时光第一讲表观遗传学

时光第一讲表观遗传学第1页，共91页，2023年，2月20日，星期五VS人和小鼠基因组比较1985年，人类基因组计划2000年6月26日，参加人类基因组工程项目的美国、英国、法兰西共和国、德意志联邦共和国、日本和中国的6国科学家共同宣布，人类基因组草图的绘制工作已经完成。2000年完成小鼠基因组草图的绘制。第2页，共91页，2023年，2月20日，星期五VS（1）小鼠和人类基因组之间有85%到90%的遗传基因完全相同（2）人类和小鼠都有大约30000条基因，其中约有80%的基因是“完全一样的”。（3）人和小鼠鼠大约共享有99%的类似基因人和小鼠基因组比较第3页，共91页，2023年，2月20日，星期五双胞胎性格长相第4页，共91页，2023年，2月20日，星期五表观遗传学研究历史第5页，共91页，2023年，2月20日，星期五表观遗传学第6页，共91页，2023年，2月20日，星期五表观遗传学从现象到领域：染色体重排1930年H.J.Muller提出位置花斑现象（果蝇）1965年McClintick提出转座子（玉米）染色质以正常剂量存在，排列异常，表型结果不同。第7页，共91页，2023年，2月20日，星期五个体体细胞DNA是相同的1953年Watson和Crick解析DNA结构。1970年Laskey和Gurdon爪蟾实验：早期胚胎细胞的核移植入去核的卵母细胞可以使其发育成胚胎。发育的进程以及体细胞所有组成成分表达的特异基因受控于某些信号，而这些信号并非来自生殖细胞DNA序列的缺失或突变第8页，共91页，2023年，2月20日，星期五孟德尔遗传定律无法解释的现象表型特征差异（豌豆颜色）是由于DNA序列突变导致的等位基因的差别造成的。简而言之，突变是定义表型特点的基础，而表型特点又有助于界定物种之间的界限。非孟德尔定律定律的继承性（胚胎生长的异质性、皮肤嵌合颜色、X染色体随机失活），DNA序列并未发生改变，只是两个等位基因只有一个表达。第9页，共91页，2023年，2月20日，星期五有悖于“中心法则”1957年F.H.C.克里克最初提出的中心法则是：DNA→RNA→蛋白质。1970年H.M.特明和D.巴尔的摩提出RNA逆转录DNA，完善“中心法则”。中心法则否认从蛋白质到DNA的反馈过程。如朊粒有悖于中心法则第10页，共91页，2023年，2月20日，星期五表观遗传学现象得出结论非DNA突变引起的可继承的表型变化。表型变化是“开关型”的。例子：噬菌体在裂解型和溶原型间的转变；大肠杆菌的菌毛形态转变；果蝇的位置花斑现象；X染色体失活。第11页，共91页，2023年，2月20日，星期五遗传学与表观遗传学第12页，共91页，2023年，2月20日，星期五DNA和染色质“你可以继承DNA序列之外的一些东西，这正是现代遗传学中让我们激动的地方”（Watson2003）第13页，共91页，2023年，2月20日，星期五经典遗传学与现代遗传学区别表观遗传学是在研究与经典孟德尔定律不相符的许多遗传现象过程中逐步发展起来的。不依赖于DNA序列差异的核继承性。细胞核内等位基因的选择性调控。同卵双生外部表型差别；环境、饮食等外部因素。表观遗传信息对正常发育的贡献？第14页，共91页，2023年，2月20日，星期五DNA甲基化的发现染色体印记和X染色体失活为表观遗传机理研究提供了早期模型。1975年Riggs、Holliday和Pugh提出DNA甲基化作为表观遗传学标志。DNA甲基化在基因沉默中的作用。等位基因发现果蝇位置花斑现象：DNA甲基化水平很低，暗示还有一种表观遗传机制存在。第15页，共91页，2023年，2月20日，星期五染色质的研究历史真核生物细胞核中结合于DNA上的蛋白质，尤其是组蛋白可能参与了DNA修饰。染色质作为转录模板的功能：体外系统加入RNA聚合酶转录产物。组蛋白解离转录必需。组蛋白乙酰化、甲基化和磷酸化发现。1974年染色质单体核小体结构。1997年Luger核小体晶体结构：组蛋白N端尾巴调控基因表达调控以及沉默染色质。1996年Allis发现首个乙酰化酶Gcn5：组蛋白乙酰化与基因表达调控联系在一起。第16页，共91页，2023年，2月20日，星期五染色质的高级结构分为常染色质和异染色质。常染色质是松散的染色质，既可以是转录处于活跃状态，也可以是转录非活跃状态。异染色质是高度致密和沉默的染色质，分为组成型异染色质（永久沉默的染色质）和兼性异染色质（特殊细胞时期或发育阶段沉默）。染色质是高度动态的大分子结构，接收信号倾向于重塑或重建。