腫瘤的表觀遺傳調(diào)控

腫瘤的表觀遺傳調(diào)控1第1頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月Chromatinpackaging2第2頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月表觀遺傳學概念表觀遺傳(epigenetics)的概念是在1942年由Waddington提出。指DNA序列不發(fā)生變化但是基因表達卻發(fā)生了可遺傳的改變，也就是說基因型未變化而表型卻發(fā)生了改變，這種變化是細胞內(nèi)除了遺傳信息以外的其他可遺傳物質(zhì)的改變，并且這種改變在發(fā)育和細胞增殖過程中能穩(wěn)定地傳遞下去。3第3頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月CancerepigeneticsInadditiontohavinggeneticcauses,cancercanalsobeconsideredanepigeneticdisease.

RegulationbygeneticsinvolvesachangeintheDNAsequence,whereasepigeneticregulationinvolvesalterationinchromatinstructureandmethylationofthepromoterregion4第4頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月5表觀遺傳學的特點：可遺傳的，即這類改變通過有絲分裂或減數(shù)分裂，能在細胞或個體世代間遺傳；可逆性的基因表達調(diào)節(jié)，也有較少的學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。表觀遺傳修飾主要包括DNA以及一些與DNA密切相關的蛋白質(zhì)(例如組蛋白)的化學修飾，另外某些非編碼的RNA也在表觀遺傳修飾中起著重要的作用。55第5頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月EpigeneticRegulationofCancerSiteSpecificHypermethylationGlobalHypomethylationHistoneModificationsRegulatingFactorsDietaryHormonalGeneticVermaM,SrivastavaS.LancetOncol.(2002)3:755-63.DNAMethyltransferasesHistoneMethyltransferasesHistoneAcetylases/DeacetylasesEpigeneticsRegulates:CellCycleControlDNADamageApoptosisInvasionX-ChromosomeInactivationImprintingAging6第6頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月表觀遺傳修飾從多個水平調(diào)控基因表達

DNA:DNA甲基化蛋白質(zhì)：組蛋白修飾

染色質(zhì)：染色質(zhì)重塑

RNA：非編碼RNA7第7頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月DNA甲基化

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，通過將S一腺苷甲硫氨酸作為甲基供體，并在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNAmethyltransferase，DNMT)的催化下，CpG二核苷酸中的胞嘧啶環(huán)上5′位置的氫被活性甲基所取代，從而轉(zhuǎn)變成為5甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5mC)。8第8頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月EnzymaticmethylationoftheC–5positionofcytosineresiduescaneffectepigeneticinheritancebyalteringtheexpressionofgenesandbytransmissionofDNAmethylationpatternsthroughcelldivision.Thus,inadditiontoitswell–knownroleindeaminationmutationalhotspotsinhumanDNA,DNAmethylationmaycontributetogeneinactivationincancer.9第9頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月10第10頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月哺乳動物基因組中5mC占胞嘧啶總量的2%-7%，約70%的5mC存在于CpG二連核苷。在結構基因的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(CpGislands)，其大小為500-1000bp，約56%的編碼基因含該結構?；蛘{(diào)控元件(如啟動子)所含CpG島中的5mC會阻礙轉(zhuǎn)錄因子復合體與DNA的結合。DNA甲基化一般與基因沉默相關聯(lián)；非甲基化一般與基因的活化相關聯(lián)；而去甲基化往往與一個沉默基因的重新激活相關聯(lián)。11第11頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月癌細胞的整個基因組水平處于低甲基化狀態(tài)，比正常低20%～60%，這種低甲基化大多發(fā)生于編碼區(qū)和內(nèi)含子區(qū)域，以及約占人類基因組20%～30%的重復序列區(qū)抑癌基因啟動子區(qū)域CpG島高度甲基化，且與DNA結合的組蛋白廣泛去乙?；?2第12頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月Esteller,andJ.G.Herman.Cancerasanepigeneticdisease:DNAmethylationandchromatinalterationsinhumantumors.JPathol,2001.13第13頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月GenesilencingDNAmethylationisapowerfulmechanismforthesuppressionofgeneactivity.Thereisreciprocalrelationshipbetweenthedensityofmethylatedcytosineresiduesandthetranscriptionalactivityofagene.Themethylgroupsdonotaffectbasepairingbutcaninfluenceprotein–DNAinteractionsbyprotrudingintothemajorgroove.14第14頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月●Thestrongeffectof5–methylcytosine(5mC)inmammalianpromoterregionssuggeststhatDNAmethylationinhibitstranscriptionbyinterferingwithtranscriptioninitiation.●DNAmethylationreducesthebindingaffinityofsequence–specifictranscriptionfactors.●Methylation–dependent,sequence–specificDNA–bindingproteins,suchasMDBPmayactastranscriptionalrepressors.15第15頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月組蛋白修飾組蛋白修飾(histonemodification)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，會受到不同的化學修飾，這種修飾往往與基因的表達調(diào)控密切相關。被組蛋白覆蓋的基因如果要表達，首先要改變組蛋白的修飾狀態(tài)，使其與DNA的結合由緊變松，這樣靶基因才能與轉(zhuǎn)錄復合物相互作用。因此，組蛋白是重要的染色體結構維持單元和基因表達的負控制因子。16第16頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月Histonemodifications—includingacetylation,methylationandphosphorylation—areimportantintranscriptionalregulationandmanyarestablymaintainedduringcelldivision,althoughthemechanismforthisepigeneticinheritanceisnotyetwellunderstood.ProteinsthatmediatethesemodificationsareoftenassociatedwithinthesamecomplexesasthosethatregulateDNAmethylation.17第17頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月Covalentmodificationofhistones:AcetylationoflysinesMethylationoflysinesandargininesPhosphorylationsofserinesandthreoninesHistoneModifications18第18頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月Histones?5types:H2A,H2B(slightlylysrich),H3,H4(argrich)H1(lysrich).Allrelativelysmallproteins.?Per200bpofDNA:2moleculeseachofH2A,H2B,H3,H4andonemoleculeofH1.19第19頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月HistoneAcetylationAcetylationofthelysineresiduesattheNterminusofhistoneproteinsremovespositivecharges,therebyreducingtheaffinitybetweenHistonesandDNA.ThismakesRNApolymeraseandtranscriptionfactorseasiertoaccessthepromoterregion.Therefore,inmostcases,histoneacetylationenhancestranscriptionwhilehistonedeacetylationrepressestranscription20第20頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月Transcriptionprocessanditsregulationbyhistonemodification21第21頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月HistoneacetylationandcancerInacutepromyelocyticleukaemia:TheoncoproteinproducedbythefusionofthePML(promyelocyticleukaemia)geneandtheretinoicacidreceptorageneappearstosuppressthetranscriptionofspecificgenesthroughtherecruitmentofHDACs.Thusthecancercellisunabletoundergodifferentiation,leadingtoexcessiveproliferation.Similarphenomena:retinoicacidreceptora–PLZF(promyelocyticleukaemiazincfingerprotein)fusion,AML1(acutemyelocyticleukaemiaprotein1)–ETOfusion,andalsointheMyc/Mad/Maxsignallingpathwayinvolvedinsolidmalignancies.22第22頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月ItisclearthatHDACenzymesseldomoperatealone.

