活原癌基因(如Ras,叼yc,HOXll等)的表达，从而促进肿瘤的发生[[25]DNA低甲基化与癌症

15DNA甲基化与癌症的发生教学讲义课件16DNA低甲基化与癌症2.1特定基因的甲基化水平降低2.2基因组范围整体DNA甲基化的降低2.2.2影响重复序列的表达DNA低甲基化与癌症2.117DNA超甲基化

启动子区CpG岛特异性位点的超甲基化((hypermethylation)

是癌细胞的另一个重要表观遗传改变。一般情况下，细胞的CpG岛大多处于非甲基化状态。研究发现，在癌细胞中某些抑癌基因的启动子区的CpG岛通常发生甲基化，引起抑癌基因的表观沉默，进而导致细胞周期调控紊乱，促进肿瘤的发生发展[}zs}。迄今为止，已有大量的基因被报道在癌细胞中存在高甲基化现象，DNA超甲基化18DNA甲基化与癌症的发生教学讲义课件19DNA超甲基化1.1逃避细胞死亡1.2对生长抑制信号不敏感1.3诱导新血管生成1.4无限的复制潜能1.5组织的浸润和转移1.6持续的增殖信号1.7microRNA的高甲基化与癌症DNA超甲基化1.120microRNA的高甲基化与癌症microRNA(miRNA)是细胞内一种重要的非编码RNA，其功能主要是通过与mRNA的3'UTR序列互补结合而抑制mRNA的翻译.miRNA在调节细胞内的蛋白质表达水平过程中发挥重要的作用.己microRNA的高甲基化与癌症microRNA(m21DNA甲基化导致基因失活的主要机制主流的意见强调二点假设:y)基因启动子区域高度甲基化，使得基因转录因子不能结合到该区域.(z)高度甲基化的启动子区域与组蛋白的乙酞化状态有关.DNA甲基化导致基因失活的主要机制主流的意见强调二点假设:y22DNA甲基化与癌症的发生教学讲义课件23DNA甲基化与癌症的关系应用意义:癌症早期诊断的生物标记癌症治疗的新靶点DNA甲基化与癌症的关系应用意义:24癌症治疗的新靶点目前，临床上DNA甲基化用于癌

症治疗主要是以DNA甲基转移酶

(DNAmethyltransferase,DNMT)为

靶点，通过抑制DNA甲基转移酶

活性实现DNA去甲基化。其中，最为常见的药物主要是胞

pwPj}类似物，如5-氮杂胞嚓陡核

普(5-azacytidine,5-Aza-CR)和5一

脱

氧氮杂胞普(5-aza-2-deoxycitidine,

5-Aza-CdR)。这两种药物。癌症治疗的新靶点目前，临床上DNA甲基化用于癌25展望随着研究的不断深入，越来越多的证据表明:表观遗传修饰与癌症的发生发展有着密切的关系。DNA甲基化作为重要的表观遗传修饰在临床应用上具有重大价值。以DNA甲基化为基础的分子生物标记在癌症的早期诊断、治疗以及预后评估中都具有临床参考意义。展望26再次展望近年来，对于癌症表观基因组的研究将更加有利于DNA甲基化作为生物标记在临床上的应用。不仅如此，表观基因组的研究也有利于表观分子靶向药物的设计，进而使表观治疗更具有特异性，减轻毒副作用。因此，有关癌症表观遗传沉默的发生及维持的分子机制的基础研究对于癌症的预防及治疗都具有十分重要的指导意义。再次展望近年来，对于癌症表观基因组的研究将更加有利于DNA甲27参考文献参考文献28谢谢谢谢29中国理论化学的发展

中国化学界就开始应用量子力学讨论分子结构始于20世纪20年代末。而实际上,比较系统地广泛地研究量子化学是从1949年10月后逐步开展的。著名中国理论化学研究的开拓者唐敖庆教授对中国的量化事业做出了巨大贡献:双电子波函数计算法最优键函数计算法和计算函数的矩阵方法又将杂化轨道理论中群论分析方法推广到f轨道双中心球坐标展开公式和双中心椭圆坐标展开公式中国理论化学的发展 中国化学界就开始应用量子力学讨论分子结构30其它著名的量化工作者也作出了杰出的贡献：徐光宪先生研究了分子旋光的问题，并同赵深讨论了键能加和性规律的偏差及其校正方法；他提出了一种计算无机含氧酸分子的结构和PH值的方法及建议一种新的电子能级分组法；邓从豪先生建议用一种势函数对双原子分子振动光谱进行研究；刘若庄利用双中心球坐标展开公式计算了水分子间氢键的键能；苟清泉用变分波函数计算氦原子的基态能量；钱人元、李世缙讨论了化学键和原子电负性关系。其它著名的量化工作者也作出了杰出的贡献：31

