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文档简介
什么是表观遗传?2.表观遗传是研究什么的?3.表观遗传和传统的遗传是什么关系?4.基因表达的转录调控什么是表观遗传?1小结表观遗传的主要形式是:DNAmethylation,histonemodifications,andnon-codingRNAs表观遗传与遗传的关系:1。直接修饰DNA而控制基因表达2。通过修饰组蛋白来调节染色体的重塑来控制基因表达3。ncRNAs降解mRNA或者阻断mRNA的翻译遗传(DNA)是根本,表观遗传是通过调控基因的表达来显示它的作用的,是对中心法则的重要补充。意义:表观遗传的异常,会导致基因的异常表达,导致染色体的结构的改变,从而导致错综负责的各类疾病。与DNA突变不同,许多表观遗传修饰是可逆的,这就为疾病的治疗带来乐观的前景小结表观遗传的主要形式是:DNAmethylation,2表观遗传的定义Epigeneticsisreferredtoheritabletraits(overroundsofcelldivisionandsometimestransgenerationally)thatdonotinvolvechangestotheunderlyingDNAsequence.在DNA序列没有改变的情况下,基因的功能生了可遗传的变化,并最终导致了表型的变化。这一术语最早是
C.H.Waddington在1939首次提出的。RubinHoliday在1975进一步完善了表观遗传的内容。1996年,HermanJG和BaylinSB首次检测到了抑癌基因启动子DNA被甲基化。标志着表观遗传从描述进入了实验,从宏观进入了分子时代。表观遗传的定义Epigeneticsisreferred3表观遗传的形式:1.DNA甲基化(methylation)2.组蛋白的修饰(Histonemodifications),最常见的修饰是乙酰化,甲基化,磷酸化。Histonecode3.非编码RNAs。目前研究最多是microRNA,longnon-codingRNA,circularRNA4.PrionsNote:DNA甲基化和组蛋白修饰是可逆的,与上面相对应的逆过程分别是:去甲基化,去乙酰话,去磷酸化。。。。。表观遗传的形式:1.DNA甲基化(methylation4表观遗传的主要研究内容1.DNA甲基化对基因表达的影响(正常发育和病变)2.组蛋白的修饰对基因表达的影响3.X染色体的失活4.基因印记(gene
imprinting)5.细胞的重编程-多能干细胞的诱导和分化表观遗传的主要研究内容1.DNA甲基化对基因表达的影响5获得性可以遗传--拉马克与达尔文之争拉马克学说:用进废退和获得性可遗传。例如:长颈鹿的脖子长是因为祖祖辈辈伸长脖子够树叶吃导致的。该学说暗示了表观遗传对性状的决定作用达尔文学说:自然选择,适者生存。长颈鹿的脖子长是因为短脖子的都饿死了。该学说暗示了基因决定性状。获得性可以遗传--拉马克与达尔文之争拉马克学说:用进废退和获6现代遗传学孟德尔中心法则DNA是遗传物质基因是遗传的基本单位基因决定形状摩尔根的果蝇孟德尔的豌豆现代遗传学孟德尔中心法则DNA是遗传物质摩尔根的果蝇孟德尔7达尔文完胜拉马克现代遗传学的建立奠定了达尔文的现代生物学之父的地位.获得性可遗传的假说被送进了“shadow”(在前苏联例外)为什么表观遗传现在受到如此地关注了呢?表观遗传扩大化的后果:李森科达尔文完胜拉马克现代遗传学的建立奠定了达尔文的现代生物学之父8GenetictagsarepasseddownthroughgenerationsWhenthezygoteisformedmanyepigenetictagsareremovedfromthechromosomesoftheparents,butsomeremain
获得性可以遗传Genetictagsarepasseddownt9Studiesinthefieldofepigeneticsshowsthatparent’sexperiencesarepassedontooffspringthroughepigenetictagsCellMetab.
