表觀遺傳學(xué)學(xué)時(shí)詳解演示文稿

表觀遺傳學(xué)學(xué)時(shí)詳解演示文稿目前一頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)優(yōu)選表觀遺傳學(xué)學(xué)時(shí)目前二頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)目前三頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)2023年5月8日4一、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。表觀遺傳通過有絲分裂或減數(shù)分裂來傳遞非DNA序列信息的現(xiàn)象。所謂表觀遺傳就是不基于DNA序列差異的核酸遺傳。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。2023年5月8日4目前四頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)表觀遺傳修飾機(jī)制

DNA甲基化和組蛋白修飾非編碼小RNA分子調(diào)節(jié)基因組印跡基因表達(dá)的重新編程x染色體失活目前五頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)拉馬克與長頸鹿用進(jìn)廢退目前六頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)2023年5月8日72023年5月8日7發(fā)展歷史1939年，WaddingtonC

首先在《現(xiàn)代遺傳學(xué)導(dǎo)論》中提出了epihenetics這一術(shù)語，1975年，HollidyR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序列的改變，也就是說表觀遺傳是非DNA序列差異的核遺傳。

2007AdrianBird,(nature,Aunifyingdefinitionofepigenetics）thestructuraladaptationofchromosomalregionssoastoregister,signalorperpetuatealteredactivitystates.Thisdefinitionisinclusiveofchromosomalmarks,becausetransientmodificationsassociatedwithbothDNArepairorcell-cyclephasesandstablechangesmaintainedacrossmultiplecellgenerationsqualify目前七頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)2023年5月8日8特點(diǎn)概括表觀遺傳學(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。2023年5月8日8目前八頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)人類基因組計(jì)劃完成帶來的挑戰(zhàn)1.100多個(gè)物種的基因組測序已經(jīng)完成；2.>4,000個(gè)物種的基因組計(jì)劃正在進(jìn)行；3.比較基因組學(xué)：比較多個(gè)物種的基因、蛋白質(zhì)的序列來揭示功能的保守性，并發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律。目前九頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)DNA雙螺旋目前十頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)基因的結(jié)構(gòu)目前十一頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)基因：可遺傳1.遺傳的基本功能單位2.基因由DNA編碼3.一個(gè)基因編碼一條蛋白質(zhì)4.基因序列的改變可能導(dǎo)致功能及表型的改變基因型(Genotype)->

表型(Phenotype)目前十二頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)基因概念的延伸：生物體的復(fù)雜性1.人類基因組：~22，000個(gè)基因vs.100,000個(gè)蛋白質(zhì)——可變剪切(AlternativeSplicing)2.表觀遺傳學(xué)目前十三頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)遺傳信息的傳遞：中心法則1.DNA自身通過復(fù)制傳遞遺傳信息；2.DNA轉(zhuǎn)錄成RNA；3.RNA自身能夠復(fù)制(RNA病毒)；4.RNA能夠逆轉(zhuǎn)錄成DNA；5.RNA翻譯成蛋白質(zhì)。目前十四頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)表觀遺傳學(xué)1.概念：基因的DNA序列不發(fā)生改變的情況下，基因的表達(dá)水平與功能發(fā)生改變，并產(chǎn)生可遺傳的表型。2.特征:(1)可遺傳；(2)可逆性；(3)DNA不變3.表觀遺傳學(xué)修飾機(jī)制：(1)DNA甲基化和組蛋白修飾(2)非編碼小RNA分子調(diào)節(jié)(3)基因組印跡(4)基因表達(dá)的重新編程(5)x染色體失活目前十五頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)遺傳信息1.遺傳編碼信息：提供生命必需蛋白質(zhì)的模板2.表觀遺傳學(xué)信息：何時(shí)、何地、以何種方式去應(yīng)用遺傳信息(1)DNA的甲基化：CpG位點(diǎn)，>5,000萬個(gè)(2)組蛋白修飾：組蛋白密碼(Histonecode)目前十六頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)表觀遺傳學(xué)的研究內(nèi)容1.基因選擇性轉(zhuǎn)錄表達(dá)的調(diào)控2.基因轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控3.蛋白質(zhì)的翻譯后修飾目前十七頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)二、表觀遺傳修飾機(jī)制(1)DNA甲基化和組蛋白修飾(2)非編碼小RNA分子調(diào)節(jié)(3)基因組印跡(4)基因表達(dá)的重新編程(5)x染色體失活目前十八頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)2.1DNA甲基化SAH,S-adenosylhomocysteine;SAM,S-adenosylmethionine目前十九頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMTs）

