表觀遺傳學(xué)swk

1、Chapter 7 Epigenetics 表觀(bio un)遺傳學(xué)Chengdu Medical College1共五十四頁前八章內(nèi)容(nirng)1.基因的物質(zhì)和結(jié)構(gòu)2.基因的表達(dá)(biod)過程3.基因的表達(dá)調(diào)控4.基因的多樣性5.基因的修飾2012-3-5 MondayChengdu Medical College21.內(nèi)部基因重組2.外部基因突變共五十四頁Chengdu Medical College3假尿苷酸化共五十四頁xx馬騾驢騾騾子(lu zi)更象誰？共五十四頁一種結(jié)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。 什么決定(judng)基因？大自然(環(huán)境)如此豐

2、富多彩、如此變化不停，很難想象，對于一個開放的復(fù)雜生命系統(tǒng)，不會打上它的烙印。瑞典一個科學(xué)家小組的研究: 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(chn d)的那么孫輩死于心臟病的機(jī)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)。共五十四頁共五十四頁人類同卵雙生的孿生子：具有完全相同的基因組，在同樣的環(huán)境下成長，倆人的氣質(zhì)和體質(zhì)應(yīng)該非常相似。實際情形：一些孿生子的情況并不符合預(yù)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(xué)家。現(xiàn)在科學(xué)家們

3、發(fā)現(xiàn)：可以(ky)在不影響DNA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。共五十四頁 問題 環(huán)境的作用能否改變個體的遺傳(ychun)特性，并傳遞給下一代? 這種被稱為“拉馬克學(xué)說”(Lamarckism) 的觀點一直被正統(tǒng)的生物學(xué)家拒之門外。共五十四頁Chengdu Medical College9第一節(jié) 表觀(bio un)遺傳學(xué)概述2000多年前，古希臘哲學(xué)家亞里士多德在On the Generation of Animals一書中首先提出后生理論（the theory of epigenesis），它相對于先成論，新器官的發(fā)育由未分化的團(tuán)塊逐漸(z

4、hjin)形成的。共五十四頁Chengdu Medical College101939年，生物學(xué)家 Waddington CH 首先在現(xiàn)代遺傳學(xué)導(dǎo)論中提出(t ch)了epigenetics這一術(shù)語，并于1942年定義表觀遺傳學(xué)為“生物學(xué)的分支，研究基因與決定表型的基因產(chǎn)物之間的因果關(guān)系”。共五十四頁Chengdu Medical College111975年，Hollidy R 對表觀遺傳學(xué)進(jìn)行了較為準(zhǔn)確(zhnqu)的描述。他認(rèn)為表觀遺傳學(xué)不僅在發(fā)育過程，而且應(yīng)在成體階段研究可遺傳的基因表達(dá)改變，這些信息能經(jīng)過有絲分裂和減數(shù)分裂在細(xì)胞和個體世代間傳遞，而不借助于DNA序列的改變，也就是說表

5、觀遺傳是非DNA序列差異的核遺傳。共五十四頁Chengdu Medical College12第二節(jié) 表觀(bio un)遺傳學(xué)修飾表觀遺傳學(xué)研究不涉及(shj)DNA序列改變的基因表達(dá)和調(diào)控的可遺傳變化的，或者說是研究從基因演繹為表型的過程和機(jī)制的一門新興的遺傳學(xué)分支。共五十四頁Chengdu Medical College13表觀遺傳學(xué)的特點：可遺傳的，即這類改變通過有絲分裂或減數(shù)分裂，能在細(xì)胞或個體世代間遺傳；可逆性的基因表達(dá)調(diào)節(jié)，也有較少的學(xué)者描述為基因活性或功能(gngnng)的改變；沒有DNA序列的改變或不能用DNA序列變化來解釋。共五十四頁Chengdu Medical Coll

