第23期培训课件表观遗传学中的生物信息学分析

表观遗传DNA中心法中心法

5RNA 5RNA遗传规 遗传规 表型表型型 生 生 生

的

内部的遗传物质结型在很大程度上决定了生 的表现表现型相同

型却并不一定表观遗传学的1939年，发育生物学家ConradWaddington正式提出eienetics即表观遗传 1975年，RobinHolliday对表观遗传学提出比较系统的界定，即表观遗传学是研究在没有DNA序列变化的情况下，可以经过有丝和减数等遗传方式在细胞和世代间传递，从而引起表达或表型的改变的生命信息，它是不符合传统遗传规律的核内遗传表观遗传学的定 表观遗传学的定基组(ei+enomics)则是 表观遗传学的分 DNA的共价修饰,可引 失活以及转座子沉默表观遗传学的分组蛋白有着众多的共价修饰形式包括甲基化、乙酰化、泛素化以及磷酸化等。根据修饰的种类位点以及修饰的个数不同,这些修饰可不同的效果,或者引起沉默,或者引起激活。现现•••公马和母驴所产后代称为驴骡 现现 现

LyonMF(1961)."GeneActionintheX‐chromosomeoftheMouse(MusmusculusL.)"( ).Nature190(4773):372–3.Barr

MurrayLlewellynSomeinterestingfactsaboutBarrrelatingtothevisionofcolours”Da.Da.1Da.=1/12(1766‐JohnDaltonStreetconnectingDeansgateAlbertSquareinthecentreofGamesoftheXIXOl iad16现现地球人+纳美表观遗传学研究的主要内表观遗传学研究的主要内Genomic Xchromosomeinactivation Developmental Tissuespecificexpression Chromatinremodelling（染色质重塑Histonemodification（组蛋白修饰Acetylation,methylation,phosphorylation,DifferenttypesofRegulationofGeneRNA 组印定义传给子代的亲本 组印 在配子或合子发生期间来自亲本的等位或染代体细胞中两个亲本来源的等位有不同的表达例子胰岛素依赖性是父源等位为致病的时候发病，异常源自母亲等位的时候不发病原因可能是这个致病源自父亲的表达，源自母亲沉一种是由于DNA甲基化、异染色质化以及位置效应等引起的转录沉上 沉默 利 沉默 治疗中有效抑制有 的表达，达到治疗疾的目的，所以研 沉默具有极其重要的理论和实践意义染色质重 染色质重 启动子中,转录因子TF以及染色质重塑因子与启动子上特定位点结合,引起特定核小 置的改变(滑动),或核小体三维结构的改变,或二者兼有。染色质重塑主要有2 机制机制其与带负电荷的亲和性,导致局部与组蛋白八聚体解开缠绕,特异序列结合,而发挥转录调控作用,而发挥转录调控作用③组蛋白乙酰基转移酶对相关的转录因子和活化因子进行乙酰化修饰染色质重塑与疾 染色质重塑与疾如果突变引起抑 或调节细胞周期的蛋白出现异常，则可能会 症 染色质重塑异常还能引起一系列生长发育畸形,智力发育迟缓引起生长发育畸形RNA干年月日，瑞 卡罗林医学院宣布，本年 理学和医学奖的桂冠授予两 人A.ZFire（安德鲁·法尔C.C.Mello（克雷格·梅洛他们获奖，是因为发现了RNA奖评委会的公报说，Fire和Mello获奖是因为他现了控制遗传信息流RNA干 当细胞中导入与mRNA编码区同源的双链RNA时，该mRNA发生降解导 表达沉默 RNAi与转录 沉默(post‐transcriptionalgenesilencingtransgenesilencing)在分子层次上被证实是同一RNA干扰RNA干扰的机RNA干扰的应 RNAi在今天的制药产业中是药物靶标确认的一个重要工具双链小分子RNA或siRNADNA甲基近两年，关于5‐hmCDNA甲基近两年，关于5‐hmCN7-mG（鸟嘌呤N7-mG（鸟嘌呤DNADNADNA甲基化与疾 老年痴红斑一系列遗传CpG 组 值5CpGCpGL>=200bp,GC>=50%,CpGratio>= L>=500bp,GC>=55%,CpGratio>=0.65CpGCpG岛CpG岛的数据获

>=200bp，GC>=50%，CpGo/e>=500bp，GC>=50%，CpGo/e>=400bp，GC>=50%，CpGo/e=，GC>=50%，CpG=CpG_MI、CpGISeeker……非非CGCHG、CHH（H=A、T、甲基化转甲基化转胚胎干甲基化甲基化和去甲基 双链中的新合成链的甲基化②DNMT3a、DNMT3b：从头甲基转移酶它们可甲基化CpG使其半基化,继而全甲基化。从头甲基转移酶可能参与细胞生长分化调控 其中DNMT3b在肿 甲基化中起重要作用DNA去甲基化有两种方式 能被完全甲基化,从而阻断DNMT1的作用；②主动途径:是由去甲基酶的作用,将甲 移去的过程5‐mC的研究方实验方法(一实验方法(二MBD实验方法(三 实验实验方法（四 实验实验方法（五 实验方法（六实验方法（六实验实验方法（七重亚重亚硫酸盐建 建库流SolexaSolexaBMCBioinformatics2009,10:232BMCBioinformatics2010,11:203 :BioinformaticsBioinformatics2011,27:BSBS其他软其他软参考序列预处reads预处比对时比对时考虑到的细节问是否过滤低质量的 Mapped%Correctly % %Bismark000000Bismark00008