2016Feb16.PaternalPsychologicalStressReprogramsHepaticGluconeogenesisinOffspring.Studiesinthefieldofepigen10EnvironmentalFactorsThenutritionofthemothercanaffecttheepigenomeofafetusStresshormonesalsotravelfromthemothertoafetustoaffecttheepigenomeStress,socialinteractions,physicalactivity,exposuretotoxinsanddietaremajorfactorsthataffecttheepigenome
胎教的理论依据EnvironmentalFactorsThenutri11人类基因组计划(1990-2000)结果是充满了惊奇和困惑:只有大约2,2000基因(在变化中),编码区域仅占整个基因组的2%。
那98%(主要是高度重复序列和一些非编码RNA)的作用是什么?2,2000个基因(和老鼠的基因数量差不多)却能编码一个人?这是一项宏伟的计划,对生物学的研究具有划时代的意义。也充满了期待,认为将对很多人类疾病做出最终的解释和提供治疗线索。人类基因组计划(1990-2000)结果是充满了惊奇和困惑:12近年来,各大疾病例如癌症,糖尿病等都成上升趋势,为什么?营养(地沟油,三聚氰胺,各种添加剂,化肥农药的不当等),环境污染等外界因素新老问题的困惑老问题新问题易感人群:家族性遗传缺陷携带者患病的几率不同,病征也有所不同X染色体的失活一些综合症在DNA序列上找不到证据和解释同卵双胞胎的表型差异近年来,各大疾病例如癌症,糖尿病等都成上升趋势,为什么?新老13IdenticalTwins
aredifferentIdenticaltwinsarefromthesamezygote,sotheybeginlifewiththesamegeneticinformation,includingepigenetictagsWhileinfantstheyexperiencethesameorverysimilarenvironments,sothereislittlevariationintheepigenomeOvertimethetwins’environmentswilldiverge,resultinginindividualepigenetictagstoformforeachtwinIdenticalTwinsaredifferentI14
Thedifferenceinthetwins’epigenomesiswhatmakesthembecomedifferentwhentheyareolderTheepigenetictagscanhavesuchaneffectonthetwinsthatonecandevelopadiseasewhiletheotherisfineWhenthissituationoccurs,researcherswilltrytopinpointtheenvironmentalfactorsthatareresponsibleforthediseaseThedifferenceinthetwins’15Pubmedsearchforepigeneticspapers1964-2011共发表文章6500多篇1964-20018653659522002-20062007-20131966-2013
发表的综述2338篇1966-20012002-20062007-493361942Pubmedsearchforepigenetics16-恶性肿瘤发生发展的表观遗传机制,2011-肺癌发生发展的表观遗传机制,2011-前列腺癌的发生发展的表观遗传机制,2012-若干项关于细胞重新编程和多能干细胞诱导的项目N多个国家科委973重大研究计划:国家自然基金委-2011年141项-2010年109项-2009年101项批准的关于表观遗传的研究的申请-恶性肿瘤发生发展的表观遗传机制,2011国家科委973重大171.近10年,对于表观遗传的研究成爆炸式上升2.国家也投入了很多经费资助表观遗传的研究3.表观遗传对很多种常见疾病的发生具有重要作用Epiprofessors表观遗传热已经蔚然成风!1.近10年,对于表观遗传的研究成爆炸式上升Epiprofe18Type2diabetesacrossgenerations:frompathophysiologytopreventionandmanagement.Lancet.2011Jul9;378(9786):169-81.Geneticsandepigeneticsinthefibrogenicevolutionofchronicliverdiseases.BestPractResClinGastroenterol.2011Apr;25(2):269-80.Epigeneticderegulationinrheumatoidarthritis.AdvExpMedBiol.2011;711:137-49.Anewepigeneticchallenge:systemiclupuserythematosus.AdvExpMedBiol.2011;711:117-36.Doesgenomicimprintingplayaroleinautoimmunity?AdvExpMedBiol.2011;711:103-16.EpigeneticcodesofPPARγinmetabolicdisease.FEBSLett.2011Jul7;585(13):2121-8.Cancerepigeneticsandtargetedtherapies.Oncology(WillistonPark).2011Mar;25(3):228,231.Epigenetics,spermatogenesisandmaleinfertility.MutatRes.2011May-Jun;727(3):62-71.表观遗传与疾病:糖尿病,肝病,风湿病,红斑狼疮,代谢病,自身免疫病,肿瘤,男性不育,过敏,创伤后应激,孤独症,心血管疾病Type2diabetesacrossgenerat199.Theroleofepigeneticsinthedevelopmentaloriginsofallergicdisease.AnnAllergyAsthmaImmunol.2011May;106(5):355-61;10.Epigeneticaspectsofposttraumaticstressdisorder.DisMarkers.2011Jan;30(2-3):77-87.11.Geneticbasisofautism:isthereawayforward?CurrOpinPsychiatry.2011May;24(3):226-36.12.Epigeneticsincardiovasculardisease.CurrOpinCardiol.2011May;26(3):209-15.表观遗传与疾病9.Theroleofepigeneticsin20外界因子通过表观遗传对基因的表达调控来改变表型外界因子通过表观遗传对基因的表达调控来改变表型21DNA甲基化对基因的表达调控CpG