6、ege14共五十四頁Chengdu Medical College15共五十四頁Chengdu Medical College16共五十四頁Chengdu Medical College17表觀(bio un)遺傳學(xué)的研究內(nèi)容：基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控基因組中非編碼(bin m)RNA微小RNA（miRNA）反義RNA內(nèi)含子、核糖開關(guān)等基因選擇性轉(zhuǎn)錄表達(dá)的調(diào)控DNA甲基化基因印記組蛋白共價修飾染色質(zhì)重塑共五十四頁2012-3-5 MondayChengdu Medical College18共五十四頁Chengdu Medical College19組蛋白修飾2染色質(zhì)重塑3RNA 調(diào) 控4DNA 甲基

7、化1共五十四頁Chengdu Medical College20DNA甲基化(methylation)共五十四頁DNA甲基化一般與基因的沉默(gene silence)相關(guān)，非甲基化(non-methylation)一般則與基因的活化(gene activation)相關(guān)，而去甲基化(demethylation)往往(wngwng)是與一個沉默基因的重新激活(reactivation)相關(guān)Chengdu Medical College21共五十四頁DNA甲基化對維持(wich)染色體的結(jié)構(gòu)具有重要作用，并且與X染色體的失活、基因印記和腫瘤的發(fā)生密切相關(guān)。Chengdu Medical Coll

8、ege22共五十四頁哺乳動物(brdngw)基因組中5mC占胞嘧啶總量的2%-7%，約70%的5mC存在于CpG二連核苷。Chengdu Medical College23在結(jié)構(gòu)基因的5端調(diào)控區(qū)域, CpG二連核苷常常以成簇串聯(lián)(chunlin)形式排列，這種富含CpG二連核苷的區(qū)域稱為CpG島(CpG islands)，其大小為500-1000bp，約56%的編碼基因含該結(jié)構(gòu)。共五十四頁DNA甲基化狀態(tài)(zhungti)的保持DNA主動(zhdng)去甲基化DNA全新甲基化DNMT1DNMT3a3b共五十四頁Chengdu Medical College25組蛋白修飾(xish) Histo

9、ne modification共五十四頁DNA以染色質(zhì)的形式儲存在細(xì)胞核中，染色質(zhì)通常由DNA、組蛋白、非組蛋白以及少量RNA包裝而成，其中組蛋白是染色質(zhì)的基本(jbn)結(jié)構(gòu)蛋白。Chengdu Medical College26共五十四頁組蛋白作為真核生物(shngw)染色體的基本結(jié)構(gòu)蛋白，是一類小分子堿性蛋白質(zhì)，分為H1、H2A、H2B、H3和H4五種類型。Chengdu Medical College27共五十四頁組蛋白修飾是表觀遺傳研究的重要內(nèi)容。組蛋白的 N端是不穩(wěn)定的、無一定組織的亞單位，其延伸至核小體以外，會受到不同的化學(xué)修飾，這種修飾往往與基因的表達(dá)調(diào)控密切相關(guān)。被組蛋白覆蓋的

10、基因如果要表達(dá)，首先要改變組蛋白的修飾狀態(tài)，使其與DNA的結(jié)合由緊變松，這樣(zhyng)靶基因才能與轉(zhuǎn)錄復(fù)合物相互作用。因此，組蛋白是重要的染色體結(jié)構(gòu)維持單元和基因表達(dá)的負(fù)控制因子。Chengdu Medical College28共五十四頁Chengdu Medical College29共五十四頁組蛋白修飾種類乙?；? 一般與活化的染色質(zhì)構(gòu)型相關(guān)聯(lián)，乙?；揎棿蠖喟l(fā)生(fshng)在H3、H4的 Lys 殘基上.HAT and HDAC。甲基化- 發(fā)生在H3、H4的 Lys 和 Asg 殘基上，可以與基因抑制有關(guān)，也可以與基因的激活相關(guān)，這往往取決于被修飾的位置和程度.HMT and H

11、DM。磷酸化- 發(fā)生與 Ser 殘基，一般與基因活化相關(guān)。泛素化- 一般是C端Lys修飾，啟動基因表達(dá)。SUMO（一種類泛素蛋白）化- 可穩(wěn)定異染色質(zhì)。其他修飾Chengdu Medical College30共五十四頁2012-3-5 MondayChengdu Medical College31共五十四頁小結(jié)1 表觀遺傳(ychun)修飾與染色質(zhì)活性狀態(tài)活性染色質(zhì)非活性染色質(zhì)DNA無甲基化修飾組蛋白乙酰化修飾結(jié)合的非組蛋白組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶（HATs）轉(zhuǎn)錄(zhun l)調(diào)控因子RNA聚合酶復(fù)合體DNA甲基化修飾（CpG島）組蛋白去乙?；揎椊M蛋白甲基化修飾結(jié)合的非組蛋白組蛋白去乙?；福℉

