表觀遺傳的生化機(jī)理及應(yīng)用前景

表觀遺傳的生化機(jī)理及應(yīng)用前景第一頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日主要內(nèi)容：表觀遺傳簡(jiǎn)介表觀遺傳調(diào)控機(jī)制理論研究意義及前景實(shí)際應(yīng)用前景第二頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日關(guān)鍵詞：表觀遺傳DNA甲基化組蛋白修飾腫瘤衰老第三頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日GregorMendel(1822-1884）遺傳學(xué)之父(Thegeneticfactors)，發(fā)現(xiàn)了遺傳學(xué)基本規(guī)律（Publishedin1865and1866and“re-discovered”in1900

）。遺傳簡(jiǎn)史：第四頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日遺傳簡(jiǎn)史：ThomasHuntMorgan(1866-1945)發(fā)現(xiàn)基因連鎖互換定律（Publishedin1915）。Discoveredthe3rdbasicgeneticlaw,togetherwithMendel’stwolaws,theyformthebasisofwhatisnowknownasclassicalgenetics.第五頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日遺傳簡(jiǎn)史：JamesWatson&FrancisCrick發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)（Publishedin1953)，分子遺傳學(xué)誕生。第六頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日

中心法則（centraldogma）堿基序列（基因）決定性狀，序列改變，引起性狀的改變。第七頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日BUT…第八頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日從遺傳學(xué)的角度來(lái)看，同卵雙生的孿生子具有完全相同的基因組。如果這兩個(gè)孿生子在同樣的環(huán)境下成長(zhǎng)，從邏輯上說(shuō)，倆人的氣質(zhì)和體質(zhì)應(yīng)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(yù)期的理論。往往在長(zhǎng)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(zhǎng)期困擾著遺傳學(xué)家?，F(xiàn)在科學(xué)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(gè)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(gè)重要的．長(zhǎng)期以來(lái)爭(zhēng)執(zhí)不休的問(wèn)題：環(huán)境的作用能否改變個(gè)體的遺傳特性，并傳遞給下一代?這種被稱為“拉馬克學(xué)說(shuō)”(Lamarckism)的觀點(diǎn)一直被正統(tǒng)的生物學(xué)家拒之門外．但現(xiàn)實(shí)的生命世界又一次次地把這個(gè)話題送到研究者的視線內(nèi)。瑞典一個(gè)科學(xué)家小組曾在2002年11月發(fā)表了一項(xiàng)研究，他們的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，對(duì)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(zhǎng)大的．那么孫輩死于心臟病的機(jī)會(huì)就很少。也就是說(shuō)，祖父輩的飲食狀態(tài)影響到了孫輩的健康狀態(tài)。從這個(gè)例子可以得到這樣一種結(jié)論：個(gè)體在發(fā)育和生長(zhǎng)過(guò)程中獲得的環(huán)境影響．被遺傳給了后代。從這里可以引申出一個(gè)更根本的問(wèn)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(duì)于一個(gè)開(kāi)放的復(fù)雜生命系統(tǒng)，不會(huì)打上它的烙印。也許這是一個(gè)“先有雞還是先有蛋”的進(jìn)化論問(wèn)題，但不論怎樣，基因不會(huì)代表一切，更不能決定一切第九頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日J(rèn)ean-BaptisteLamarck

(1744-1829)獲得性遺傳（Inheritanceofacquiredcharacteristics）第十頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日1942年，Waddington最早提出表觀遺傳學(xué)（epigentics）一詞，認(rèn)為是遺傳學(xué)領(lǐng)域中探討基因型與表現(xiàn)型之間相互關(guān)系的一個(gè)新的研究方向。近年來(lái)，現(xiàn)代分子生物學(xué)認(rèn)為細(xì)胞中信息的表達(dá)受兩種因素控制：一種是遺傳調(diào)控，另一種是表觀遺傳調(diào)控。2003年10月正式宣布開(kāi)始投資和實(shí)施人類表觀基因組計(jì)劃（HGP）。第十一頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日表觀遺傳學(xué)（Epigenetics）？Epigenetics

referstoheritablealterationsingeneexpressionthatdonotentailchangesinnucleotidesequence.表觀遺傳學(xué)是指不需要核苷酸序列變異的基因表達(dá)的可遺傳改變。第十二頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日表觀遺傳變異是如何實(shí)現(xiàn)的？？？第十三頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日表觀遺傳調(diào)控機(jī)制DNA甲基化DNAmethylation