Island甲基化状态决定了基因的表达水平甲基基团XDNA甲基化对基因的表达调控CpGIsland甲基化状22DNA甲基化酶DNMT1:维持甲基化的状态DNMT2,3:初始甲基化一个代表:E-cadherin低水平表达E-cadherin是上皮细胞来源的肿瘤恶化的一个标志.启动子的CpGisland甲基化是调控该基因表达的主要因素。MCF7MDA-231SodiumbisulfiteconvertsunmethylatedcytosinesofCpGdinucleotidestouracilorUpGDNA甲基化酶DNMT1:维持甲基化的状态一个代表:E-c23组蛋白修饰和组蛋白密码(histonecode)乙酰化:histoneacetyltransferases(HATs)HumanproteinsthatpossessHATcatalyticactivityinclude:CREBBP,CDY1,CDY2,CDYL1,CLOCKELP3,EP300HAT1KAT2A,KAT2B,KAT5MYST1,MYST2,MYST3,MYST4NCOA1,NCOA3,NCOATTF3C4甲基化:甲基化转移酶MLL,EZH2,PRMTs磷酸化:磷酸化激酶Aurora,Snlf,ATM/ATR修饰的总和就组成了组蛋白密码组蛋白修饰和组蛋白密码(histonecode)乙酰化:h24X染色体的失活1.哺乳动物的雌性个体中一条X染色体失活,并永久保持失活状态。2.大多数动物失活是随机的,在有袋类动物只有父源的X染色体失活。3.体细胞的失活发生在胚胎发生的早期。TortoiseshellcatX染色体的失活1.哺乳动物的雌性个体中一条X染色体失活,25OnlyoneXisactiveBarbaraMigeon,HenryStewartTalksOnlyoneXisactiveBarbaraMi26Anexample:tortoiseshellcat控制毛色的基因位于X染色体,2个等位基因:橙色(O),黑色(o)。当基因型为杂合体时,X染色体随机失活Anexample:tortoiseshellcat控27X染色体具有一个X染色体失活中心(XIC),含有4个非编码基因(转录产物是non-codingRNAs),Xist,Tsix,JpxandFtx.这4个non-codingRNAs负责组装失活复合体。该复合体能特意结合失活的X染色体,招募PRC2和YY1蛋白,并甲基化其DNA和组蛋白,导致该染色体失活。X染色体的失活机制X染色体具有一个X染色体失活中心(XIC),含有4个非编码基28XistWorksinCisBarbaraMigeon,HenryStewartTalksPRC2/YY1,DNMTsXistWorksinCisBarbaraMigeo29Xist的作用机理Xist的作用机理30AdrienBird,HenryStewartTalksAdrienBird,HenryStewartTal31非编码RNA非编码RNAs包括tRNA,rRNA,microRNAs,siRNAs,和
thelongncRNAs.CraigMelloRNAi静默基因表达AndrewFire2006诺贝尔生理医学奖非编码RNA非编码RNAs包括tRNA,rRNA,mic32细胞重编程--多能干细胞的诱导(iPScells)干细胞的美好的应用前景和干细胞的数量少促使研究者寻找能够产生大量干细胞的方法。体细胞数量多,但是终极分化的细胞,不具有多能性。Dolly(1996-2003)里程碑1.July5,1996:Dolly的降生证明了成熟的体细胞具有全能性。2.2006:Yamanaka的小组成功地把小鼠
成纤维细胞诱导成胚胎干细胞特征的细胞,但不能形成chimera.Oct-3/4,SOX2,c-Myc,andKlf43.2007:Yamanaka,和另外2个小组独立地在小鼠中诱导了能形成chimera的胚胎干细胞。4.2007:Thompson和Yamanaka小组独立地把人的成纤维细胞诱导成了多能干细胞5.2009:周琪和曾凡一联合成功的利用iPS技术培育出了小鼠细胞重编程--多能干细胞的诱导(iPScells)干细胞的331996-2003Dolly的诞生1996-2003Dolly的诞生342012
Nobel
PriceWinnerYamanaka,S.(2006)."InductionofPluripotentStemCellsfromMouseEmbryonicandAdultFibroblastCulturesbyDefinedFactors".Cell
126(4):663.Yamanaka,S.(2007)."InductionofPluripotentStemCellsfromAdultHumanFibroblastsbyDefinedFactors".Cell
131(5):861–872.2012NobelPriceWinnerYamanak35细胞重编程--上皮-间质细胞的转换(EMT)EMTishot!细胞重编程--上皮-间质细胞的转换(EMT)EMTish36定义:EMT是上皮细胞通过基因的重编程而脱分化变成间质细胞的生物学过程1.EMT的发生是一个渐进的,短暂的,可逆的过程(MET)2.上皮细胞:失去了细胞间的联合结构,细胞的极性,和上皮细胞的标志分子间质细胞:高表达间质细胞标志分子,细胞的迁移能力和浸润性增加,同时也获得了抗凋亡能力和干细胞的特征。KalluriR,WeinbergRA.JCI.2009;119(6):1420-8定义:EMT是上皮细胞通过基因的重编程而脱分化变成间质细胞371.〉90%的癌症致死是由于癌转移导致的。控制癌转移是降低癌症患者死亡的关键2.EMT对肿瘤转移的起始至关重要,能赋予上皮细胞来源的肿瘤细胞侵袭和迁移的能力,因而能促进肿瘤转移。因此研究EMT的发生机制将为彻底了解并最终解决肿瘤的转移问题开启了一扇窗户,通过干预或抑制EMT得发生可能是一条新的肿瘤治疗的策略。3.EMT是干细胞的一个重要来源。研究发现上皮细胞发生EMT的同时,也获得了干细胞的特征。EMT为什么会这么火?1.〉90%的癌症致死是由于癌转移导致的。控制癌转移是降低38EMT在是胚胎发育过程中的关键事件在胚胎发育过程中EMT转换是形成原肠胚(gastrulation)和神经管嵴(neuralcrest)所必需的。其次,EMT也参与调节多种具有管腔的组织和器官的形成例如胎盘(placenta)、前体节(somites)、心脏瓣膜(heartvalves)、泌尿生殖系统(urogenitaltract)、继发腭(secondarypalate)等。EMT在伤口愈合、组织重建、器官纤维化等过程中也具有重要作用。EMT在是胚胎发育过程中的关键事件在胚胎发育过程中EMT转换39上皮-间质细胞转换发现EMT的现象和概念是40多年前由ElizabethHay首先在鸡的早期胚胎发育过程中观察到并提出的。