12、DACs）組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶（如SUV39H1）DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（Dnmts）異染色質(zhì)結(jié)合蛋白（如HP1）共五十四頁Chengdu Medical College33染色質(zhì)重塑Chromatin remodeling染色質(zhì)重塑（chromatin remodeling）是一個重要的表觀遺傳學(xué)機(jī)制染色質(zhì)重塑是由染色質(zhì)重塑復(fù)合物介導(dǎo)的一系列以染色質(zhì)上核小體變化為基本特征的生物學(xué)過程組蛋白尾巴的化學(xué)修飾（乙酰化、甲基化及磷酸化等）可以改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)，從而影響鄰近(ln jn)基因的活性共五十四頁Chengdu Medical College34核小體共五十四頁Chengdu Medical Colle

13、ge35共五十四頁Chengdu Medical College36RNA調(diào)控(dio kn)1995，RNAi現(xiàn)象首次在線蟲中發(fā)現(xiàn)。1998，RNAi概念的首次提出。1999，RNAi作用機(jī)制模型的提出。在線蟲、果蠅、擬南芥及斑馬魚等多種生物(shngw)內(nèi)發(fā)現(xiàn)RNAi現(xiàn)象。2001，RNAi技術(shù)成功誘導(dǎo)培養(yǎng)的哺乳動物細(xì)胞基因沉默現(xiàn)象。RNAi 技術(shù)被Science評為2001年度的十大科技進(jìn)展之一。至今，蓬勃發(fā)展，成為分子生物學(xué)領(lǐng)域最為熱門的方向之一。共五十四頁Chengdu Medical College37RNA干擾（RNAi）作用是生物體內(nèi)的一種通過雙鏈RNA分子在mRNA水平上誘導(dǎo)

14、(yudo)特異性序列基因沉默的過程。由于RNAi發(fā)生在轉(zhuǎn)錄后水平，所以又稱為轉(zhuǎn)錄后基因沉默（post-transcriptional gene silencing, PTGS ）。RNA干擾是一種重要而普遍表觀遺傳的現(xiàn)象。共五十四頁Chengdu Medical College38siRNAsiRNA結(jié)構(gòu)：21-23nt的雙鏈結(jié)構(gòu)，序列與靶mRNA有同源性，雙鏈兩端各有2個突出非配對的3堿基。siRNA功能：是RNAi 作用的重要組分，是RNAi發(fā)生的中介分子。內(nèi)源性siRNA是細(xì)胞能夠(nnggu)抵御轉(zhuǎn)座子、轉(zhuǎn)基因和病毒的侵略。共五十四頁Chengdu Medical College39

15、siRNA介導(dǎo)的RNAi共五十四頁 相同點/聯(lián)系點siRNAmiRNA長度及特征都約在22nt左右，5端是磷酸基，3端是羥基合成的底物miRNA和siRNA合成都是由雙鏈的RNA或RNA前體形成的Dicer酶依賴Dicer酶的加工，是Dicer的產(chǎn)物，所以具有Dicer產(chǎn)物的特點Argonaute家族蛋白都需要Argonaute家族蛋白參與RISC組分二者都是RISC組分，所以其功能界限變得不清晰，如二者在介導(dǎo)沉默機(jī)制上有重疊；產(chǎn)生了on target和off target的問題作用方式都可以阻遏靶標(biāo)基因的翻譯，也可以導(dǎo)致mRNA降解，即在轉(zhuǎn)錄水平后和翻譯水平起作用進(jìn)化關(guān)系可能的兩種推論：si