第17页，共91页，2023年，2月20日，星期五DNAishighlycompactedintochromatinDNAishighlycompactedintochromatinThenucleosomeisthefundamentalsubunitofchromatin第18页，共91页，2023年，2月20日，星期五NucleosomeNucleosome=anucleosomecoreparticle+linkerDNA+alinkerhistoneNucleosomecoreparticle=histoneoctamer+147bpDNA1974年染色质单体核小体结构1997年Luger核小体晶体结构：组蛋白N端尾巴调控基因表达调控以及沉默染色质。第19页，共91页，2023年，2月20日，星期五染色质模板的转换（顺式/反式）第20页，共91页，2023年，2月20日，星期五常染色质与异染色质差别第21页，共91页，2023年，2月20日，星期五组蛋白修饰和组蛋白密码第22页，共91页，2023年，2月20日，星期五核小体重塑因子1994年证明Gal4-VP16能够以ATP依赖的方式从重组的染色质模板激活转录，激活伴随核小体重新定位。ATP依赖性核小体重塑复合物SWI/SNF和NURF。组蛋白修饰和核小体重塑复合体二者是染色质模板转录所必需的。第23页，共91页，2023年，2月20日，星期五核小体动态分布第24页，共91页，2023年，2月20日，星期五ChromatinRemodelingEnzymeSWI/SNF第25页，共91页，2023年，2月20日，星期五SWI/SNFBRG1,acomponentoftheSWI-SNFcomplex,ismutatedinmultiplehumantumorcelllinesLossofBrg1inmiceresultsinearlyembryoniclethality,andrecentstudieshaveimplicatedaroleforBrg1insomaticstemcellself-renewalanddifferentiation.第26页，共91页，2023年，2月20日，星期五所有机制是相互关联的表观遗传调控的复杂性动态性可遗传性物种差异性影响因素的复杂性第27页，共91页，2023年，2月20日，星期五表观遗传学表观遗传（epigenetics）是指一组不改变基因型而可决定细胞表现型的遗传机制与现象。其研究的内容是基因序列不发生改变的可遗传变化，这种可遗传改变调控基因表达的变化，是基因表达转录调控的另一种方式。表观遗传的主要机制包括组蛋白修饰、染色质重塑、DNA甲基化、组蛋白变异、基因印记及RNA干扰等.第28页，共91页，2023年，2月20日，星期五表观遗传学研究主要内容(1)表观遗传信息建立和维持的机制及其间的相互作用；(2)干细胞维持自我更新的同时及其分化潜能的表观遗传学编程机制；（细胞身份和干细胞可塑性）(3)重大疾病肿瘤、再生衰老、代谢性疾病乃至精神性疾病发病的表观遗传学机制。

“后基因组时代”第29页，共91页，2023年，2月20日，星期五表观遗传学概述组蛋白修饰和组蛋白变异体DNA甲基化染色质重塑基因印记非编码RNA第30页，共91页，2023年，2月20日，星期五一、组蛋白修饰和组蛋白变异体

第31页，共91页，2023年，2月20日，星期五Nucleosomewithhistoneposttranslationalmodifications第32页，共91页，2023年，2月20日，星期五Multiplemodificationsandenormouspotentialcombinations

第33页，共91页，2023年，2月20日，星期五HowHistoneModificationswork?AffectthenucleosomestructureAffecthigherorderchromatinstructureAffectotherhistonemodificationsHistonecodealloworpreventbindingofspecifichistonebindingoreffectorproteins第34页，共91页，2023年，2月20日，星期五组蛋白乙酰化第35页，共91页，2023年，2月20日，星期五Histoneacetylationanddeacetylationmechanism第36页，共91页，2023年，2月20日，星期五乙酰化酶系统HAT（GNATFamily；MYST；P300/CBP；SRC）HDAC（ClassI/II/III）HDAC1-10蛋白复合体（RbAp48，NuRD）InHDAC1knockout(KO)mice,micewerefoundtodieduringembryogenesis.HDACs1and3havebeenfoundtomediateRb-RbAp48interactionswhichsuggeststhatitfunctionsincellcycleprogression.