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1、20242024年年年年9 9月月月月5 5日日日日基因表达的表基因表达的表观遗传调控控（epigeneticsofgeneexpression）一、基因表达是指基因转录及翻译的过程一、基因表达是指基因转录及翻译的过程基因组基因组(genome)来自一个生物体的一整套遗传物质。来自一个生物体的一整套遗传物质。是基因转录及翻译的过程，即：生成具是基因转录及翻译的过程，即：生成具有生物学功能产物的过程。有生物学功能产物的过程。基因表达基因表达(geneexpression)基因表达是受调控的基因表达是受调控的。二、基因表达具有时间特异性和空间特异性二、基因表达具有时间特异性和空间特异性（一）时间特
2、异性（一）时间特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按特按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间时间特异性特异性(temporalspecificity)。 多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段阶段特异性特异性(stagespecificity)。（二）空间特异性（二）空间特异性基基因因表表达达伴伴随随时时间间顺顺序序所所表表现现出出的的这这种种分分布布差差异异，实实际际上上是是由由细细胞胞在在器器官官的的分分布布决决定定的的，所所以以空空间间特特异异性性又又称称细细胞胞或或组组织织特特
3、异异性性(cellortissuespecificity)。在在个个体体生生长长全全过过程程，某某种种基基因因产产物物在在个个体体按按不不同同组组织织空空间间顺顺序序出出现现，称称之之为为基基因因表表达达的的空间特异性空间特异性(spatialspecificity)。三、基因表达的方式及调节存在很大差异三、基因表达的方式及调节存在很大差异按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：基本（或组成性）表达基本（或组成性）表达诱导或阻遏表达诱导或阻遏表达（一）基本（或组成性）表达（一）基本（或组成性）表达某某些些基基因因在在一一个个个个体体的的几几乎乎所所有有细细胞
4、胞中中持持续续表表达达，通通常常被被称称为为管管家家基基因因(housekeepinggene)。无无论论表表达达水水平平高高低低，管管家家基基因因较较少少受受环环境境因因素素影影响响，而而是是在在个个体体各各个个生生长长阶阶段段的的大大多多数数或或几几乎乎全全部部组组织织中中持持续续表表达达，或或变变化化很很小小。区区别别于于其其他他基基因因，这这类类基基因因 表表 达达 被被 视视 为为 组组 成成 性性 基基 因因 表表 达达(constitutivegeneexpression)。（二）适应性表达（二）适应性表达在在特特定定环环境境信信号号刺刺激激下下，相相应应的的基基因因被被激激活活
5、，基基因因表表达达产产物物增增加加，这这种种基基因因称称为为可可诱诱导导基基因因( (induciblegene) )。可可诱诱导导基基因因在在特特定定环环境境中中表表达达增增强强的的过过程程，称为称为诱导诱导(induction)。 如如果果基基因因对对环环境境信信号号应应答答是是被被抑抑制制，这这种种基基因因是是可可阻阻遏遏基基因因(repressiblegene)。可可阻阻遏遏基基因因表表达达产产物物水水平平降降低低的的过过程程称称为为阻阻遏遏(repression)。在在一一定定机机制制控控制制下下，功功能能上上相相关关的的一一组组基基因因，无无论论其其为为何何种种表表达达方方式式，均
6、均需需协协调调一一致致、共共同同表表达达，即即为为协协调调表表达达(coordinateexpression)， 这这 种种 调调 节节 称称 为为 协协 调调 调调 节节(coordinateregulation)。基因表达调控呈现多层次和复杂性基因表达调控呈现多层次和复杂性基因表达的多级调控基因表达的多级调控基因激活基因激活拷贝数拷贝数重排重排甲基化程度甲基化程度转录起始转录起始转录后加工转录后加工mRNA降解降解蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰蛋白质降解等蛋白质降解等转录起始转录起始v生物遗传信息表达正确与否，既受生物遗传信息表达正确与否，既受控于控于DNA序列，又受制于
