表观遗传学课件(2016)

表观遗传学（epigenetics）Epigeneticdifferences：monozygotictwins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(epigenetics)1.概念基因的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。2.特征(1)可遗传(2)可逆性(3)DNA不变88遗传与表观遗传99基因组与表观基因组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。研究历史1987年,霍利德(Holliday)进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。表观遗传学研究“上代向下代传递的信息,可以通过有丝分裂或减数分裂而遗传下去的基因功能的改变，而不是DNA序列本身”,这是一种“不以DNA序列差别为基础的细胞核遗传”。•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。表观遗传学的研究内容基因选择性转录表达的调控DNA甲基化基因印记组蛋白共价修饰染色质重塑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14表观遗传学机制DNA甲基化114组蛋白修饰2染色质重塑3RNA调控4DNA甲基化1(Probstetal.NatRev2009)2020年4月26日16一、DNA甲基化2020年4月26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16S-腺苷甲硫氨酸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。基因调控模型1.DNA甲基化的主要功能：转录沉默(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)基因组印记、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DNA识别序列转变为阻抑物识别序列(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。19一、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。192020年4月26日20一、DNA甲基化2020年4月26日205’3’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，间接影响基因表达。直接干扰机制(1)直接干扰机制(2)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.•DNA甲基化状态的遗传和保持：DNA复制后，新合成链在DNMT1的作用下，以旧链为模板进行甲基化。（缺乏严格的精确性，95%）甲基化并非基因沉默的原因而是基因沉默的结果，其以某种机制识别沉默基因，后进行甲基化。DNA全新甲基化。引发因素可能包括：DNA本身的序列、成分和次级结构。RNA根据序列同源性可能靶定的区域。特定染色质蛋白、组蛋白修饰或相当有序的染色质结构。2020年4月26日28•DNA去甲基化主动去甲基化复制相关的去甲基化在复制过程中维持甲基化酶活性被关闭或维持甲基化酶活性被抵制。一、DNA甲基化2020年4月26日28DNA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。•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Arg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（如ADP的核糖基化）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。主要的功能基团•Acetyl•Methyl•Phosphoryl•Ubiquitin组蛋白的共价修饰组蛋白修饰组蛋白修饰(2)组蛋白的乙酰化•1.通常发生在蛋白质的赖氨酸(K)上；•2.可逆的生化反应：–A.Histoneacetyltransferase，HAT(30)–B.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)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，对基因长期沉默组蛋白的SUMO化•1.通常发生在赖氨酸(K)上；•2.可逆的生化反应：–A.E1,E2,&E3–B.SENPs•3.生物学功能：–A.转录沉默–B.抑制组蛋白的乙酰化和甲基化组蛋白共价修饰的功能•基因转录、DNA损伤修复、DNA复制、染色体凝聚等组蛋白修饰的检测方法1.免疫染色2.染色质免疫共沉淀3.质谱三、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。核小体•核小体定位是核小体在DNA上特异性定位的现象。•核小体核心DNA并不是随机的，其具备一定的定向特性。•核小体定位机制：内在定位机制：每个核小体被定位于特定的DNA片断。外在定位机制：内在定位结束后，核小体以确定的长度特性重复出现。•核小体定位的意义：核小体定位是DNA正确包装的条件。核小体定位影响染色质功能。染色质重塑•染色质(Chromatin):染色体上高度致密的部分，通常不表达基因常染色质与异染色质•1.常染色质：基因表达活跃的区域，染色体结构较为疏松•2.异染色质：基因表达沉默的区域，染色体结构致密核小体常染色质异染色质染色体上不同的区域•Euchromatin:常染色质；•Heterochromatin:异染色质•E-H或H-称为染色质重塑(ChromatinRemodeling)•分子机理：DNA甲基化，组蛋白修饰，染色质重塑复合物的协同作用。染色质重塑的假设步骤•1.两类酶调控染色质重塑的过程：组蛋白修饰因子(histonemodifiers)以及ATP依赖的染色质重塑因子(chromatinremodelers)•2.组蛋白修饰因子并不改变核小体的位置，而是在DNA上作标记，以招募其他的活性成分(组蛋白密码)•3.染色质重塑因子：水解ATP释放能量，从而改变染色质的结构•4.染色质重塑因子复合物Ch11openerp447染色质重塑因子核小体染色质重塑因子与核小体的相互作用组蛋白的乙酰转移酶