表觀遺傳學同等學歷第1頁，課件共62頁，創作于2023年2月同卵雙胞胎不同人生結果第2頁，課件共62頁，創作于2023年2月幾十年來，芭芭拉?奧利弗和她的同卵雙胞胎妹妹克莉絲汀有一段耐人尋味的關系。在童年階段，她倆被視為一個人的兩個版本：她們穿同樣的衣服，留同樣的發型。但進入了青春期，兩個女孩開始表現出差別。“我穿短裙，而克莉絲汀穿長裙和夾克。”芭芭拉說。同時，她倆的性格差異也變得更加明顯。“克莉絲汀做事更認真，我更自信。隨著時光流逝，這種差別越來越大。”克莉絲汀同意這一點。“我有更多的自我意識，深受嚴重抑郁癥之苦，芭芭拉身上就沒有這種跡象。也許我們是同卵雙胞胎，但是在很多方面，我們都大不相同。”第3頁，課件共62頁，創作于2023年2月倫敦國王學院雙胞胎研究負責人，遺傳流行病學家蒂姆?斯派科特教授說，“在某些方面，例如長相上，這些雙胞胎非常非常相似。但是在其他方面，他們又完全不同。例如，研究表明，雙胞胎很少死于相同的疾病，盡管他們有著許多像身高這樣相同的身體特征。”研究人員發現：疾病發生幾率在同卵雙胞胎中并不相同，當同卵雙胞胎中的一個得心臟病時，另一個得心臟病的機會只有30%，類風濕性關節炎的數字只有15%左右。”第4頁，課件共62頁，創作于2023年2月具有相同基因和相似成長經歷的人具有非常不同的人生結果，這些差異是由于人類表觀基因組的變化引起的。表觀遺傳學是環境變化會改變基因表現的一種機制。飲食、疾病、衰老、環境中的化學物質、吸煙、毒品和藥物等各種類型的生活事件都會影響到我們體內表觀遺傳。第5頁，課件共62頁，創作于2023年2月表觀遺傳變異甚至能夠持續影響兩到三代人。例如，科學家曾經對一些特殊孕婦（在第二次世界大戰和50年代中國大饑荒時期忍饑挨餓過）的孩子及其孫子進行研究發現，這些后代傾向于個頭更小，更容易患上糖尿病和精神病。這些趨勢都歸因于表觀遺傳變異。“從本質上講，它們是一種讓一代人發生短期變化的方法。”斯派科特說。“一場饑荒來臨，你不能瞬間改變你的基因，但表觀遺傳變異能讓你的孩子們變胖、變瘦或者變成其他樣子以達到最適應新形勢的狀態，這些變化至少將持續兩到三代，當然，它也有可能不會發生。”第6頁，課件共62頁，創作于2023年2月概念：基因的DNA序列不發生改變的情況下，基因的表達水平與功能發生改變，并產生可遺傳的表型。特征:(1)可遺傳

(2)可逆性

(3)DNA不變從根本上講，表觀遺傳是環境因素和細胞內的遺傳物質之間發生交互作用的結果。表觀遺傳學第7頁，課件共62頁，創作于2023年2月表觀遺傳現象DNA甲基化（DNAmethylation）組蛋白修飾（histonmodification）染色質重塑（chromatinremodeling）基因組印記（genomicimprinting）x染色體失活（xchromsomeinactivation）RNA相關沉默（RNAinterference等）副突變（paramutation）位置效應斑（positioneffectvariegation）組蛋白密碼（histoncode）第8頁，課件共62頁，創作于2023年2月DNA甲基化DNA堿基在甲基化酶催化下甲基化。最常見反應是胞嘧啶甲基化成為5-甲基胞嘧啶(用mC表)。DNMT1SAM胞嘧啶5-甲基胞嘧啶胞嘧啶甲基化反應

第9頁，課件共62頁，創作于2023年2月硫代腺苷甲硫氨酸是DNA甲基化的甲基供體硫代腺苷甲硫氨酸：SAM第10頁，課件共62頁，創作于2023年2月真核生物的DNA甲基轉移酶哺乳動物:DNMT1,DNMT2,DNMT3ADNMT3B，DNMT3L第11頁，課件共62頁，創作于2023年2月基因組中長度為300～3000bp的富含CpG二核苷酸的一些區域，主要存在于基因的5′區域。CpG島的甲基化第12頁，課件共62頁，創作于2023年2月DNA甲基化的功能-宿主防御

