表观遗传学同等学历

表观遗传学同等学历第1页，共62页，2023年，2月20日，星期二同卵双胞胎不同人生结果第2页，共62页，2023年，2月20日，星期二几十年来，芭芭拉•奥利弗和她的同卵双胞胎妹妹克莉丝汀有一段耐人寻味的关系。在童年阶段，她俩被视为一个人的两个版本：她们穿同样的衣服，留同样的发型。但进入了青春期，两个女孩开始表现出差别。“我穿短裙，而克莉丝汀穿长裙和夹克。”芭芭拉说。同时，她俩的性格差异也变得更加明显。“克莉丝汀做事更认真，我更自信。随着时光流逝，这种差别越来越大。”克莉丝汀同意这一点。“我有更多的自我意识，深受严重抑郁症之苦，芭芭拉身上就没有这种迹象。也许我们是同卵双胞胎，但是在很多方面，我们都大不相同。”第3页，共62页，2023年，2月20日，星期二伦敦国王学院双胞胎研究负责人，遗传流行病学家蒂姆•斯派科特教授说，“在某些方面，例如长相上，这些双胞胎非常非常相似。但是在其他方面，他们又完全不同。例如，研究表明，双胞胎很少死于相同的疾病，尽管他们有着许多像身高这样相同的身体特征。”研究人员发现：疾病发生几率在同卵双胞胎中并不相同，当同卵双胞胎中的一个得心脏病时，另一个得心脏病的机会只有30%，类风湿性关节炎的数字只有15%左右。”第4页，共62页，2023年，2月20日，星期二具有相同基因和相似成长经历的人具有非常不同的人生结果，这些差异是由于人类表观基因组的变化引起的。表观遗传学是环境变化会改变基因表现的一种机制。饮食、疾病、衰老、环境中的化学物质、吸烟、毒品和药物等各种类型的生活事件都会影响到我们体内表观遗传。第5页，共62页，2023年，2月20日，星期二表观遗传变异甚至能够持续影响两到三代人。例如，科学家曾经对一些特殊孕妇（在第二次世界大战和50年代中国大饥荒时期忍饥挨饿过）的孩子及其孙子进行研究发现，这些后代倾向于个头更小，更容易患上糖尿病和精神病。这些趋势都归因于表观遗传变异。“从本质上讲，它们是一种让一代人发生短期变化的方法。”斯派科特说。“一场饥荒来临，你不能瞬间改变你的基因，但表观遗传变异能让你的孩子们变胖、变瘦或者变成其他样子以达到最适应新形势的状态，这些变化至少将持续两到三代，当然，它也有可能不会发生。”第6页，共62页，2023年，2月20日，星期二概念：基因的DNA序列不发生改变的情况下，基因的表达水平与功能发生改变，并产生可遗传的表型。特征:(1)可遗传

(2)可逆性

(3)DNA不变从根本上讲，表观遗传是环境因素和细胞内的遗传物质之间发生交互作用的结果。表观遗传学第7页，共62页，2023年，2月20日，星期二表观遗传现象DNA甲基化（DNAmethylation）组蛋白修饰（histonmodification）染色质重塑（chromatinremodeling）基因组印记（genomicimprinting）x染色体失活（xchromsomeinactivation）RNA相关沉默（RNAinterference等）副突变（paramutation）位置效应斑（positioneffectvariegation）组蛋白密码（histoncode）第8页，共62页，2023年，2月20日，星期二DNA甲基化DNA碱基在甲基化酶催化下甲基化。最常见反应是胞嘧啶甲基化成为5-甲基胞嘧啶(用mC表)。DNMT1SAM胞嘧啶5-甲基胞嘧啶胞嘧啶甲基化反应

第9页，共62页，2023年，2月20日，星期二硫代腺苷甲硫氨酸是DNA甲基化的甲基供体硫代腺苷甲硫氨酸：SAM第10页，共62页，2023年，2月20日，星期二真核生物的DNA甲基转移酶哺乳动物:DNMT1,DNMT2,DNMT3ADNMT3B，DNMT3L第11页，共62页，2023年，2月20日，星期二基因组中长度为300～3000bp的富含CpG二核苷酸的一些区域，主要存在于基因的5′区域。CpG岛的甲基化第12页，共62页，2023年，2月20日，星期二DNA甲基化的功能-宿主防御

