表-观-遗-传--学

表观遗传学epigenetics提纲第一节表观遗传概述第二节表观遗传修饰及调控机制第三节表观遗传研究的医学应用第一节表观遗传概述基因表达模式相同基因型不同表型从母鼠中继承的“agouti基因”甲基化程度高低决定皮毛的颜色一、表观遗传现象人类同卵双生的孪生子：具有完全相同的基因组，在同样的环境下成长，俩人的气质和体质应该非常相似。实际情形：一些孪生子的情况并不符合预期的理论。往往在长大成人后出现性格、健康方面的很大差异。这种反常现象长期困扰着遗传学家。晏子春秋·杂下之十——《橘逾淮为枳》晏子使楚……晏子至，楚王赐晏子酒，酒酣，吏二缚一人诣王。王曰：“缚者曷为者也？”对曰：“齐人也，坐盗。”王视晏子曰：“齐人固善盗乎？”晏子避席对曰：“婴闻之，橘生淮南则为橘，生于淮北则为枳，叶徒相似，其实味不同。所以然者何？水土异也。今民生长于齐不盗，入楚则盗，得无楚之水土使民善盗耶？”王笑曰：“圣人非所与熙也，寡人反取病焉。”表观遗传学(epigenetics)在基因组中除了DNA和RNA序列以外，还有许多调控基因的信息，它们虽然本身不改变基因的序列，但是可以通过基因修饰，蛋白质与蛋白质、DNA和其它分子的相互作用，而影响和调节基因的功能和特性概念：指基因的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，并产生可遗传表型的遗传学分支学科。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。遗传类型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表观遗传学特点基因的DNA序列不发生改变的情况下，基因表达水平与功能发生改变，并产生可遗传的表型。•可遗传的•基因表达的改变•没有DNA序列的改变1942年沃丁顿(Waddington)在Endeavour杂志首次提出表观遗传学。基因型的遗传(heredity)或传承(inheritance)是遗传学研究的主旨，而基因型产生表型的过程则是属于表观遗传学研究的范畴。历史沿革Waddington'sepigenetics基因型表型•1961年，MaryLyon发现X染色体失活现象。•1983年，DNA甲基化的发现。•1987年，霍利德(Holliday)一步指出可在两个层面上研究高等生物的基因属性。第一个层面是基因的世代间传递的规律——遗传学。第二个层面是生物从受精卵到成体的发育过程中基因活性变化的模式——表观遗传学。•2003年10月正式宣布开始投资和实施人类表观基因组计划（HumanEpigenomeProject,HEP）。•2010年全球最大表观遗传学项目——Epitwin启动，以肥胖、糖尿病、过敏反应、心脏病、骨质疏松症和长寿等为主要研究对象，但研究方法可应用于各种常见性状和疾病。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第二节表观遗传修饰及调控机制表观遗传修饰DNA甲基化组蛋白修饰siRNA与miRNA介导的调控基因组印迹X染色体失活染色体构型重塑机制DNA甲基化DNAmethylationDNA甲基化是研究得最清楚、也是最重要的表观遗传修饰形式,在DNA甲基转移酶的催化下，利用S-腺苷蛋氨酸提供的甲基，将胞嘧啶第5位碳原子甲基化，从而使胞嘧啶转化为5甲基胞嘧啶(5-Methylcytosine，5-mC)。CH3DNMTdCMPdmCMP(~mC~)(~C~)45SAM在哺乳动物基因组中，DNA甲基化的主要位点是CpG二核苷酸。甲基化CpG二核苷酸在整个基因组中分布不均匀，在基因组大部分区域中CpG序列出现频率较低，但在某些特定区域，如结构基因5’-端(启动子区)，CpG二核苷酸呈高频率成串排列，此区域称为CpG岛。基因调控元件(如启动子)所含CpG岛中的5-mC会阻碍转录因子复合体与DNA的结合，所以DNA甲基化一般与基因沉默(genesilence)相关联。而非甲基化(non-methylated)一般与基因的活化(geneactivation)相关联。而去甲基化(demethylation)往往与一个沉默基因的重新激活(reactivation)相关联。DNA甲基化抑制基因转录的机制基因启动子区的甲基化可影响转录激活因子和其识别序列的结合，直接抑制基因表达。甲基化的CpG双核苷酸序列可被甲基结合蛋白家族(MBD)识别，而后者通过吸引组蛋白去乙酰化酶(HDAC)和组蛋白甲基化转移酶(HMT)等组蛋白修饰蛋白来改变染色质活性（染色质重塑），间接影响基因表达。PreventthebindingoftranscriptionfactorsTF直接抑制机制间接机制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MeCP2Modelformethylation-dependentgenesilencing.Thestructuralelementofchromatinisthenucleosomalcore,whichconsistsofa146-bpDNAsequencewrappedaroundcorehistones.Acetylationofthehistonescausesanopenchromatinconfig-urationthatisassociatedwithtranscriptionalactivity.Methylatedcytosinesarerecognizedbymethyl-CpG-bindingproteins(MBDs),whichinturnrecruithistonedeacetylases(HDACs)tothesiteofmethylation,convert-ingthechromatinintoaclosedstructurethatcannolongerbeaccessedbythetranscriptionalmachinery.