7、表观遗传序列，又受制于表观遗传学信息。学信息。v表观遗传学主要通过表观遗传学主要通过DNA修饰、蛋修饰、蛋白质修饰与非编码白质修饰与非编码RNA调控调控3个层个层面上调控基因表达。面上调控基因表达。2024年年9月月5日日11112024年年9月月5日日1111表表观观遗遗传传学学发发展展历历史史v1939年，Waddington CH 首先在现代遗传学导论中提出了epigenetics这一术语。v1942年定义为生物学的分支，研究基因与决定表型的基因产物之间的因果关系。v1975年，Hollidy R 对表观遗传学进行了较为准确的描述。v1996年James G Herman 和Stephe
8、n B Baylin 发明 MSP技术，并发现肿瘤细胞中抑癌基因启动子区CpG呈高甲基化状态。2024年年9月月5日日1212概概述述v表观遗传学表观遗传学（epigenetics）：指在指在DNADNA序列序列不发生改变不发生改变的情况下，基因的表达水平与功的情况下，基因的表达水平与功能发生改变，并产生可遗传的表型。能发生改变，并产生可遗传的表型。l可遗传的，即这类改变通过有丝分裂或减数可遗传的，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；分裂，能在细胞或个体世代间遗传；l可逆性的基因表达调节，也有较少的学者描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；述
9、为基因活性或功能的改变；l没有没有DNADNA序列的改变或不能用序列的改变或不能用DNADNA序列变化来序列变化来解释。解释。2024年年9月月5日日1212ASymphonicExample2024年年9月月5日日1414概概 述述v表观遗传学的研究内容：表观遗传学的研究内容：l基因转录后的调控基因转录后的调控u基因组中非编码RNAu微小RNA（miRNA）u反义RNAl基因选择性转录表达基因选择性转录表达的调控的调控uDNA甲基化u组蛋白共价修饰u染色质重塑u基因印记uX染色体失活2024年年9月月5日日14142024年年9月月5日日1515概概 述述2024年年9月月5日日1515遗遗
10、传传与与表表观观遗遗传传2024年年9月月5日日1616概概 述述2024年年9月月5日日1616基因组与表观基因组经组织归类的信息经组织归类的信息2024年年9月月5日日17172024年年9月月5日日表观遗传学机制表观遗传学机制DNA DNA 甲基化甲基化11717组蛋白修饰组蛋白修饰2染色质重塑染色质重塑3RNA RNA 调调 控控4DNA DNA 甲基化甲基化1一、一、DNADNA甲基化甲基化（DNAmethylation）v甲基化是指生物分子在特定的酶系统催化下加上甲基（甲基化是指生物分子在特定的酶系统催化下加上甲基（-CH3）的生物化学反应，是普遍存在原核生物和真核生物）的生物化学
11、反应，是普遍存在原核生物和真核生物中的中的DNA修饰作用。甲基化没有改变基因序列，但对基因修饰作用。甲基化没有改变基因序列，但对基因表达起调控作用。表达起调控作用。v在哺乳动物在哺乳动物DNA分子中，甲基化一般发生在胞嘧啶（分子中，甲基化一般发生在胞嘧啶（C）碱基上。在碱基上。在DNA甲基转移酶（甲基转移酶（DNAmethyltransferases,DNMTs）催化下，甲基从）催化下，甲基从S-腺苷甲硫氨酸（腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethione）转移至胞嘧啶）转移至胞嘧啶5位上，形成位上，形成5-甲基胞嘧甲基胞嘧啶（啶（m5C）。）。2024年年9月月5日日1919一、一、DN
12、ADNA甲基化甲基化2024年年9月月5日日 DNADNA甲甲基基化化(DNA (DNA methylation)methylation)是是研研究究得得最最清清楚楚、 也也是是最最重重要要的的表表观遗传修修饰形形式式，主主要要是是基基因因组 DNADNA上上的的胞胞嘧啶第第5 5位位碳碳原原子子和和甲甲基基间的的共共价价结合合，胞胞嘧啶由由此此被被修修饰为5 5甲甲基胞基胞嘧啶(5-methylcytosine(5-methylcytosine，5mC)5mC)。DNMT1SAMSAM胞嘧啶胞嘧啶5-5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶胞嘧啶甲基化反应胞嘧啶甲基化反应 1919S-S-腺苷甲硫氨酸腺苷甲
