表觀遺傳的生化機理及應用前景

1、表觀遺傳的生化機理表觀遺傳的生化機理及應用前景及應用前景主要內容：主要內容： 表觀遺傳簡介表觀遺傳簡介 表觀遺傳調控機制表觀遺傳調控機制 理論研究意義及前景理論研究意義及前景 實際應用前景實際應用前景關鍵詞：關鍵詞：表觀遺傳表觀遺傳 DNA甲基化甲基化 組蛋白修飾組蛋白修飾 腫瘤腫瘤 衰老衰老Gregor Mendel (1822-1884）遺傳學之父遺傳學之父(The genetic factors )，發(fā)現(xiàn)了遺傳學基本規(guī)律發(fā)現(xiàn)了遺傳學基本規(guī)律（ Published in 1865 and 1866 and “re-discovered” in 1900 ）。遺傳簡史：遺傳簡史：遺傳簡史：遺

2、傳簡史：Thomas Hunt Morgan (1866-1945)發(fā)現(xiàn)基因連鎖互換定律發(fā)現(xiàn)基因連鎖互換定律（Published in 1915）。Discovered the 3rd basic genetic law, together with Mendels two laws, they form the basis of what is now known as classical genetics.遺傳簡史：遺傳簡史：James Watson & Francis Crick發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結構雙螺旋結構（ Published in 1953 )，分子遺傳學誕生。分子遺傳學誕生。

3、 中心法則中心法則（central dogma）堿基序列（基因）決定性狀，堿基序列（基因）決定性狀，序列改變，引起性狀的改變。序列改變，引起性狀的改變。BUT從遺傳學的角度來看， 同卵雙生的孿生子具有完全相同的基因組。如果這兩個孿生子在同樣的環(huán)境下成長，從邏輯上說，倆人的氣質和體質應該非常相似。但研究者發(fā)現(xiàn)， 一些孿生子的情況并不符合預期的理論。往往在長大成人后出現(xiàn)性格、健康方面的很大差異。這種反?，F(xiàn)象長期困擾著遺傳學家?，F(xiàn)在科學家們發(fā)現(xiàn)?？梢栽诓挥绊慏NA序列的情況下改變基因組的修飾這種改變不僅可以影響個體的發(fā)育，而且還可以遺傳下去。在“基因決定論”的背后隱藏著一個重要的長期以來爭執(zhí)不休的問

4、題： 環(huán)境的作用能否改變個體的遺傳特性，并傳遞給下一代? 這種被稱為“拉馬克學說拉馬克學說”(Lamarckism) 的觀點一直被正統(tǒng)的生物學家拒之門外但現(xiàn)實的生命世界又一次次地把這個話題送到研究者的視線內。瑞典一個科學家小組曾在2002年11月發(fā)表了一項研究， 他們的統(tǒng)計結果表明， 對于生于1890- 1920年的瑞典男人的孫輩而言，如果其祖父在青少年期間吃得很好， 那么孫輩因糖尿病而死亡的概率就很高；如果其祖父是在饑餓中長大的那么孫輩死于心臟病的機會就很少。也就是說，祖父輩的飲食狀態(tài)影響到了孫輩的健康狀態(tài)。從這個例子可以得到這樣一種結論：個體在發(fā)育和生長過程中獲得的環(huán)境影響被遺傳給了后代。

5、從這里可以引申出一個更根本的問題：什么決定基因。大自然(環(huán)境)如此豐富多彩、如此變化不停，很難想象，對于一個開放的復雜生命系統(tǒng)，不會打上它的烙印。也許這是一個“先有雞還是先有蛋”的進化論問題，但不論怎樣，基因不會代表一切，更不能決定一切Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829)獲得性遺傳獲得性遺傳（ Inheritance of acquired characteristics） 1942年，年，Waddington最早提出表觀遺傳學最早提出表觀遺傳學（epigentics）一詞，認為是遺傳學領域中）一詞，認為是遺傳學領域中探討基因型與表現(xiàn)型之間相互關系的一個新探討基因

6、型與表現(xiàn)型之間相互關系的一個新的研究方向。的研究方向。 近年來，現(xiàn)代分子生物學認為細胞中信息的近年來，現(xiàn)代分子生物學認為細胞中信息的表達受兩種因素控制：一種是遺傳調控，另表達受兩種因素控制：一種是遺傳調控，另一種是表觀遺傳調控。一種是表觀遺傳調控。 2003 年年10月正式宣布開始投資和實施人類表月正式宣布開始投資和實施人類表觀基因組計劃（觀基因組計劃（HGP） 。表觀遺傳學（表觀遺傳學（Epigenetics）？）？ 表觀遺傳學是指表觀遺傳學是指不需要核苷酸序列變異不需要核苷酸序列變異的基因表達的可遺傳改變。的基因表達的可遺傳改變。表觀遺傳變異是如何實現(xiàn)的？表觀遺傳變異是如何實現(xiàn)的？DNA