影响DNA甲基化的因素1.DNA甲基化转移酶(DNAMethyltransferase,DNMT)2.组蛋白甲基化3.饮食等环境因素对DNA甲基化的影响4.RNA干扰与DNA甲基化1、DNA甲基化转移酶DNMT1作为DNA复制复合物的组分，催化子链DNA半甲基化位点甲基化，维持复制过程中甲基化位点的遗传稳定性。DNMT3a和DNMT3b主要催化从头甲基化，以非甲基化DNA为模板催化新的甲基化位点形成。CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3MaintenanceDNAmethyltransferaseDNAreplicationCH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3DenovomethyltransferaseDemethylaseCH3CH(DNMT1)DNAmethylationreactions2、组蛋白甲基化在哺乳动物细胞中，甲基化的CpG结合蛋白MeCP2不仅能促进组蛋白去乙酰化，抑制基因沉默；同时它还是DNA甲基化和组蛋白甲基化的桥梁。MeCP2可结合于H19基因启动子区甲基化DNA，并影响组蛋白H3甲基转移酶的活性，促使组蛋白H3的赖氨酸甲基化，后者与DNA甲基化一起对H19基因的表达起抑制作用。3、饮食等环境因素叶酸是生成SAM的前体物质，而SAM是胞嘧啶甲基化主要的甲基供体，叶酸摄入不足时可导致DNA低甲基化。荷兰的一项队列研究表明，叶酸摄入过低可导致甲基化状态紊乱，这种变化可被过量饮酒加剧。4、RNA干扰与DNA甲基化在人类细胞中，特异的siRNA可以结合于E-cadherin启动子区的CpG岛，诱导DNA甲基化和组蛋白H3K9甲基化。对植物研究发现miRNA可诱导PHB基因甲基化及染色质重塑。DNA甲基化的生物学意义调控基因表达,在胚胎发育、细胞生长分化，衰老，疾病等方面发挥重要作用。维持染色体结构X染色体失活基因印记肿瘤发生发展DNA甲基化的检测方法1.甲基化敏感的限制性内切酶法2.基于重亚硫酸氢盐修饰的方法3.基于甲基化DNA特异结合富集方法每种策略和方法中又衍生出不同的检测手段，包括PCR、等位特异PCR、实时定量PCR、基因测序、DHPLC和基因芯片等。重亚硫酸氢盐修饰法分析甲基化甲基化特异性PCR限制性内切酶法甲基化敏感性单链构象分析尤其值得一提的是，甲基化型分析可能发展为理想的检测或诊断对象有两大优势。第一，甲基化型既能反映有关基因功能状态及与此相连的多种疾病相关的丰富信息，又具有简单的“二元化”性质，即令甲基化为“0”，非甲基化为“1”，就可以进行数字化处理，便于开展大规模和自动化监测分析。第二，DNA分子十分稳定，有可能将它和DNA的SNP分析等置于同一个技术平台。同时它又比RNA和蛋白质更便于保存和运输，并可对已经石蜡、甲醛或乙醇预处理的样本进行分析，可以开发历史上贮备的大量病理学资源。组蛋白修饰DNA序列缠绕在核心组蛋白的八聚体上形成核小体染色质蛋白并非只是一种包装蛋白，而是在DNA和细胞其他组分之间构筑了一个动态的功能界面。组蛋白质修饰的功能基团AcetylMethylPhosphorylUbiquitin一、组蛋白的乙酰化二、组蛋白的甲基化三、组蛋白的磷酸化四、组蛋白的泛素化五、组蛋白的SUMO化六、组蛋白密码小泛素相关修饰物(smallubiquitinrelatedmodifier,SUMO）组蛋白的共价修饰组蛋白的乙酰化1.通常发生在组蛋白H3和H4的N端尾部比较保守的赖氨酸(K)上；2.可逆的生化反应：A.组蛋白乙酰化酶Histoneacetyltransferase，HAT(30)B.组蛋白去乙酰化酶Histonedeacetylase,HDAC(18)3.分子效应：中和赖氨酸上的正电荷，增加组蛋白与DNA的排斥力4.生物学功能：A.基因转录活化B.DNA损伤修复组蛋白乙酰化调控基因转录机制HAT将乙酰辅酶A的乙酰基转移到组蛋白赖氨酸残基上，可中和组蛋白正电荷,削弱组蛋白与DNA磷酸骨架之间的亲和力，导致核小体结构不稳定和解离,并抑制核小体聚集形成高级结构，从而使染色体结构松散，有利于转录因子、RNA多聚酶和基本转录复合体进入，与其相应的DNA位点结合，促进转录。相反，HDAC可移去乙酰基使组蛋白去乙酰化，稳定核小体结构，诱导核小体聚集，形成更高级的染色体结构，并抑制基本转录复合体组装，从而抑制转录。组蛋白的甲基化1.主要发生在赖氨酸(K)或精氨酸(R)上；2.Long-term；3.HKMTs(histonelysinemethyltransferases)vs.PRMTs(proteinargininemethyltransferases)4.可逆的生化反应?5.分子效应：增加赖氨酸上的疏水力6.生物学功能：A.基因转录活化B.基因转录沉默C.X染色体失活D.异染色质致密状态(heterochromatincompaction)迄今已知，在组蛋白H3中有5个赖氨酸（K4、K9、K27、K36、K79）和组蛋白H4中的1个赖氨酸（K20）可被特异的组蛋白赖氨酸甲基转移酶甲基化。组蛋白乙酰化、甲基化以及DNA甲基化的关系A.MBD结合甲基化的DNA,招募HDAC,组蛋白去乙酰化,招募HMT,甲基化组蛋白,转录沉默；B.组蛋白无乙酰化修饰,MBD结合甲基化的DNA,再与SET结合，甲基化组蛋白C.甲基化的组蛋白尾部招募DNMT，对基因长期沉默染色质重塑－－异染色质形成AC转录PolIIHMTACACACACACACMMMMMBDMBDMBDMBD甲基化酶甲基化酶HDACHDACHDACHDACHMHMTHMT疏松开放致密封闭MBD:methyl-Cbindingprotein，甲基C结合蛋白HDAC:histonedeact