开创了ECM的研究领域第一位发育生物学会的女理事长(1973)HarvardUniversity的第一位女正教授和系主任基础研究系细胞生物学和解剖学(1975)第一位女理事长-细胞生物学会(1976)。美国科学院院士1927-2007上皮-间质细胞转换发现EMT的现象和概念是40多年前由Eli40ThreesubtypesofEMTThreesubtypesofEMT41在EMT过程中细胞发生了什么改变?8剧烈的形态变化基因表达细胞构架的转换:cytokeratin-vimentin胞间联合等结构消失细胞分泌纤维连接蛋白fibronectin细胞获得了抗凋亡的能力细胞的增长受到了抑制细胞获得了干细胞的一些特征在EMT过程中细胞发生了什么改变?8剧烈的形态变化42EMTMarkersProteinsthatincreaseinabundanceN-cadherinVimentinFibronectinSnail1(Snail)Snail2(Slug)TwistGoosecoidFOXC2Sox10MMP-2MMP-3MMP9Integrinvß6ProteinsthatdecreaseinabundanceE-cadherenDesmoplakinCytokeratinOccludinProteinsthataccumulate
inthenucleusß-cateninSmad-2/3NF-ßSnail1(Snail)Snail2(Slug)TwistEMTMarkersProteinsthatincre43EMT的诱导因子生长因子:TGFbeta,EGF,FGF,BMP,HGF,PDGF,Wnt,等激素:estrogenHypoxia转录因子:Snail,Slug,Twist,Zeb1/2,Foxc2,
Goosecoid蛋白酶:GSK3beta,tyrosinereceptorkinases,MMPsMicroRNA:miRNA-10,miRNA-21Notably,mi-RNA200familyarestronginhibitorsofEMTEMT的诱导因子生长因子:TGFbeta,EGF,FGF44Tumormetastasis-EMTandMETTumormetastasis-EMTandMET45RegulationofEMTandmetastasisatSnail’spacealongthewayofAjuba
--Thepast,thecurrentandthefuture--RegulationofEMTandmetastas46Thegood,thebadandtheuglyThegood,thebadandtheugly47Snail是诱导EMT和肿瘤转移的关键因子GeneticdeletionofthesnailgeneinmicecausesembryoniclethalityduetodefectsingastrulationandinEMT
requiredforgenerationofthemesodermallayer.EctopicexpressionofSnailinvarioustypesoftheepithelialcellsinducesEMTaccompaniedbyincreasedmigration,motilityandinvasiveness,andalsoresultsinthecellstoacquirepropertiesofstemcells.SnailisastrongrepressorofE-cadherin.Down-regulationofE-cadherinisahallmarkofEMTandtumormetastasisSnail是诱导EMT和肿瘤转移的关键因子Genetic48SnailorSlugFGFNeuralcrestGastrulationLimbdev’ptTumormetastasisWntNeuralcrestHeartdev’ptTumormetastasisTGFSkinPalatefusionTissuefibrosisHeartdev’ptTumormetastasisBMPNeuralcrestL/RasymmetryMammarydev’ptgastrulationTumormetastasisEGFGSK3-mediatedphosphorylationMTA3EstrogensEMTMetastasisSnailisatthecentralhubofmultipleEMTinducersSnailorSlugFGFNeuralcrestWn49SnailisaSNAGdomaincontainingC2H2zincfingerproteinX2-Cys-X2-4-Cys-X12-16-His-X3-5-HisTheCys2His2zincfingermotifconsistsanαhelixandanantiparallelβsheet.Thezincion(green)iscoordinatedbytwohistidineresiduesandtwocysteineresidues.TheZincfingerbindstothemajorgrooveoftheDNAduplex.Andthebindingspecificityisdeterminedbytheresidueslocatedintheαhelix.TheC2H2zincfingerproteinsarethelargestfamilyofregulatoryproteinsinmammals,whichareencodedbyover700genesinhumangenomeandapproximatelycomprise1%ofthetotalproteinsMostmembersareDNAbindingproteinsandfunctionastranscriptionalregulators.SnailisaSNAGdomaincontain50SnailisaSNAGdomaincontainingC2H2zincfingerprotein–atranscriptionalrepressor>60SNAG:Snail/Slug,Gfi1SnailisaSNAGdomaincontain51Standingquestion:themolecularmechanismofSNAG-mediatedrepressionisunknown.Hypothesis:theSNAGdomainmayrecruitco-factorstomediateitsrepressionfunctionThestrategyistoperformyeasttwo-hybridassaysusingtheSNAGmotifasbaittoscreenamousecDNAlibraryandtofindpotentialSNAGbindingproteinsE-boxZnZnZnZnZnZnZnZnZnSNAGSnailE-cadherin
