时光第一讲表观遗传学.ppt

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1、表观遗传学概论,时光,第一讲,VS,人和小鼠基因组比较,1985年，人类基因组计划2000年6月26日，参加人类基因组工程项目的美国、英国、法兰西共和国、德意志联邦共和国、日本和中国的6国科学家共同宣布，人类基因组草图的绘制工作已经完成。2000年完成小鼠基因组草图的绘制。,VS,（1）小鼠和人类基因组之间有85%到90%的遗传基因完全相同（2）人类和小鼠都有大约30000条基因，其中约有80%的基因是“完全一样的”。（3）人和小鼠鼠大约共享有99%的类似基因,人和小鼠基因组比较,双胞胎,性格长相,表观遗传学研究历史,表观遗传学,表观遗传学从现象到领域：染色体重排,1930年 H.J.Mull

2、er 提出位置花斑现象（果蝇）1965年 McClintick提出转座子（玉米）染色质以正常剂量存在，排列异常，表型结果不同。,个体体细胞DNA是相同的,1953年 Watson和Crick解析DNA结构。1970年 Laskey和Gurdon爪蟾实验：早期胚胎细胞的核移植入去核的卵母细胞可以使其发育成胚胎。,发育的进程以及体细胞所有组成成分表达的特异基因受控于某些信号，而这些信号并非来自生殖细胞DNA序列的缺失或突变,孟德尔遗传定律无法解释的现象,表型特征差异（豌豆颜色）是由于DNA序列突变导致的等位基因的差别造成的。简而言之，突变是定义表型特点的基础，而表型特点又有助于界定物种之间的界限。

3、非孟德尔定律定律的继承性（胚胎生长的异质性、皮肤嵌合颜色、X染色体随机失活），DNA序列并未发生改变，只是两个等位基因只有一个表达。,有悖于“中心法则”,1957年F.H.C.克里克最初提出的中心法则是：DNARNA蛋白质。1970年H.M.特明和D.巴尔的摩提出RNA逆转录DNA，完善“中心法则”。,中心法则否认从蛋白质到DNA的反馈过程。如朊粒有悖于中心法则,表观遗传学现象得出结论,非DNA突变引起的可继承的表型变化。表型变化是“开关型”的。例子：噬菌体在裂解型和溶原型间的转变；大肠杆菌的菌毛形态转变；果蝇的位置花斑现象；X染色体失活。,遗传学与表观遗传学,DNA和染色质,“你可以继承DN

4、A序列之外的一些东西，这正是现代遗传学中让我们激动的地方”（Watson 2003）,经典遗传学与现代遗传学区别,表观遗传学是在研究与经典孟德尔定律不相符的许多遗传现象过程中逐步发展起来的。不依赖于DNA序列差异的核继承性。细胞核内等位基因的选择性调控。同卵双生外部表型差别；环境、饮食等外部因素。表观遗传信息对正常发育的贡献？,DNA甲基化的发现,染色体印记和X染色体失活为表观遗传机理研究提供了早期模型。1975年Riggs、Holliday和Pugh提出DNA甲基化作为表观遗传学标志。DNA甲基化在基因沉默中的作用。等位基因发现果蝇位置花斑现象：DNA甲基化水平很低，暗示还有一种表观遗传机制

5、存在。,染色质的研究历史,真核生物细胞核中结合于DNA上的蛋白质，尤其是组蛋白可能参与了DNA修饰。染色质作为转录模板的功能：体外系统加入RNA聚合酶转录产物。组蛋白解离转录必需。组蛋白乙酰化、甲基化和磷酸化发现。1974年染色质单体-核小体结构。1997年Luger核小体晶体结构：组蛋白N端尾巴调控基因表达调控以及沉默染色质。1996年Allis发现首个乙酰化酶Gcn5：组蛋白乙酰化与基因表达调控联系在一起。,染色质的高级结构,分为常染色质和异染色质。常染色质是松散的染色质，既可以是转录处于活跃状态，也可以是转录非活跃状态。异染色质是高度致密和沉默的染色质，分为组成型异染色质（永久沉默的染色

6、质）和兼性异染色质（特殊细胞时期或发育阶段沉默）。染色质是高度动态的大分子结构，接收信号倾向于重塑或重建。,DNA is highly compacted into chromatin,DNA is highly compacted into chromatinThe nucleosome is the fundamental subunit of chromatin,Nucleosome,Nucleosome=a nucleosome core particle+linker DNA+a linker histoneNucleosome core particle=histone octam

