遺傳學(xué)第15章表觀遺傳學(xué)課件

1、第15章 表觀遺傳學(xué)（epigenetics）同卵雙生的雙胞胎雖然具有相同的DNA序列，卻存在表型的差異和疾病易感性的差異復(fù)雜疾病的產(chǎn)生1. 小頭 2.巨舌 3. 胎盤增生Beckwith-Wiedemann syndrome,BWS 貝威氏綜合征 Friday, July 29, 20228Friday, July 29, 20228發(fā) 展 歷 史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)塊逐漸形成的。Friday, Jul

2、y 29, 20229Friday, July 29, 20229發(fā) 展 歷 史1939年，生物學(xué)家 Waddington CH 首先在現(xiàn)代遺傳學(xué)導(dǎo)論中提出了epihenetics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”。Friday, July 29, 202210Friday, July 29, 202210發(fā) 展 歷 史1975年，Hollidy R 對表觀遺傳學(xué)進(jìn)行了較為準(zhǔn)確的描述。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(gè)體世代間傳遞，而不借助于DNA

3、序列的改變，也就是說表觀遺傳是非DNA序列差異的核遺傳。11概 述表觀遺傳學(xué)研究不涉及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。表觀遺傳所謂表觀遺傳就是不基于DNA差異的核酸遺傳。即細(xì)胞分裂過程中，DNA 序列不變的前提下，全基因組的基因表達(dá)調(diào)控所決定的表型遺傳，涉及染色質(zhì)重編程、整體的基因表達(dá)調(diào)控（如隔離子，增強(qiáng)子，弱化子，DNA甲基化，組蛋白修飾等功能 ), 及基因型對表型的決定作用。11Friday, July 29, 202212概 述表觀遺傳學(xué)的特點(diǎn)：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(gè)體世代間遺

4、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的改變；沒有DNA序列的改變或不能用DNA序列變化來解釋。Friday, July 29, 202212Friday, July 29, 202213概 述Friday, July 29, 202213Friday, July 29, 202214概 述Friday, July 29, 202214遺傳與表觀遺傳Friday, July 29, 202215概 述Friday, July 29, 202215真核生物全部遺傳信息遺傳密碼組蛋白密碼 ？密碼基因組DNA序列組蛋白氨基端修飾 ？Friday, July 29, 202216

5、概 述Friday, July 29, 202216DNA與染色質(zhì)Friday, July 29, 202217概 述Friday, July 29, 2022相同的基因型 不同的表現(xiàn)型 基因表達(dá)模式17Friday, July 29, 202218概 述基因表達(dá)模式?jīng)Q定細(xì)胞類型的不是基因本身，而是基因表達(dá)模式，通過細(xì)胞分裂來傳遞和穩(wěn)定地維持具有組織和細(xì)胞特異性的基因表達(dá)模式對于整個(gè)機(jī)體的結(jié)構(gòu)和功能協(xié)調(diào)是至關(guān)重要的?；虮磉_(dá)模式在細(xì)胞世代之間的可遺傳性并不依賴細(xì)胞內(nèi)DNA的序列信息?；虮磉_(dá)模式有表觀遺傳修飾決定。Friday, July 29, 202220概 述表觀遺傳學(xué)的研究內(nèi)容：基因轉(zhuǎn)

6、錄后的調(diào)控基因組中非編碼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(jià)修飾染色質(zhì)重塑Friday, July 29, 202220Quiz, J. nature. 2019Friday, July 29, 202222Friday, July 29, 2022表觀遺傳學(xué)機(jī)制DNA 甲基化122組蛋白修飾2染色質(zhì)重塑3RNA 調(diào) 控4DNA 甲基化1Friday, July 29, 202223一、DNA甲基化Friday, July 29, 2022 DNA甲基化(DNA methylation)是研究得最清楚、 也是最重要的表

7、觀遺傳修飾形式，主要是基因組 DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基間的共價(jià)結(jié)合，胞嘧啶由此被修飾為5甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5mC)。DNMT1SAM胞嘧啶5-甲基胞嘧啶胞嘧啶甲基化反應(yīng) 23S-腺苷甲硫氨酸 以基因型為a/a的母鼠及其孕育的基因型為AVY/a的仔鼠作實(shí)驗(yàn)對象。孕鼠分為兩組，試驗(yàn)組孕鼠除喂以標(biāo)準(zhǔn)飼料外，從受孕前兩周起還增加富含甲基的葉酸、乙酰膽堿等補(bǔ)充飼料，而對照組孕鼠只喂飼標(biāo)準(zhǔn)飼料。 結(jié)果實(shí)驗(yàn)組孕鼠產(chǎn)下的仔鼠大多數(shù)在身體的不同部位出現(xiàn)了大小不等的棕色斑塊，甚至出現(xiàn)了以棕褐色為主要毛色的小鼠。而對照組孕鼠的仔鼠大多數(shù)為黃色。分析表明喂以富甲基飼料的孕鼠所產(chǎn)仔

