表观遗传学-Epigenetics课件.ppt

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1、表观遗传学,Epigenetics,闵,捷,21014007,概,念,?,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。,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

2、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。,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,表观遗传学机制,?,DNA,甲基化,?,组蛋白修饰,?,染色质重塑,?,RNA,调控,?,其他表观遗传机制,?,遗传印记,?,X,染色体失活,一、,DNA,甲基化,DNMT1,SAM,胞嘧啶,5

3、-,甲基胞嘧啶,胞嘧啶甲基化反应,S-,腺苷甲硫氨酸,DNA,甲基化,(DNA methylation),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),。,?,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,(CpG islands),，其大小为,5

4、00-1000bp,，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。,5,3,?,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

5、默相关联。,Rb,基因,CpG,频,率,?,DNA,甲基化的转录抑制机制：,（,1,）,直接干扰特异转录因子与各自启动子结合的识别位,置。,DNA,的大沟是许多蛋白因子与,DNA,结合的部位,，胞嘧啶的甲基化干扰转录因子与,DNA,的结合。,（,2,）,转录抑制复合物干扰基因转录。,甲基化,DNA,结合蛋,白与启动子区内的甲基化,CpG,岛结合，再与其他一些,蛋白共同形成转录抑制复合物（,TRC,），阻止转录因,子与启动子区靶序列的结合，从而影响基因的转录。,（,3,）,通过改变染色质结构而抑制基因表达。,染色质构型,变化伴随着组氨酸的乙酰化和去乙酰化，许多乙酰化,和去乙酰化本身就分别是转录增

6、强子和转录阻遏物蛋,白。,?,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,。,?,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。,复,制,

7、相,关,的,DNA,去,甲,基,化,DNA,甲基化状态的保持,DNA,主动去甲基化,DNA,全新甲基化,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,、

8、,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）,Bryan M.Turner,nature cell biology,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（,histone code,），遗传密码的表,观遗

9、传学延伸，决定了基因表达调控的状态，并且,可遗传。,三、染色质重塑,?,染色质重塑（,chromatin remodeling,）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

10、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。,?,重塑因子调节基因表达机制的假设有两种,:,?,机制,1,：一个转录因子独立地与核小体,DNA,结合,(DNA,可以是核小体或核小体之间的,),然后,这,个转录因子再结合一个重塑因子,导致附近核小,体结构发生稳定性的变化,又导致其他转录因子,的结合,这是一个串联反应的过程,;,（重建）,?,机制,2,：由重塑因子首先独立地与核小体结合,不改变其结构,但使其松动并发生滑动,这将导,致转录因子的结合,从而使新形成的无核小体的,区域稳定。,（滑动）,染色质修

11、饰与重塑（共价修饰型与,ATP,依赖型）,（,A,）结合,（,B,）松链,（,C,）重塑,八聚体转移,八聚体滑动,+ATP,重塑,复合物,ATP,依,赖,的,染,色,质,重,构,机,制,?,边界子,(boundary elements),：相邻基因,间的物理隔离元件。也可称为隔离子,(,insulator elements),。,?,边界子和隔离子的隔离功能,：,?,封阻末梢增强子对启动子的作用。,?,防止染色质位置效应（,CPE,）。,?,由边界子所确定的染色质片断是基因组调,节的基本单位，其构成染色质的功能与或,区室，这即是染色质区室化。,四、,RNA,调控,?,1995,，,RNAi,现

12、象首次在线虫中发现。,?,1998,，,RNAi,概念的首次提出。,?,1999,，,RNAi,作用机制模型的提出。在线虫、果,蝇、拟南芥及斑马鱼等多种生物内发现,RNAi,现象,。,?,2001,，,RNAi,技术成功诱导培养的哺乳动物细胞,基因沉默现象。,RNAi,技术被,Science,评为,2001,年度的十大科技进展之一。,?,至今，蓬勃发展，成为分子生物学领域最为热门,的方向之一,。,?,RNA,干扰（,RNAi,）作用是生物体内的一种,通过双链,RNA,分子在,mRNA,水平上诱导特,异性序列基因沉默的过程。,?,由于,RNAi,发生在转录后水平，所以又称为,转录后基因沉默（,p

13、ost-transcriptional,gene silencing,PTGS,）。,?,RNA,干扰是一种重要而普遍表观遗传的现,象。,siRNA,?,siRNA,结构：,21-23nt,的双链结构，序列与,靶,mRNA,有同源性，双链两端各有,2,个突出,非配对的,3,碱基。,?,siRNA,功能：是,RNAi,作用的重要组分，是,RNAi,发生的中介分子。内源性,siRNA,是细,胞能够抵御转座子、转基因和病毒的侵略,。,siRNA,介导的,RNAi,?,siRNAi,的特点：,?,高效性和浓度依赖性,?,特异性,?,位置效应,?,时间效应,?,细胞间,RNAi,的可传播性,?,多基因参