进入60年代，中国在配位场理论和分子轨道理论等领域取得了较快的进展。 到了80年代，量子化学大普及，各种量子化学计算程序着手建立，计算机大量使用，量子化学得到很大的发展，并且向实用方面普及。 在第九届全国量子化学学术会议中，又涌现出不少的优秀人才，并发表了大批高质量的文章。被采用最多的方法仍是密度泛函理论，但在这次会议中，也有学者对现有方法作出了一些改进。 进入60年代，中国在配位场理论和分子轨道理论等领域取得了较32 引起研究者广泛兴趣的是在对大体系的研究中，如何通过适当的改进在减少计算量的同时，还可以得到可靠的计算结果，如：

1．南京大学化学化工学院，理论与计算化学研究所李伟等所写的“大分子的Hartree-Fock计算的局域分子轨道组装方法”一文。他们在这篇文章中提出把目标大分子分解成许多小尺寸分子片断，然后对这些子体系进行传统的Hartree-Fock计算，并用Boys局域化方法得到局域分子轨道，再通过组装这些子体系的局域轨道得到目标大分子局域分子轨道。其测试结果表明这种方法能达到较好的精度，和传统的Hartree-Fock方法相比，体系总能量误差只在几个milliHatree左右。 引起研究者广泛兴趣的是在对大体系的研究中，如何通过适当的改332.北京大学化学学院，稀土材料化学及应用国家重点实验室胡向前等所写的“局部含重金属大体系的分区密度泛函计算方法”文章。他们结合了相对论-非相对论混合计算方法和分区密度泛函计算方法来减小局部含重元素体系的计算量，得到局部含重金属大体系的分区密度泛函计算方法。他们提出将包含相对论效应显著的重元素及其邻近一至两层原子的区域划出来，根据需要进行二分量或标量近似相对论密度泛函计算，而对只含轻元素的区域进行非相对论密度泛函计算。结果表时，和对体系整体进行两分量近似相对论密度泛函计算相比，体系总能量的差别只在0.001au以下。2.北京大学化学学院，稀土材料化学及应用国家重点实验室胡343.中国科学院化学研究所有机固体实验室的李清旭等写的“电子结构计算中的低标度方法”一文中把半经验的PPP模型与定域关联不平上的单激发组态相互作用方法结合在一起，减少了计算复杂性，并得到了线性标度。3.中国科学院化学研究所有机固体实验室的李清旭等写的“电子35此外，还有一些处理特殊体系的理论方法，如：1.厦门大学化学系，固体表面物理化学国家重点实验室，理论化学研究中心的吴玮等写的“VBPCM：基于可极化连续介质模型的价键方法”中将自洽反应场（SCRF）模型中的可极化连续介质模型（PCM）和价键理论结合，发展了可考虑溶剂化效应的价键理论方法―――VBPCM。它不仅可以计算出溶液中体系的总能量，还可以计算出溶液中单个价键结构的能量及其贡献。并且这种方法可以在从头算价键水平上研究溶液中的化学反应，并结合价键态相关图（VBSCD）对反应机理进行深入的讨论。此外，还有一些处理特殊体系的理论方法，如：1.厦门大学化学362.香港大学化学系陈冠华组报导了“开放电子体系的第一性原理方法”，通过引进一个新的相应于系统与环境间耗散相互作用的泛函，发展了一套适用于开放体系的含时密度泛函理论形式。2.香港大学化学系陈冠华组报导了“开放电子体系的第一性原理37