13、硫氨酸DNA序列中的四种碱基序列中的四种碱基/核苷核苷DEAMINATIONvDeamination:去氨基化反应去氨基化反应An enzyme to remove it from DNA: uracil-N-glycosylase.2024年年9月月5日日2222一、一、DNADNA甲基化甲基化（DNAmethylation）v在发生甲基化的胞嘧啶后通常紧跟着一个鸟嘌呤（在发生甲基化的胞嘧啶后通常紧跟着一个鸟嘌呤（G）碱）碱基。因此，通常称胞嘧啶基。因此，通常称胞嘧啶-磷酸磷酸-鸟嘌呤或鸟嘌呤或CpG的甲基化。的甲基化。在基因组中富含在基因组中富含CpG位点的区域称为位点的区域称为CpG岛（
14、岛（CpGislands），），其大小为其大小为1 100000 0- -2 2000bp000bp，人基因组序列约有人基因组序列约有29,000CpG岛，约岛，约60%的人基因与的人基因与CpG岛关联。岛关联。v基因调控元件基因调控元件( (如启动子如启动子) )所含所含CpGCpG岛中的岛中的5mC5mC会阻碍转录因会阻碍转录因子复合体与子复合体与DNADNA的结合。的结合。lDNADNA甲基化一般与基因沉默相关联；甲基化一般与基因沉默相关联；l非甲基化一般与基因的活化相关联非甲基化一般与基因的活化相关联；l而去甲基化往往与一个沉默基因的重新激活相关联。而去甲基化往往与一个沉默基因的重新激
15、活相关联。2024年年9月月5日日2222甲基化所致的转录抑制的可能机制直接干扰机制直接干扰机制(1)v脊椎动物基因的甲基化状态有三种：（脊椎动物基因的甲基化状态有三种：（1）高度甲）高度甲基化状态基化状态,如女性两条如女性两条X染色体中的一条处于失活染色体中的一条处于失活状态；（状态；（2）持续的低甲基化状态）持续的低甲基化状态,如细胞存活所如细胞存活所需的一直处于活性转录状态的管家基因；（需的一直处于活性转录状态的管家基因；（3）去）去甲基化状态甲基化状态,如生物发育的某一阶段或细胞分化的如生物发育的某一阶段或细胞分化的某种状态下，原先处于甲基化状态的基因，也可某种状态下，原先处于甲基化状
16、态的基因，也可以被诱导去除甲基化，而出现转录活性。以被诱导去除甲基化，而出现转录活性。v健康人基因组中，健康人基因组中，CpG岛中的岛中的CpG位点通常是处位点通常是处于非甲基化状态，而在于非甲基化状态，而在CpG岛外的岛外的CpG位点则通位点则通常是甲基化的。这种甲基化的形式在细胞分裂的常是甲基化的。这种甲基化的形式在细胞分裂的过程中能够稳定的保留。当肿瘤发生时，抑癌基过程中能够稳定的保留。当肿瘤发生时，抑癌基因因CpG岛以外的岛以外的CpG序列非甲基化程度增加，而序列非甲基化程度增加，而CpG岛中的岛中的CpG则呈高度甲基化状态，则呈高度甲基化状态，以致于染以致于染色体螺旋程度增加及抑癌基
17、因表达的丢失。色体螺旋程度增加及抑癌基因表达的丢失。2024年年9月月5日日2727一、一、DNADNA甲基化甲基化2024年年9月月5日日27275533vCpGCpG岛主要处于基因岛主要处于基因5 5端调控区域。端调控区域。v启启动动子子区区域域的的CpGCpG岛岛一一般般是是非非甲甲基基化化状状态态的的，其其非非甲甲基基化化状态对相关基因的转录是必须的。状态对相关基因的转录是必须的。v目目前前认认为为基基因因调调控控元元件件（如如启启动动子子）的的CpGCpG岛岛中中发发生生5mC5mC修修饰饰会会在在空空间间上上阻阻碍碍转转录录因因子子复复合合物物与与DNADNA的的结结合合。因因而而
18、DNADNA甲基化一般与基因沉默相关联。甲基化一般与基因沉默相关联。RbRb基因基因C Cp pGG 频频率率两种甲基化酶 DNA甲基化转移酶甲基化转移酶( (DNAmethyltransferase,DNMT),),真核真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性：一种被称为日常型生物细胞内存在两种甲基化酶活性：一种被称为日常型（maintenance）甲基转移酶，另一种是从头合成）甲基转移酶，另一种是从头合成（denovo synthesis）甲基转移酶。前者主要在甲基化）甲基转移酶。前者主要在甲基化母链（模板链）指导下使处于半甲基化的母链（模板链）指导下使处于半甲基化的DNA双链分子上双链分子上与
19、甲基胞嘧啶相对应的胞嘧啶甲基化。与甲基胞嘧啶相对应的胞嘧啶甲基化。二、真核生物的二、真核生物的DNA甲基转移酶甲基转移酶v1.哺乳动物哺乳动物:DNMT1,DNMT3A,DNMT3B，DNMT3L,DNMT2v2.拟南芥：拟南芥：DRM2,MET1，DNMT2,CMT3v3.粗糙脉孢菌粗糙脉孢菌(Neurosporacrassa):DIM2,dim-5,RIDDNA甲基转移酶甲基转移酶哺乳动物的哺乳动物的DNA甲基转移酶甲基转移酶 daughter strand daughter strandvDNMT1:maintenance methyltransferasesvDNMT3A&DNMT3B
