肿瘤的表观遗传调控

肿瘤的表观遗传调控1第一页，共四十二页，编辑于2023年，星期三Chromatinpackaging2第二页，共四十二页，编辑于2023年，星期三表观遗传学概念表观遗传(epigenetics)的概念是在1942年由Waddington提出。指DNA序列不发生变化但是基因表达却发生了可遗传的改变，也就是说基因型未变化而表型却发生了改变，这种变化是细胞内除了遗传信息以外的其他可遗传物质的改变，并且这种改变在发育和细胞增殖过程中能稳定地传递下去。3第三页，共四十二页，编辑于2023年，星期三CancerepigeneticsInadditiontohavinggeneticcauses,cancercanalsobeconsideredanepigeneticdisease.

RegulationbygeneticsinvolvesachangeintheDNAsequence,whereasepigeneticregulationinvolvesalterationinchromatinstructureandmethylationofthepromoterregion4第四页，共四十二页，编辑于2023年，星期三5表观遗传学的特点：可遗传的，即这类改变通过有丝分裂或减数分裂，能在细胞或个体世代间遗传；可逆性的基因表达调节，也有较少的学者描述为基因活性或功能的改变；没有DNA序列的改变或不能用DNA序列变化来解释。表观遗传修饰主要包括DNA以及一些与DNA密切相关的蛋白质(例如组蛋白)的化学修饰，另外某些非编码的RNA也在表观遗传修饰中起着重要的作用。55第五页，共四十二页，编辑于2023年，星期三EpigeneticRegulationofCancerSiteSpecificHypermethylationGlobalHypomethylationHistoneModificationsRegulatingFactorsDietaryHormonalGeneticVermaM,SrivastavaS.LancetOncol.(2002)3:755-63.DNAMethyltransferasesHistoneMethyltransferasesHistoneAcetylases/DeacetylasesEpigeneticsRegulates:CellCycleControlDNADamageApoptosisInvasionX-ChromosomeInactivationImprintingAging6第六页，共四十二页，编辑于2023年，星期三表观遗传修饰从多个水平调控基因表达

DNA:DNA甲基化蛋白质：组蛋白修饰

染色质：染色质重塑

RNA：非编码RNA7第七页，共四十二页，编辑于2023年，星期三DNA甲基化

DNA甲基化(DNAmethylation)是研究得最清楚、也是最重要的表观遗传修饰形式，通过将S一腺苷甲硫氨酸作为甲基供体，并在DNA甲基转移酶(DNAmethyltransferase，DNMT)的催化下，CpG二核苷酸中的胞嘧啶环上5′位置的氢被活性甲基所取代，从而转变成为5甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5mC)。8第八页，共四十二页，编辑于2023年，星期三EnzymaticmethylationoftheC–5positionofcytosineresiduescaneffectepigeneticinheritancebyalteringtheexpressionofgenesandbytransmissionofDNAmethylationpatternsthroughcelldivision.Thus,inadditiontoitswell–knownroleindeaminationmutationalhotspotsinhumanDNA,DNAmethylationmaycontributetogeneinactivationincancer.9第九页，共四十二页，编辑于2023年，星期三10第十页，共四十二页，编辑于2023年，星期三哺乳动物基因组中5mC占胞嘧啶总量的2%-7%，约70%的5mC存在于CpG二连核苷。在结构基因的5’端调控区域,CpG二连核苷常常以成簇串联形式排列，这种富含CpG二连核苷的区域称为CpG岛(CpGislands)，其大小为500-1000bp，约56%的编码基因含该结构。基因调控元件(如启动子)所含CpG岛中的5mC会阻碍转录因子复合体与DNA的结合。DNA甲基化一般与基因沉默相关联；非甲基化一般与基因的活化相关联；而去甲基化往往与一个沉默基因的重新激活相关联。11第十一页，共四十二页，编辑于2023年，星期三癌细胞的整个基因组水平处于低甲基化状态，比正常低20%～60%，这种低甲基化大多发生于编码区和内含子区域，以及约占人类基因组20%～30%的重复序列区抑癌基因启动子区域CpG岛高度甲基化，且与DNA结合的组蛋白广泛去乙酰化12第十二页，共四十二页，编辑于2023年，星期三Esteller,andJ.G.Herman.Cancerasanepigeneticdisease:DNAmethylationandchromatinalterationsinhumantumors.JPathol,2001.13第十三页，共四十二页，编辑于2023年，星期三GenesilencingDNAmethylationisapowerfulmechanismforthesuppressionofgeneactivity.Thereisreciprocalrelationshipbetweenthedensityofmethylatedcytosineresiduesandthetranscriptionalactivityofagene.Themethylgroupsdonotaffectbasepairingbutcaninfluenceprotein–DNAinteractionsbyprotrudingintothemajorgroove.14第十四页，共四十二页，编辑于2023年，星期三●Thestrongeffectof5–methylcytosine(5mC)inmammalianpromoterregionssuggeststhatDNAmethylationinhibitstranscriptionbyinterferingwithtranscriptioninitiation.●DNAmethylationreducesthebindingaffinityofsequence–specifictranscriptionfactors.●Methylation–dependent,sequence–specificDNA–bindingproteins,suchasMDBPmayactastranscriptionalrepressors.15第十五页，共四十二页，编辑于2023年，星期三组蛋白修饰组蛋白修饰(histonemodification)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。16第十六页，共四十二页，编辑于2023年，星期三Histonemodifications—includingacetylation,methylationandphosphorylation—areimportantintranscriptionalregulationandmanyarestablymaintainedduringcelldivision,althoughthemechanismforthisepigeneticinheritanceisnotyetwellunderstood.ProteinsthatmediatethesemodificationsareoftenassociatedwithinthesamecomplexesasthosethatregulateDNAmethylation.17第十七页，共四十二页，编辑于2023年，星期三Covalentmodificationofhistones:AcetylationoflysinesMethylationoflysinesandargininesPhosphorylationsofserinesandthreoninesHistoneModifications18第十八页，共四十二页，编辑于2023年，星期三Histones•5types:H2A,H2B(slightlylysrich),H3,H4(argrich)H1(lysrich).Allrelativelysmallproteins.•Per200bpofDNA:2moleculeseachofH2A,H2B,H3,H4andonemoleculeofH1.19第十九页，共四十二页，编辑于2023年，星期三HistoneAcetylationAcetylationofthelysineresiduesattheNterminusofhistoneproteinsremovespositivecharges,therebyreducingtheaffinitybetweenHistonesandDNA.ThismakesRNApolymeraseandtranscriptionfactorseasiertoaccessthepromoterregion.Therefore,inmostcases,histoneacetylationenhancestranscriptionwhilehistonedeacetylationrepressestranscription20第二十页，共四十二页，编辑于2023年，星期三Transcriptionprocessanditsregulationbyhistonemodification21第二十一页，共四十二页，编辑于2023年，星期三HistoneacetylationandcancerInacutepromyelocyticleukaemia:TheoncoproteinproducedbythefusionofthePML(promyelocyticleukaemia)geneandtheretinoicacidreceptorageneappearstosuppressthetranscriptionofspecificgenesthroughtherecruitmentofHDACs.Thusthecancercellisunabletoundergodifferentiation,leadingtoexcessiveproliferation.Similarphenomena:retinoicacidreceptora–PLZF(promyelocyticleukaemiazincfingerprotein)fusion,AML1(acutemyelocyticleukaemiaprotein1)–ETOfusion,andalsointheMyc/Mad/Maxsignallingpathwayinvolvedinsolidmalignancies.22第二十二页，共四十二页，编辑于2023年，星期三ItisclearthatHDACenzymesseldomoperatealone.