16、RNA是miRNA的補(bǔ)充，miRNA在進(jìn)化過程中替代了siRNA共五十四頁不同點/分歧點siRNAmiRNA機(jī)制性質(zhì)往往是外源引起的，如病毒感染和人工插入dsRNA之后誘導(dǎo)而產(chǎn)生，屬于異常情況是生物體自身的一套正常的調(diào)控機(jī)制直接來源長鏈dsRNA發(fā)夾狀pre-miRNA對RNA的影響降解目標(biāo)mRNA；影響mRNA的穩(wěn)定性在RNA代謝的各個層面進(jìn)行調(diào)控；與mRNA的穩(wěn)定性無關(guān)作用位置siRNA可作用于mRNA的任何部位miRNA主要作用于靶標(biāo)基因3-UTR區(qū)生物學(xué)功能不同抵抗病毒的防御機(jī)制沉默那些過分表達(dá)的mRNA；保護(hù)基因組免受轉(zhuǎn)座子的破壞對有機(jī)體的生長發(fā)育有重要作用.調(diào)節(jié)內(nèi)源基因表達(dá)共五十四

17、頁五、其他表觀遺傳(ychun)機(jī)制除DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑、和RNA調(diào)控以外，還有遺傳(ychun)印跡、X染色體失活、轉(zhuǎn)座、負(fù)突變等。遺傳印跡、X染色體失活的本質(zhì)仍為DNA甲基化、組蛋白修飾、染色質(zhì)重塑。共五十四頁表觀遺傳(ychun)修飾的意義調(diào)控正常發(fā)育過程中基因的時空特異性表達(dá)DNA甲基化與組蛋白甲基化關(guān)閉基因表達(dá)DNA去甲基化與組蛋白乙?；_啟基因表達(dá)維持基因組與染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性著絲粒異染色質(zhì)化保證染色體的正常分離端粒異染色質(zhì)化穩(wěn)定染色體結(jié)構(gòu)異染色質(zhì)化的傳導(dǎo)機(jī)制使重復(fù)序列中鑲嵌的基因轉(zhuǎn)錄失活異染色質(zhì)化抑制基因組中轉(zhuǎn)座元件的活性維持正常的基因表達(dá)劑量生殖細(xì)胞的基因組印

18、跡使印跡中心處的兩個等位基因只選擇性表達(dá)其一女性體細(xì)胞內(nèi)一條X染色體通過異染色質(zhì)化隨機(jī)失活賦予每個個體表觀遺傳的鑲嵌性即一定程度的表型可變性，在保持基因組穩(wěn)定的前提下，提高(t go)機(jī)體對環(huán)境的適應(yīng)能力。共五十四頁第三節(jié) 表觀遺傳研究(ynji)的應(yīng)用（一）表觀(bio un)遺傳與腫瘤 1、DNA甲基化整體與局部的悖論癌基因組整體甲基化水平降低 Global hypomethylation抑癌基因特異性過度甲基化 gene specific hypermethylation 共五十四頁整體(zhngt)甲基化不足 在腫瘤發(fā)生中的作用Holm TM, et al. Cancer Cell.

19、2005Sakatani T, et al. Science. 2005染色體穩(wěn)定性降低基因印跡丟失癌基因激活共五十四頁基因(jyn)特異性DNA過度甲基化（hypermethylation)Feinberg AP, et al. Nat Rev Genet. 2006 被上鎖的抑癌基因抑癌基因沉默(chnm)共五十四頁2、腫瘤的抗甲基化治療1）打開(d ki)鎖鏈 解救基因TRENDS in Pharmacological Sciences 2004.ZebularineProcaineEGCGPsammaplinsDecitabineChemicalsClinical trialPhase IIIPhase IIPhase Ipreclinicalpreclinical(甲基化酶抑制劑）共五十四頁抗甲基化治療：解救(jiji)英雄與釋放惡魔癌基因自私基因抑癌基因共五十四頁2）靶向性DNA甲基化造一把專用(zhunyng)之鎖，鎖定魔鬼共五十四頁永固牌“鎖”定病毒基因 HSV-IE175promoterZIF甲基化酶沉默(chnm)ZIF: zinc finger protein共五十四頁（二）表觀遺傳(ychun)與疾病表觀遺傳修飾異常引