20、:de novo methyltransferases 胚胎移植过程中高表达DNA甲基化与去甲基化甲基化与去甲基化vDNA甲基化状态通过从头甲基化、维持甲甲基化状态通过从头甲基化、维持甲基化和去甲基化基化和去甲基化3个过程受到调节。个过程受到调节。在不同在不同组织或同一类型细胞的不同发育阶段，基组织或同一类型细胞的不同发育阶段，基因组因组DNA各各CpG位点甲基化状态的差异构位点甲基化状态的差异构成基因组成基因组DNA甲基化谱，组织特异的甲基化谱，组织特异的DNA甲基化谱是哺乳动物基因组的显著特征。甲基化谱是哺乳动物基因组的显著特征。Dnmt3a&Dnmt3bv对哺乳动物的发育至关重要对哺乳动
21、物的发育至关重要三、三、DNA去甲基化去甲基化v1.DNA去甲基化去甲基化(DNAdemethylation):5甲基胞甲基胞嘧啶嘧啶(5mC)替代成胞嘧啶的过程替代成胞嘧啶的过程v2.两种方式两种方式(1)主动去甲基化主动去甲基化(ActiveDNAdemethylation)A.Bona fidedemethylationB.Indirectdemethylation(2)复制相关的去甲基化复制相关的去甲基化(Replication-coupledDNAdemethylation)ActiveDNAdemethylationv1.5-甲基胞嘧啶去甲基化酶将甲基胞嘧啶去甲基化酶将5-甲基胞嘧
22、啶水解成胞嘧啶甲基胞嘧啶水解成胞嘧啶v2.5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶/DNA糖基化酶将糖基化酶将5-甲基胞嘧啶从磷酸二脂键骨甲基胞嘧啶从磷酸二脂键骨架中切除，然后通过内切酶修复架中切除，然后通过内切酶修复5-甲基胞嘧啶去甲基化酶甲基胞嘧啶去甲基化酶5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶/DNA糖基化酶糖基化酶四、四、DNA甲基转移酶抑制剂甲基转移酶抑制剂v1.核苷类核苷类DNA甲基转移酶抑制剂甲基转移酶抑制剂v2.非核苷类非核苷类DNA甲基转移酶抑制剂甲基转移酶抑制剂(五) DNA甲基化与肿瘤 现已明确DNA的甲基化与肿瘤的发生有着密切的联系，DNA甲基化在肿瘤的发生和发展中扮演着极其重要的角色，其异常是通过
23、影响癌基因和抑瘤基因的表达以及基因组的稳定性而参与肿瘤的发生和发展的。 近来人们发现肿瘤细胞的总基因组甲基化水平近来人们发现肿瘤细胞的总基因组甲基化水平比正常细胞低，但是伴有某些特定比正常细胞低，但是伴有某些特定CpG岛甲基化程岛甲基化程度的增高。抑癌基因的高度广泛甲基化使度的增高。抑癌基因的高度广泛甲基化使DNA发生发生转录抑制，抑癌基因的不能表达参与了肿瘤的发生。转录抑制，抑癌基因的不能表达参与了肿瘤的发生。近年来，癌基因和抑癌基因的甲基化与肿瘤的发生近年来，癌基因和抑癌基因的甲基化与肿瘤的发生和发展之间的关系已成为肿瘤研究的另一热点。和发展之间的关系已成为肿瘤研究的另一热点。癌基因的低甲
24、基化和抑癌基因的高甲基化 肿瘤细胞的总体甲基化水平比正常细胞低，肿瘤细胞的总体甲基化水平比正常细胞低，这是这是癌变早期癌变早期的一种分子异常现象。基因组范围的的一种分子异常现象。基因组范围的DNA低甲基化会增加染色体的不稳定性，促使原低甲基化会增加染色体的不稳定性，促使原来处于沉默状态的基因如生长促进基因，特别是原来处于沉默状态的基因如生长促进基因，特别是原癌基因的表达，促进细胞恶性转化。多种癌基因如癌基因的表达，促进细胞恶性转化。多种癌基因如c-raf、c-myc、c-fos等在肿瘤组织中普遍低甲基化，等在肿瘤组织中普遍低甲基化，且随着肿瘤的发展低甲基化程度愈发明显，那些原且随着肿瘤的发展低
25、甲基化程度愈发明显，那些原癌基因甲基化程度更低的肿瘤表现出更大的恶性侵癌基因甲基化程度更低的肿瘤表现出更大的恶性侵袭能力。袭能力。 在肿瘤细胞总体甲基化水平降低的同时也伴在肿瘤细胞总体甲基化水平降低的同时也伴有某些有某些CpG岛甲基化程度升高，主要表现为调控基岛甲基化程度升高，主要表现为调控基因启动子的异常甲基化，由此导致的调控基因的沉因启动子的异常甲基化，由此导致的调控基因的沉默是癌症产生的重要途径。如在循环系统的肿瘤细默是癌症产生的重要途径。如在循环系统的肿瘤细胞中就发现许多基因的过度甲基化，这导致肿瘤抑胞中就发现许多基因的过度甲基化，这导致肿瘤抑制基因、制基因、DNA修复基因和转移抑制基
