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2020年4月23日表观遗传学（epigenetics）沈建英2020年4月23日22020年4月23日2发展历史1939年，WaddingtonCH首先在《现代遗传学导论》中提出了epihenetics这一术语。1942年定义为生物学的分支，研究基因与决定表型的基因产物之间的因果关系。1975年，HollidyR对表观遗传学进行了较为准确的描述。1996年JamesGHerman和StephenBBaylin发明MSP技术，并发现肿瘤细胞中抑癌基因启动子区CpG呈高甲基化状态。2020年4月23日3概述表观遗传学：可遗传的，即这类改变通过有丝分裂或减数分裂，能在细胞或个体世代间遗传；可逆性的基因表达调节，也有较少的学者描述为基因活性或功能的改变；没有DNA序列的改变或不能用DNA序列变化来解释。2020年4月23日3三个层面调控基因表达：DNA修饰：DNA共价结合一个修饰基团，使具有相同序列的等位基因处于不同的修饰状态。蛋白修饰：通过对特殊蛋白修饰或改变蛋白的构象实现对基因表达的调控。非编码RNA调控：通过某些机制实现对基因转录的调控，如RNA干扰。意义：任何一个层面异常，都将影响染色质结构和基因表达，导致复杂综合征、多因素疾病以及癌症。和DNA序列改变不同的是，许多表观遗传的改变是可逆的，这就为疾病的治疗提供乐观的前景。概述2020年4月23日5概述表观遗传学的研究内容：基因转录后的调控基因组中非编码RNA微小RNA（miRNA）反义RNA内含子、核糖开关等基因选择性转录表达的调控DNA甲基化组蛋白共价修饰染色质重塑基因印记X染色体失活2020年4月23日52020年4月23日6概述2020年4月23日6遗传与表观遗传2020年4月23日7概述2020年4月23日7基因组与表观基因组经组织归类的信息2020年4月23日82020年4月23日表观遗传学机制DNA甲基化18组蛋白修饰2染色质重塑3RNA调控4DNA甲基化1以基因型为a/a的母鼠及其孕育的基因型为AVY/a的仔鼠作实验对象。孕鼠分为两组，试验组孕鼠除喂以标准饲料外，从受孕前两周起还增加富含甲基的叶酸、乙酰胆碱等补充饲料，而对照组孕鼠只喂饲标准饲料。结果试验组孕鼠产下的仔鼠大多数在身体的不同部位出现了大小不等的棕色斑块，甚至出现了以棕褐色为主要毛色的小鼠。而对照组孕鼠的仔鼠大多数为黄色。分析表明喂以富甲基饲料的孕鼠所产仔鼠的IAP所含CpG岛的甲基化平均水平远高于对照组，转录调控区的高甲基化使原该呈异位表达的基因趋于沉默，毛色也趋于棕褐色。一、DNA甲基化2020年4月23日10一、DNA甲基化哺乳动物基因组中5mC占胞嘧啶总量的2%-7%，约70%的5mC存在于CpG二连核苷。在结构基因的5’端调控区域,CpG二连核苷常常以成簇串联形式排列，这种富含CpG二连核苷的区域称为CpG岛(CpGislands)，其大小为500-1000bp，约56%的编码基因含该结构。基因调控元件(如启动子)所含CpG岛中的5mC会阻碍转录因子复合体与DNA的结合。DNA甲基化一般与基因沉默相关联；非甲基化一般与基因的活化相关联；而去甲基化往往与一个沉默基因的重新激活相关联。2020年4月23日102020年4月23日11一、DNA甲基化2020年4月23日115’3’CpG岛主要处于基因5’端调控区域。启动子区域的CpG岛一般是非甲基化状态的，其非甲基化状态对相关基因的转录是必须的。目前认为基因调控元件（如启动子）的CpG岛中发生5mC修饰会在空间上阻碍转录因子复合物与DNA的结合。因而DNA甲基化一般与基因沉默相关联。