1、表觀(bio un)遺傳學教師(jiosh)：周小玲共五十八頁共五十八頁共五十八頁2022年7月14日4一、概 述表觀遺傳學研究不涉及DNA序列改變的基因表達和調控的可遺傳變化的，或者說是研究從基因演繹為表型的過程和機制的一門新興的遺傳學分支。表觀遺傳通過有絲分裂或減數分裂來傳遞非DNA序列信息的現象。所謂表觀遺傳就是不基于DNA序列差異的核酸遺傳。即細胞分裂過程中，DNA 序列不變的前提(qint)下，全基因組的基因表達調控所決定的表型遺傳，涉及染色質重編程、整體的基因表達調控（如隔離子，增強子，弱化子，DNA甲基化，組蛋白修飾等功能 ), 及基因型對表型的決定作用。2022年7月14日4共

2、五十八頁表觀遺傳修飾(xish)機制DNA甲基化和組蛋白修飾非編碼(bin m)小RNA分子調節基因組印跡基因表達的重新編程 x染色體失活共五十八頁拉馬克與長頸鹿用進廢退共五十八頁2022年7月14日72022年7月14日7發 展 歷 史1939年，Waddington C 首先在現代遺傳學導論中提出了epihenetics這一術語，1975年，Hollidy R 不僅在發育過程(guchng)，而且應在成體階段研究可遺傳的基因表達改變，這些信息能經過有絲分裂和減數分裂在細胞和個體世代間傳遞，而不借助于DNA序列的改變，也就是說表觀遺傳是非DNA序列差異的核遺傳。 2007Adrian Bir

3、d, (nature, A unifying definition of epigenetics）the structural adaptation of chromosomal regions so as to register, signal or perpetuate altered activity states. This definition is inclusive of chromosomal marks, because transient modifications associated with both DNA repair or cell-cycle phases a

4、nd stable changes maintained across multiple cell generations qualify共五十八頁2022年7月14日8特點(tdin)概括表觀遺傳學的特點：可遺傳(ychun)的，即這類改變通過有絲分裂或減數分裂，能在細胞或個體世代間遺傳(ychun)；可逆性的基因表達調節，也有較少的學者描述為基因活性或功能的改變；沒有DNA序列的改變或不能用DNA序列變化來解釋。2022年7月14日8共五十八頁人類(rnli)基因組計劃完成帶來的挑戰1. 100多個物種的基因組測序已經完成；2. 4,000個物種的基因組計劃正在進行；3. 比較基因組學：比

5、較多個物種的基因、蛋白質的序列來揭示功能的保守(boshu)性，并發現新的規律。共五十八頁DNA雙螺旋共五十八頁基因(jyn)的結構共五十八頁基因(jyn)：可遺傳1. 遺傳的基本功能單位2. 基因(jyn)由DNA編碼3. 一個基因編碼一條蛋白質4. 基因序列的改變可能導致功能及表型的改變基因型 (Genotype) - 表型 (Phenotype)共五十八頁基因(jyn)概念的延伸：生物體的復雜性1. 人類(rnli)基因組：22，000個基因 vs. 100,000個蛋白質可變剪切 (Alternative Splicing)2. 表觀遺傳學共五十八頁遺傳信息的傳遞(chund)：中心法

6、則1. DNA自身通過復制傳遞遺傳信息；2. DNA轉錄(zhun l)成RNA；3. RNA自身能夠復制 (RNA病毒)；4. RNA能夠逆轉錄成DNA；5. RNA翻譯成蛋白質。共五十八頁表觀(bio un)遺傳學1. 概念：基因的DNA序列不發生(fshng)改變的情況下，基因的表達水平與功能發生(fshng)改變，并產生可遺傳的表型。2. 特征: (1)可遺傳；(2) 可逆性；(3) DNA不變3. 表觀遺傳學修飾機制：(1) DNA甲基化和組蛋白修飾(2)非編碼小RNA分子調節(3)基因組印跡(4) 基因表達的重新編程 (5) x染色體失活共五十八頁遺傳信息1. 遺傳編碼信息：提供生

7、命必需蛋白質的模板2. 表觀(bio un)遺傳學信息：何時、何地、以何種方式去應用遺傳信息(1) DNA的甲基化：CpG位點，5,000萬個(2) 組蛋白修飾：組蛋白密碼 (Histone code)共五十八頁表觀(bio un)遺傳學的研究內容1. 基因選擇性轉錄(zhun l)表達的調控2. 基因轉錄后的調控3. 蛋白質的翻譯后修飾共五十八頁二、表觀遺傳(ychun)修飾機制(1) DNA甲基化和組蛋白修飾(2)非編碼小RNA分子調節(3)基因組印跡(4) 基因表達(biod)的重新編程 (5) x染色體失活共五十八頁2.1 DNA甲基化SAH, S-adenosylhomocystei