宿主防御模型：细胞中90%的甲基化CpG位于转座子中，转座子的甲基化抑制转座子的活性转座子容易导致等位基因的失活或是不稳定第13页，共62页，2023年，2月20日，星期二基因组中转座子含量丰富Organism Yeast-S.cerevisiae 3%Nematode-C.elegans 6%Fruitfly-D.melanogaster 15%Rice-Oryzasativa 14%Homosapiens 44%Corn-Zeamays 60%%ofgenomederivedfromtransposons第14页，共62页，2023年，2月20日，星期二ddm

突变导致转座子激活ReprintedbypermissionfromMacmillanPublishers,Ltd:NATURE.Miura,A.,Yonebayashi,S.,Watanabe,K.,Toyama,T.,Shimada,H.,andKakutani,T.(2001)MobilizationoftransposonsbyamutationabolishingfullDNAmethylationinArabidopsis.Nature411:212-214.Copyright2001.黄色的是原有的插入位点，蓝色和红色是新的插入位点。

CAC1CAC3CAC2CAC4DDM

失活导致DNA甲基化减少后的第6代，新插入的转座子遍布基因组。第15页，共62页，2023年，2月20日，星期二DNA甲基化的功能-基因表达调控1.DNA甲基化的主要功能：转录沉默

2.DNA甲基化抑制基因转录的机制：

(1)干扰转录因子对DNA元件的识别和结合

(2)将转录因子的DNA识别序列转变为阻抑物的识别序列

(3)DNA甲基化促进染色质重塑第16页，共62页，2023年，2月20日，星期二Themethyl-CpGbindingProteinsMeCP1、

MeCP2能够与甲基化的DNA结合MeCP2能够招募Sin3a,HDACs，形成复合物，阻遏转录DNA甲基化抑制基因转录的机制（1）第17页，共62页，2023年，2月20日，星期二DNA甲基化抑制基因转录的机制（2）DNA甲基化后，转录因子无法识别和结合DNA的元件第18页，共62页，2023年，2月20日，星期二DNA甲基化状态的遗传和保持：DNA复制后，新合成链在DNMT1的作用下，以旧链为模板进行甲基化。（缺乏严格的精确性，95%）第19页，共62页，2023年，2月20日，星期二DNA全新甲基化。引发因素可能包括：胚胎发育过程中，基因组DNA在去甲基化后重新甲基化。第20页，共62页，2023年，2月20日，星期二第21页，共62页，2023年，2月20日，星期二第22页，共62页，2023年，2月20日，星期二第23页，共62页，2023年，2月20日，星期二第24页，共62页，2023年，2月20日，星期二DNA去甲基化1.DNA去甲基化(DNAdemethylation):5甲基胞嘧啶(5mC)替代成胞嘧啶的过程2.两种方式(1)主动去甲基化A.真正去甲基化B.间接去甲基化(2)复制相关的去甲基化第25页，共62页，2023年，2月20日，星期二主动去甲基化1.5-甲基胞嘧啶去甲基化酶将5-甲基胞嘧啶水解成胞嘧啶和甲醇第26页，共62页，2023年，2月20日，星期二主动去甲基化1.5-甲基胞嘧啶去甲基化双加氧酶将5-甲基胞嘧啶水解成胞嘧啶和甲醛2.5-甲基胞嘧啶去甲基化酶将5-甲基胞嘧啶水解成胞嘧啶和甲醇3.3-甲基胞嘧啶修复双加氧酶ALKB利用-酮戊二酸将3-甲基胞嘧啶水解成胞嘧啶、二氧化碳、琥珀酸和甲醛第27页，共62页，2023年，2月20日，星期二4.5-甲基胞嘧啶/DNA糖基化酶将5-甲基胞嘧啶从磷酸二脂键骨架中切除，然后通过内切酶修复第28页，共62页，2023年，2月20日，星期二间接去甲基化1.通过去氨基把5-甲基胞嘧啶转变为甲基胸腺嘧啶，通过DNA修复去掉甲基化的胸腺嘧啶2.5-甲基胞嘧啶/DNA糖基化酶将5-甲基胞嘧啶从磷酸二脂键骨架中切除，然后通过内切酶修复3.CpG二核苷酸切除修复，把甲基化的CpG切除后修复第29页，共62页，2023年，2月20日，星期二第30页，共62页，2023年，2月20日，星期二基因组印记第31页，共62页，2023年，2月20日，星期二基因组印记与DNA甲基化密切相关1956年Prader-Willi综合征(Prader-WilliSyndrome,PWS)，患者肥胖、矮小、中度智力低下。染色体核型分析表明为父源染色体15q11-13区段缺失。第32页，共62页，2023年，2月20日，星期二1968年Angelman综合征(AngelmanSyndrome，AS)，共济失调、智力低下和失语。母源染色体15q11-13区段缺失第33页，共62页，2023年，2月20日，星期二PWS和AS综合症表明，父亲和母亲的基因组在个体发育中有着不同的影响，这种现象称为基因组印迹(genomicimprinting)。有些基因的功能受到双亲基因组的影响，即来自父方和母方的等位基因在通过精子和卵子传递给子代时发生了修饰，打上了来源基因组的印记，使带有亲代印记的等位基因具有不同的表达特性。第34页，共62页，2023年，2月20日，星期二基因印记1.由表观遗传修饰决定的，来源于双亲(Parent-of-origin)的特异性表达的基因。