7、甲基化甲基化 DNA methylation 組蛋白共價修飾組蛋白共價修飾 Covalent modifications in Histone染色體重塑染色體重塑 Chromatin remodeling非編碼非編碼RNA調控調控基因表達重新編程基因表達重新編程DNA 甲基化甲基化 DNA 甲基化是在DNA甲基轉移酶(DNA methyltransferase，Dnmt)的作用下，以s一腺苷甲硫氨酸(sAM)為甲基供體，將甲基基團轉移到胞嘧啶第5位碳原子上。甲基化的胞嘧啶多位于CpG島上，CpG 島是CpG集中的區(qū)域，約1 kb長，人類及哺乳動物體內約90%發(fā)生在CpG 島。啟動子區(qū)域富含Cp

8、G序列，故易發(fā)生甲基化。DNA甲基化可以在轉錄水平抑制基因的表達。 DNA甲基化甲基化(DNA methylation)是研究得最清楚、是研究得最清楚、 也是最重要的表觀遺傳修飾形式。也是最重要的表觀遺傳修飾形式。 DNMT1SAM胞嘧啶胞嘧啶5-5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶胞嘧啶甲基化反應胞嘧啶甲基化反應 甲基轉移酶 目前，有4種可能機制解釋DNA 甲基化對轉錄的抑制： 直接干擾特異轉錄因子和各種啟動子識別位點的結合； 甲基化的DNA結合轉錄抑制因子引起基因沉默； 通過影響核小體的位置或與其染色體蛋白質相互作用而改變染色體的結構，介導轉錄抑制； eCP2(甲基化的CG序列結合蛋白)的C端的轉錄抑

9、制區(qū)域(TRD)與Sin3A結合以及恢復組蛋白脫乙?；?histone deacetylase，HDAC)活性去修飾染色質，使基因轉錄失活，MeCP2的TRD還可以與TFB結合抑制轉錄。Model for methylation-dependent gene silencing. The structural element of chromatin is the nucleosomal core, which consists of a 146-bp DNA sequence wrapped around core histones. Acetylation of the histones

10、 causes an open chromatin config-uration that is associated with transcriptional activity. Methylated cytosines are recognized by methyl-CpG-binding proteins (MBDs), which in turn recruit histone deacetylases (HDACs) to the site of methylation, convert-ing the chromatin into a closed structure that

11、can no longer be accessed by the transcriptional machinery. 甲基化也是一個可逆的過程甲基化也是一個可逆的過程 基因調控元件基因調控元件(如啟動子如啟動子)所含所含CpG島中的島中的5-mC會阻礙轉錄因子復合體與會阻礙轉錄因子復合體與DNA的結合，所以的結合，所以DNA甲基化甲基化一般與一般與基因沉默基因沉默(gene silence)相相關聯(lián)；關聯(lián)； 而而非甲基化非甲基化(non-methylated)一般與一般與基因的活化基因的活化(gene activation)相關聯(lián)。而相關聯(lián)。而去甲去甲基化基化(demethylation)往

12、往與一個沉默基因的往往與一個沉默基因的重新激活重新激活(reactivation)相關聯(lián)。相關聯(lián)。 DNA復制酶復制酶CH3CH3CH3CH3DNA甲基甲基轉移酶轉移酶CH3CH3CH3CH3DNADNA復制后甲基化型的維持復制后甲基化型的維持 DNA甲基化組蛋白的共價修飾組蛋白的共價修飾 乙?；阴；?去乙?；ヒ阴；?acetylation/deacetylation 甲基化（ H3-Lys9） methylation 磷酸化 ADP核苷酸化 糖基化、泛素化、羰基化等組蛋白組蛋白Histone組蛋白乙?；M蛋白乙?；?去乙?；ヒ阴；?組蛋白乙?；彩且豢赡娴膭討B(tài)過程。組蛋白乙?；D移酶(