SnailtargetgenesStandingquestion:themolecul52TheLIMproteinAjubaisaspecificSNAGbindingproteinviaanyeasttwo-hybridscreeningTheLIMproteinAjubaisaspe53AjubaandLimD1belongtotheZyxin/AjubafamilyofLIMdomain-containingproteinsAjubacontainsthreetandemLIMmotifsintheC-terminusandaglycine-prolinerichPreLIMintheN-terminusAjubaandLimD1belongtothe54AjubainteractswithSnailandrepressestheSnail-targetgenesAjubainteractswithSnailand55SnailinducesEMTinhumanmammaryepithelialcellMCF10AcellsvectorSnailWesternblotSnailinducesEMTinhumanmam56AjubaisrequiredforSnailtoinduceEMTDevelopmentalcell,2008AjubaisrequiredforSnailto57E-boxZnZnZnZnZnZnZnZnZnSNAGAjubaLIMSnailpreLIME-cadherin
SnailtargetgenesEffectorsneedtobeidentifiedHowever,Ajubaitselfdoesnotcontainanyapparentenzymaticactivity.Itlikelyfunctionsasaco-regulatorbyrecruitingotherchromatinremodelingfactors.E-boxZnZnZnZnZnZnZnZnZnSNAGAju58TheStrategyPurifyAjuba-associatedproteincomplexesbylargescaleaffinitychromatographycombinedwithMassspectrometry(MS):stablyexpressFlag-epitopetaggedAjubain293cells,andtheAjubaassociatedproteincomplexeswereimmunoprecipitatedwithanti-FlagM2beads.ThecomponentsofthecomplexeswereidentifiedbyMS.TheStrategyPurifyAjuba-asso59AffinitypurificationofAjuba-interactingproteinsfrom293cellsAffinitypurificationofAjuba60Prmt5isatypeIIProteinArgininemethyltransferaseTypeI:Prmt1,2,3,4,and6TypeII:Prmt5Prmt5isatypeIIProteinArg61E-boxZnZnZnZnZnZnZnZnZnSNAGAjubaLIMSnailpreLIMPRMT5MEP50E-cadherin
SnailtargetgenesConclusion:Prmt5isaneffectorrecruitedtoSnailviaaninteractionwithAjubaE-boxZnZnZnZnZnZnZnZnZnSNAGAju62Snailcontainsconserved14-3-3bindingmotifs最近发现14-3-3能阅读组蛋白修饰密码
Snailcontainsconserved14-3-63Snailselectivelyinteractswith14-3-3isoformsSnailselectivelyinteractswi64Mutationofthe14-3-3bindingsitesinSnailMutationofthe14-3-3binding65Mutationofthe14-3-3bindingmotifsimpairsthetranscriptionalrepressionactivityofSnailMutationofthe14-3-3binding66The14-3-3bindingsitesinSnailareessentialforinductionofEMTinMCF10AcellsThe14-3-3bindingsitesinSn67Ajubaisa14-3-3interactingproteinAjubaisa14-3-3interacting68SummarySnailrecruitsAjubaasacorepressorviaitsSNAGmotif.AjubafurtherrecruitsPrmt5whichconferstheSnailcomplexthetranscriptionalrepressionactivitybymethylatehistones14-3-3bindsAjubaandSnail,whichisessentialfortheSnailcomplextobindthetargetchromatin.SummarySnailrecruitsAjubaas69PRC2Suz12/Ezh2H3K27me2/3mSin3HDAC1/2DeacetylationLSD1G9aSuv39H1DemethylationH3K9me2AjubaCo-restPRC2Suz12/Ezh2H3K27me2/3mSin3H70ThecarboxylzincfingersofSnailrecruitubiquitinE3ligasesRing1A/BCancerResearch,2014ThecarboxylzincfingersofS71TheZincfingersofSnailbindtotheRINGdomainofRing1BTheZincfingersofSnailbind72Ring1A/BareessentialforSnail-mediatedrepressionandcellmigrationRing1A/BareessentialforSna73SnailenhancesRing1A/BbindingtoitstargetpromoterSnailenhancesRing1A/Bbindin74PRC2Suz12/Ezh2H3K27me2/3AjubaPRC2Suz12/Ezh2H3K27me2/3Ajuba75Ezh2isrequiredforSnail/Ring1A/BtobindtargetpromoterEzh2isrequiredforSnail/Rin76Ezh2andRing1A/BformtwodistinctcomplexeswithSnailEzh2andRing1A/Bformtwodis77HighlevelsofSnail,Ring1BandH2AK119Ub1inPDACHighlevelsofSnail,Ring1B78H2AK119Ub1isabiomarkerpredictingpoorprognosisH2AK119Ub1isabiomarkerpred79寻找H2AK119Ub1修饰的染色质位点寻找H2AK119Ub1修饰的染色质位点80Lnc00261是一个潜在的抑癌基因Lnc00261是一个潜在的抑癌基因81表观遗传与疾病的课件82什么是表观遗传?2.