Rb基因CpG频率2020年4月23日12一、DNA甲基化2020年4月23日DNA甲基化(DNAmethylation)是研究得最清楚、也是最重要的表观遗传修饰形式，主要是基因组DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基间的共价结合，胞嘧啶由此被修饰为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应12S-腺苷甲硫氨酸2020年4月23日15二、组蛋白修饰2020年4月23日152020年4月23日16二、组蛋白修饰2020年4月23日162020年4月23日172020年4月23日17二、组蛋白修饰BryanM.Turner,naturecellbiology,2007组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型被称为组蛋白密码（histonecode），遗传密码的表观遗传学延伸，决定了基因表达调控的状态，并且可遗传。2020年4月23日18二、组蛋白修饰组蛋白修饰是表观遗传研究的重要内容。组蛋白的N端是不稳定的、无一定组织的亚单位，其延伸至核小体以外，会受到不同的化学修饰，这种修饰往往与基因的表达调控密切相关。被组蛋白覆盖的基因如果要表达，首先要改变组蛋白的修饰状态，使其与DNA的结合由紧变松，这样靶基因才能与转录复合物相互作用。因此，组蛋白是重要的染色体结构维持单元和基因表达的负控制因子。2020年4月23日182020年4月23日19二、组蛋白修饰组蛋白修饰种类乙酰化--一般与活化的染色质构型相关联，乙酰化修饰大多发生在H3、H4的Lys残基上。甲基化--发生在H3、H4的Lys和Asp残基上，可以与基因抑制有关，也可以与基因的激活相关，这往往取决于被修饰的位置和程度。磷酸化--发生与Ser残基，一般与基因活化相关。泛素化--一般是C端Lys修饰，启动基因表达。SUMO（一种类泛素蛋白）化--可稳定异染色质。其他修饰2020年4月23日20DNA甲基化与组蛋白去乙酰化2020年4月23日20乙酰化酶基因突变导致基因不能表达：RubinsteinTaybi综合征、肿瘤、急性进行性髓性白血病。去乙酰化酶相关基因的突变导致错误募集去乙酰化酶：Rett综合征、急性早幼粒细胞性白血病，急性淋巴细胞性白血病和非何杰金氏淋巴瘤的治疗。2020年4月23日21三、染色质重塑核小体2020年4月23日22三、染色质重塑染色质重塑（chromatinremodeling）是一个重要的表观遗传学机制。染色质重塑是由染色质重塑复合物介导的一系列以染色质上核小体变化为基本特征的生物学过程。组蛋白尾巴的化学修饰（乙酰化、甲基化及磷酸化等）可以改变染色质结构，从而影响邻近基因的活性。2020年4月23日23三、染色质重塑染色质修饰与重塑（共价修饰型与ATP依赖型）染色质重塑复合物、组蛋白修饰酶的突变均和转录调控、DNA甲基化、DNA重组、细胞周期、DNA的复制和修复的反常相干,这些反常可以引起生长发育反常,智力发育缓慢,乃至导致癌症。依赖ATP的物理修饰主要是使用ATP水注解放的能量,使DNA超螺旋旋矩和旋相产生转变,使转录因子更易靠近并连合核小体DNA,从而调控基因的转录进程。三、染色质重塑2020年4月23日25三、染色质重塑（A）结合（B）松链（C）重塑八聚体转移八聚体滑动+ATP重塑复合物ATP依赖的染色质重构机制染色质重塑复合物：依靠水解ATP提供能量来完成染色质结构的改变，根据水解ATP的亚基不同，可将复合物分为SWI/SNF复合物、ISW复合物等，这些复合物及相关蛋白均与转录激活和抑制、DNA甲基化、DNA修复及细胞周期相关。2020年4月23日26染色质重塑与人类疾病（ATRX、ERCC6、SMARCAL1编码与SWI/SNF复合物相关的ATP酶）X连锁α-地中海贫血综合征、Juerg–Marisidi综合征、Carpenter-Waziri综合征、Sutherland-Haan综合征和Smith-Fineman-Myers综合征：ATRX突变引起DNA甲基化异常。核小体重新定位的异常引起基因表达抑制。Skeletal综合征和B型Cockayne综合征：ERCC6（在DNA修复中起重要作用）突变。