組蛋白共價(jià)修飾

CovalentmodificationsinHistone染色體重塑Chromatinremodeling非編碼RNA調(diào)控基因表達(dá)重新編程第十四頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日DNA甲基化

DNA甲基化是在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNAmethyltransferase，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(tuán)轉(zhuǎn)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1kb長(zhǎng)，人類及哺乳動(dòng)物體內(nèi)約90%發(fā)生在CpG島。啟動(dòng)子區(qū)域富含CpG序列，故易發(fā)生甲基化。DNA甲基化可以在轉(zhuǎn)錄水平抑制基因的表達(dá)。

DNA甲基化(DNAmethylation)是研究得最清楚、也是最重要的表觀遺傳修飾形式。第十五頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日

DNMT1SAM胞嘧啶5-甲基胞嘧啶胞嘧啶甲基化反應(yīng)

甲基轉(zhuǎn)移酶第十六頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日第十七頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日目前，有4種可能機(jī)制解釋DNA甲基化對(duì)轉(zhuǎn)錄的抑制：①直接干擾特異轉(zhuǎn)錄因子和各種啟動(dòng)子識(shí)別位點(diǎn)的結(jié)合；②甲基化的DNA結(jié)合轉(zhuǎn)錄抑制因子引起基因沉默；③通過(guò)影響核小體的位置或與其染色體蛋白質(zhì)相互作用而改變?nèi)旧w的結(jié)構(gòu)，介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄抑制；④eCP2(甲基化的CG序列結(jié)合蛋白)的C端的轉(zhuǎn)錄抑制區(qū)域(TRD)與Sin3A結(jié)合以及恢復(fù)組蛋白脫乙?；?histonedeacetylase，HDAC)活性去修飾染色質(zhì)，使基因轉(zhuǎn)錄失活，MeCP2的TRD還可以與TFⅡB結(jié)合抑制轉(zhuǎn)錄。第十八頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日Modelformethylation-dependentgenesilencing.

Thestructuralelementofchromatinisthenucleosomalcore,whichconsistsofa146-bpDNAsequencewrappedaroundcorehistones.Acetylationofthehistonescausesanopenchromatinconfig-urationthatisassociatedwithtranscriptionalactivity.Methylatedcytosinesarerecognizedbymethyl-CpG-bindingproteins(MBDs),whichinturnrecruithistonedeacetylases(HDACs)tothesiteofmethylation,convert-ingthechromatinintoaclosedstructurethatcannolongerbeaccessedbythetranscriptionalmachinery.第十九頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日第二十頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日甲基化也是一個(gè)可逆的過(guò)程基因調(diào)控元件(如啟動(dòng)子)所含CpG島中的5-mC會(huì)阻礙轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合體與DNA的結(jié)合，所以DNA甲基化一般與基因沉默(genesilence)相關(guān)聯(lián)；而非甲基化(non-methylated)一般與基因的活化(geneactivation)相關(guān)聯(lián)。而去甲基化(demethylation)往往與一個(gè)沉默基因的重新激活(reactivation)相關(guān)聯(lián)。第二十一頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日

DNA復(fù)制酶CH3CH3CH3CH3DNA甲基轉(zhuǎn)移酶CH3CH3CH3CH3DNA復(fù)制后甲基化型的維持

DNA甲基化第二十二頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日第二十三頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日組蛋白的共價(jià)修飾乙?；?去乙?；?/p>

acetylation/deacetylation甲基化（H3-Lys9）

methylation磷酸化ADP核苷酸化糖基化、泛素化、羰基化等第二十四頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日組蛋白Histone第二十五頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日組蛋白乙?；?去乙?；M蛋白乙?；彩且豢赡娴膭?dòng)態(tài)過(guò)程。組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶(HAT)將乙酰輔酶A乙?；糠洲D(zhuǎn)移到核心組蛋白氨基末端上特定賴氨酸殘基的ε2氨基基團(tuán)。這些賴氨酸的乙?；瘜?dǎo)致電荷的中和以及DNA與組蛋白的分離,使核小體DNA易于接近轉(zhuǎn)錄因子。在此種情況下,其他因子就可乘虛而入結(jié)合于DNA上。第二十六頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日第二十七頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日