26、因的失活，修复基因和转移抑制基因的失活，并使这些基因成为突变靶点，失去对细胞周期和细并使这些基因成为突变靶点，失去对细胞周期和细胞分化的控制。胞分化的控制。 许多肿瘤细胞的许多肿瘤细胞的p53基因由于其启动子区域基因由于其启动子区域(-199+142bp)中中15个个CpG位点的甲基化而失去转位点的甲基化而失去转录活性。肿瘤转移抑制基因录活性。肿瘤转移抑制基因Ecadhersn在乳腺癌和在乳腺癌和前列腺癌中的低表达也是启动子区高甲基化的结果。前列腺癌中的低表达也是启动子区高甲基化的结果。 DNA甲基化对生命过程非常重要，它是为人甲基化对生命过程非常重要，它是为人所熟知的基因外遗传信号。目前在肿
27、瘤和基因紊乱所熟知的基因外遗传信号。目前在肿瘤和基因紊乱性遗传病中，性遗传病中，DNA甲基化处于中心环节，而且治甲基化处于中心环节，而且治疗的可能性也很明确，因为突变过程是经常发生的，疗的可能性也很明确，因为突变过程是经常发生的，而甲基化过程是可逆转的。而甲基化过程是可逆转的。DNA甲基化与癌 DNA甲基化在肿瘤形成中起作用的假设已提甲基化在肿瘤形成中起作用的假设已提出很多年。大量的研究显示肿瘤细胞中出很多年。大量的研究显示肿瘤细胞中DNA甲基甲基转移酶的活性出现异常，细胞中常有总转移酶的活性出现异常，细胞中常有总DNA甲基甲基转移酶活性增加，正常甲基化位点中的甲基化广泛转移酶活性增加，正常甲
28、基化位点中的甲基化广泛丢失，更多区域的高甲基化。丢失，更多区域的高甲基化。DNA甲基化可能以甲基化可能以下列机制中的一种或多种对肿瘤形成起作用。下列机制中的一种或多种对肿瘤形成起作用。 DNA甲基化与临床vDNA甲基化可作为肿瘤标记物甲基化可作为肿瘤标记物vDNA甲基化可作为治疗的目标甲基化可作为治疗的目标vDNA甲基化与药物耐受的逆转甲基化与药物耐受的逆转DNA甲基化可作为肿瘤标记物 1、肿瘤早期诊断：不同的人体组织发现，、肿瘤早期诊断：不同的人体组织发现，肌肉或者肝脏中的同一种基因，其甲基化模式差肌肉或者肝脏中的同一种基因，其甲基化模式差异却非常明显。这一研究结果为异却非常明显。这一研究结
29、果为DNA甲基化在不甲基化在不同组织上具有不同模式提供了同组织上具有不同模式提供了“确定性的证据确定性的证据”。这也为肿瘤的早期诊断提供了一定的依据。这也为肿瘤的早期诊断提供了一定的依据。而肿瘤早期诊断对肿瘤治疗非常重要。而肿瘤早期诊断对肿瘤治疗非常重要。 以前肿瘤诊断主要集中在肿瘤特异性以前肿瘤诊断主要集中在肿瘤特异性DNA的鉴定、分析。如抑癌基因的突变，由于突变位的鉴定、分析。如抑癌基因的突变，由于突变位点的不确定性，限制了对肿瘤的广泛筛选。相比点的不确定性，限制了对肿瘤的广泛筛选。相比而言，而言，DNA甲基化对肿瘤的诊断很有用，因为对甲基化对肿瘤的诊断很有用，因为对于某一肿瘤，于某一肿瘤
30、，DNA甲基化变化不存在个体差异。甲基化变化不存在个体差异。利用利用MSP（methylation-specificPCR）就可建立）就可建立一种高度敏感而且普遍实用的诊断方法。一种高度敏感而且普遍实用的诊断方法。 肿瘤特异性肿瘤特异性DNA早期检测可利用非原发位早期检测可利用非原发位点的标本，例如肺癌患者可以检测痰标本、前列点的标本，例如肺癌患者可以检测痰标本、前列腺癌患者可以检测尿标本。肿瘤患者血清还可以腺癌患者可以检测尿标本。肿瘤患者血清还可以检测到大量的肿瘤检测到大量的肿瘤DNA。令人兴奋的是肺癌患者。令人兴奋的是肺癌患者痰标本和癌组织，二个甲基化标记物中总有一个痰标本和癌组织，二个甲
31、基化标记物中总有一个出现阳性，而且现有方法临床确诊的出现阳性，而且现有方法临床确诊的3年前，痰液年前，痰液里就可以检测到该肿瘤特异性甲基化变化。里就可以检测到该肿瘤特异性甲基化变化。 2、DNA甲基化状态分析还可用于肿瘤的预甲基化状态分析还可用于肿瘤的预测。血清游离肿瘤测。血清游离肿瘤DNA，是肿瘤治疗监测的一种，是肿瘤治疗监测的一种手段，而游离手段，而游离DNA甲基化检测同样可作为肿瘤形甲基化检测同样可作为肿瘤形成过程和药物治疗的监测手段。成过程和药物治疗的监测手段。DNA甲基化可作为治疗的目标 虽然遗传性与外遗传机制对肿瘤的形成有相虽然遗传性与外遗传机制对肿瘤的形成有相同的地位，由于对肿瘤
32、形成的基本原理的差异，抗同的地位，由于对肿瘤形成的基本原理的差异，抗肿瘤治疗也就有潜在的意义。首先，遗传性的变化肿瘤治疗也就有潜在的意义。首先，遗传性的变化是固定的，基因的失活是不可逆转的，外遗传变化是固定的，基因的失活是不可逆转的，外遗传变化不影响基因序列，因而是可逆的。外遗传所致的基不影响基因序列，因而是可逆的。外遗传所致的基因失活可以从两个不同方面减轻：抑制因失活可以从两个不同方面减轻：抑制DNA甲基甲基化和抑制组蛋白的脱乙酰基作用。化和抑制组蛋白的脱乙酰基作用。 在体外，在体外，DNA甲基化和组蛋白脱乙酰基作用甲基化和组蛋白脱乙酰基作用的抑制剂可以调节基因的转录活性。的抑制剂可以调节基