14、与及,ATP,依赖性,miRNA,?,结构：,21-25nt,长的单链小分子,RNA,，,5,端有一个磷,酸基团，,3,端为羟基，由具有发夹结构的约,70-90,个,碱基大小的单链,RNA,前体经过,Dicer,酶加工后生成。,?,特点：具有高度的保守性、时序性和组织特异性,。,?,功能：,siRNA,介导的,RNAi,相同点,/,联系点,siRNA,miRNA,长度及特征,都约在,22nt,左右，5端是磷酸基，,3,端是羟基,合成的底物,miRNA,和,siRNA,合成都是由双链的,RNA,或,RNA,前体形成的,Dicer,酶,依赖,Dicer,酶的加工，是,Dicer,的产物，所以具有,

15、Dicer,产物,的特点,Argonaute,家族蛋白,都需要,Argonaute,家族蛋白参与,RISC,组分,二者都是,RISC,组分，所以其功能界限变得不清晰，如二者,在介导沉默机制上有重叠；产生了,on target,和,off target,的问题,作用方式,都可以阻遏靶标基因的翻译，也可以导致,mRNA,降解，即在,转录水平后和翻译水平起作用,进化关系,可能的两种推论：,siRNA,是,miRNA,的补充，,miRNA,在进化过程,中替代了,siRNA,不同点,/,分歧点,siRNA,miRNA,机制性质,往往是外源引起的，如病毒感染,和人工插入,dsRNA,之后诱导而,产生，属于

16、异常情况,是生物体自身的一套正常的调控机制,直接来源,长链,dsRNA,发夹状,pre-miRNA,分子结构,siRNA,是双链,RNA,，,3,端有,2,个非配,对碱基，通常为,UU,miRNA,是单链,RNA,对靶,RNA,特异性,较高，一个突变容易引起,RNAi,沉,默效应的改变,相对较低，一个突变不影响,miRNA,的效应,作用方式,RNAi,途径,miRNA,途径,生物合成，成熟过程,由,dsDNA,在,Dicer,酶切割下产生,;,发,生在细胞质中,pri-miRNA,在核内由一种称为,Drosha,酶处,理后成为,60nt,的带有茎环结构的,Precursor miRNAs(pr

17、e-miRNAs),；,这些,pre-miRNAs,在转运到细胞核外之,后再由,Dicer,酶进行处理，酶切后成,为成熟的,miRNAs,；发生在细胞核和细,胞质中,Argonaute(AGO),蛋白质,各有不同的,AGO,蛋白质,各有不同的,AGO,蛋白质,互补性（,complementarity,）,一般要求完全互补,不完全互补，存在错配现象,RISCs,的分子量不同,(Martinez,and Tuschl,2004;,Martinez et al.,2002;,Nykanen et al.,2001;,Pham et al.,2004),siRISCs,miRISCs/miRNP,各自

18、的生物学功能不同,抵抗病毒的防御机制,(Pfeffer et al.,2004;Ding et al.,2004),；沉默,那些过分表达的,mRNA,；保护基因组,免受转座子的破坏,(Mello and,Conte,Jr.,2004;Hannon,2002;,Tabara et al.,1999)-9,；,对有机体的生长发育有重要作用,(Rhoades,et al.,2002),重要特性,高度特异性,高度的保守性、时序性和组织特异性,作用机制,单链的,siRNA,结合到,RISC,复合物中，引导,复合物与,mRNA,完全互补，通过其自身,的解旋酶活性，解开,siRNAs,，通过反,义,siRN

19、A,链识别目的,mRNA,片段，通过,内切酶活性切割目的片段，接着再通,过细胞外切酶进一步降解目的片段。,同时，,siRNA,也可以阻遏3UTR具有,短片断互补的,mRNA,的翻译（,off,target,）。,成熟的,miRNAs,则是通过与,miRNP,核蛋白体复,合物结合，识别靶,mRNA,，并与之发生,部分互补，从而阻遏靶,mRNA,的翻译。,在动物中，成熟的单链,miRNAs,与蛋白,质复合物,miRNP,结合，引导这种复合物,通过部分互补结合到,mRNA,的3UTR（,非编码区域），从而阻遏翻译。除此,之外，,miRNA,也可以切割完全互补的,mRNA,。,加工过程,siRNA,对