染色質(zhì)是由DNA雙鏈纏繞組蛋白及非組蛋白形成。組蛋白乙酰化后染色體處于開(kāi)放狀態(tài)有利于轉(zhuǎn)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_(dá)沉默

組蛋白乙?；挠绊懙诙隧?yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日

研究表明，組蛋白甲基化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賴氨酸處于什么位置。

例如，組蛋白H3Lys9甲基化最終導(dǎo)致了基因的沉默；然而，位于H3Lys4的甲基化則與基因的活化相關(guān)聯(lián)。組蛋白甲基化/去甲基化第二十九頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日磷酸化第三十頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日ATP-核苷酸化第三十一頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日染色質(zhì)重塑

指染色質(zhì)位置和結(jié)構(gòu)的變化。主要涉及密集的染色質(zhì)絲在核小體連接處發(fā)生松解造成染色質(zhì)解壓縮，從而暴露基因轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)子區(qū)中的順式作用元件，為反式作用蛋白（轉(zhuǎn)錄因子）與之結(jié)合提供了一種稱為可接近性（accesibility）的狀態(tài)。這一過(guò)程由兩類結(jié)構(gòu)介導(dǎo)：ATP依賴型核小體重塑復(fù)合體和組蛋白修飾復(fù)合體。前者通過(guò)水解作用改變核小體構(gòu)型；后者對(duì)核心組蛋白N端尾部的共價(jià)修飾進(jìn)行催化其中還有I型DNA酶（DNaseI）超敏性的改變。第三十二頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日通常，DNA甲基化、組蛋白甲基化和染色質(zhì)的壓縮狀態(tài)和DNA的不可接近性，以及基因處于抑制和靜息狀態(tài)相關(guān)；而DNA的去甲基化、組蛋白的乙?；腿旧|(zhì)壓縮狀態(tài)的開(kāi)啟，則與轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)、基因活化和行使功能有關(guān)。這意味著，不用改變基因本身的結(jié)構(gòu)，而是改變基因轉(zhuǎn)錄的微環(huán)境條件就可以左右基因的活性：或者令其靜息（silencing），或者使其激活。其結(jié)果（表觀遺傳現(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(zhuǎn)座因子激活和基因組印記等多個(gè)方面。

第三十三頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日

Epigeneticsisanadvancedbiologicalsystemthatselectivelyutilizesgenomicinformationandisinvolvedinvariousfundamentalphenomena.Specifically,itputsemphasisontheregulationofgeneexpression,throughDNAmethylation,chromatin,andpost-translationalmodificationofproteinssuchashistones.Arrowsindicatepossiblefunctionalinteractionsbetweenthem.DNAhypermethylation,histonehypoacetylationandinactivechromatinrepresstranscription.Incontrast,atranscriptionallyactiveconditionmayencourageDNAhypomethylation,histonehyperacetylationandactivechromatin.Also,aparticularchromatinstructuremayberequiredforestablishingDNAmethylation.第三十四頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日Toobig!Apparentlyasaresultofabnormalimprinting,theclonedlambatleftisbiggerthanthenormallambatright.Clonedanimalsoftenhaveotherhealthproblemsaswell.

第三十五頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日前景展望了解人類發(fā)育機(jī)制本質(zhì),影響免疫細(xì)胞分化和功能。免疫學(xué)中表觀遺傳學(xué)調(diào)控所發(fā)揮的影響，波及基因、細(xì)胞和應(yīng)答等不同的水平。

基因組進(jìn)化表觀遺傳修飾的環(huán)境因子敏感性也許可以用來(lái)解釋遺傳學(xué)上完全一樣的個(gè)體（如雙生子）在不同的環(huán)境中可以產(chǎn)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和環(huán)境的相互作用中起著重要的作用。表觀遺傳研究過(guò)程中還形成了表觀遺傳修飾，表觀遺傳突變，表觀等位基因(epialleles)，表觀基因組，表觀基因組學(xué)(epigenomics)，表觀遺傳病和表觀基因治療(epigenetictherapy)等一系列科學(xué)概念。這些概念和思想已經(jīng)成為哺乳動(dòng)物克隆技術(shù)的進(jìn)步和干細(xì)胞移植技術(shù)用于臨床等應(yīng)用性研究的理論先導(dǎo)第三十六頁(yè)，共三十九頁(yè)，2022年，8月28日前景展望