同时，在这次会议中所投的文章涉及的范围非广，理论方法的应用主要体现在下几点：1．催化过程和机理、微观反应动力学和动态学等分子动力学的模拟（如：亲电加成反应机理，水解反应机理，光反应机理，吸附原理，自由基反应机理，掺杂机理，氢化反应机理，异构化机理，中间体理论，非平衡溶剂化，质子转移等）2．物质形态的电子结构和能带结构的研究如：抗癌性钌（Ⅱ）异构配合物，铍掺杂碳团簇，掺镧六硼化钙，C20H3自由基，富勒烯二聚体，螺旋结构双芴基噻吩齐聚物，） 同时，在这次会议中所投的文章涉及的范围非广，理论方法的应用383．光学性质的研究(如：金属团簇AgnAun，GaN，EuB6,配合物[Ru(tcterpy)(NCS)3]4-,actinide－(Ⅲ)texaphyrins,苯并呋喃三聚物，配位水在Zn，Cd吡喧基咪唑配合物，杂环共轭体系，金属铱(Ⅲ)苯基吡啶配合物及其衍生物，B2Cn+团簇，荧光有机物分子，芴与硒吩均聚合物和芴与噻吩均聚合物，半导体纳米晶体)4．非线性光学性质的研究（如：电子化物，卟啉衍生物，王冠型Li3-N3-Be原子团簇，芳环取代酞菁，白屈菜氨酸铜配合物，三取你三均三嗪类分子，一类异核金属簇合物，金属五核平面开口簇合物，多面体低聚物金属钛硅烷，多硼烷分子异构体，金属Rh配合物,过度金属体系等）3．光学性质的研究(如：金属团簇AgnAun，GaN，EuB395．磁性的研究（如：Fe-Al团簇，Mn2和Mn2+,聚合物{[CuⅡ(Hpb)(mal)]H2O}n，三核Cu体系）6．功能材料和纳米材料的结构与性能的理论研究和材料设计7．量子化学和计算机模拟在化学、生命科学和材料科学等相关领域的应用8．相关谱学的计算9.核磁的研究计算机模拟包括：小分子、大分子、生物分子、团簇、固体及其表面5．磁性的研究（如：Fe-Al团簇，Mn2和Mn2+,聚合40 量子化学的计算结果可以阐明和补充某些实验结果，揭示微观结构与宏观性质的内在联系，为分子设计开辟了方向，可根据人们的要求设计新分子、新材料、新品种。目前出现的设计有高分子设计、药物设计和催化设计等。 量子化学的计算结果可以阐明和补充某些实验结果，揭示微观结构41DNA甲基化与癌症的发生DNA甲基化与癌症的发生42癌症癌症是医学术语，其为最常见的恶性肿瘤，但也有人将癌症和恶性肿瘤混合使用，由控制细胞分裂增殖机制失常而引起的疾病癌症癌症是医学术语，其为最常见的恶性肿瘤，但也有人将癌症和恶43癌症之首第一肺癌第二肝癌第三胃癌第四食道癌（食管癌）第五结直肠癌第六宫颈癌第七乳腺癌第八鼻咽癌第九白血病（血癌）第十淋巴瘤（淋巴癌）癌症之首第一肺癌44DNA甲基化与癌症的发生教学讲义课件45DNA甲基化与癌症的发生教学讲义课件46DNA甲基化与癌症的发生教学讲义课件47转座子转座子（Transposon），又名转位子、跳跃基因是一类DNA序列，它们能够在基因组中通过转录或逆转录，在内切酶的作用下，在其他基因座上出现。转座子转座子（Transposon），又名转位子、跳跃基因是48表观遗传表观遗传(epigenetic)是指在DNA序列不发生改变的情况，基因的表达水平或功能发生改变，并产生可遗传的表型。表观遗传的改变不仅可以遗传，而且还是可逆的，正是这一特性使之成为一种新的治疗靶点。表观遗传表观遗传(epigenetic)是指在DNA序列不发49表观遗传与DNA甲基化由于DNA甲基化与人类发育和肿瘤疾病的密切关系，特别是CpG岛甲基化所致抑癌基因转录失活问题，DNA甲基化已经成为表观遗传学和表观基因组学的重要研究内容。表观遗传与DNA甲基化由于DNA甲基化与人类发育和肿瘤疾病的50DNA甲基化DNA甲基化是指在DNA甲基转移酶(DNAmethyltransferases,DNMTs)的作用下，以S一腺普甲硫氨酸(SAM)为甲基供体，将甲基转移到特定的碱基上形成5一甲基胞pwpi}(5-mC)的过程。在哺乳动物体内，5-mC通常发生在5'-CpG-3'(cytosine-phosphate-guanine,CpG)二联核普酸上[7]。除此之外，研究人员在5'-CpNpG-3‘和5'-CpCpWpGpG-3‘等非CG位点也发现了甲基化[8]。DNA甲基化DNA甲基化是指在DNA甲基转移酶(DN51DNA甲基化DNA甲基化52不同生物的DNA甲基化不同生物的DNA甲基化53总体概况总体概况54DNA的CpC岛.