Manyproteins,withvariousfunctionssuchasrecruitment,co-repressionorchromatinremodelling,areinvolvedinformingacomplexthatresultsintherepressorcomplex.23第二十三页，共四十二页，编辑于2023年，星期三TherearetwoproteinfamilieswithHDACactivity:therecentlydiscoveredSIR2familyofNAD+-dependentHDACsandtheclassicalHDACfamily.MembersoftheclassicalHDACfamilyfallintotwodifferentphylogeneticclasses-classIandclassIITheclassIHDACs(HDAC1,2,3and8)aremostcloselyrelatedtotheyeast(Saccharomycescerevisiae)transcriptionalregulatorRPD3.ClassIIHDACs(HDAC4,5,6,7,9and10)sharedomainswithsimilaritytoHDA1,anotherdeacetylasefoundinyeast.RecentlyanewmemberoftheHDACfamilyhasbeenidentified,HDAC1124第二十四页，共四十二页，编辑于2023年，星期三

AwidevarietyofprocessesareassociatedwiththeinhibitionofHDACs,suchasapoptosis,necrosis,differentiation,inhibitionofproliferationandcytostasis.Currently,manyeffortsarebeingmadetoexpandourknowledgeoftheHDACsandtodeveloppotentandstableHDACi.

25第二十五页，共四十二页，编辑于2023年，星期三RESPONSIVEGENES

BystudyingtheeffectsofHDACiontheexpressionofvariousgenesandtheirregulatorypathways,amoredetailedpicturewillemergeofhowtheinhibitionofHDACs,combinedwiththeHDACexpressionprofileofthatcell,ultimatelydeterminesthefateofthecell.26第二十六页，共四十二页，编辑于2023年，星期三组蛋白修饰的种类27第二十七页，共四十二页，编辑于2023年，星期三染色质重塑染色质重塑（chromatinremodeling）是一个重要的表观遗传学机制。染色质重塑是由染色质重塑复合物介导的一系列以染色质上核小体变化为基本特征的生物学过程。组蛋白尾巴的化学修饰（乙酰化、甲基化及磷酸化等）可以改变染色质结构，从而影响邻近基因的活性。28第二十八页，共四十二页，编辑于2023年，星期三

Johnstone2002

EpigeneticMechanisms29第二十九页，共四十二页，编辑于2023年，星期三Chromatin-LevelRegulationofGeneExpressionGarfinkelandRudenNutrition:20:56-62,200430第三十页，共四十二页，编辑于2023年，星期三染色质修饰与重塑（共价修饰型与ATP依赖型）31第三十一页，共四十二页，编辑于2023年，星期三MicroRNAmiRNA是近年来生命科学领域的研究热点，是一组生物体基因组编码的内源性非编码小RNA。miRNA主要采用降解靶mRNA和抑制靶mRNA的翻译两种作用方式在转录后水平调控基因表达。降解靶mRNA的方式与siRNA的作用方式相似，直接作用于靶mRNA，直接导致mRNA表达水平下降。但绝大多数哺乳动物细胞中的miRNAs并不导致靶mRNA的降解，而是通过与靶mRNA的3’端非翻译区（UTR）不完全匹配结合，抑制mRNA翻译成蛋白质，使靶基因的蛋白质表达水平下降。32第三十二页，共四十二页，编辑于2023年，星期三

Aprimarytranscript(pri-miRNA)isfirstprocessedintoastem-loopstructureabout60–80nt(pre-miRNA)bytheRNaseendonucleaseDrosha.pre-miRNAsareexportedtothecytoplasmbyExportin-5.Dicercleavesthehairpin,releasingamiRNA:-miRNAduplex,whichhasatwobaseoverhangatboth30ends.Thestr