7、er+147 bp DNA,1974年染色质单体-核小体结构1997年Luger核小体晶体结构：组蛋白N端尾巴调控基因表达调控以及沉默染色质。,染色质模板的转换（顺式/反式）,常染色质与异染色质差别,组蛋白修饰和组蛋白密码,核小体重塑因子,1994年证明Gal4-VP16能够以ATP依赖的方式从重组的染色质模板激活转录，激活伴随核小体重新定位。ATP依赖性核小体重塑复合物SWI/SNF和NURF。组蛋白修饰和核小体重塑复合体二者是染色质模板转录所必需的。,核小体动态分布,Chromatin Remodeling Enzyme SWI/SNF,SWI/SNF,BRG1,a component o

8、f the SWI-SNF complex,is mutated in multiple human tumor cell linesLoss of Brg1 in mice results in early embryonic lethality,and recent studies have implicated a role for Brg1 in somatic stem cell self-renewal and differentiation.,所有机制是相互关联的,表观遗传调控的复杂性动态性可遗传性物种差异性影响因素的复杂性,表观遗传学,表观遗传（epigenetics）是指一组

9、不改变基因型而可决定细胞表现型的遗传机制与现象。其研究的内容是基因序列不发生改变的可遗传变化，这种可遗传改变调控基因表达的变化，是基因表达转录调控的另一种方式。表观遗传的主要机制包括组蛋白修饰、染色质重塑、DNA甲基化、组蛋白变异、基因印记及RNA干扰等.,表观遗传学研究主要内容,(1)表观遗传信息建立和维持的机制及其间的相互作用；(2)干细胞维持自我更新的同时及其分化潜能的表观遗传学编程机制；（细胞身份和干细胞可塑性）(3)重大疾病肿瘤、再生衰老、代谢性疾病乃至精神性疾病发病的表观遗传学机制。“后基因组时代”,表观遗传学概述,组蛋白修饰和组蛋白变异体DNA甲基化染色质重塑基因印记非编码RNA

10、,一、组蛋白修饰和组蛋白变异体,Nucleosome with histone posttranslational modifications,Multiple modifications and enormous potential combinations,How Histone Modifications work?,Affect the nucleosome structureAffect higher order chromatin structureAffect other histone modificationsHistone code-allow or prevent bin

11、ding of specific histone binding or effector proteins,组蛋白乙酰化,Histone acetylation and deacetylation mechanism,乙酰化酶系统,HAT（GNAT Family；MYST；P300/CBP；SRC）HDAC（Class I/II/III）HDAC1-10蛋白复合体（RbAp48，NuRD）In HDAC1 knockout(KO)mice,mice were found to die during embryogenesis.HDACs 1 and 3 have been found to m

12、ediate Rb-RbAp48 interactions which suggests that it functions in cell cycle progression.,H3(aa1-21),-,CHD3/CHD4,MTA 1/2/3,P66/68,HDAC 1/2,Rbap 48/46,MBD3,NuRD Complex:nuclesome remodeling and deacetylation complex,NuRD is also associated with active genes,suggesting a versatile use of NuRD intransc

13、riptional regulation.,组蛋白甲基化,组蛋白甲基化,位点（赖氨酸和精氨酸）甲基化转移酶去甲基化酶甲基化识别蛋白,Methylation,组蛋白甲基化酶,组蛋白甲基转移酶（Histone methyltransferase，简称为HMT）是包括组蛋白-赖氨酸N-甲基转移酶与组蛋白-精氨酸N-甲基转移酶在内的是一大类组蛋白修饰酶类，它们催化将一个、两个或三个甲基转移到组蛋白的赖氨酸或精氨酸残基上。被添加上的甲基基团主要位于组蛋白H3和H4特定赖氨酸或精氨酸上。,Histone amino-terminal modifications influence chromatin st

14、ructure and function,第一个组蛋白赖氨酸甲基化酶的发现过程,位置花斑效应（PEV）:果蝇复眼颜色和形状；玉米颜色,adjacent cysteine-rich regions,human EZH2 human HRX proteins,第一个组蛋白赖氨酸甲基化酶的发现过程,Stephen Rea et al.Science.2000,SET domain core:NHSC and GE(x)5YTwo conserved motifs may be of particular functional importance.,Alignment,Histone code,St