宿主防御模型：細胞中90%的甲基化CpG位于轉座子中，轉座子的甲基化抑制轉座子的活性轉座子容易導致等位基因的失活或是不穩定第13頁，課件共62頁，創作于2023年2月基因組中轉座子含量豐富Organism Yeast-S.cerevisiae 3%Nematode-C.elegans 6%Fruitfly-D.melanogaster 15%Rice-Oryzasativa 14%Homosapiens 44%Corn-Zeamays 60%%ofgenomederivedfromtransposons第14頁，課件共62頁，創作于2023年2月ddm

突變導致轉座子激活ReprintedbypermissionfromMacmillanPublishers,Ltd:NATURE.Miura,A.,Yonebayashi,S.,Watanabe,K.,Toyama,T.,Shimada,H.,andKakutani,T.(2001)MobilizationoftransposonsbyamutationabolishingfullDNAmethylationinArabidopsis.Nature411:212-214.Copyright2001.黃色的是原有的插入位點，藍色和紅色是新的插入位點。

CAC1CAC3CAC2CAC4DDM

失活導致DNA甲基化減少后的第6代，新插入的轉座子遍布基因組。第15頁，課件共62頁，創作于2023年2月DNA甲基化的功能-基因表達調控1.DNA甲基化的主要功能：轉錄沉默

2.DNA甲基化抑制基因轉錄的機制：

(1)干擾轉錄因子對DNA元件的識別和結合

(2)將轉錄因子的DNA識別序列轉變為阻抑物的識別序列

(3)DNA甲基化促進染色質重塑第16頁，課件共62頁，創作于2023年2月Themethyl-CpGbindingProteinsMeCP1、

MeCP2能夠與甲基化的DNA結合MeCP2能夠招募Sin3a,HDACs，形成復合物，阻遏轉錄DNA甲基化抑制基因轉錄的機制（1）第17頁，課件共62頁，創作于2023年2月DNA甲基化抑制基因轉錄的機制（2）DNA甲基化后，轉錄因子無法識別和結合DNA的元件第18頁，課件共62頁，創作于2023年2月DNA甲基化狀態的遺傳和保持：DNA復制后，新合成鏈在DNMT1的作用下，以舊鏈為模板進行甲基化。（缺乏嚴格的精確性，95%）第19頁，課件共62頁，創作于2023年2月DNA全新甲基化。引發因素可能包括：胚胎發育過程中，基因組DNA在去甲基化后重新甲基化。第20頁，課件共62頁，創作于2023年2月第21頁，課件共62頁，創作于2023年2月第22頁，課件共62頁，創作于2023年2月第23頁，課件共62頁，創作于2023年2月第24頁，課件共62頁，創作于2023年2月DNA去甲基化1.DNA去甲基化(DNAdemethylation):5甲基胞嘧啶(5mC)替代成胞嘧啶的過程2.兩種方式(1)主動去甲基化A.真正去甲基化B.間接去甲基化(2)復制相關的去甲基化第25頁，課件共62頁，創作于2023年2月主動去甲基化1.5-甲基胞嘧啶去甲基化酶將5-甲基胞嘧啶水解成胞嘧啶和甲醇第26頁，課件共62頁，創作于2023年2月主動去甲基化1.5-甲基胞嘧啶去甲基化雙加氧酶將5-甲基胞嘧啶水解成胞嘧啶和甲醛2.5-甲基胞嘧啶去甲基化酶將5-甲基胞嘧啶水解成胞嘧啶和甲醇3.3-甲基胞嘧啶修復雙加氧酶ALKB利用-酮戊二酸將3-甲基胞嘧啶水解成胞嘧啶、二氧化碳、琥珀酸和甲醛第27頁，課件共62頁，創作于2023年2月4.5-甲基胞嘧啶/DNA糖基化酶將5-甲基胞嘧啶從磷酸二脂鍵骨架中切除，然后通過內切酶修復第28頁，課件共62頁，創作于2023年2月間接去甲基化1.通過去氨基把5-甲基胞嘧啶轉變為甲基胸腺嘧啶，通過DNA修復去掉甲基化的胸腺嘧啶2.5-甲基胞嘧啶/DNA糖基化酶將5-甲基胞嘧啶從磷酸二脂鍵骨架中切除，然后通過內切酶修復3.CpG二核苷酸切除修復，把甲基化的CpG切除后修復第29頁，課件共62頁，創作于2023年2月第30頁，課件共62頁，創作于2023年2月基因組印記第31頁，課件共62頁，創作于2023年2月基因組印記與DNA甲基化密切相關1956年Prader-Willi綜合征(Prader-WilliSyndrome,PWS)，患者肥胖、矮小、中度智力低下。染色體核型分析表明為父源染色體15q11-13區段缺失。第32頁，課件共62頁，創作于2023年2月1968年Angelman綜合征(AngelmanSyndrome，AS)，共濟失調、智力低下和失語。母源染色體15q11-13區段缺失第33頁，課件共62頁，創作于2023年2月PWS和AS綜合癥表明，父親和母親的基因組在個體發育中有著不同的影響，這種現象稱為基因組印跡(genomicimprinting)。有些基因的功能受到雙親基因組的影響，即來自父方和母方的等位基因在通過精子和卵子傳遞給子代時發生了修飾，打上了來源基因組的印記，使帶有親代印記的等位基因具有不同的表達特性。第34頁，課件共62頁，創作于2023年2月基因印記1.由表觀遺傳修飾決定的，來源于雙親(Parent-of-origin)的特異性表達的基因。