的作用Dnmt1的作用Dnmt3aDnmt3b的作用目前二十頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)DNA中5-mC的分布哺乳動(dòng)物基因組DNA中5-mC約占胞嘧啶總量的2%--7%，絕大多數(shù)5-mC存在于CpG二聯(lián)核苷(CpGdoublets)。

結(jié)構(gòu)基因5’端附近富含CpG二聯(lián)核苷的區(qū)域稱為CpG島(CpGislands)。

目前二十一頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)DNA去甲基化1）被動(dòng)途徑：由于核因子NF粘附甲基化的DNA，使粘附點(diǎn)附近的DNA不能被完全甲基化，從而阻斷DNMT1的作用2）主動(dòng)途徑：是由去甲基酶（DNAdemethylase)的作用，將甲基基團(tuán)移去的過程TET家族(TET1、TET2、TET3）的去甲基化功能TET（ten-eleventranslocation）蛋白是生物體內(nèi)存在的一種α-酮戊二酸（α-KG）和Fe2+依賴的雙加氧酶，在靠近C的一端擁有一個(gè)催化結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域具有3個(gè)金屬離子（Fe2+）和1個(gè)α-KG的結(jié)合位點(diǎn)，催化結(jié)構(gòu)域前還有一段富含半胱氨酸區(qū)，TET蛋白可以催化5-甲基胞嘧啶（5-mC）轉(zhuǎn)化為5-羥甲基胞嘧啶（5-hmC），是DNA去甲基化過程中的一種重要的酶，對于維持干細(xì)胞的多能性有重要作用。TET基因的突變可以引起多種腫瘤尤其是造血系統(tǒng)腫瘤。[1]

目前二十二頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)TET介導(dǎo)的去甲基化途徑和機(jī)制目前二十三頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)TET3在合子表觀遺傳重編程過程中起重要作用目前二十四頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)重編程過程甲基化變化humanEScellsDifferentiatedfibroblastsHumaniPScellsHumaniPScells目前二十五頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)DNA甲基化與癌癥的發(fā)生目前二十六頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)組蛋白修飾

組成核小體的組蛋白可以被多種化學(xué)加合物所修飾，如磷酸化、乙?；图谆龋M蛋白的這類結(jié)構(gòu)修飾可使染色質(zhì)的構(gòu)型發(fā)生改變，稱為染色質(zhì)構(gòu)型重塑。組蛋白中不同氨基酸殘基的乙?；话闩c活化的染色質(zhì)構(gòu)型常染色質(zhì)(euchromatin)和有表達(dá)活性的基因相關(guān)聯(lián)；而組蛋白的甲基化則與濃縮的異染色質(zhì)(hetero-chromatin)和表達(dá)受抑的基因相關(guān)聯(lián)。目前二十七頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)ChromatidDNANucleosomeSolenoidSuperSolenoidChromosome7X6X40X5XTotal:7x6x40x5=8400染色質(zhì)重塑目前二十八頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)Modelformethylation-dependentgenesilencing.