False False

工具的工具的比 Bismark000 Bismark50 cytosinemethylome(methylC‐seq),transcriptomeandsmallRNAtranscriptome g g 11<2.2e-2345<2.2e-67 5hmC的研究方法TheGLIB5hmC5hmC的研究方法5hmC的研究方法binantmouseNatProtoc.2012December;7(12):案案5hmC~H3K4me1,PLoSPublishedJune23, 2011|Volume7|Issue6| 案案C2N0>=5 1~5 <1 distal

intragenicregiondistaldownstreamdistal00C2N_5C2T_5geneC2N_5C2T_5C2N_5C2T_5geneC2N_5C2T_5单分单分与表观修关于甲基化修BaseModification---Sequencing4mC、g5hmC、6mAand25X5mC、250XBaseBaseModification---Mycobacteriumbovis1SMRT53,365filter306.9Mbfilter#of#ofMotifs on3442355Not0BaseBaseModification---Mycobacteriumtuberculosis1SMRT70,671filter302.3MbfilterModified % #ofMotifs#ofMotifs Mean n55Not0组蛋因氨基酸成分和分子量不同，主要分成5类：H1、H2A种残基保守存在部位及结构作低高颗粒，形成核小极组蛋CN碱性氨疏水氨基 （精氨酸、赖氨酸组蛋白修组蛋白组蛋白修甲基泛素化ADP核糖基化这些修饰都会影 的转录活性组蛋组蛋白甲基单、双、单、双甲基4、9、27和2、l7、H3k4，H3K36和H3K79因激活相与沉默相3沉默较为稳定的相对动态的与激活相

组蛋白组蛋白乙酰发H3、H4的N端比较保守的赖氨酸位组蛋白乙酰转移酶和组蛋白去乙酰化酶多样多个位点可提供乙调控作对组蛋白电荷以及相互作用蛋白的影响，来调 转高乙酰化与激 表达、低乙酰化与抑 表达有特异染色质结构域组蛋白呈低乙酰化，常染色质结构域组白呈高组蛋白组蛋白泛素将激活的含76N组蛋白既可以被单泛素化修饰,也可以被多单泛素化修饰即组蛋白的一个或几个赖氨酸残基仅结合一个子多泛素化修饰是指组蛋白的一个赖氨酸残基同时结合多个去泛素化酶分为两 ：泛素羧基端水解 (UCH)和泛素异性加工蛋白酶泛素泛素化与甲基 H3K4me2和

哺乳动物细胞中,组蛋白H2B泛素化是H3K4和H3K79H3K79甲基化呈负相不同组蛋白的不同修饰间有着不同的关系,组蛋白组蛋白磷酸

组蛋白的磷酸化可能会改变组蛋白与DNA的结合在细 期间，H1的1～3个丝氨酸可以磷酸 H3S10H3K9的甲基化磷酸化与乙酰化协同效应组蛋白的其他修饰组蛋白的其他修饰方有人称这些能被识别的修饰信息为组蛋 。这些组蛋 组变化非常多，因此组蛋白共价修饰可能是更为精细 表达方式各种修饰间也存在着组蛋白修饰与DNA甲基化之间的 主要主要研ChIP-ChIP=染色质免疫共ChIP（染色质免疫共沉淀白结合的DN段，从而获得蛋白 饰的靶ChIP‐chip和 第二，对于结合位点分析，ChIP‐Seq通过寻找“峰”，结合分辨率可精确到10~30bp，而上探针由于长度所限，无法精确定位，即使目前最高水平的商业都无法提供可与ChIP‐Seq媲美的分辨率；性。而ChIP‐Seq仅需要 级起始材料，如SOLiD起始材料可低至ChIP‐chip和BioinformaticsChallengesinRapid oftheseshortsequencereadstoreference–Thousandof–Thousandofenriched PeakFindingexactbindingCompareresultsofdifferentDNAmethylation–MethDB,HistoneInformationonhistonesandhistonefold‐containing–MethDB,HistoneInformationonhistonesandhistonefold‐containingImportantforresearchinthecompactionandaccessibilityofeukaryoticandprobablyarchaealgenomicDNACancermethylationyzingirregularmethylationpatternsthatarecorrelated–PubMeth,–PubMeth,案案 总 总inputDNA 000IgG-IgG-IgG-IgG-BSCpGBBRRBS-FindPeaksFindPeaks FastqandSolexareadsoftheFastq s_1_2_sequence.txtggggfgggggd_adcggggeggfggeggegf`geececdegggggfegcfegggegggfgac[aced`b