zxl0612表观遗传学(2学时)

表观遗传学教师：周小玲2020年1月9日4一、概述表观遗传学研究不涉及DNA序列改变的基因表达和调控的可遗传变化的，或者说是研究从基因演绎为表型的过程和机制的一门新兴的遗传学分支。表观遗传通过有丝分裂或减数分裂来传递非DNA序列信息的现象。所谓表观遗传就是不基于DNA序列差异的核酸遗传。即细胞分裂过程中，DNA序列不变的前提下，全基因组的基因表达调控所决定的表型遗传，涉及染色质重编程、整体的基因表达调控（如隔离子，增强子，弱化子，DNA甲基化，组蛋白修饰等功能),及基因型对表型的决定作用。2020年1月9日4表观遗传修饰机制DNA甲基化和组蛋白修饰非编码小RNA分子调节基因组印迹基因表达的重新编程x染色体失活拉马克与长颈鹿用进废退2020年1月9日72020年1月9日7发展历史1939年，WaddingtonC首先在《现代遗传学导论》中提出了epihenetics这一术语，1975年，HollidyR不仅在发育过程，而且应在成体阶段研究可遗传的基因表达改变，这些信息能经过有丝分裂和减数分裂在细胞和个体世代间传递，而不借助于DNA序列的改变，也就是说表观遗传是非DNA序列差异的核遗传。2007AdrianBird,(nature,Aunifyingdefinitionofepigenetics）thestructuraladaptationofchromosomalregionssoastoregister,signalorperpetuatealteredactivitystates.Thisdefinitionisinclusiveofchromosomalmarks,becausetransientmodificationsassociatedwithbothDNArepairorcell-cyclephasesandstablechangesmaintainedacrossmultiplecellgenerationsqualify2020年1月9日8特点概括表观遗传学的特点：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1月9日8人类基因组计划完成带来的挑战1.100多个物种的基因组测序已经完成；2.4,000个物种的基因组计划正在进行；3.比较基因组学：比较多个物种的基因、蛋白质的序列来揭示功能的保守性，并发现新的规律。DNA双螺旋基因的结构基因：可遗传1.遗传的基本功能单位2.基因由DNA编码3.一个基因编码一条蛋白质4.基因序列的改变可能导致功能及表型的改变基因型(Genotype)-表型(Phenotype)基因概念的延伸：生物体的复杂性1.人类基因组：~22，000个基因vs.100,000个蛋白质——可变剪切(AlternativeSplicing)2.表观遗传学遗传信息的传递：中心法则1.DNA自身通过复制传递遗传信息；2.DNA转录成RNA；3.RNA自身能够复制(RNA病毒)；4.RNA能够逆转录成DNA；5.RNA翻译成蛋白质。表观遗传学1.概念：基因的DNA序列不发生改变的情况下，基因的表达水平与功能发生改变，并产生可遗传的表型。2.特征:(1)可遗传；(2)可逆性；(3)DNA不变3.表观遗传学修饰机制：(1)DNA甲基化和组蛋白修饰(2)非编码小RNA分子调节(3)基因组印迹(4)基因表达的重新编程(5)x染色体失活遗传信息1.遗传编码信息：提供生命必需蛋白质的模板2.表观遗传学信息：何时、何地、以何种方式去应用遗传信息(1)DNA的甲基化：CpG位点，5,000万个(2)组蛋白修饰：组蛋白密码(Histonecode)表观遗传学的研究内容1.基因选择性转录表达的调控2.基因转录后的调控3.蛋白质的翻译后修饰二、表观遗传修饰机制(1)DNA甲基化和组蛋白修饰(2)非编码小RNA分子调节(3)基因组印迹(4)基因表达的重新编程(5)x染色体失活2.1DNA甲基化SAH,S-adenosylhomocysteine;SAM,S-adenosylmethionine甲基转移酶（DNMTs）的作用Dnmt1的作用Dnmt3aDnmt3b的作用DNA中5-mC的分布哺乳动物基因组DNA中5-mC约占胞嘧啶总量的2%--7%，绝大多数5-mC存在于CpG二联核苷(CpGdoublets)。结构基因5’端附近富含CpG二联核苷的区域称为CpG岛(CpGislands)。DNA去甲基化1）被动途径：由于核因子NF粘附甲基化的DNA，使粘附点附近的DNA不能被完全甲基化，从而阻断DNMT1的作用2）主动途径：是由去甲基酶（DNAdemethylase)的作用，将甲基基团移去的过程TET家族(TET1、TET2、TET3）的去甲基化功能TET（ten-eleventranslocation）蛋白是生物体内存在的一种α-酮戊二酸（α-KG）和Fe2+依赖的双加氧酶，在靠近C的一端拥有一个催化结构域，该结构域具有3个金属离子（Fe2+）和1个α-KG的结合位点，催化结构域前还有一段富含半胱氨酸区，TET蛋白可以催化5-甲基胞嘧啶（5-mC）转化为5-羟甲基胞嘧啶（5-hmC），是DNA去甲基化过程中的一种重要的酶，对于维持干细胞的多能性有重要作用。