15、ephen Rea et al.Science.2000,组蛋白赖氨酸甲基化位点,赖氨酸特异性组蛋白甲基转移酶类可被细分为含SET结构域的和不含SET结构域的两类。人类基因所编码的具有组蛋白甲基转移酶活性的蛋白质包括：ASH1LDOT1LEHMT1、EHMT2、EZH1、EZH2MLL、MLL2、MLL3、MLL4、MLL5NSD1PRDM2SET、SETBP1、SETD1A、SETD1B、SETD2、SETD3、SETD4、SETD5、SETD6、SETD7、SETD8、SETD9、SETDB1、SETDB2SETMAR、SMYD1、SMYD2、SMYD3、SMYD4、SMYD5、SUV39

16、H1、SUV39H2、SUV420H1、SUV420H2,组蛋白赖氨酸甲基化酶,组蛋白赖氨酸甲基化酶,组蛋白赖氨酸去甲基化酶的发现,氨基酸氧化酶（LSD1）：催化一甲基和二甲基化的H3K4/9去甲基化，需要FAD（flavin adenine dinucleotide）协助完成。Jumonji结构域蛋白家族（JMJD），催化底物多样，需要Fe2+和-酮戊二酸的参与。Jmjc结构域为去甲基化酶活性结构域。,Jmjc家族蛋白亚家族,组蛋白赖氨酸去甲基化酶,组蛋白精氨酸甲基转移酶（PRMTs）,组蛋白精氨酸去甲基化酶,Histone Modification Binding Proteins,His

17、tone tail Pull Down,Methyl-lysine binding effector proteins,染色质的协同修饰,组蛋白突变体,所有生物DNA都被结构性蛋白所包装,真核生物核心组蛋白由古细菌组蛋白进化而来,大多数组蛋白在DNA复制后被置入,旧核小体：暗色新核小体：淡色,组蛋白变体的置入发生在整个细胞周期,着丝粒被特定H3变体标记,置换性组蛋白H3.3存在于活跃的染色质区域,H2AX的磷酸化在DNA断裂修复中具有功能,H2A突变体,H2AZ普遍存在，占H2A的10%，H2A在核小体表面呈现酸性区域，给染色体带来独特的物理属性。作用于转录调控。maroH2A参与X染色体失活

18、。,二、DNA甲基化,DNA甲基化,1975年DNA甲基化化发现哺乳细胞中胞嘧啶甲基化主要发生在CpG二核苷酸上DNA甲基化酶家族：1988年发现dnmt1卫星DNA，转座子，重复原件，非重复基因间DNA和外显子都是高甲基化的序列,DNA从头甲基化和维持甲基化,DNA甲基化转移酶,DNA甲基化转移酶的功能,DNA甲基化调控基因表达,转录因子结合的干扰甲基化CpG结合蛋白的吸引,RNA去甲基化酶,DNA去甲基化酶,A complete pathway for dynamic modifications of C,DNA methylation dynamics in pre-implantati

19、on embryos and primordial germ cells.,三、非编码RNA,不同生物基因组组成分布图,44%重复序列52%非编码序列4%编码序列,哺乳动物,进化防御机制：防止转录单元出现转座子的插入,ncRNA,ncRNAs in translation(rRNA,tRNA)ncRNAs in RNA splicing（snoRNA）ncRNAs in gene regulation（shRNA,siRNA）ncRNAs and chromosome structure（terra）ncRNAs and disease,cancer（miRNA）,表观遗传与人类疾病,染色质相

20、关疾病的遗传和表观遗传机制,基因组印记紊乱表型,姐妹综合症15q11-q13上一个约5-6Mb区域的缺失，但表型却完全不同。,PWS缺失了父本来源的该区域，涉及的基因snoRNA及其它。AS缺失了母本来源的这一区域，涉及的基因是UBE3A。,反式作用于染色体结构紊乱,表观遗传与环境的相互作用,例子,同卵双生在出生早期具有相似的表观遗传型，但随后在5-甲基胞嘧啶和组蛋白乙酰化的分布和密度上产生了明显的不同。表观遗传型是亚稳态的并具时间多样性。环境因素和随机事件参与导致了表型多样性。食物和早期经历是决定性因素。（缺乏叶酸及B12；大鼠母亲经常舔舐梳理幼鼠导致幼鼠海马体内GR基因启动子甲基化升高，改变对于压力的反应）,染色质对于癌症的重要意义,基因表达状态以及染色质稳定性的改变胞嘧啶甲基化以及组蛋白修饰在癌细胞中呈异常分布,抑癌基因的高甲基化原癌基因的低甲基化,DNA甲基化与癌症,