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1、表观遗传学,问题的提出,同卵双生子不同的表型和疾病的发生？ 受精卵从单个细胞发育成个体，具有不同结构和功能的组织器官？ 蜜蜂幼虫发育成工蜂或王蜂取决于喂食的方式而不是其基因型,拉马克与长颈鹿,用进废退,较早期的进化论者之一,1809年发表了动物哲学（Philosophie zoologique，系统地阐述了他的进化理论，即通常所称的拉马克学说。书中提出了用进废退与获得性遗传两个法则，并认为这既是生物产生变异的原因，又是适应环境的过程。达尔文在物种起源一书中曾多次引用拉马克的著作。,DNA双螺旋,基因的结构,基因：可遗传,1. 遗传的基本功能单位 2. 基因由DNA编码 3. 一个基因编码一条蛋
2、白质 4. 基因序列的改变可能导致功能及表型的改变,基因型 (Genotype) - 表型 (Phenotype),遗传信息的传递：中心法则,1. DNA自身通过复制传递遗传信息； 2. DNA转录成RNA； 3. RNA自身能够复制 (RNA病毒)； 4. RNA能够逆转录成DNA； 5. RNA翻译成蛋白质。,基因概念的延伸：生物体的复杂性,人类基因组：22，000个基因 vs. 100,000个蛋白质可变剪切 (Alternative Splicing),人类基因组计划完成带来的挑战,1. 100多个物种的基因组测序已经完成； 2. 4,000个物种的基因组计划正在进行； 3. 比较基因
3、组学：比较多个物种的基因、蛋白质的序列来揭示功能的保守性，并发现新的规律。,一、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 通过有丝分裂或减数分裂来传递非DNA序列信息的现象。所谓表观遗传就是不基于DNA序列差异的核酸遗传。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。,表观遗传修饰机制,DNA甲基化和组蛋白修饰 非编码小R
4、NA分子调节 基因组印迹 基因表达的重新编程 x染色体失活,2020年9月30日,2020年9月30日,发 展 历 史,1939年，Waddington C 首先在现代遗传学导论中提出了epihenetics这一术语，用以描述基因可能与环境相互作用，并产生表现型的概念。 1975年，Hollidy R 将表观遗传学定义为“在复杂有机体的发育过程中，对基因活性在时间和空间中调控机制的研究”。 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。 2007Adria
5、n Bird, (nature, A unifying definition of epigenetics） 染色体的构造适应，以便启始、发出信号或保持变构的活性状态。这个定义既包括涉及DNA修复或细胞周期的瞬态改变，也包括多代细胞的稳态改变，但这样的定义并不被普遍接受并仍然受到争议。 2008年的冷泉港会议，达成了关于表观遗传学的共识，即“由染色体改变所引起的稳定的可遗传的表现型，而非DNA序列的改变”,特点概括,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
6、不能用DNA序列变化来解释。,表观遗传学,1. 概念：基因的DNA序列不发生改变的情况下，基因的表达水平与功能发生改变，并产生可遗传的表型。 2. 特征: (1)可遗传；(2) 可逆性；(3) DNA不变 3. 表观遗传学修饰机制： (1) DNA甲基化和组蛋白修饰 (2)非编码小RNA分子调节 (3)基因组印迹 (4) 基因表达的重新编程 (5) x染色体失活,遗传信息,1. 遗传编码信息：提供生命必需蛋白质的模板 2. 表观遗传学信息：何时、何地、以何种方式去应用遗传信息 (1) DNA的甲基化：CpG位点，5,000万个 (2) 组蛋白修饰：组蛋白密码 (Histone code),表观
7、遗传学的研究内容,1. 基因选择性转录表达的调控 2. 基因转录后的调控 3. 蛋白质的翻译后修饰,二、表观遗传修饰机制,(1) DNA甲基化和组蛋白修饰 (2)非编码小RNA分子调节 (3)基因组印迹 (4) 基因表达的重新编程 (5) x染色体失活,2.1 DNA甲基化,CpG岛（CpG island） 是指DNA上一个区域，此区域含有大量相联的胞嘧啶（C）、鸟嘌呤（G），以及使两者相连的磷酸酯键（p）。一般CpG岛的长度约300到3000个碱基对（bp）。常用的正式定义是指一个至少含有200 bp的区域，其中GC所占比例超过50%，且CpG的观察值预测值比例必须高于0.6。 CpG岛的分
8、布 CpG岛主要位于基因的启动子（promoter）和第一外显子区域，约有60%以上基因的启动子含有CpG岛。GC含量大于50%,长度超过200bp。,胞嘧啶的甲基化,SAH, S-adenosylhomocysteine; SAM, S-adenosylmethionine,5mC,DNA中5mC的分布,哺乳动物基因组DNA中5mC约占胞嘧啶总量的2%-7%，绝大多数5mC存在于CpG二联核苷(CpG doublets)。,结构基因5端附近富含CpG二联核苷的区域称为CpG岛(CpG islands)。,甲基转移酶（DNMTs） 的作用,Dnmt1 的作用,Dnmt3a Dnmt3b的作用,