表观遗传是研究什么的?3.表观遗传和传统的遗传是什么关系?4.基因表达的转录调控什么是表观遗传?83小结表观遗传的主要形式是:DNAmethylation,histonemodifications,andnon-codingRNAs表观遗传与遗传的关系:1。直接修饰DNA而控制基因表达2。通过修饰组蛋白来调节染色体的重塑来控制基因表达3。ncRNAs降解mRNA或者阻断mRNA的翻译遗传(DNA)是根本,表观遗传是通过调控基因的表达来显示它的作用的,是对中心法则的重要补充。意义:表观遗传的异常,会导致基因的异常表达,导致染色体的结构的改变,从而导致错综负责的各类疾病。与DNA突变不同,许多表观遗传修饰是可逆的,这就为疾病的治疗带来乐观的前景小结表观遗传的主要形式是:DNAmethylation,84表观遗传的定义Epigeneticsisreferredtoheritabletraits(overroundsofcelldivisionandsometimestransgenerationally)thatdonotinvolvechangestotheunderlyingDNAsequence.在DNA序列没有改变的情况下,基因的功能生了可遗传的变化,并最终导致了表型的变化。这一术语最早是
C.H.Waddington在1939首次提出的。RubinHoliday在1975进一步完善了表观遗传的内容。1996年,HermanJG和BaylinSB首次检测到了抑癌基因启动子DNA被甲基化。标志着表观遗传从描述进入了实验,从宏观进入了分子时代。表观遗传的定义Epigeneticsisreferred85表观遗传的形式:1.DNA甲基化(methylation)2.组蛋白的修饰(Histonemodifications),最常见的修饰是乙酰化,甲基化,磷酸化。Histonecode3.非编码RNAs。目前研究最多是microRNA,longnon-codingRNA,circularRNA4.PrionsNote:DNA甲基化和组蛋白修饰是可逆的,与上面相对应的逆过程分别是:去甲基化,去乙酰话,去磷酸化。。。。。表观遗传的形式:1.DNA甲基化(methylation86表观遗传的主要研究内容1.DNA甲基化对基因表达的影响(正常发育和病变)2.组蛋白的修饰对基因表达的影响3.X染色体的失活4.基因印记(gene
imprinting)5.细胞的重编程-多能干细胞的诱导和分化表观遗传的主要研究内容1.DNA甲基化对基因表达的影响87获得性可以遗传--拉马克与达尔文之争拉马克学说:用进废退和获得性可遗传。例如:长颈鹿的脖子长是因为祖祖辈辈伸长脖子够树叶吃导致的。该学说暗示了表观遗传对性状的决定作用达尔文学说:自然选择,适者生存。长颈鹿的脖子长是因为短脖子的都饿死了。该学说暗示了基因决定性状。获得性可以遗传--拉马克与达尔文之争拉马克学说:用进废退和获88现代遗传学孟德尔中心法则DNA是遗传物质基因是遗传的基本单位基因决定形状摩尔根的果蝇孟德尔的豌豆现代遗传学孟德尔中心法则DNA是遗传物质摩尔根的果蝇孟德尔89达尔文完胜拉马克现代遗传学的建立奠定了达尔文的现代生物学之父的地位.获得性可遗传的假说被送进了“shadow”(在前苏联例外)为什么表观遗传现在受到如此地关注了呢?表观遗传扩大化的后果:李森科达尔文完胜拉马克现代遗传学的建立奠定了达尔文的现代生物学之父90GenetictagsarepasseddownthroughgenerationsWhenthezygoteisformedmanyepigenetictagsareremovedfromthechromosomesoftheparents,butsomeremain
获得性可以遗传Genetictagsarepasseddownt91Studiesinthefieldofepigeneticsshowsthatparent’sexperiencesarepassedontooffspringthroughepigenetictagsCellMetab.
2016Feb16.PaternalPsychologicalStressReprogramsHepaticGluconeogenesisinOffspring.Studiesinthefieldofepigen92EnvironmentalFactorsThenutritionofthemothercanaffecttheepigenomeofafetusStresshormonesalsotravelfromthemothertoafetustoaffecttheepigenomeStress,socialinteractions,physicalactivity,exposuretotoxinsanddietaremajorfactorsthataffecttheepigenome
胎教的理论依据EnvironmentalFactorsThenutri93人类基因组计划(1990-2000)结果是充满了惊奇和困惑:只有大约2,2000基因(在变化中),编码区域仅占整个基因组的2%。
那98%(主要是高度重复序列和一些非编码RNA)的作用是什么?2,2000个基因(和老鼠的基因数量差不多)却能编码一个人?这是一项宏伟的计划,对生物学的研究具有划时代的意义。也充满了期待,认为将对很多人类疾病做出最终的解释和提供治疗线索。人类基因组计划(1990-2000)结果是充满了惊奇和困惑:94近年来,各大疾病例如癌症,糖尿病等都成上升趋势,为什么?营养(地沟油,三聚氰胺,各种添加剂,化肥农药的不当等),环境污染等外界因素新老问题的困惑老问题新问题易感人群:家族性遗传缺陷携带者患病的几率不同,病征也有所不同X染色体的失活一些综合症在DNA序列上找不到证据和解释同卵双胞胎的表型差异近年来,各大疾病例如癌症,糖尿病等都成上升趋势,为什么?新老95IdenticalTwins
aredifferentIdenticaltwinsarefromthesamezygote,sotheybeginlifewiththesamegeneticinformation,includingepigenetictagsWhileinfantstheyexperiencethesameorverysimilarenvironments,sothereislittlevariationintheepigenomeOvertimethetwins’environmentswilldiverge,resultinginindividualepigenetictagstoformforeachtwinIdenticalTwinsaredifferentI96