A.两个等位基因中只有一个印记基因表达

B.可遗传的修饰，并且不改变基因序列的组成2.由双亲基因组功能的不对称性所决定第35页，共62页，2023年，2月20日，星期二父系印记基因:

来自父系的等位基因的表达被抑制来自母系的等位基因表达(mono-allelic)母系印记基因:

来自母系的等位基因的表达被抑制来自父系的等位基因表达(mono-allelic)第36页，共62页，2023年，2月20日，星期二第37页，共62页，2023年，2月20日，星期二涉及到不同亲本来源的印迹基因的DNA甲基化型都是在生殖细胞成熟过程中建立的。原始性细胞（2n）合子（2n）配子（n）第38页，共62页，2023年，2月20日，星期二印记基因在小鼠中已发现150多个印记基因一般认为在人中具有大致相等数量的印记基因第39页，共62页，2023年，2月20日，星期二印记基因的特点通常成簇出现一个簇中一般有3-11个印记基因，绝大多数编码可表达蛋白质的基因，至少有一个起拮抗作用的ncRNA基因，具有双亲特异性的表达模式在染色体上的分布较为分散每一个印记基因簇由一个印记控制元件(imprintcontrolelement,ICE)所调控绝大多数ICE都有CpG岛，能够发生DNA甲基化，在CpG岛内或附近通常有成簇的、反向的重复片段第40页，共62页，2023年，2月20日，星期二印记基因的特点等位基因具有不同的甲基化区域(DMRs)