TET基因的突变可以引起多种肿瘤尤其是造血系统肿瘤。[1]TET介导的去甲基化途径和机制TET3在合子表观遗传重编程过程中起重要作用重编程过程甲基化变化humanEScellsDifferentiatedfibroblastsHumaniPScellsHumaniPScellsDNA甲基化与癌症的发生组蛋白修饰组成核小体的组蛋白可以被多种化学加合物所修饰，如磷酸化、乙酰化和甲基化等，组蛋白的这类结构修饰可使染色质的构型发生改变，称为染色质构型重塑。组蛋白中不同氨基酸残基的乙酰化一般与活化的染色质构型常染色质(euchromatin)和有表达活性的基因相关联；而组蛋白的甲基化则与浓缩的异染色质(hetero-chromatin)和表达受抑的基因相关联。ChromatidDNANucleosomeSolenoidSuperSolenoidChromosome7X6X40X5XTotal:7x6x40x5=8400染色质重塑Modelformethylation-dependentgenesilencing.Thestructuralelementofchromatinisthenucleosomalcore,whichconsistsofa146-bpDNAsequencewrappedaroundcorehistones.Acetylationofthehistonescausesanopenchromatinconfig-urationthatisassociatedwithtranscriptionalactivity.Methylatedcytosinesarerecognizedbymethyl-CpG-bindingproteins(MBDs),whichinturnrecruithistonedeacetylases(HDACs)tothesiteofmethylation,convert-ingthechromatinintoaclosedstructurethatcannolongerbeaccessedbythetranscriptionalmachinery.1.2非编码小RNA分子的调节1.shortinterferingRNAs(siRNA)2.MicroRNA(miRNA)3.piwi-interactingRNA(piRNA)siRNAshorthairpinRNA(shRNA)RNA-inducedsilencingcomplex(RISC)Antisense2.3基因组印记GenomicImprinting:两条染色体需要随机沉默其一Beckwith-WiedemannSyndrome:1/15,000BWS：20%的致死率BWS:embryonictumor(Prader-WilliSyndrome,PWS)1956年A.Prader和H.Willi父源染色体15q11-13区段缺失Prader-Willi综合征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.Angelman综合征1968年H.Angelman母源染色体15q11-13区段缺失(AngelmanSyndrome，AS)PWS和AS这一对综合征表明父亲和母亲的基因组在个体发育中有着不同的影响，这种现象被称为基因组印迹(genomicimprinting)。近年研究表明，基因组印迹是两个亲本等位基因的差异性甲基化型造成了一个亲本等位基因的沉默，另一个亲本等位基因保持单等位基因活性(monoallelicactivity)。在父源和母源染色体上，这些调控元件的CpG岛呈现甲基化型的明显差异。在PWS和AS患者中发现，微小染色体缺失集中的区域有成簇排列的富含CpG岛的基因表达调控元件，称为印迹中心(imprintingcenters,ICs)。SNRPN的23个CpG二联核苷父源非甲基化完全甲基化母源例如差异甲基化(differentialmethylation)：父源和母源染色体上的ICs的甲基化呈现出分化状态。基因组印迹是性细胞系的一种表观遗传修饰，这种修饰有一整套分布于染色体不同部位的印迹中心来协调，印迹中心直接介导了印迹标记的建立及其在发育全过程中的维持和传递，并导致以亲本来源特异性方式优先表达两个亲本等位基因中的一个，而使另一个沉默。研究表明，在哺乳动物中相当数量的印迹基因是与胎儿的生长发育和胎盘的功能密切相关的。2.4基因表达重编程已完全分化的细胞，其基因组在特定条件下经历表观遗传修饰重建而为胚胎发育