13、HAT) 將乙酰輔酶A 乙?；糠洲D移到核心組蛋白氨基末端上特定賴氨酸殘基的2氨基基團。這些賴氨酸的乙?；瘜е码姾傻闹泻鸵约癉NA 與組蛋白的分離,使核小體DNA 易于接近轉錄因子。在此種情況下,其他因子就可乘虛而入結合于DNA 上。 染色質是由DNA雙鏈纏繞組蛋白及非組蛋白形成。組蛋白乙?；笕旧w處于開放狀態(tài)有利于轉錄，且與乙?；慕M蛋白相聯(lián)的DNA 片段上的基因活化_4 ；反之，組蛋白脫乙?；墒够虮磉_沉默 組蛋白乙?；挠绊懡M蛋白乙?；挠绊?研究表明，組蛋白甲基化可以與基因抑研究表明，組蛋白甲基化可以與基因抑制有關，也可以與基因的激活相關，這往往制有關，也可以與基因的激活相關，這往

14、往取決于被修飾的賴氨酸處于什么位置。取決于被修飾的賴氨酸處于什么位置。 例如，組蛋白例如，組蛋白H3 Lys9H3 Lys9甲基化最終導致甲基化最終導致了基因的沉默；然而，位于了基因的沉默；然而，位于H3 Lys 4的甲基化的甲基化則與基因的活化相關聯(lián)。則與基因的活化相關聯(lián)。組蛋白甲基化組蛋白甲基化/去甲基化去甲基化磷酸化ATP-核苷酸化染色質重塑染色質重塑 指染色質位置和結構的變化。指染色質位置和結構的變化。主要涉及主要涉及密集的染色質絲在核小體連接處發(fā)生松解造成染密集的染色質絲在核小體連接處發(fā)生松解造成染色質解壓縮，從而暴露基因轉錄啟動子區(qū)中的順色質解壓縮，從而暴露基因轉錄啟動子區(qū)中的順式

15、作用元件，為反式作用蛋白（轉錄因子）與之式作用元件，為反式作用蛋白（轉錄因子）與之結合提供了一種稱為可接近性（結合提供了一種稱為可接近性（accesibility）的）的狀態(tài)。這一過程由兩類結構介導：狀態(tài)。這一過程由兩類結構介導：ATP依賴型核依賴型核小體重塑復合體和組蛋白修飾復合體。前者通過小體重塑復合體和組蛋白修飾復合體。前者通過水解作用改變核小體構型；后者對核心組蛋白水解作用改變核小體構型；后者對核心組蛋白N端尾部的共價修飾進行催化其中還有端尾部的共價修飾進行催化其中還有I型型DNA酶酶（DNase I）超敏性的改變。）超敏性的改變。 通常，通常，DNA甲基化、組蛋白甲基化和染色質的壓縮

16、狀甲基化、組蛋白甲基化和染色質的壓縮狀態(tài)和態(tài)和DNA的不可接近性，以及基因處于抑制和靜息狀的不可接近性，以及基因處于抑制和靜息狀態(tài)相關；而態(tài)相關；而DNA的去甲基化、組蛋白的乙?；腿旧娜ゼ谆?、組蛋白的乙?；腿旧|壓縮狀態(tài)的開啟，則與質壓縮狀態(tài)的開啟，則與轉錄的啟動、基因活化和行轉錄的啟動、基因活化和行使功能使功能有關。這意味著，不用改變基因本身的結構，有關。這意味著，不用改變基因本身的結構，而是改變基因轉錄的微環(huán)境條件就可以左右基因的活而是改變基因轉錄的微環(huán)境條件就可以左右基因的活性：或者令其靜息（性：或者令其靜息（silencing），或者使其激活。），或者使其激活。其結果（表觀遺傳

17、現(xiàn)象）包括基因沉默、基因組印跡、DNA甲基化、X染色體失活（組蛋白H4不被乙?；?、 CpG島的高度甲基化）、轉座因子激活和基因組印記等多個方面。 Epigenetics is an advanced biological system that selectively utilizes genomic information and is involved in various fundamental phenomena. Specifically, it puts emphasis on the regulation of gene expression, through DNA methy

18、lation, chromatin, and post-translational modification of proteins such as histones. Arrows indicate possible functional interactions between them. DNA hypermethylation, histone hypoacetylation and inactive chromatin repress transcription. In contrast, a transcriptionally active condition may encour

19、age DNA hypomethylation, histone hyperacetylation and active chromatin. Also, a particular chromatin structure may be required for establishing DNA methylation .Too big! Apparently as a result of abnormal imprinting,the cloned lamb at left is bigger than the normal lamb at right. Cloned animals ofte

