表观遗传学-DNA甲基化

Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTC表观遗传学第二章DNA甲基化Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTCASymphonicExampleEpigenetics,2008-2009,Semester1,USTCASymphonicExample拉尔夫·沃恩·威廉姆斯(RalphVaughanWilliams)，作于1910Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTCEpigeneticdifferences：monozygotictwinsEpigenetics,2008-2009,Semester1,USTC内容纲要一、DNA的甲基化二、真核生物的DNA甲基转移酶三、DNA去甲基化四、DNA甲基转移酶抑制剂Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTC一、DNA甲基化(1)1.DNA甲基化：在DNA甲基转移酶(DNAmethyltransferase,DNMTs)的作用下，将一个甲基添加的胞嘧啶的5’-碳分子上，形成5-甲基化胞嘧啶(5-methylcytosine)2.胞嘧啶甲基化后产生5-甲基化胞嘧啶能够自发的脱氨基形成胸腺嘧啶(Thymine)：5mC-T3.哺乳动物中，~1%的DNA碱基能够发生甲基化修饰4.DNA甲基化的分布：(1)转座子(2)逆转录病毒衍生的重复序列(3)大多数功能基因的编码区Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTC一、DNA甲基化(2)1.DNA甲基化的模式：(1)线虫：无甲基化的胞嘧啶(2)果蝇：极少量的甲基化胞嘧啶，识别模式CpT(主要)vs.CpG(极少)(3)哺乳动物：CpG(~70%)或者CpNpG2.CpG–CytosinephosphateGuanine3.镶嵌的甲基化(mosaicmethylation):基因组中，高度甲基化的部分DNA序列被大的非甲基化DNA序列所分隔开4.难以被DNA修复系统所识别：CG→TG是可遗传的Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTCCpG岛的甲基化(1)1.CpG岛：富含CpG区域，长度500~1000bp，GC含量超过55%2.非随机出现：~60%的编码基因的5’UTR区域（转录起始区域）含有CpG岛。3.CpG的含量：(1)CG出现的期望值（百分比）：1/16=6.25%(2)观察值：很少（~1%）(3)原因：CG具有很高的突变率4.C-T转换率是其他碱基对转换率的10-40倍以上5.例如：人类肿瘤细胞中的p53基因，50%的点突变都发生在CpG上。Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTCCpG岛的甲基化(2)1.CpG在重复片段以及基因的3’UTR区域能够发生甲基化2.CpG岛通常不被甲基化3.哺乳动物中：26,000-45,000CpG岛。常分布在持家基因和一些组织表达特异性基因的启动子区域4.CpG岛：可以被HpaII酶(C|CGG)切成小片段，因此也叫HTF岛Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTCDNA序列中的四种碱基/核苷Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTCDNA甲基化SAH,S-adenosylhomocysteine;SAM,S-adenosylmethionineEpigenetics,2008-2009,Semester1,USTCDNA甲基化Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTCC–5mC–T?5-Methylcytosine(5mC)?Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTCDEAMINATIONDeamination:去氨基化反应AnenzymetoremoveitfromDNA:uracil-N-glycosylase.Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTCDNA甲基化的检测1.传统实验方法Methylation-sensitiverestrictionenzymesMethylation-specificenzymeMcrBC2.现代方法MeDIP:methylatedDNAimmunoprecipitationassayMBD：methylationbindingdomain3.DNA甲基化位点的确定：BisulfitegenomicsequencingEpigenetics,2008-2009,Semester1,USTCDNA甲基化的检测Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTCBisulfiteModification测序:非甲基化的C将被测序成T，反链为AEpigenetics,2008-2009,Semester1,USTCDNA甲基化位点鉴定的方法Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTC精确的功能有待进一步研究，一般学术界公认的两类功能是:宿主防御模型(TheHostDefenceModel)基因调控模型(TheGeneRegulationModel)DNA甲基化的功能Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTC宿主防御模型1.转座子的甲基化2.人类基因组~45%的区域是转座子3.高度甲基化，细胞中90%的甲基化CpG位于转座子中4.转座子的活性：对机体非常有害5.