33、因的转录活性。DNA甲基化甲基化特异性抑制剂特异性抑制剂5-AzaDc在实验中得到广泛的应用，在实验中得到广泛的应用，在临床上已用于对急性白血病和脊髓发育不良的治在临床上已用于对急性白血病和脊髓发育不良的治疗疗。DNA甲基化抑制剂最大的缺陷是缺乏特异性，甲基化抑制剂最大的缺陷是缺乏特异性，它可导致处于抑制状态的基因恢复活性，从而限制它可导致处于抑制状态的基因恢复活性，从而限制甲基化抑制剂的应用。特异性甲基化抑制剂的应用。特异性DNA甲基化抑制剂甲基化抑制剂的研究就显得很重要。的研究就显得很重要。 DNA甲基化与药物耐受的逆转 化疗药物广泛用于肿瘤的治疗，但其固有化疗药物广泛用于肿瘤的治疗，但其
34、固有的或获得性的药物耐受对肿瘤治疗的有效性具有的或获得性的药物耐受对肿瘤治疗的有效性具有不可预知性。如果知道药物耐受的细胞和分子机不可预知性。如果知道药物耐受的细胞和分子机制，就可以设计和使用相应的化疗药物。药物耐制，就可以设计和使用相应的化疗药物。药物耐受通过受通过DNA甲基化作用而逆转，这也可能为一条甲基化作用而逆转，这也可能为一条有效途径。有效途径。 多种化疗药物是通过感应细胞的生理性死亡程序如多种化疗药物是通过感应细胞的生理性死亡程序如凋亡而对易感细胞起作用，因此，反常基因的激活和凋亡凋亡而对易感细胞起作用，因此，反常基因的激活和凋亡可能是药物耐受的主要机制。一个显著的例子就是细胞毒可
35、能是药物耐受的主要机制。一个显著的例子就是细胞毒素性药物如阿霉素和顺铂的耐受与凋亡相关蛋白素性药物如阿霉素和顺铂的耐受与凋亡相关蛋白caspase-8的减少相关，采用的减少相关，采用5-AzaDc治疗，使治疗，使caspase-8启动子脱甲启动子脱甲基化，基化，caspase-8重新表达，那么可以恢复化疗的敏感性。重新表达，那么可以恢复化疗的敏感性。 问题与展望v低甲基化激活原癌基因、高甲基化使肿瘤抑制基低甲基化激活原癌基因、高甲基化使肿瘤抑制基因转录失活等因素均可导致肿瘤形成。因转录失活等因素均可导致肿瘤形成。 vDNA甲基化的选择性调节在临床上可以用来预防甲基化的选择性调节在临床上可以用来
36、预防和治疗癌。和治疗癌。v最近已经将最近已经将DNA甲基化和组蛋白去乙酰基作用两甲基化和组蛋白去乙酰基作用两种整体机制联系起来作进一步研究。种整体机制联系起来作进一步研究。 DNA甲基化对肿瘤形成的作用是多方面的、甲基化对肿瘤形成的作用是多方面的、多层次的、多角度的，真正阐明多层次的、多角度的，真正阐明DNA甲基化和组甲基化和组蛋白去乙酰基与肿瘤的关系，还需了解各种机制之蛋白去乙酰基与肿瘤的关系，还需了解各种机制之间的关系。间的关系。DNA甲基化和组蛋白修饰的研究对肿甲基化和组蛋白修饰的研究对肿瘤的形成、早期诊断、治疗、药物耐受和预防开辟瘤的形成、早期诊断、治疗、药物耐受和预防开辟了一条新的道
37、路。了一条新的道路。2024年年9月月5日日5858二、组蛋白修饰二、组蛋白修饰v组蛋白修饰是表观遗传研究的重要内容。组蛋白修饰是表观遗传研究的重要内容。v组蛋白的组蛋白的 N N端是不稳定的端是不稳定的，其延伸至核小体以外，会，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。控密切相关。v被组蛋白覆盖的基因如果要表达，首先要改变组蛋白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，使其与的修饰状态，使其与DNADNA的结合由紧变松，这样靶基因的结合由紧变松，这样靶基因才能与转录复合物相互作用。因此，组蛋白
38、是重要的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。染色体结构维持单元和基因表达的负控制因子。2024年年9月月5日日58582024年年9月月5日日5959二、组蛋白修饰（二、组蛋白修饰（histonemodification）2024年年9月月5日日5959DNAPacking1. 如何将10,000公里长的蚕 丝(半径10-5米)装入一个篮 球中。2. 蚕丝的体积：3.14*10-3m33. 折叠、缠绕染色体上不同的区域染色体上不同的区域Euchromatin: 常染色质；Heterochromatin: 异染色质E-H或H-E称为染色质重塑(