8、鼠的IAP所含CpG島的甲基化平均水平遠(yuǎn)高于對照組，轉(zhuǎn)錄調(diào)控區(qū)的高甲基化使原該呈異位表達(dá)的基因趨于沉默，毛色也趨于棕褐色。 Friday, July 29, 202225一、DNA甲基化Friday, July 29, 202225Friday, July 29, 202226一、DNA甲基化哺乳動物基因組中5mC占胞嘧啶總量的2%-7%，約70%的5mC存在于CpG二連核苷。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)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)?；蛘{(diào)控元件(如啟動子)所含

9、CpG島中的5mC會阻礙轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合體與DNA的結(jié)合。DNA甲基化一般與基因沉默相關(guān)聯(lián)；非甲基化一般與基因的活化相關(guān)聯(lián)；而去甲基化往往與一個(gè)沉默基因的重新激活相關(guān)聯(lián)。Friday, July 29, 202226Friday, July 29, 202227一、DNA甲基化Friday, July 29, 20222753CpG島主要處于基因5端調(diào)控區(qū)域。啟動子區(qū)域的CpG島一般是非甲基化狀態(tài)的，其非甲基化狀態(tài)對相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄是必須的。目前認(rèn)為基因調(diào)控元件（如啟動子）的CpG島中發(fā)生5mC修飾會在空間上阻礙轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合物與DNA的結(jié)合。因而DNA甲基化一般與基因沉默相關(guān)聯(lián)。Rb基因CpG 頻率

10、Friday, July 29, 202228一、DNA甲基化Friday, July 29, 202228Friday, July 29, 202229一、DNA甲基化Friday, July 29, 202229DNA甲基化狀態(tài)的遺傳和保持：DNA復(fù)制后，新合成鏈在DNMT1的作用下，以舊鏈為模板進(jìn)行甲基化。（缺乏嚴(yán)格的精確性，95%）甲基化并非基因沉默的原因而是基因沉默的結(jié)果，其以某種機(jī)制識別沉默基因，后進(jìn)行甲基化。DNA全新甲基化。引發(fā)因素可能包括：DNA本身的序列、成分和次級結(jié)構(gòu)。RNA根據(jù)序列同源性可能靶定的區(qū)域。特定染色質(zhì)蛋白、組蛋白修飾或相當(dāng)有序的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。Friday, J

11、uly 29, 202230DNA去甲基化主動去甲基化復(fù)制相關(guān)的去甲基化在復(fù)制過程中維持甲基化酶活性被關(guān)閉或維持甲基化酶活性被抵制。一、DNA甲基化Friday, July 29, 202230Friday, July 29, 202231一、DNA甲基化Friday, July 29, 202231復(fù)制相關(guān)的DNA去甲基化Friday, July 29, 202232Manel Esteller, nature, 2019Friday, July 29, 202233一、DNA甲基化Friday, July 29, 202233DNA甲基化狀態(tài)的保持DNA主動去甲基化DNA全新甲基化Frid

12、ay, July 29, 202234二、組蛋白修飾Friday, July 29, 202234Friday, July 29, 202235二、組蛋白修飾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。Friday, July 29, 202235Friday, July 29, 202236二、

13、組蛋白修飾Friday, July 29, 202236Friday, July 29, 202237二、組蛋白修飾組蛋白修飾種類乙酰化- 一般與活化的染色質(zhì)構(gòu)型相關(guān)聯(lián)，乙酰化修飾大多發(fā)生在H3、H4的 Lys 殘基上。甲基化- 發(fā)生在H3、H4的 Lys 和 Asp 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。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Friday, July 29, 202238Friday, July 29, 202238

14、二、組蛋白修飾Bryan M. Turner, nature cell biology, 2019組蛋白中被修飾氨基酸的種類、位置和修飾類型被稱為組蛋白密碼（histone code），遺傳密碼的表觀遺傳學(xué)延伸，決定了基因表達(dá)調(diào)控的狀態(tài)，并且可遺傳。Friday, July 29, 202239二、組蛋白修飾Friday, July 29, 202239Friday, July 29, 202240三、染色質(zhì)重塑染色質(zhì)重塑（chromatin remodeling）是一個(gè)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)

15、修飾（乙酰化、甲基化及磷酸化等）可以改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)，從而影響鄰近基因的活性。Friday, July 29, 202241三、染色質(zhì)重塑核小體Friday, July 29, 202242三、染色質(zhì)重塑核小體定位是核小體在DNA上特異性定位的現(xiàn)象。核小體核心DNA并不是隨機(jī)的，其具備一定的定向特性。核小體定位機(jī)制：內(nèi)在定位機(jī)制：每個(gè)核小體被定位于特定的DNA片斷。外在定位機(jī)制：內(nèi)在定位結(jié)束后，核小體以確定的長度特性重復(fù)出現(xiàn)。核小體定位的意義：核小體定位是DNA正確包裝的條件。核小體定位影響染色質(zhì)功能。Friday, July 29, 202243三、染色質(zhì)重塑重塑因子調(diào)節(jié)基因表達(dá)機(jī)制的假設(shè)有兩