有些DMRs存在于所有细胞里，有些DMRs具有组织特异性有些甲基化的DMR存在于激活的等位基因中，有些则存在于失活的等位基因中印记基因通常具有不同的组蛋白修饰，染色体结构等DNA复制不同步，父系的拷贝较早发生复制第41页，共62页，2023年，2月20日，星期二印记的判读机制1.通过CpG岛或者启动子的差异甲基化来实现第42页，共62页，2023年，2月20日，星期二印记的判读机制2.差异性的将沉默因子结合到顺式沉默元件上第43页，共62页，2023年，2月20日，星期二印记的判读机制3.差异性的甲基化边界元件/绝缘子第44页，共62页，2023年，2月20日，星期二印记的判读机制反义转录本与CpG岛或启动子的甲基化联合作用机制第45页，共62页，2023年，2月20日，星期二原生殖细胞与体细胞中的印记胚胎发育早期：非印记的基因发生去甲基化，印记基因的甲基化模式保留原生殖细胞自E10.5-E12.5发生去甲基化，去除遗传的印记模式体细胞的基因印记模式保留终生第46页，共62页，2023年，2月20日，星期二三、组蛋白修饰第47页，共62页，2023年，2月20日，星期二2023年4月18日48组蛋白修饰组蛋白修饰是表观遗传研究的重要内容。组蛋白的N端是不稳定的、无一定组织的亚单位，其延伸至核小体以外，会受到不同的化学修饰，这种修饰往往与基因的表达调控密切相关。被组蛋白覆盖的基因如果要表达，首先要改变组蛋白的修饰状态，使其与DNA的结合由紧变松，这样靶基因才能与转录复合物相互作用。因此，组蛋白是重要的染色体结构维持单元和基因表达的负控制因子。48第48页，共62页，2023年，2月20日，星期二2023年4月18日49组蛋白修饰种类乙酰化--一般与活化的染色质构型相关联，乙酰化修饰大多发生在H3、H4的Lys残基上。甲基化--发生在H3、H4的Lys和Asp残基上，可以与基因抑制有关，也可以与基因的激活相关，这往往取决于被修饰的位置和程度。磷酸化--发生与Ser残基，一般与基因活化相关。泛素化--一般是C端Lys修饰，启动基因表达。SUMO（一种类泛素蛋白）化--可稳定异染色质。其他修饰第49页，共62页，2023年，2月20日，星期二2023年4月18日502023年4月18日50BryanM.Turner,naturecellbiology,2007组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型被称为组蛋白密码（histonecode），遗传密码的表观遗传学延伸，决定了基因表达调控的状态，并且可遗传。第50页，共62页，2023年，2月20日，星期二2023年4月18日51四、RNA调控RNA干扰（RNAi）作用是生物体内的一种通过双链RNA分子在mRNA水平上诱导特异性序列基因沉默的过程。由于RNAi发生在转录后水平，所以又称为转录后基因沉默（post-transcriptionalgenesilencing,PTGS）。RNA干扰是一种重要而普遍表观遗传的现象。2023年4月18日51第51页，共62页，2023年，2月20日，星期二2023年4月18日52

siRNAsiRNA结构：21-23nt的双链结构，序列与靶mRNA有同源性，双链两端各有2个突出非配对的3’碱基。siRNA功能：是RNAi作用的重要组分，是RNAi发生的中介分子。内源性siRNA是细胞能够抵御转座子、转基因和病毒的侵略。2023年4月18日52第52页，共62页，2023年，2月20日，星期二2023年4月18日532023年4月18日53siRNA介导的RNAi第53页，共62页，2023年，2月20日，星期二2023年4月18日54siRNAi的特点：高效性和浓度依赖性特异性位置效应时间效应细胞间RNAi的可传播性多基因参与及ATP依赖性2023年4月18日54第54页，共62页，2023年，2月20日，星期二2023年4月18日55

miRNA结构：21-25nt长的单链小分子RNA，5′端有一个磷酸基团，3′端为羟基，由具有发夹结构的约70-90个碱基大小的单链RNA前体经过Dicer酶加工后生成。特点：具有高度的保守性、时序性和组织特异性。2023年4月18日55第55页，共62页，2023年，2月20日，星期二怎样定义miRNA(成熟)1,长度为22nt的转录体.可通过northernblot等方法检测得到.2,其前体为典型的发卡结构.miRNA位于发卡结构的茎部分.3,通过Dicer酶的处理后生成.4,序列具有高度的保守性.第56页，共62页，2023年，2月20日，星期二mirtron:一种微RNA的新亚型，mirtron是内含子编码的、微RNA的一个亚型。可作为潜在的诊断和预后的生物学标志。CanonicalmiRNA：典型的miRNA，由独立的编码序列编码，经Drosha加工成熟的miRNA。第57页，共62页，2023年，2月20日，星期二miRNA的生成过程第58页，共62页，2023年，2月20日，星期二注意事项:1