DNA甲基化是重要的表观遗传修饰，主要发生在DNA的CpC岛.CpG表示核苷酸对。哺乳动物中，CpG序列在基因组中出现的频率仅有1%，远低于基因组中的其它双核苷酸序列。但在基因组的某些区域中，CpG序列密度很高，可以达均值的5倍以上，成为鸟嘌呤和胞嘧啶的富集区，形成所谓的CpG岛[5]DNA的CpC岛.

DNA甲基化是重要的表观遗传修饰，主要发55DNA低甲基化与癌症

基因组DNA的低甲基化(hypomethylation)是癌细胞表观遗传的重大改变之一[}zu。研究发现，癌细胞的低甲基化水平主要是由于DNA重复序列的低甲基化以及基因编码区和外显子的去甲基化所致。一些常见的重复序列，如LINE,Alu等，在多种癌症中存在低甲基化的现象[22-23]。一方面可能通过影响染色体的稳定性，造成癌细胞中常见的染色体异常[[24];另一方面通过激活原癌基因(如Ras,叼yc,HOXll等)的表达，从而促进肿瘤的发生[[25]DNA低甲基化与癌症

56DNA甲基化与癌症的发生教学讲义课件57DNA低甲基化与癌症2.1特定基因的甲基化水平降低2.2基因组范围整体DNA甲基化的降低2.2.2影响重复序列的表达DNA低甲基化与癌症2.158DNA超甲基化

启动子区CpG岛特异性位点的超甲基化((hypermethylation)

是癌细胞的另一个重要表观遗传改变。一般情况下，细胞的CpG岛大多处于非甲基化状态。研究发现，在癌细胞中某些抑癌基因的启动子区的CpG岛通常发生甲基化，引起抑癌基因的表观沉默，进而导致细胞周期调控紊乱，促进肿瘤的发生发展[}zs}。迄今为止，已有大量的基因被报道在癌细胞中存在高甲基化现象，DNA超甲基化59DNA甲基化与癌症的发生教学讲义课件60DNA超甲基化1.1逃避细胞死亡1.2对生长抑制信号不敏感1.3诱导新血管生成1.4无限的复制潜能1.5组织的浸润和转移1.6持续的增殖信号1.7microRNA的高甲基化与癌症DNA超甲基化1.161microRNA的高甲基化与癌症microRNA(miRNA)是细胞内一种重要的非编码RNA，其功能主要是通过与mRNA的3'UTR序列互补结合而抑制mRNA的翻译.miRNA在调节细胞内的蛋白质表达水平过程中发挥重要的作用.己microRNA的高甲基化与癌症microRNA(m62DNA甲基化导致基因失活的主要机制主流的意见强调二点假设:y)基因启动子区域高度甲基化，使得基因转录因子不能结合到该区域.(z)高度甲基化的启动子区域与组蛋白的乙酞化状态有关.DNA甲基化导致基因失活的主要机制主流的意见强调二点假设:y63DNA甲基化与癌症的发生教学讲义课件64DNA甲基化与癌症的关系应用意义:癌症早期诊断的生物标记癌症治疗的新靶点DNA甲基化与癌症的关系应用意义:65癌症治疗的新靶点目前，临床上DNA甲基化用于癌

症治疗主要是以DNA甲基转移酶

(DNAmethyltransferase,DNMT)为

靶点，通过抑制DNA甲基转移酶

活性实现DNA去甲基化。其中，最为常见的药物主要是胞

pwPj}类似物，如5-氮杂胞嚓陡核

普(5-azacytidine,5-Aza-CR)和5一

脱

氧氮杂胞普(5-aza-2-deoxycitidine,

5-Aza-CdR)。这两种药物。癌症治疗的新靶点目前，临床上DNA甲基化用于癌66展望随着研究的不断深入，越来越多的证据表明:表观遗传修饰与癌症的发生发展有着密切的关系。DNA甲基化作为重要的表观遗传修饰在临床应用上具有重大价值。以DNA甲基化为基础的分子生物标记在癌症的早期诊断、治疗以及预后评估中都具有临床参考意义。展望67再次展望近年来，对于癌症表观基因组的研究将更加有利于DNA甲基化作为生物标记在临床上的应用。不仅如此，表观基因组的研究也有利于表观分子靶向药物的设计，进而使表观治疗更具有特异性，减轻毒副作用。因此，有关癌症表观遗传沉默的发生及维持的分子机制的基础研究对于癌症的预防及治疗都具有十分重要的指导意义。再次展望近年来，对于癌症表观基因组的研究将更加有利于DNA甲68参考文献参考文献69谢谢谢谢70中国理论化学的发展