A.兩個等位基因中只有一個印記基因表達

B.可遺傳的修飾，并且不改變基因序列的組成2.由雙親基因組功能的不對稱性所決定第35頁，課件共62頁，創作于2023年2月父系印記基因:

來自父系的等位基因的表達被抑制來自母系的等位基因表達(mono-allelic)母系印記基因:

來自母系的等位基因的表達被抑制來自父系的等位基因表達(mono-allelic)第36頁，課件共62頁，創作于2023年2月第37頁，課件共62頁，創作于2023年2月涉及到不同親本來源的印跡基因的DNA甲基化型都是在生殖細胞成熟過程中建立的。原始性細胞（2n）合子（2n）配子（n）第38頁，課件共62頁，創作于2023年2月印記基因在小鼠中已發現150多個印記基因一般認為在人中具有大致相等數量的印記基因第39頁，課件共62頁，創作于2023年2月印記基因的特點通常成簇出現一個簇中一般有3-11個印記基因，絕大多數編碼可表達蛋白質的基因，至少有一個起拮抗作用的ncRNA基因，具有雙親特異性的表達模式在染色體上的分布較為分散每一個印記基因簇由一個印記控制元件(imprintcontrolelement,ICE)所調控絕大多數ICE都有CpG島，能夠發生DNA甲基化，在CpG島內或附近通常有成簇的、反向的重復片段第40頁，課件共62頁，創作于2023年2月印記基因的特點等位基因具有不同的甲基化區域(DMRs)