20、称地来源于双链,RNA,的前体的两侧,臂,miRNA,是不对称加工，,miRNA,仅是剪切,pre-,miRNA,的一个侧臂，其他部分降解。,对,RNA,的影响,降解目标,mRNA,；影响,mRNA,的稳定性,在,RNA,代谢的各个层面进行调控；与,mRNA,的,稳定性无关,作用位置,siRNA,可作用于,mRNA,的任何部位,miRNA,主要作用于靶标基因,3,-UTR,区,生物学意义,siRNA,不参与生物生长，是,RNAi,的产物，,原始作用是抑制转座子活性和病毒感,染,miRNA,主要在发育过程中起作用，调节内源,基因表达,不同点,/,分歧点,siRNA,miRNA,五、其他表观遗传机

21、制,?,除,DNA,甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑,、和,RNA,调控以外，还有遗传印迹、,X,染色,体失活、转座、负突变等。,?,遗传印迹、,X,染色体失活的本质仍为,DNA,甲,基化、组蛋白修饰、染色质重塑。,遗,传,印,迹,?,概念：,?,或称亲本印迹（,parent imprinting,）,?,是指基因组在传递遗传信息的过程中，通过基因组的,化学修饰（,DNA,的甲基化；组蛋白的甲基化、乙酰化、,磷酸化、泛素化等）而使基因或,DNA,片段被标识的过,程。,?,特点：,?,基因组印迹依靠单亲传递某种性状的遗传信息，被印,迹的基因会随着其来自父源或母源而表现不同，即源,自双亲的两个等位基

22、因中一个不表达或表达很弱。,?,不遵循孟德尔定律，是一种典型的非孟德尔遗传，正,反交结果不同。,正,交,Igf-2,Igf-2,Igf-2m,Igf-2m,Igf-2,Igf-2,Igf-2m,Igf-2m,反,交,正常小鼠,矮小型小鼠,矮小型小鼠,矮小型小鼠,正常小鼠,正常小鼠,Igf-2m,Igf-2,Igf-2,Igf-2m,?,由正反交实验可以看出：,?,印迹基因的正反交结果不一致、不符合孟德,尔定律。,?,小鼠,Igf-2,基因总是母本来源的等位基因被印,迹，父本来源的等位基因表达，因此是母本,印迹。,?,基因印迹使基因的表达受到抑制，导致被印,迹的基因的生物功能的丧失。,?,基因印

23、迹过程,?,印迹的形成,印迹形成于成熟配子，并持续到出生后。,?,印记的维持,?,印记的去除,印记的去除过程是发生在原始生殖细胞的早期阶段。,?,基因组印迹的机制,?,配子在形成过程中，,DNA,产生的甲基化、核组蛋白产,生的乙酰化、磷酸化和泛素化等修饰，使基因的表达,模式发生了改变。,X,染色体失活,?,1961,年,M.F.Lyon,就提出了关于雌性哺乳动物体细胞的两,条,X,染色体中会有一条发生随机失活的假说，并认为这是,一种基因剂量补偿的机制。以后的研究表明在给定的体细,胞有丝分裂谱系中，有一条,X,染色体是完全失活并呈异染,色质状态，而在另一个细胞谱系中同一条,X,染色体又可以,是活

24、化的且呈常染色质状态。,?,1996,年,G.D.Penny,等发现,X,染色体的,Xq13.3,区段有一个,X,失活中心,(X-inaction center,，,Xic),，,X-,失活从,Xic,区段开,始启动，然后扩展到整条染色体。,X,染,色,体,失,活,过,程,模,式,图,?,失活,X,染色体即为巴氏小体。,?,失活,X,染色体特点：,?,组蛋白,H4,不被乙酰化,?,CpG,岛的高度甲基化,巴氏小体,参考文献,1,张永彪,褚嘉祜,.,表观遗传学与人类基因组,.,科学,(,上海,),2007,59(3),34-37.,2,梁前进,表观遗传学,理论,方法,研究进展,(1).,生物学通,报,2007,42(10),4-7.,3,张丽丽,吴建新,.DNA,甲基化,-,肿瘤产生的一种表观遗传,学机制。遗传,HEREDITAS(Beijing),28(7),2006,800,805.,4,蒋智文,刘新光,周中军,.,组蛋白修饰调节机制的研究进展,.,生物化学与生物物理进展，,2009,36(10):1252-1259.,5,李文艺,表观遗传学及其研究进展,.,。,Journal of Anhui,Agri,Sci,2009,，,37(4),：,6358,6360.,谢谢！,