9、DNA去甲基化,1） 被动途径： 由于核因子N F 粘附甲基化的DNA，使粘附点附近的DNA不能被完全甲基化，从而阻断DNM T1 的作用 2） 主动途径： 是由去甲基酶（DNA demethylase) 的作用，将甲基基团移去的过程 TET家族(TET1、TET2、TET3）的去甲基化功能,重编程过程甲基化变化,human ES cells,Differentiated fibroblasts,Human iPS cells,Human iPS cells,DNA甲基化与癌症的发生,癌症中的DNA甲基化,DNA甲基化在胚胎发育期间是必需的，在体细胞中，DNA甲基化方式通常高保真的传给子细胞。
10、 异常的DNA甲基化模式与大量的人类恶性肿瘤有关，并发现其与正常组织相比存在两种不寻常的形式：超甲基化和低甲基化。 超甲基化是主要的表征遗传修饰中的一种，其通过肿瘤抑制基因的启动子区抑制转录。超甲基化通常发生在启动子区的CpG岛，且与基因失活有关。整体的低甲基化也通过不同机制与癌症的发生和发展有关。,DNA甲基化 (1) 高甲基化 (Hypermethylation)：基因表达量低 (2) 低甲基化 (Hypomethylation)：基因表达量高 肿瘤细胞： (1) 整个基因组甲基化程度很低 (2) 某些抑癌基因错误的发生甲基化被沉默 甲基化程度低：染色体容易发生功能异常,组蛋白修饰,组成核
11、小体的组蛋白可以被多种化学加合物所修饰，如磷酸化、乙酰化和甲基化等，组蛋白的这类结构修饰可使染色质的构型发生改变，称为染色质构型重塑。组蛋白中不同氨基酸残基的乙酰化一般与活化的染色质构型常染色质(euchromatin)和有表达活性的基因相关联；而组蛋白的甲基化则与浓缩的异染色质(hetero-chromatin)和表达受抑的基因相关联。,Chromatid,DNA,Nucleosome,Solenoid,Super Solenoid,Chromosome,7X,6X,40X,5X,Total: 7 x 6 x 40 x 5=8400,染色质重塑,Model for methylation-d
12、ependent gene silencing. The structural element of chromatin is 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 recog
13、nized by methyl-CpG-binding proteins (MBDs), which in turn recruit 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.,1.2 非编码小RNA分子的调节,1. short interfering RNAs (siRNA) siRNA前体是较长
14、且完全配对的双链分子 2. MicroRNA (miRNA) miRNA前体呈现不完全配对的发卡结构 3. piwi-interacting RNA (piRNA) piRNA的前体是单链分子,siRNA,short hairpin RNA (shRNA),RNA-induced silencing complex (RISC),2.3 基因组印记,Genomic Imprinting: 两条染色体需要随机沉默其一,Beckwith-Wiedemann Syndrome小儿 伯-韦综合征,Beckwith-Wiedemann Syndrome: 1/15,000 BWS：20%的致死率 BWS
15、: embryonic tumor,Beckwith-Wiedemann Syndrome,对增强子的争夺 甲基化位点,基因组印迹举例,由于基因组印记本质上是半合子，因此单个基因敲除足够致病，但多数病例需要两个拷贝都被敲除。 Angelman综合征 普拉德-威利综合征,普瑞德威利综合症（俗称小胖威利症，英文名Prader-Willi syndrome）， 自一岁左右就会开始无节制饮食的遗传性疾病，发生比例约1/12000至1/15000。 1956年A.Prader 和H.Willi发现，父源染色体15q11-13区段缺失,Angelman综合征 (Angelman Syndrome，AS)
16、母源染色体15q11-13区段缺失 快乐木偶综合症，又称天使综合征，或称天使人综合症，也称安格曼综合症（英文原名为Angelman syndrome）， 罹患此症的患者，脸上常有笑容，缺乏语言能力、过动，且智能低下。,PWS和AS这一对综合征表明父亲和母亲的基因组在个体发育中有着不同的影响，这种现象被称为基因组印迹(genomic imprinting)。,近年研究表明，基因组印迹是两个亲本等位基因的差异性甲基化型造成了一个亲本等位基因的沉默，另一个亲本等位基因保持单等位基因活性(monoallelic activity)。,在父源和母源染色体上，这些调控元件的CpG岛呈现甲基化型的明显差异。,在PWS和AS患者中发现，微小染色体缺失集中的区域有成簇排列的富含CpG岛的基因表达调控元件，称为印迹中心(imprinting centers , ICs)。,差异甲基化(differential methylation)：父源和母源染色体上的ICs的甲基化呈现出分化状态。,基因组印迹是性细胞系的一种表观遗传修饰，这种修饰有一整套分布于染色体不同部位的印迹中心来协调