宿主防御模型：抑制转座子的活性Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTC转座子导致的PEVEpigenetics,2008-2009,Semester1,USTC基因调控模型1.DNA甲基化的主要功能：转录沉默(silencingtranscription)(1)基因的启动子区域通常不被甲基化修饰(2)建立特定的基因表达模式：组织特异性、生殖特异性…(3)基因印记、X染色体失活2.DNA甲基化抑制基因转录的机制：(1)干扰转录因子对DNA元件的识别和结合(2)将转录因子的DNA识别序列转变为阻抑物的识别序列(3)DNA甲基化有利于招募染色质重塑或修饰因子3.DNA甲基化：是转录沉默的结果和维持，而不是原因Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTCDNA甲基化抑制基因转录的机制Long-termsilencingEpigenetics,2008-2009,Semester1,USTC直接干扰机制(1)Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTC直接干扰机制(2)Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTC间接机制Themethyl-CpG-bindingproteinsMeCP1andMeCP2能够与甲基化的DNA结合MeCP2能够招募Sin3a,HDACs，形成复合物，阻遏转录Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTCMeCP2Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTC二、真核生物的DNA甲基转移酶1.哺乳动物:DNMT1,DNMT3A,DNMT3B，DNMT3L,DNMT22.拟南芥：DRM2,MET1，DNMT2,CMT33.粗糙脉孢菌(Neurosporacrassa):DIM2,dim-5,RIDEpigenetics,2008-2009,Semester1,USTCDNA甲基转移酶Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTCDNA甲基转移酶:系统发育分析Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTC哺乳动物的DNA甲基转移酶◄daughterstrand◄daughterstrandDNMT1:maintenancemethyltransferasesDNMT3A&DNMT3B:denovomethyltransferases–胚胎移植过程中高表达Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTCDNA甲基化与去甲基化Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTCDNA甲基化的维持：两种模型PCNA:在染色体上滑动UHRF1：特异性的与半甲基化位点结合Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTC表观遗传修饰的重编程配子形成胚胎植入前的发育精原细胞滋养外胚层Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTCDNA甲基化：CellMemoryEpigenetics,2008-2009,Semester1,USTCDNA甲基转移酶的功能DNA甲基转移酶物种主要功能DNMT1哺乳动物Maintenance，denovo(CpG)DNMT3A哺乳动物denovo(CpG)DNMT3B哺乳动物denovo(CpG)DNMT3L哺乳动物DNMT3辅助因子，无活性中心DNMT2哺乳动物tRNAAsp的甲基化DRM2拟南芥denovo(CpN)MET1拟南芥Maintenance(CpG)DNMT2拟南芥未知CMT3拟南芥Maintenance(CpNpG)DIM2粗糙脉孢菌denovo(CpN)RID粗糙脉孢菌RIP必须Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTCDNA甲基化的通路：哺乳动物Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTC启动子的甲基化(a)未知蛋白质因子X失去，DNMT结合，促使启动子甲基化(b)聚合酶失去，DNMT结合-甲基化(c)某些转录因子招募DNMT到启动子区域，促使甲基化(d)组蛋白甲基转移酶(HMT)招募DNMT…Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTCDNA甲基化的通路：拟南芥1.TXN：Transcription2.拟南芥中大多数全新甲基化由siRNA介导3.DRM2:denovo;MET1:MaintenanceEpigenetics,2008-2009,Semester1,USTCDNA甲基化：哺乳动物vs.植物CpG为什么不被甲基化？Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTCDNA甲基化的通路：粗糙脉孢菌1.RIP:repeat-inducedpointmutationEpigenetics,2008-2009,Semester1,USTCDnmt11.Dnmt1chip/-:Dnmt1的表达量为正常小鼠的10%；2.低甲基化3.Dnmt1chip/-小鼠出生体重为正常的70%4.80%的小鼠4-8个月内产生淋巴瘤5.癌基因c-myc表达量异常增高Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTCDnmt3b1.小鼠胚胎纤维原细胞中的Dnmt3b失活导致DNA的低甲基化(Hypomethylation)，染色体不稳定，使癌症细胞永生化2.形成有丝分裂染色体桥3.转入Dnmt3b能够恢复表型Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTCDnmt3a&Dnmt3b表达特异性：Dnmt3a:ubiquitousDnmt3b:前额，眼睛Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTCDnmt3a&Dnmt3b对哺乳动物的发育至关重要Epigenetics,2008-2009,Semester1,USTC三、DNA去甲基化1.DNA去甲基化(DNAdemethylation):5甲基胞嘧啶(5mC)替代成胞嘧啶的过程2.两种方式(1)主动去甲基化(Act