Manyproteins,withvariousfunctionssuchasrecruitment,co-repressionorchromatinremodelling,areinvolvedinformingacomplexthatresultsintherepressorcomplex.23第23頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月TherearetwoproteinfamilieswithHDACactivity:therecentlydiscoveredSIR2familyofNAD+-dependentHDACsandtheclassicalHDACfamily.MembersoftheclassicalHDACfamilyfallintotwodifferentphylogeneticclasses-classIandclassIITheclassIHDACs(HDAC1,2,3and8)aremostcloselyrelatedtotheyeast(Saccharomycescerevisiae)transcriptionalregulatorRPD3.ClassIIHDACs(HDAC4,5,6,7,9and10)sharedomainswithsimilaritytoHDA1,anotherdeacetylasefoundinyeast.RecentlyanewmemberoftheHDACfamilyhasbeenidentified,HDAC1124第24頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

AwidevarietyofprocessesareassociatedwiththeinhibitionofHDACs,suchasapoptosis,necrosis,differentiation,inhibitionofproliferationandcytostasis.Currently,manyeffortsarebeingmadetoexpandourknowledgeoftheHDACsandtodeveloppotentandstableHDACi.

25第25頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月RESPONSIVEGENES

BystudyingtheeffectsofHDACiontheexpressionofvariousgenesandtheirregulatorypathways,amoredetailedpicturewillemergeofhowtheinhibitionofHDACs,combinedwiththeHDACexpressionprofileofthatcell,ultimatelydeterminesthefateofthecell.26第26頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月組蛋白修飾的種類27第27頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月染色質(zhì)重塑染色質(zhì)重塑（chromatinremodeling）是一個重要的表觀遺傳學機制。染色質(zhì)重塑是由染色質(zhì)重塑復合物介導的一系列以染色質(zhì)上核小體變化為基本特征的生物學過程。組蛋白尾巴的化學修飾（乙?；⒓谆傲姿峄龋┛梢愿淖?nèi)旧|(zhì)結構，從而影響鄰近基因的活性。28第28頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

Johnstone2002

EpigeneticMechanisms29第29頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月Chromatin-LevelRegulationofGeneExpressionGarfinkelandRudenNutrition:20:56-62,200430第30頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月染色質(zhì)修飾與重塑（共價修飾型與ATP依賴型）31第31頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月MicroRNAmiRNA是近年來生命科學領域的研究熱點，是一組生物體基因組編碼的內(nèi)源性非編碼小RNA。miRNA主要采用降解靶mRNA和抑制靶mRNA的翻譯兩種作用方式在轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控基因表達。降解靶mRNA的方式與siRNA的作用方式相似，直接作用于靶mRNA，直接導致mRNA表達水平下降。但絕大多數(shù)哺乳動物細胞中的miRNAs并不導致靶mRNA的降解，而是通過與靶mRNA的3’端非翻譯區(qū)（UTR）不完全匹配結合，抑制mRNA翻譯成蛋白質(zhì)，使靶基因的蛋白質(zhì)表達水平下降。32第32頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

Aprimarytranscript(pri-miRNA)isfirstprocessedintoastem-loopstructureabout60–80nt(pre-miRNA)bytheRNaseendonucleaseDrosha.pre-miRNAsareexportedtothecytoplasmbyExportin-5.Dicercleavesthehairpin,releasingamiRNA:-miRNAduplex,whichhasatwobaseoverhangatboth30