8、ne; SAM, S-adenosylmethionine共五十八頁甲基轉移酶（DNMTs） 的作用(zuyng)Dnmt1 的作用(zuyng)Dnmt3a Dnmt3b的作用共五十八頁DNA中5-mC的分布(fnb) 哺乳動物(brdngw)基因組DNA中5-mC約占胞嘧啶總量的2%-7%，絕大多數5-mC存在于CpG二聯核苷(CpG doublets)。 結構基因5端附近富含CpG二聯核苷的區域稱為CpG島(CpG islands)。 共五十八頁DNA去甲基化1） 被動途徑(tjng)： 由于核因子N F 粘附甲基化的DNA，使粘附點附近的DNA不能被完全甲基化，從而阻斷DNM T1 的

9、作用 2） 主動途徑： 是由去甲基酶（DNA demethylase) 的作用，將甲基基團移去的過程TET家族(TET1、TET2、TET3）的去甲基化功能TET（ten-eleven translocation）蛋白是生物體內存在的一種-酮戊二酸（-KG）和Fe2+依賴的雙加氧酶，在靠近C的一端擁有(yngyu)一個催化結構域，該結構域具 有 3個 金 屬 離 子（Fe2+）和1個-KG的結合位點，催化結構域前還有一 段 富 含 半 胱 氨 酸 區，TET蛋白可以催化5-甲基胞嘧啶（5-mC）轉化為5-羥甲基胞嘧啶（5-hmC），是DNA去甲基化過程中的一種重要的酶，對于維持干細胞的多能性有

10、重要作用。TET基因的突變可以引起多種腫瘤尤其是造血系統腫瘤。1共五十八頁TET介導的去甲基化途徑(tjng)和機制共五十八頁TET3 在合子表觀(bio un)遺傳重編程過程中起重要作用共五十八頁重編程過程(guchng)甲基化變化human ES cellsDifferentiated fibroblastsHuman iPS cellsHuman iPS cells共五十八頁DNA甲基化與癌癥(i zhn)的發生共五十八頁組蛋白修飾(xish) 組成核小體的組蛋白可以被多種化學加合物所修飾，如磷酸化、乙酰化和甲基化等，組蛋白的這類結構修飾可使染色質的構型發生改變，稱為染色質構型重塑。組蛋

11、白中不同氨基酸殘基的乙酰化一般與活化(huhu)的染色質構型常染色質(euchromatin)和有表達活性的基因相關聯；而組蛋白的甲基化則與濃縮的異染色質(hetero-chromatin)和表達受抑的基因相關聯。 共五十八頁ChromatidDNANucleosomeSolenoidSuper SolenoidChromosome7X6X40X5XTotal: 7 x 6 x 40 x 5=8400染色質重塑共五十八頁Model for methylation-dependent gene silencing. The structural element of chromatin is t

12、he nucleosomal core, which consists of a 146-bp DNA sequence wrapped around core histones. Acetylation of the histones causes an open chromatin config-uration that is associated with transcriptional activity. Methylated cytosines are recognized by methyl-CpG-binding proteins (MBDs), which in turn re

13、cruit histone deacetylases (HDACs) to the site of methylation, convert-ing the chromatin into a closed structure that can no longer be accessed by the transcriptional machinery.共五十八頁1.2 非編碼小RNA分子(fnz)的調節1. short interfering RNAs (siRNA)2. MicroRNA (miRNA)3. piwi-interacting RNA (piRNA)共五十八頁siRNAshor

14、t hairpin RNA (shRNA)RNA-induced silencing complex (RISC)共五十八頁Antisense共五十八頁2.3 基因(jyn)組印記Genomic Imprinting: 兩條染色體需要隨機(su j)沉默其一Beckwith-Wiedemann Syndrome: 1/15,000BWS：20%的致死率BWS: embryonic tumor共五十八頁共五十八頁(Prader-Willi Syndrome,PWS)1956年A.Prader 和H.Willi 父源染色體15q11-13區段(q dun)缺失Prader-Willi綜合征共五十八

15、頁Beckwith-Wiedemann SyndromeH19 and Igf2 are genes that are expressed from only the maternal or the paternal chromosome. H19 is expressed from the maternal chromosome only; Igf2 is expressed only from the paternal chromosome. The two genes share an enhancer region, located downstream of H19. The new

16、 papers1, 2, 3, 4 show that the ICR (imprinting-control region) of H19 is a boundary element, controlled by DNA methylation. The CTCF protein binds to the unmethylated maternal ICR. This prevents the promoters located in the Igf2 gene from interacting with the enhancers downstream of the H19 gene, r

17、esulting in transcriptional silencing of Igf2 . The paternal ICR is methylated (filled circles), preventing binding of CTCF. This allows the enhancers to contact the promoters of the paternal Igf2, allowing the gene to be transcribed. The paternal H19 gene is thought to be silenced by methylation. D