20、n have other health problems as well. 前景展望前景展望 了解人類發(fā)育機制本質了解人類發(fā)育機制本質, 影響免疫細胞分化和功能。影響免疫細胞分化和功能。免疫學中表觀遺傳學調控所發(fā)免疫學中表觀遺傳學調控所發(fā)揮的影響，波及基因、細胞和應答等不同的水平。揮的影響，波及基因、細胞和應答等不同的水平。 基因組進化基因組進化 表觀遺傳修飾的環(huán)境因子敏感性也許可以用來解釋遺傳學表觀遺傳修飾的環(huán)境因子敏感性也許可以用來解釋遺傳學上完全一樣的個體（如雙生子）在不同的環(huán)境中可以產生上完全一樣的個體（如雙生子）在不同的環(huán)境中可以產生明顯的表型差異，也提示表觀遺傳修飾的可遺傳性在基因

21、明顯的表型差異，也提示表觀遺傳修飾的可遺傳性在基因和環(huán)境的相互作用中起著重要的作用。和環(huán)境的相互作用中起著重要的作用。 表觀遺傳研究過程中還形成了表觀遺傳修飾，表觀遺傳突表觀遺傳研究過程中還形成了表觀遺傳修飾，表觀遺傳突變，表觀等位基因變，表觀等位基因(epialleles)，表觀基因組，表觀基因組，表觀基因組，表觀基因組學學(epigenomics)， 表觀遺傳病和表觀基因治療表觀遺傳病和表觀基因治療(epigenetic therapy)等一系列科學概念。這些概念和思等一系列科學概念。這些概念和思想已經成為哺乳動物克隆技術的進步和干細胞移植技術用想已經成為哺乳動物克隆技術的進步和干細胞移植

22、技術用于臨床等應用性研究的理論先導于臨床等應用性研究的理論先導前景展望前景展望 人類表觀基因組協(xié)會人類表觀基因組協(xié)會(Human Epigenome Consortium , HEC)于于2003 年年10月正式宣布開始投資和月正式宣布開始投資和實施了旨在解析人類全基因組中表實施了旨在解析人類全基因組中表觀遺傳信息及其與疾病狀態(tài)相關的觀遺傳信息及其與疾病狀態(tài)相關的特定表觀遺傳修飾的特定表觀遺傳修飾的人類表觀基因人類表觀基因組計劃組計劃(Human Epigenome Project , HEP) 。HEP 的提出和實的提出和實施施,標志著與人類發(fā)育和腫瘤疾病密標志著與人類發(fā)育和腫瘤疾病密切相關

23、的表觀遺傳學切相關的表觀遺傳學(epigenetic) 和表觀基因組和表觀基因組(epigenome) 研究又研究又跨上了一個新的臺階?？缟狭艘粋€新的臺階。 前景展望前景展望 表觀遺傳與疾病表觀遺傳修飾異常引起表觀遺傳修飾異常引起 DNA異常甲基化阻遏正?；虻霓D錄等。異常甲基化阻遏正?；虻霓D錄等。有兩種機制：有兩種機制： 1.在發(fā)育的重新編程過程中造成的特定基因表觀遺傳修在發(fā)育的重新編程過程中造成的特定基因表觀遺傳修 飾的異常，有人稱之為表觀突變飾的異常，有人稱之為表觀突變(epimutation)； 2.與表觀遺傳修飾的分子機器結構與功能相關與表觀遺傳修飾的分子機器結構與功能相關 的蛋白

24、質編的蛋白質編碼基因有關的，如碼基因有關的，如DNA甲基轉移酶基因或差甲基轉移酶基因或差 異甲基化異甲基化CpG島結合蛋白島結合蛋白CTCF基因的突變或表觀突變?；虻耐蛔兓虮碛^突變。Prader-Willi綜合征綜合征父源染色體父源染色體15q11-13區(qū)段缺失區(qū)段缺失脆性脆性X綜合征綜合征 (fragile-X syndrome)是一種以智力低是一種以智力低下為主要癥狀的遺傳性智力下為主要癥狀的遺傳性智力障礙綜合征。障礙綜合征。(CCG)n重復序列擴展會引起重復序列擴展會引起CCG中中CpG二聯(lián)核苷的甲基二聯(lián)核苷的甲基化，從而使化，從而使FMRI基因沉默?；虺聊?。Beckwith-Wiedemann綜合征綜合征遺傳學和表觀遺傳學調節(jié)機制異遺傳學和表觀遺傳學調節(jié)機制異常同時作用常同時作用前景展望前景展望 表觀遺傳與腫瘤研究治療 啟動子序列的甲基化和組蛋白的乙?；够蜢o默。這個過程影響抑癌基因時對癌的發(fā)生也起作用 。CpG島甲基化異常機制參與的腫瘤細胞與正常細胞相比,DNA 甲基化狀態(tài)與方式存在很大差異,表