第37页，共91页，2023年，2月20日，星期五H3(aa1-21)-CHD3/CHD4MTA1/2/3P66/68HDAC1/2Rbap48/46MBD3NuRDComplex:nuclesomeremodelinganddeacetylationcomplexNuRDisalsoassociatedwithactivegenes,suggestingaversatileuseofNuRDintranscriptionalregulation.第38页，共91页，2023年，2月20日，星期五组蛋白甲基化第39页，共91页，2023年，2月20日，星期五组蛋白甲基化位点（赖氨酸和精氨酸）甲基化转移酶去甲基化酶甲基化识别蛋白第40页，共91页，2023年，2月20日，星期五Methylation第41页，共91页，2023年，2月20日，星期五组蛋白甲基化酶组蛋白甲基转移酶（Histonemethyltransferase，简称为HMT）是包括组蛋白-赖氨酸N-甲基转移酶与组蛋白-精氨酸N-甲基转移酶在内的是一大类组蛋白修饰酶类，它们催化将一个、两个或三个甲基转移到组蛋白的赖氨酸或精氨酸残基上。被添加上的甲基基团主要位于组蛋白H3和H4特定赖氨酸或精氨酸上。第42页，共91页，2023年，2月20日，星期五Histoneamino-terminalmodificationsinfluencechromatinstructureandfunction第一个组蛋白赖氨酸甲基化酶的发现过程位置花斑效应（PEV）:果蝇复眼颜色和形状；玉米颜色第43页，共91页，2023年，2月20日，星期五Su(var)groupgenesPEV(positioneffectvariegantion)Su(var)3-9HumanSUV39H1miceSuv39h1S.pombeCLR4murineSuv39h2SU(VAR)3-9proteinfamilyThechromodomainsSETdomainsadjacentcysteine-richregionshumanEZH2humanHRXproteins第一个组蛋白赖氨酸甲基化酶的发现过程StephenReaetal.Science.2000第44页，共91页，2023年，2月20日，星期五SETdomaincore:NHSCandGE(x)5YTwoconservedmotifsmaybeofparticularfunctionalimportance.Alignment第45页，共91页，2023年，2月20日，星期五HistonecodeStephenReaetal.Science.2000第46页，共91页，2023年，2月20日，星期五组蛋白赖氨酸甲基化位点第47页，共91页，2023年，2月20日，星期五赖氨酸特异性组蛋白甲基转移酶类可被细分为含SET结构域的和不含SET结构域的两类。人类基因所编码的具有组蛋白甲基转移酶活性的蛋白质包括：ASH1LDOT1LEHMT1、EHMT2、EZH1、EZH2MLL、MLL2、MLL3、MLL4、MLL5NSD1PRDM2SET、SETBP1、SETD1A、SETD1B、SETD2、SETD3、SETD4、SETD5、SETD6、SETD7、SETD8、SETD9、SETDB1、SETDB2SETMAR、SMYD1、SMYD2、SMYD3、SMYD4、SMYD5、SUV39H1、SUV39H2、SUV420H1、SUV420H2组蛋白赖氨酸甲基化酶第48页，共91页，2023年，2月20日，星期五组蛋白赖氨酸甲基化酶第49页，共91页，2023年，2月20日，星期五组蛋白赖氨酸去甲基化酶的发现氨基酸氧化酶（LSD1）：催化一甲基和二甲基化的H3K4/9去甲基化，需要FAD（flavinadeninedinucleotide）协助完成。Jumonji结构域蛋白家族（JMJD），催化底物多样，需要Fe2+和α-酮戊二酸的参与。