Thedifferenceinthetwins’epigenomesiswhatmakesthembecomedifferentwhentheyareolderTheepigenetictagscanhavesuchaneffectonthetwinsthatonecandevelopadiseasewhiletheotherisfineWhenthissituationoccurs,researcherswilltrytopinpointtheenvironmentalfactorsthatareresponsibleforthediseaseThedifferenceinthetwins’97Pubmedsearchforepigeneticspapers1964-2011共发表文章6500多篇1964-20018653659522002-20062007-20131966-2013
发表的综述2338篇1966-20012002-20062007-493361942Pubmedsearchforepigenetics98-恶性肿瘤发生发展的表观遗传机制,2011-肺癌发生发展的表观遗传机制,2011-前列腺癌的发生发展的表观遗传机制,2012-若干项关于细胞重新编程和多能干细胞诱导的项目N多个国家科委973重大研究计划:国家自然基金委-2011年141项-2010年109项-2009年101项批准的关于表观遗传的研究的申请-恶性肿瘤发生发展的表观遗传机制,2011国家科委973重大991.近10年,对于表观遗传的研究成爆炸式上升2.国家也投入了很多经费资助表观遗传的研究3.表观遗传对很多种常见疾病的发生具有重要作用Epiprofessors表观遗传热已经蔚然成风!1.近10年,对于表观遗传的研究成爆炸式上升Epiprofe100Type2diabetesacrossgenerations:frompathophysiologytopreventionandmanagement.Lancet.2011Jul9;378(9786):169-81.Geneticsandepigeneticsinthefibrogenicevolutionofchronicliverdiseases.BestPractResClinGastroenterol.2011Apr;25(2):269-80.Epigeneticderegulationinrheumatoidarthritis.AdvExpMedBiol.2011;711:137-49.Anewepigeneticchallenge:systemiclupuserythematosus.AdvExpMedBiol.2011;711:117-36.Doesgenomicimprintingplayaroleinautoimmunity?AdvExpMedBiol.2011;711:103-16.EpigeneticcodesofPPARγinmetabolicdisease.FEBSLett.2011Jul7;585(13):2121-8.Cancerepigeneticsandtargetedtherapies.Oncology(WillistonPark).2011Mar;25(3):228,231.Epigenetics,spermatogenesisandmaleinfertility.MutatRes.2011May-Jun;727(3):62-71.表观遗传与疾病:糖尿病,肝病,风湿病,红斑狼疮,代谢病,自身免疫病,肿瘤,男性不育,过敏,创伤后应激,孤独症,心血管疾病Type2diabetesacrossgenerat1019.Theroleofepigeneticsinthedevelopmentaloriginsofallergicdisease.AnnAllergyAsthmaImmunol.2011May;106(5):355-61;10.Epigeneticaspectsofposttraumaticstressdisorder.DisMarkers.2011Jan;30(2-3):77-87.11.Geneticbasisofautism:isthereawayforward?CurrOpinPsychiatry.2011May;24(3):226-36.12.Epigeneticsincardiovasculardisease.CurrOpinCardiol.2011May;26(3):209-15.表观遗传与疾病9.Theroleofepigeneticsin102外界因子通过表观遗传对基因的表达调控来改变表型外界因子通过表观遗传对基因的表达调控来改变表型103DNA甲基化对基因的表达调控CpG
Island甲基化状态决定了基因的表达水平甲基基团XDNA甲基化对基因的表达调控CpGIsland甲基化状104DNA甲基化酶DNMT1:维持甲基化的状态DNMT2,3:初始甲基化一个代表:E-cadherin低水平表达E-cadherin是上皮细胞来源的肿瘤恶化的一个标志.启动子的CpGisland甲基化是调控该基因表达的主要因素。MCF7MDA-231SodiumbisulfiteconvertsunmethylatedcytosinesofCpGdinucleotidestouracilorUpGDNA甲基化酶DNMT1:维持甲基化的状态一个代表:E-c105组蛋白修饰和组蛋白密码(histonecode)乙酰化:histoneacetyltransferases(HATs)HumanproteinsthatpossessHATcatalyticactivityinclude:CREBBP,CDY1,CDY2,CDYL1,CLOCKELP3,EP300HAT1KAT2A,KAT2B,KAT5MYST1,MYST2,MYST3,MYST4NCOA1,NCOA3,NCOATTF3C4甲基化:甲基化转移酶MLL,EZH2,PRMTs磷酸化:磷酸化激酶Aurora,Snlf,ATM/ATR修饰的总和就组成了组蛋白密码组蛋白修饰和组蛋白密码(histonecode)乙酰化:h106X染色体的失活1.哺乳动物的雌性个体中一条X染色体失活,并永久保持失活状态。2.大多数动物失活是随机的,在有袋类动物只有父源的X染色体失活。3.体细胞的失活发生在胚胎发生的早期。TortoiseshellcatX染色体的失活1.哺乳动物的雌性个体中一条X染色体失活,107OnlyoneXisactiveBarbaraMigeon,HenryStewartTalksOnlyoneXisactiveBarbaraMi108Anexample:tortoiseshellcat控制毛色的基因位于X染色体,2个等位基因:橙色(O),黑色(o)。当基因型为杂合体时,X染色体随机失活Anexample:tortoiseshellcat控109X染色体具有一个X染色体失活中心(XIC),含有4个非编码基因(转录产物是non-codingRNAs),Xist,Tsix,JpxandFtx.这4个non-codingRNAs负责组装失活复合体。该复合体能特意结合失活的X染色体,招募PRC2和YY1蛋白,并甲基化其DNA和组蛋白,导致该染色体失活。X染色体的失活机制X染色体具有一个X染色体失活中心(XIC),含有4个非编码基110XistWorksinCisBarbaraMigeon,HenryStewartTalksPRC2/YY1,DNMTsXistWorksinCisBarbaraMigeo111Xist的作用机理Xist的作用机理112AdrienBird,HenryStewartTalksAdrienBird,HenryStewartTal113非编码RNA非编码RNAs包括tRNA,rRNA,microRNAs,siRNAs,和