39、Chromatin Remodeling)分子机理：DNA甲基化，组蛋白修饰，染色质重塑复合物的协同作用。常染色质与异染色质常染色质与异染色质1. 常染色质：基因表达 活跃的区域，染色体结 构较为疏松2. 异染色质：基因表达 沉默的区域，染色体结 构致密常染色质异染色质核小体核小体组蛋白与核小体组蛋白与核小体组蛋白有五种有五种类型：型：H1、H2A、H2B、H3、H4富含富含带正正电荷的碱性氨基酸（荷的碱性氨基酸（Arg和和Lys）,能能够同同DNA中中带负电荷的磷酸基荷的磷酸基团相互作用相互作用是一是一类小分子碱性蛋白小分子碱性蛋白质组蛋白是已知蛋白蛋白是已知蛋白质中最保守的中最保守的His
40、tonevariants组蛋白修饰组蛋白修饰组蛋白修饰（组蛋白修饰（2）2024年年9月月5日日6969二、组蛋白修饰二、组蛋白修饰2024年年9月月5日日6969主要的功能基团主要的功能基团AcetylMethylPhosphorylUbiquitinEpigenetic differences：monozygotic twins5mC H4 乙酰化乙酰化 H3 乙酰化乙酰化内容纲要内容纲要一、组蛋白的乙酰化二、组蛋白的甲基化三、组蛋白的磷酸化四、组蛋白的泛素化五、组蛋白的SUMO化六、组蛋白密码一、组蛋白的乙酰化一、组蛋白的乙酰化1. 通常发生在蛋白质的赖氨酸(K)上；2. 可逆的生化反应
41、： A. Histone acetyltransferase，HAT (30) B. Histone deacetylase, HDAC (18)3. 分子效应：中和赖氨酸上的正电荷，增加组蛋白与DNA的排斥力4. 生物学功能： A.基因转录活化B. DNA损伤修复组蛋白的乙酰化组蛋白的乙酰化 中和赖氨酸的正电荷，C=O具有一定的负电，能够增加与DNA的斥力，使得DNA结构变得疏松，从而导致基因的转录活化HATs：转乙酰基酶HDACs1.ClassI：HDAC1,HDAC2,HDAC3,HDAC8(定位于细胞核定位于细胞核)2.ClassII：HDAC4,HDAC5,HDAC6,HDAC7A,
42、HDAC9,HDAC10(能够在细胞核与胞质间转运能够在细胞核与胞质间转运)3.ClassIII：Sirtuins(SIRT1,SIRT2,SIRT3,SIRT4,SIRT5,SIRT6,SIRT7)4.ClassIV：HDAC11HDAC Inhibitor1.主要针对主要针对ClassicalHDACs；2.激活保护性基因的表达激活保护性基因的表达3.抗肿瘤新药抗肿瘤新药赖氨酸引入乙酰基引入乙酰基乙酰基转移酶乙酰基转移酶去乙酰化酶去乙酰化酶组蛋白乙酰化对染色质结构及基因转录的影响 组蛋白乙酰化引起染色质结构改变及基因转录活性变化的机制： 组蛋白尾部赖氨酸残基的乙酰化能够使组蛋白携带正电荷量
43、减少，降低其与带负电荷的DNA链的亲和性，导致局部DNA与组蛋白八聚体解开缠绕，从而促使参与转录调控的各种蛋白因子与DNA特异序列结合，进而发挥转录调控作用； 组蛋白的末端尾巴可与参与维持染色质高级结构的多种蛋白质相互作用，更加稳定了核小体的结构。而组蛋白乙酰化却减弱了上述作用，阻碍了核小体装配成规则的高级结构（如螺线管）； 组蛋白乙酰基转移酶对相关的转录因子或活化因子进行乙酰化修饰以调节基因的表达。 二、组蛋白的甲基化二、组蛋白的甲基化1.主要发生在赖氨酸主要发生在赖氨酸(K)或精氨酸或精氨酸(R)上；上；2.Long-term；3.HKMTs(histonelysinemethyltran
44、sferases)vs.PRMTs(proteinargininemethyltransferases)4.可逆的生化反应可逆的生化反应?5.分子效应：增加赖氨酸上的疏水力分子效应：增加赖氨酸上的疏水力6.生物学功能：生物学功能：A.基因转录活化基因转录活化B.基因转录沉默基因转录沉默C.X染色体失活染色体失活D.异染色质致密状态异染色质致密状态(heterochromatincompaction)精氨酸和赖氨酸甲基化的过程精氨酸和赖氨酸甲基化的过程目前发现目前发现24个组蛋白甲基化位点，其中个组蛋白甲基化位点，其中17个位个位于于赖氨酸赖氨酸，其他，其他7个位于个位于精氨酸精氨酸。赖氨酸可以
45、是单甲。赖氨酸可以是单甲基化、双甲基化和三甲基化，精氨酸也可以是单甲基化、双甲基化和三甲基化，精氨酸也可以是单甲基化或者双甲基化。如果把这基化或者双甲基化。如果把这3种甲基化状态都考虑种甲基化状态都考虑在内，应该一共有在内，应该一共有31011种组蛋白甲基化组合状态，种组蛋白甲基化组合状态，复杂的组合为组蛋白甲基化发挥功能调控作用提供复杂的组合为组蛋白甲基化发挥功能调控作用提供更大的潜能。更大的潜能。 赖氨酸甲基化赖氨酸甲基化1.Mono-,di-ortri-methylation2.H3K9&H3K27的的tri-methylation是沉默的异染色质的是沉默的异染色质的主要特征主要特征3.