Thestructuralelementofchromatinisthenucleosomalcore,whichconsistsofa146-bpDNAsequencewrappedaroundcorehistones.Acetylationofthehistonescausesanopenchromatinconfig-urationthatisassociatedwithtranscriptionalactivity.Methylatedcytosinesarerecognizedbymethyl-CpG-bindingproteins(MBDs),whichinturnrecruithistonedeacetylases(HDACs)tothesiteofmethylation,convert-ingthechromatinintoaclosedstructurethatcannolongerbeaccessedbythetranscriptionalmachinery.目前二十九頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)1.2非編碼小RNA分子的調(diào)節(jié)1.shortinterferingRNAs(siRNA)2.MicroRNA(miRNA)3.piwi-interactingRNA(piRNA)目前三十頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)siRNAshorthairpinRNA(shRNA)RNA-inducedsilencingcomplex(RISC)目前三十一頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)Antisense目前三十二頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)2.3基因組印記GenomicImprinting:兩條染色體需要隨機(jī)沉默其一Beckwith-WiedemannSyndrome:1/15,000BWS：20%的致死率BWS:embryonictumor目前三十三頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)目前三十四頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)(Prader-WilliSyndrome,PWS)1956年A.Prader和H.Willi父源染色體15q11-13區(qū)段缺失Prader-Willi綜合征目前三十五頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)Beckwith-WiedemannSyndromeH19andIgf2aregenesthatareexpressedfromonlythematernalorthepaternalchromosome.H19isexpressedfromthematernalchromosomeonly;Igf2isexpressedonlyfromthepaternalchromosome.Thetwogenesshareanenhancerregion,locateddownstreamofH19.Thenewpapers1,2,3,4showthattheICR(imprinting-controlregion)ofH19isaboundaryelement,controlledbyDNAmethylation.TheCTCFproteinbindstotheunmethylatedmaternalICR.ThispreventsthepromoterslocatedintheIgf2genefrominteractingwiththeenhancersdownstreamoftheH19gene,resultingintranscriptionalsilencingofIgf2.ThepaternalICRismethylated(filledcircles),preventingbindingofCTCF.ThisallowstheenhancerstocontactthepromotersofthepaternalIgf2,allowingthegenetobetranscribed.ThepaternalH19geneisthoughttobesilencedbymethylation.DifferentiallymethylatedregionsarealsofoundinIgf2,butarenotshownhere.目前三十六頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)Angelman綜合征

1968年H.Angelman

母源染色體15q11-13區(qū)段缺失(AngelmanSyndrome，AS)目前三十七頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)

PWS和AS這一對綜合征表明父親和母親的基因組在個(gè)體發(fā)育中有著不同的影響，這種現(xiàn)象被稱為基因組印跡(genomicimprinting)。

目前三十八頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)近年研究表明，基因組印跡是兩個(gè)親本等位基因的差異性甲基化型造成了一個(gè)親本等位基因的沉默，另一個(gè)親本等位基因保持單等位基因活性(monoallelic

activity)。

目前三十九頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)

在父源和母源染色體上，這些調(diào)控元件的CpG島呈現(xiàn)甲基化型的明顯差異。

在PWS和AS患者中發(fā)現(xiàn)，微小染色體缺失集中的區(qū)域有成簇排列的富含CpG島的基因表達(dá)調(diào)控元件，稱為印跡中心(imprintingcenters,ICs)。SNRPN的23個(gè)CpG二聯(lián)核苷父源非甲基化完全甲基化母源例如

差異甲基化(differentialmethylation)：父源和母源染色體上的ICs的甲基化呈現(xiàn)出分化狀態(tài)。目前四十頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)

基因組印跡是性細(xì)胞系的一種表觀遺傳修飾，這種修飾有一整套分布于染色體不同部位的印跡中心來協(xié)調(diào)，印跡中心直接介導(dǎo)了印跡標(biāo)記的建立及其在發(fā)育全過程中的維持和傳遞，并導(dǎo)致以親本來源特異性方式優(yōu)先表達(dá)兩個(gè)親本等位基因中的一個(gè)，而使另一個(gè)沉默。研究表明，在哺乳動(dòng)物中相當(dāng)數(shù)量的印跡基因是與胎兒的生長發(fā)育和胎盤的功能密切相關(guān)的。

目前四十一頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)2.4基因表達(dá)重編程

已完全分化的細(xì)胞，其基因組在特定條件下經(jīng)歷表觀遺傳修飾重建而為胚胎發(fā)育中的基因表達(dá)重新編程(reprogramming)并賦予發(fā)育全能性，為胚胎發(fā)育和分化發(fā)出正確的指令。胚胎發(fā)育中表觀基因組重新編程的差誤將會(huì)導(dǎo)致多種表觀遺傳缺陷性疾病。目前四十二頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)2.4基因表達(dá)重編程目前四十三頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)重編程方法比較目前四十四頁\總數(shù)五十二頁\編于十八點(diǎn)多莉：死掉了…Ia