thelongncRNAs.CraigMelloRNAi静默基因表达AndrewFire2006诺贝尔生理医学奖非编码RNA非编码RNAs包括tRNA,rRNA,mic114细胞重编程--多能干细胞的诱导(iPScells)干细胞的美好的应用前景和干细胞的数量少促使研究者寻找能够产生大量干细胞的方法。体细胞数量多,但是终极分化的细胞,不具有多能性。Dolly(1996-2003)里程碑1.July5,1996:Dolly的降生证明了成熟的体细胞具有全能性。2.2006:Yamanaka的小组成功地把小鼠
成纤维细胞诱导成胚胎干细胞特征的细胞,但不能形成chimera.Oct-3/4,SOX2,c-Myc,andKlf43.2007:Yamanaka,和另外2个小组独立地在小鼠中诱导了能形成chimera的胚胎干细胞。4.2007:Thompson和Yamanaka小组独立地把人的成纤维细胞诱导成了多能干细胞5.2009:周琪和曾凡一联合成功的利用iPS技术培育出了小鼠细胞重编程--多能干细胞的诱导(iPScells)干细胞的1151996-2003Dolly的诞生1996-2003Dolly的诞生1162012
Nobel
PriceWinnerYamanaka,S.(2006)."InductionofPluripotentStemCellsfromMouseEmbryonicandAdultFibroblastCulturesbyDefinedFactors".Cell
126(4):663.Yamanaka,S.(2007)."InductionofPluripotentStemCellsfromAdultHumanFibroblastsbyDefinedFactors".Cell
131(5):861–872.2012NobelPriceWinnerYamanak117细胞重编程--上皮-间质细胞的转换(EMT)EMTishot!细胞重编程--上皮-间质细胞的转换(EMT)EMTish118定义:EMT是上皮细胞通过基因的重编程而脱分化变成间质细胞的生物学过程1.EMT的发生是一个渐进的,短暂的,可逆的过程(MET)2.上皮细胞:失去了细胞间的联合结构,细胞的极性,和上皮细胞的标志分子间质细胞:高表达间质细胞标志分子,细胞的迁移能力和浸润性增加,同时也获得了抗凋亡能力和干细胞的特征。KalluriR,WeinbergRA.JCI.2009;119(6):1420-8定义:EMT是上皮细胞通过基因的重编程而脱分化变成间质细胞1191.〉90%的癌症致死是由于癌转移导致的。控制癌转移是降低癌症患者死亡的关键2.EMT对肿瘤转移的起始至关重要,能赋予上皮细胞来源的肿瘤细胞侵袭和迁移的能力,因而能促进肿瘤转移。因此研究EMT的发生机制将为彻底了解并最终解决肿瘤的转移问题开启了一扇窗户,通过干预或抑制EMT得发生可能是一条新的肿瘤治疗的策略。3.EMT是干细胞的一个重要来源。研究发现上皮细胞发生EMT的同时,也获得了干细胞的特征。EMT为什么会这么火?1.〉90%的癌症致死是由于癌转移导致的。控制癌转移是降低120EMT在是胚胎发育过程中的关键事件在胚胎发育过程中EMT转换是形成原肠胚(gastrulation)和神经管嵴(neuralcrest)所必需的。其次,EMT也参与调节多种具有管腔的组织和器官的形成例如胎盘(placenta)、前体节(somites)、心脏瓣膜(heartvalves)、泌尿生殖系统(urogenitaltract)、继发腭(secondarypalate)等。EMT在伤口愈合、组织重建、器官纤维化等过程中也具有重要作用。EMT在是胚胎发育过程中的关键事件在胚胎发育过程中EMT转换121上皮-间质细胞转换发现EMT的现象和概念是40多年前由ElizabethHay首先在鸡的早期胚胎发育过程中观察到并提出的。开创了ECM的研究领域第一位发育生物学会的女理事长(1973)HarvardUniversity的第一位女正教授和系主任基础研究系细胞生物学和解剖学(1975)第一位女理事长-细胞生物学会(1976)。美国科学院院士1927-2007上皮-间质细胞转换发现EMT的现象和概念是40多年前由Eli122ThreesubtypesofEMTThreesubtypesofEMT123在EMT过程中细胞发生了什么改变?8剧烈的形态变化基因表达细胞构架的转换:cytokeratin-vimentin胞间联合等结构消失细胞分泌纤维连接蛋白fibronectin细胞获得了抗凋亡的能力细胞的增长受到了抑制细胞获得了干细胞的一些特征在EMT过程中细胞发生了什么改变?8剧烈的形态变化124EMTMarkersProteinsthatincreaseinabundanceN-cadherinVimentinFibronectinSnail1(Snail)Snail2(Slug)TwistGoosecoidFOXC2Sox10MMP-2MMP-3MMP9Integrinvß6ProteinsthatdecreaseinabundanceE-cadherenDesmoplakinCytokeratinOccludinProteinsthataccumulate
inthenucleusß-cateninSmad-2/3NF-ßSnail1(Snail)Snail2(Slug)TwistEMTMarkersProteinsthatincre125EMT的诱导因子生长因子:TGFbeta,EGF,FGF,BMP,HGF,PDGF,Wnt,等激素:estrogenHypoxia转录因子:Snail,Slug,Twist,Zeb1/2,Foxc2,
Goosecoid蛋白酶:GSK3beta,tyrosinereceptorkinases,MMPsMicroRNA:miRNA-10,miRNA-21Notably,mi-RNA200familyarestronginhibitorsofEMTEMT的诱导因子生长因子:TGFbeta,EGF,FGF126Tumormetastasis-EMTandMETTumormetastasis-EMTandMET127RegulationofEMTandm
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