16、種: 機(jī)制1：一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子獨(dú)立地與核小體DNA 結(jié)合(DNA可以是核小體或核小體之間的), 然后, 這個(gè)轉(zhuǎn)錄因子再結(jié)合一個(gè)重塑因子, 導(dǎo)致附近核小體結(jié)構(gòu)發(fā)生穩(wěn)定性的變化, 又導(dǎo)致其他轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合, 這是一個(gè)串聯(lián)反應(yīng)的過程; （重建）機(jī)制2：由重塑因子首先獨(dú)立地與核小體結(jié)合, 不改變其結(jié)構(gòu), 但使其松動并發(fā)生滑動, 這將導(dǎo) 致轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合, 從而使新形成的無核小體的區(qū)域穩(wěn)定。 （滑動）Friday, July 29, 202244三、染色質(zhì)重塑染色質(zhì)修飾與重塑（共價(jià)修飾型與ATP依賴型）Friday, July 29, 202245三、染色質(zhì)重塑（A）結(jié)合（B）松鏈（C）重塑八聚體轉(zhuǎn)移八聚體

17、滑動+ ATP重塑復(fù)合物ATP依賴的染色質(zhì)重構(gòu)機(jī)制Friday, July 29, 202246三、染色質(zhì)重塑邊界子( boundary elements)：相鄰基因間的物理隔離元件。也可稱為隔離子( insulator elements)。邊界子和隔離子的隔離功能 ：封阻末梢增強(qiáng)子對啟動子的作用。 防止染色質(zhì)位置效應(yīng)（CPE）。由邊界子所確定的染色質(zhì)片斷是基因組調(diào)節(jié)的基本單位，其構(gòu)成染色質(zhì)的功能與或區(qū)室，這即是染色質(zhì)區(qū)室化。Friday, July 29, 202247四、RNA調(diào)控2019，RNAi現(xiàn)象首次在線蟲中發(fā)現(xiàn)。2019，RNAi概念的首次提出。2019，RNAi作用機(jī)制模型的提出

18、。在線蟲、果蠅、擬南芥及斑馬魚等多種生物內(nèi)發(fā)現(xiàn)RNAi現(xiàn)象。2019，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2019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。Friday, July 29, 202247Friday, July 29, 202248四、RNA 調(diào)控RNA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)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 ）。

19、RNA干擾是一種重要而普遍表觀遺傳的現(xiàn)象。Friday, July 29, 202248Friday, July 29, 202249四、RNA 調(diào)控 siRNAsiRNA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(gè)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)胞能夠抵御轉(zhuǎn)座子、轉(zhuǎn)基因和病毒的侵略。Friday, July 29, 202249Friday, July 29, 202250四、RNA 調(diào)控Friday, July 29, 202250siRNA介導(dǎo)的RNAiFriday, July 2

20、9, 202251四、RNA 調(diào)控siRNAi 的特點(diǎn)：高效性和濃度依賴性特異性位置效應(yīng)時(shí)間效應(yīng)細(xì)胞間RNAi的可傳播性多基因參與及ATP依賴性Friday, July 29, 202251Friday, July 29, 202252四、RNA 調(diào)控 miRNA結(jié)構(gòu)：21-25nt長的單鏈小分子RNA ，5端有一個(gè)磷酸基團(tuán)，3端為羥基，由具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)的約70-90個(gè)堿基大小的單鏈RNA前體經(jīng)過Dicer酶加工后生成。特點(diǎn)：具有高度的保守性、時(shí)序性和組織特異性 。功能：Friday, July 29, 202252Friday, July 29, 202253四、RNA 調(diào)控Friday, J

21、uly 29, 202253siRNA介導(dǎo)的RNAiFriday, July 29, 202254四、RNA調(diào)控Friday, July 29, 202254 四、RNA 調(diào)控Friday, July 29, 202257五、其他表觀遺傳機(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。Friday, July 29, 202258遺 傳 印 跡Friday, July 29, 202258概念：或稱親本印跡（parent imprinting）是指基因組在傳遞遺傳信息

22、的過程中，通過基因組的化學(xué)修飾（DNA的甲基化；組蛋白的甲基化、乙?；?、磷酸化、泛素化等）而使基因或DNA片段被標(biāo)識的過程。特點(diǎn)：基因組印跡依靠單親傳遞某種性狀的遺傳信息，被印跡的基因會隨著其來自父源或母源而表現(xiàn)不同，即源自雙親的兩個(gè)等位基因中一個(gè)不表達(dá)或表達(dá)很弱。不遵循孟德爾定律，是一種典型的非孟德爾遺傳，正反交結(jié)果不同。Friday, July 29, 202259遺 傳 印 跡Friday, July 29, 202259正交Igf-2Igf-2Igf-2mIgf-2mIgf-2Igf-2Igf-2mIgf-2m反交正常小鼠矮小型小鼠矮小型小鼠矮小型小鼠正常小鼠正常小鼠Igf-2mIgf-2I