中国化学界就开始应用量子力学讨论分子结构始于20世纪20年代末。而实际上,比较系统地广泛地研究量子化学是从1949年10月后逐步开展的。著名中国理论化学研究的开拓者唐敖庆教授对中国的量化事业做出了巨大贡献:双电子波函数计算法最优键函数计算法和计算函数的矩阵方法又将杂化轨道理论中群论分析方法推广到f轨道双中心球坐标展开公式和双中心椭圆坐标展开公式中国理论化学的发展 中国化学界就开始应用量子力学讨论分子结构71其它著名的量化工作者也作出了杰出的贡献：徐光宪先生研究了分子旋光的问题，并同赵深讨论了键能加和性规律的偏差及其校正方法；他提出了一种计算无机含氧酸分子的结构和PH值的方法及建议一种新的电子能级分组法；邓从豪先生建议用一种势函数对双原子分子振动光谱进行研究；刘若庄利用双中心球坐标展开公式计算了水分子间氢键的键能；苟清泉用变分波函数计算氦原子的基态能量；钱人元、李世缙讨论了化学键和原子电负性关系。其它著名的量化工作者也作出了杰出的贡献：72

进入60年代，中国在配位场理论和分子轨道理论等领域取得了较快的进展。 到了80年代，量子化学大普及，各种量子化学计算程序着手建立，计算机大量使用，量子化学得到很大的发展，并且向实用方面普及。 在第九届全国量子化学学术会议中，又涌现出不少的优秀人才，并发表了大批高质量的文章。被采用最多的方法仍是密度泛函理论，但在这次会议中，也有学者对现有方法作出了一些改进。 进入60年代，中国在配位场理论和分子轨道理论等领域取得了较73 引起研究者广泛兴趣的是在对大体系的研究中，如何通过适当的改进在减少计算量的同时，还可以得到可靠的计算结果，如：

1．南京大学化学化工学院，理论与计算化学研究所李伟等所写的“大分子的Hartree-Fock计算的局域分子轨道组装方法”一文。他们在这篇文章中提出把目标大分子分解成许多小尺寸分子片断，然后对这些子体系进行传统的Hartree-Fock计算，并用Boys局域化方法得到局域分子轨道，再通过组装这些子体系的局域轨道得到目标大分子局域分子轨道。其测试结果表明这种方法能达到较好的精度，和传统的Hartree-Fock方法相比，体系总能量误差只在几个milliHatree左右。 引起研究者广泛兴趣的是在对大体系的研究中，如何通过适当的改742.北京大学化学学院，稀土材料化学及应用国家重点实验室胡向前等所写的“局部含重金属大体系的分区密度泛函计算方法”文章。他们结合了相对论-非相对论混合计算方法和分区密度泛函计算方法来减小局部含重元素体系的计算量，得到局部含重金属大体系的分区密度泛函计算方法。他们提出将包含相对论效应显著的重元素及其邻近一至两层原子的区域划出来，根据需要进行二分量或标量近似相对论密度泛函计算，而对只含轻元素的区域进行非相对论密度泛函计算。结果表时，和对体系整体进行两分量近似相对论密度泛函计算相比，体系总能量的差别只在0.001au以下。2.北京大学化学学院，稀土材料化学及应用国家重点实验室胡753.中国科学院化学研究所有机固体实验室的李清旭等写的“电子结构计算中的低标度方法”一文中把半经验的PPP模型与定域关联不平上的单激发组态相互作用方法结合在一起，减少了计算复杂性，并得到了线性标度。3.中国科学院化学研究所有机固体实验室的李清旭等写的“电子76此外，还有一些处理特殊体系的理论方法，如：1.厦门大学化学系，固体表面物理化学国家重点实验室，理论化学研究中心的吴玮等写的“VBPCM：基于可极化连续介质模型的价键方法”中将自洽反应场（SCRF）模型中的可极化连续介质模型（PCM）和价键理论结合，发展了可考虑溶剂化效应的价键理论方法―――VBPCM。它不仅可以计算出溶液中体系的总能量，还可以计算出溶