Schimke免疫性骨质发育异常：SMARCAL1（调控细胞增殖相关基因的表达）肿瘤：BRG1、SMARCB1和BRM编码与SWI/SNF复合物特异的ATP酶（改变染色质结构）三、染色质重塑四、RNA调控2020年4月23日28四、RNA调控siRNAsiRNA结构：21-23nt的双链结构，序列与靶mRNA有同源性，双链两端各有2个突出非配对的3’碱基。siRNA功能：是RNAi作用的重要组分，是RNAi发生的中介分子。内源性siRNA使细胞能够抵御转座子、转基因和病毒的侵略。2020年4月23日282020年4月23日29四、RNA调控miRNA结构：21-25nt长的单链小分子RNA，5′端有一个磷酸基团，3′端为羟基，由具有发夹结构的约70-90个碱基大小的单链RNA前体经过Dicer酶加工后生成。特点：具有高度的保守性、时序性和组织特异性。2020年4月23日292020年4月23日30四、RNA调控2020年4月23日30非编码RNA与疾病癌症神经性疾病：如精神分裂症（DISC2RNA异常所诱发的精神分裂症。）、孤独症、忧郁症、躁动症等牛皮癣易感性四、RNA调控2020年4月23日32五、其他表观遗传机制除DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、和RNA调控以外，还有遗传印迹、X染色体失活、等。遗传印迹、X染色体失活的本质仍为DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑。2020年4月23日33遗传印迹2020年4月23日33概念：传给子代的亲本基因在子代中表达的状况取决于基因来自母本还是父本的现象。该现象在合子形成时已经决定，是涉及基因表达调控的遗传。特点：基因组印迹依靠单亲传递某种性状的遗传信息，被印迹的基因会随着其来自父源或母源而表现不同，即源自双亲的两个等位基因中一个不表达或表达很弱。不遵循孟德尔定律，是一种典型的非孟德尔遗传，正反交结果不同。机制：基因组在传递遗传信息的过程中，通过基因组的化学修饰（DNA的甲基化；组蛋白的甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等）而使基因或DNA片段被标识的过程。2020年4月23日34遗传印迹2020年4月23日34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-2Igf-2Igf-2m2020年4月23日35遗传印迹2020年4月23日35由正反交实验可以看出：印迹基因的正反交结果不一致、不符合孟德尔定律。小鼠Igf-2基因总是母本来源的等位基因被印迹，父本来源的等位基因表达，因此是母本印迹。基因印迹使基因的表达受到抑制，导致被印迹的基因的生物功能的丧失。2020年4月23日36遗传印迹2020年4月23日36基因印迹过程印迹的形成印迹形成于成熟配子，并持续到出生后。印记的维持印记的去除印记的去除过程是发生在原始生殖细胞的早期阶段。基因组印迹的机制配子在形成过程中，DNA产生的甲基化、核组蛋白产生的乙酰化、磷酸化和泛素化等修饰，使基因的表达模式发生了改变。父本PWS印记中心缺失母本AS印记中心缺失2020年4月23日39X染色体失活1961年M.F.Lyon就提出了关于雌性哺乳动物体细胞的两条X染色体中会有一条发生随机失活的假说，并认为这是一种基因剂量补偿的机制。以后的研究表明在给定的体细胞有丝分裂谱系中，有一条X染色体是完全失活并呈异染色质状态，而在另一个细胞谱系中同一条X染色体又可以是活化的且呈常染色质状态。1996年G.D.Penny等发现X染色体的Xq13.3区段有一个X失活中心(X-inactioncenter，Xic)，X-失活从Xic区段开始启动，然后扩展到整条染色体。2020年4月23日40X染色体失活失活X染色体即为巴氏小体。失活X染色体特点：组蛋白H4不被乙酰化CpG岛的高度甲基化巴氏小体2020年4月23日41X染色体失活X染色体失活过程模式图20