有些DMRs存在于所有細胞里，有些DMRs具有組織特異性有些甲基化的DMR存在于激活的等位基因中，有些則存在于失活的等位基因中印記基因通常具有不同的組蛋白修飾，染色體結構等DNA復制不同步，父系的拷貝較早發生復制第41頁，課件共62頁，創作于2023年2月印記的判讀機制1.通過CpG島或者啟動子的差異甲基化來實現第42頁，課件共62頁，創作于2023年2月印記的判讀機制2.差異性的將沉默因子結合到順式沉默元件上第43頁，課件共62頁，創作于2023年2月印記的判讀機制3.差異性的甲基化邊界元件/絕緣子第44頁，課件共62頁，創作于2023年2月印記的判讀機制反義轉錄本與CpG島或啟動子的甲基化聯合作用機制第45頁，課件共62頁，創作于2023年2月原生殖細胞與體細胞中的印記胚胎發育早期：非印記的基因發生去甲基化，印記基因的甲基化模式保留原生殖細胞自E10.5-E12.5發生去甲基化，去除遺傳的印記模式體細胞的基因印記模式保留終生第46頁，課件共62頁，創作于2023年2月三、組蛋白修飾第47頁，課件共62頁，創作于2023年2月2023年7月20日48組蛋白修飾組蛋白修飾是表觀遺傳研究的重要內容。組蛋白的N端是不穩定的、無一定組織的亞單位，其延伸至核小體以外，會受到不同的化學修飾，這種修飾往往與基因的表達調控密切相關。被組蛋白覆蓋的基因如果要表達，首先要改變組蛋白的修飾狀態，使其與DNA的結合由緊變松，這樣靶基因才能與轉錄復合物相互作用。因此，組蛋白是重要的染色體結構維持單元和基因表達的負控制因子。48第48頁，課件共62頁，創作于2023年2月2023年7月20日49組蛋白修飾種類乙酰化--一般與活化的染色質構型相關聯，乙酰化修飾大多發生在H3、H4的Lys殘基上。甲基化--發生在H3、H4的Lys和Asp殘基上，可以與基因抑制有關，也可以與基因的激活相關，這往往取決于被修飾的位置和程度。磷酸化--發生與Ser殘基，一般與基因活化相關。泛素化--一般是C端Lys修飾，啟動基因表達。SUMO（一種類泛素蛋白）化--可穩定異染色質。其他修飾第49頁，課件共62頁，創作于2023年2月2023年7月20日502023年7月20日50BryanM.Turner,naturecellbiology,2007組蛋白中被修飾氨基酸的種類、位置和修飾類型被稱為組蛋白密碼（histonecode），遺傳密碼的表觀遺傳學延伸，決定了基因表達調控的狀態，并且可遺傳。第50頁，課件共62頁，創作于2023年2月2023年7月20日51四、RNA調控RNA干擾（RNAi）作用是生物體內的一種通過雙鏈RNA分子在mRNA水平上誘導特異性序列基因沉默的過程。由于RNAi發生在轉錄后水平，所以又稱為轉錄后基因沉默（post-transcriptionalgenesilencing,PTGS）。RNA干擾是一種重要而普遍表觀遺傳的現象。2023年7月20日51第51頁，課件共62頁，創作于2023年2月2023年7月20日52

siRNAsiRNA結構：21-23nt的雙鏈結構，序列與靶mRNA有同源性，雙鏈兩端各有2個突出非配對的3’堿基。siRNA功能：是RNAi作用的重要組分，是RNAi發生的中介分子。內源性siRNA是細胞能夠抵御轉座子、轉基因和病毒的侵略。2023年7月20日52第52頁，課件共62頁，創作于2023年2月2023年7月20日532023年7月20日53siRNA介導的RNAi第53頁，課件共62頁，創作于2023年2月2023年7月20日54siRNAi的特點：高效性和濃度依賴性特異性位置效應時間效應細胞間RNAi的可傳播性多基因參與及ATP依賴性2023年7月20日54第54頁，課件共62頁，創作于2023年2月2023年7月20日55

miRNA結構：21-25nt長的單鏈小分子RNA，5′端有一個磷酸基團，3′端為羥基，由具有發夾結構的約70-90個堿基大小的單鏈RNA前體經過Dicer酶加工后生成。特點：具有高度的保守性、時序性和組織特異性。2023年7月20日55第55頁，課件共62頁，創作于2023年2月怎樣定義miRNA(成熟)1,長度為22nt的轉錄體.可通過northernblot等方法檢測得到.2,其前體為典型的發卡結構.miRNA位于發卡結構的莖部分.3,通過Dicer酶的處理后生成.4,序列具有高度的保守性.第56頁，課件共62頁，創作于2023年2月mirtron:一種微RNA的新亞型，mirtron是內含子編碼的、微RNA的一個亞型。可作為潛在的診斷和預后的生物學標志。CanonicalmiRNA：典型的miRNA，由獨立的編碼序列編碼，經Drosha加工成熟的miRNA。第57頁，課件共62頁，創作于2023年2月miRNA的生成過程第58頁，課件共62頁，創作于2023年2月注意事項:1,通過RN