Jmjc结构域为去甲基化酶活性结构域。第50页，共91页，2023年，2月20日，星期五Jmjc家族蛋白亚家族第51页，共91页，2023年，2月20日，星期五组蛋白赖氨酸去甲基化酶第52页，共91页，2023年，2月20日，星期五组蛋白精氨酸甲基转移酶（PRMTs）第53页，共91页，2023年，2月20日，星期五组蛋白精氨酸去甲基化酶第54页，共91页，2023年，2月20日，星期五Biotin-HistonetailsBoundtostreptavidinbeadsIncubatewithHeLaNEWashEluteSDSHistoneModificationBindingProteinsHistonetailPullDownH3K4Me2H3-CoomassieBlueStainingPHF2PHF8…第55页，共91页，2023年，2月20日，星期五Methyl-lysinebindingeffectorproteins第56页，共91页，2023年，2月20日，星期五第57页，共91页，2023年，2月20日，星期五染色质的协同修饰第58页，共91页，2023年，2月20日，星期五第59页，共91页，2023年，2月20日，星期五组蛋白突变体第60页，共91页，2023年，2月20日，星期五所有生物DNA都被结构性蛋白所包装真核生物核心组蛋白由古细菌组蛋白进化而来第61页，共91页，2023年，2月20日，星期五大多数组蛋白在DNA复制后被置入旧核小体：暗色新核小体：淡色第62页，共91页，2023年，2月20日，星期五组蛋白变体的置入发生在整个细胞周期第63页，共91页，2023年，2月20日，星期五着丝粒被特定H3变体标记第64页，共91页，2023年，2月20日，星期五置换性组蛋白H3.3存在于活跃的染色质区域第65页，共91页，2023年，2月20日，星期五H2AX的磷酸化在DNA断裂修复中具有功能第66页，共91页，2023年，2月20日，星期五H2A突变体H2AZ普遍存在，占H2A的10%，H2A在核小体表面呈现酸性区域，给染色体带来独特的物理属性。作用于转录调控。maroH2A参与X染色体失活。第67页，共91页，2023年，2月20日，星期五二、DNA甲基化第68页，共91页，2023年，2月20日，星期五DNA甲基化1975年DNA甲基化化发现哺乳细胞中胞嘧啶甲基化主要发生在CpG二核苷酸上DNA甲基化酶家族：1988年发现dnmt1卫星DNA，转座子，重复原件，非重复基因间DNA和外显子都是高甲基化的序列第69页，共91页，2023年，2月20日，星期五DNA从头甲基化和维持甲基化第70页，共91页，2023年，2月20日，星期五DNA甲基化转移酶第71页，共91页，2023年，2月20日，星期五DNA甲基化转移酶的功能DNA甲基化转移酶主要活性失活后表型Dnmt1维持性CpG甲基化基因组大规模DNA甲基化丢失，E9.5胚胎致死，印记基因表达异常Dnmt3aCpG从头甲基化出生4-8周死亡，雄性不育，雌性和雄性无法建立甲基化印记Dnmt3bCpG从头甲基化微卫星DNA去甲基化，E14.5胚胎致死伴随血管和肝脏缺陷（Dnmt3a和Dnmt3b同时缺失的胚胎在着床后无法启动从头甲基化E9.5死亡）DNMT3BCpG从头甲基化ICF综合征：免疫缺陷，着丝粒不稳定，面部畸形，重复序列和近着丝粒异染色质去甲基化第72页，共91页，2023年，2月20日，星期五DNA甲基化调控基因表达转录因子结合的干扰甲基化CpG结合蛋白的吸引第73页，共91页，2023年，2月20日，星期五第74页，共91页，2023年，2月20日，星期五RNA去甲基化酶第75页，共91页，2023年，2月20日，星期五DNA去甲基化酶第76页，共91页，2023年，2月20日，星期五AcompletepathwayfordynamicmodificationsofC第77页，共91页，2023年，2月20日，星期五DNAmethylationdynamicsinpre-implantationembryosandprimordialgermcells.第78页，共91页，2023年，2月20日，星期五三、非编码RNA第79页，共91页，2023年，2月20日，星期五不同生物基因组组成分布图44%重复序列52%非编码序列4%编码序列哺乳动物进化防御机制：防止转录单元出现转座子的插入第80页，共91页，2023年，2月20日，星期五第81页，共91页，2023年，2月20日，星期五ncRNAncRNAsi