表观遗传

表观遗传学概述（epigenetics）GregorMendel(1822-1884）遗传学之父(Thegeneticfactors)，发现了遗传学基本规律（Publishedin1865and1866and“re-discovered”in1900）。遗传简史：遗传简史：ThomasHuntMorgan(1866-1945)发现基因连锁互换定律（Publishedin1915）。Discoveredthe3rdbasicgeneticlaw,togetherwithMendel’stwolaws,theyformthebasisofwhatisnowknownasclassicalgenetics.遗传简史：JamesWatson&FrancisCrick发现DNA双螺旋结构（Publishedin1953)，分子遗传学诞生。中心法则（centraldogma）碱基序列（基因）决定性状，序列改变，引起性状的改变。BUT…“Someauthorsusetheterm“variation”inatechnicalsense,asimplyingaodificationdirectlyduetothephysicalconditionsoflife;and“variations”inthissensearesupposednottobeinherited;butwhocansaythatthedwarfedconditionofshellsinthebrackishwatersoftheBaltic,ordwarfedplantsonAlpinesummits,orthethickerfurofananimalfromfarnorthwards,wouldnotinsomecasesbeinheritedforatleastafewgenerations(Darwin,1859)?”Lamarckwasthefirstmanwhoseconclusionsonthesubjectexcitedmuchattention.Thisjustlycelebratednaturalistfirstpublishedhisviewsin1801...hefirstdidtheeminentserviceofarousingattentiontotheprobabilityofallchangesintheorganic,aswellasintheinorganicworld,beingtheresultoflaw,andnotofmiraculousinterposition.（Darwin,1861）从遗传学的角度来看，同卵双生的孪生子具有完全相同的基因组。如果这两个孪生子在同样的环境下成长，从逻辑上说，俩人的气质和体质应该非常相似。但研究者发现，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。现在科学家们发现。可以在不影响DNA序列的情况下改变基因组的修饰．这种改变不仅可以影响个体的发育，而且还可以遗传下去。在“基因决定论”的背后．隐藏着一个重要的．长期以来争执不休的问题：环境的作用能否改变个体的遗传特性，并传递给下一代?这种被称为“拉马克学说”(Lamarckism)的观点一直被正统的生物学家拒之门外．但现实的生命世界又一次次地把这个话题送到研究者的视线内。瑞典一个科学家小组曾在2002年11月发表了一项研究，他们的统计结果表明，对于生于1890-1920年的瑞典男人的孙辈而言，如果其祖父在青少年期间吃得很好，那么孙辈因糖尿病而死亡的概率就很高；如果其祖父是在饥饿中长大的．那么孙辈死于心脏病的机会就很少。也就是说，祖父辈的饮食状态影响到了孙辈的健康状态。从这个例子可以得到这样一种结论：个体在发育和生长过程中获得的环境影响．被遗传给了后代。从这里可以引申出一个更根本的问题：什么决定基因。大自然(环境)如此丰富多彩、如此变化不停，很难想象，对于一个开放的复杂生命系统，不会打上它的烙印。也许这是一个“先有鸡还是先有蛋”的进化论问题，但不论怎样，基因不会代表一切，更不能决定一切Jean-BaptisteLamarck(1744-1829)获得性遗传（Inheritanceofacquiredcharacteristics）Science7April2000:Vol.288.no.5463,p.38WasLamarckJustaLittleBitRight?MichaelBalterAlthoughJean-BaptisteLamarckisrememberedmostlyforthediscreditedtheorythatacquiredtraitscanbepasseddowntooffspring,newfindingsinthefieldofepigenetics,thestudyofchangesingeneticexpressionthatarenotlinkedtoalterationsinDNAsequences,arereturninghisnametothescientificliterature.AlthoughthesenewfindingsdonotsupportLamarck'soverallconcept,theyraisethepossibilitythatepimutations,astheyarecalled,couldplayaroleinevolution.2020年9月21日102020年9月21日10发展历史2000多年前，古希腊哲学家亚里士多德在《OntheGenerationofAnimals》一书中首先提出后生理论（thetheoryofepigenesis），它相对于先成论，新器官的发育由未分化的团块逐渐形成的。2020年9月21日112020年9月21日11发展历史1939年，生物学家WaddingtonCH首先在《现代遗传学导论》中提出了epigenetics这一术语，并于1942年定义表观遗传学为“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”。2020年9月21日122020年9月21日12发展历史1975年，HollidyR对表观遗传学进行了较为准确的描述。他认为表观遗传学不仅在发育过程，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。近年来，现代分子生物学认为细胞中信息的表达受两种因素控制：一种是遗传调控，另一种是表观遗传调控。2003年10月正式宣布开始投资和实施人类表观基因组计划（HGP）。2020年9月21日14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所谓表观遗传就是不基于DNA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9月21日142020年9月21日15概述DefinitionofEpigeneticsAnychangesingeneexpressionresultingfromeitheraDNAandchromatinmodificationorresultingfromapostpost-transcriptionalmechanism.However,itdoesnotreflectadifferenceintheDNAcode。Aunifyingdefinitionofepigenetics:(AdrianBird,nature,2007)thestructuraladaptationofchromosomalregionssoastoregister,signalorperpetuatealteredactivitystates.Thisdefinitionisinclusiveofchromosomalmarks,becausetransientmodificationsassociatedwithbothDNArepairorcell-cyclephasesandstablechangesmaintainedacrossmultiplecellgenerationsqualify.2020年9月21日152020年9月21日16概述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9月21日162020年9月21日17概述2020年9月21日172020年9月21日18概述2020年9月21日18遗传与表观遗传2020年9月21日19概述2020年9月21日19真核生物全部遗传信息遗传密码组蛋白密码？密码基因组DNA序列组蛋白氨基端修饰？2020年9月21日20概述2020年9月21日20DNA与染色质2020年9月21日21概述2020年9月21日相同的基因型不同的表现型基因表达模式212020年9月21日22概述基因表达模式决定细胞类型的不是基因本身，而是基因表达模式，通过细胞分裂来传递和稳定地维持具有组织和细胞特异性的基因表达模式对于整个机体的结构和功能协调是至关重要的。基因表达模式在细胞世代之间的可遗传性并不依赖细胞内DNA的序列信息。基因表达模式有表观遗传修饰决定。2020年9月21日23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基因印记组蛋白共价修饰染色质重塑2020年9月21日23Quiz,J.nature.20062020年9月21日252020年9月21日表观遗传学机制DNA甲基化125组蛋白修饰2染色质重塑3RNA调控4DNA甲基化12020年9月21日26一、DNA甲基化2020年9月21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26S-腺苷甲硫氨酸以基因型为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。结果实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。2020年9月21日28一、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9月21日28Mo