18、ifferentially methylated regions are also found in Igf2, but are not shown here. 共五十八頁Angelman綜合征 1968年H.Angelman 母源染色體15q11-13區段(q dun)缺失(Angelman Syndrome，AS)共五十八頁PWS和AS這一對綜合征表明(biomng)父親和母親的基因組在個體發育中有著不同的影響，這種現象被稱為基因組印跡(genomic imprinting)。 共五十八頁近年研究表明，基因組印跡是兩個親本等位基因的差異性甲基化型造成了一個親本等位基因的沉默(chnm)，另

19、一個親本等位基因保持單等位基因活性(monoallelic activity)。 共五十八頁 在父源和母源染色體上，這些調控元件的CpG島呈現(chngxin)甲基化型的明顯差異。 在PWS和AS患者中發現，微小染色體缺失集中的區域有成簇排列的富含CpG島的基因表達調控元件，稱為(chn wi)印跡中心(imprinting centers , ICs)。SNRPN的23個CpG二聯核苷父源非甲基化完全甲基化母源例如 差異甲基化(differential methylation)：父源和母源染色體上的ICs的甲基化呈現出分化狀態。共五十八頁 基因組印跡是性細胞系的一種表觀遺傳修飾，這種修飾有一

20、整套分布于染色體不同部位的印跡中心來協調，印跡中心直接介導了印跡標記的建立及其在發育全過程中的維持和傳遞，并導致(dozh)以親本來源特異性方式優先表達兩個親本等位基因中的一個，而使另一個沉默。研究表明，在哺乳動物中相當數量的印跡基因是與胎兒的生長發育和胎盤的功能密切相關的。 共五十八頁2.4 基因(jyn)表達重編程 已完全分化的細胞，其基因組在特定條件下經歷表觀遺傳修飾重建而為胚胎發育中的基因表達重新編程(reprogramming)并賦予發育全能性，為胚胎發育和分化發出正確的指令。胚胎發育中表觀基因組重新編程的差誤將會導致(dozh)多種表觀遺傳缺陷性疾病。 共五十八頁2.4 基因(jy

21、n)表達重編程共五十八頁重編程方法(fngf)比較共五十八頁多莉：死掉了Ian WilmutDolly多莉：生于1996年7月5日，死于2003年2月14日共五十八頁Snuppy Is Real共五十八頁IPS細胞(xbo)iPS Cells(誘導性多能(du nn)干細胞）成纖維細胞中轉入關鍵基因，得到iPS 細胞Oct4Sox2Klf4c-Myc小鼠成纖維細胞共五十八頁共五十八頁2.5 X染色體失活 1961年M.F.Lyon就提出了關于雌性哺乳動物體細胞的兩條X染色體中會有一條發生隨機失活的假說，并認為這是一種基因劑量(jling)補償的機制。以后的研究表明在給定的體細胞有絲分裂譜系中，

22、有一條X染色體是完全失活并呈異染色質狀態，而在另一個細胞譜系中同一條X染色體又可以是活化的且呈常染色質狀態。 共五十八頁X染色體失活過程(guchng)模式圖共五十八頁表觀(bio un)遺傳學對醫學的影響1. 環境對基因表達的調控作用 表型=基因型+環境2. 環境因素對人的影響(1) 癌癥(2) 衰老(3) 心血管疾病(4) 自身免疫性疾病(5) 心血管疾病3. 表觀(bio un)治療共五十八頁表觀(bio un)遺傳與癌癥DNA甲基化(1) 高甲基化 (Hypermethylation)：基因表達量低(2) 低甲基化 (Hypomethylation)：基因表達量高腫瘤細胞：(1) 整個

23、基因組甲基化程度很低(2) 某些抑癌基因錯誤的發生甲基化被沉默甲基化程度低：染色體容易發生功能(gngnng)異常共五十八頁Rudolf Jaenisch1. Dnmt1chip/-: Dnmt1的表達量為正常小鼠的10%；2. 低甲基化3. Dnmt1chip/-小鼠出生體重(tzhng)為正常的70%4. 80%的小鼠4-8個月內產生淋巴瘤5. 癌基因c-myc表達量異常增高共五十八頁Jun Lu2013年10月10日，耶魯大學醫學院研究人員在Cell Reports雜志上發表文章證實：一種有助于保持血液擺脫（抵抗）癌癥的基因被微小的RNA片段控制，這一發現可能導致出現更好的方法來診斷血癌，甚至導致出現新的治療形式。在過去的幾年中，研究人員已經確定TET2基因在保持血細胞健康中起到關鍵作用。基因突變已發現存在于約20的白血病患者中，基因突變也能預示(ysh)患者的預后不良。然而，該基因被認為與80的白血病病例是不相關的。這項新的研究改變了這一觀點，研究人員確定了宿主小分子RNA可能是TET2沒有突變的許多白血病的主要原因。他們發現，攜帶這些大量microRNAs的患者更有可能發生TET2功能受損，因此可能成為更積極形式的癌癥。耶魯大學干細胞中心和耶魯大學癌癥中心研究員Jun Lu助理教授