46、H3K9的的di-methylation对于常染色质的基因表达是必对于常染色质的基因表达是必需的需的4.H4K20的的tri-methylation是癌症中的一个普遍现象是癌症中的一个普遍现象5.有丝分裂期间，在动粒有丝分裂期间，在动粒(centromere)附近的附近的H3K9的的trimethylation负责保证染色体顺利完成分裂负责保证染色体顺利完成分裂6.在活化基因的在活化基因的5端和启动子区域，甲基化出现的模式为：端和启动子区域，甲基化出现的模式为：A.H4K20的的mono-methylationB.H3K4的的di-ortri-methylationC.H3K79的的di-me
47、thylation组蛋白赖氨酸甲基化与转录RNApolymeraseII(PolII)定位到基定位到基因启动子区域，与因启动子区域，与H3K4&H3K36的的甲基转移酶甲基转移酶Set1,Set2&Dot1相互作相互作用；用；Activator(Act)招募招募Rad6-Bre1复合复合物，并加载到物，并加载到PolII上上Rad6-Bre1泛素化泛素化H2B，促使，促使H3K4和和H3K79的甲基化；的甲基化；转录延长过程中，转录延长过程中，PolII的的Ser2被磷被磷酸化，促使酸化，促使Set1分离下来；分离下来；第一轮转录后，基因被标记为第一轮转录后，基因被标记为H3K4,H3K36&
48、H3K79甲基化甲基化H3K4被被Chd1识别后结合，招募识别后结合，招募SAGA复合物；复合物；SAGA复合物乙酰化组蛋白复合物乙酰化组蛋白转录保持激活转录保持激活 哈佛大学的分子生物学家施洋及其同事在哈佛大学的分子生物学家施洋及其同事在2004年年12月月16日的日的细胞细胞杂志网络版上报告：杂志网络版上报告：他们发现了一种组蛋白去甲基酶，他们发现了一种组蛋白去甲基酶，命名为命名为赖氨酸赖氨酸特异性去甲基酶特异性去甲基酶1(LSD1)(lysine-specificdemethylase1)。这种酶能使某种组蛋白尾部的一。这种酶能使某种组蛋白尾部的一个氨基酸个氨基酸-赖氨酸失去甲基。某些类
49、型的白血病、赖氨酸失去甲基。某些类型的白血病、结肠癌等疾病，被认为可能与错误的甲基化过程结肠癌等疾病，被认为可能与错误的甲基化过程有关，组蛋白去甲基酶可能成为颇有潜力的药物有关，组蛋白去甲基酶可能成为颇有潜力的药物标靶。标靶。 甲基转移酶甲基转移酶去甲基酶使组蛋白失去甲基去甲基酶使组蛋白失去甲基ShiYJ,LanF,MatsonC,etal.HistonedemethylationmediatedbythenuclearamineoxidasehomologLSD1.Cell,2004,119(7):941953Jmjc proteinsJHDM1A:H3K36的去甲基的去甲基酶酶,mono-
50、&dirJHDM2:H3K9的去甲基的去甲基酶酶,mono-&dirJHDM3/JMJD2:H3K9orH3K36的的di-&tri-me组蛋白甲基化的遗传PC:Polycomb；招募；招募PRC2/EZH2，甲基化子染色质上的，甲基化子染色质上的H3K27;PR-SET7:H4K20特异性的转甲基酶，通过未知蛋白质，修饰特异性的转甲基酶，通过未知蛋白质，修饰子染色质上的子染色质上的H4K20表观遗传信息的传递！表观遗传信息的传递！三、组蛋白的磷酸化1.磷酸化：磷酸化：丝氨酸氨酸(S)/苏氨酸氨酸(T)2.转录调控：控：H3K10被被Rsk-2磷酸化磷酸化3.H4S1的磷酸化：异染色的磷酸化：
51、异染色质的形成的形成4.DNArepair:H2AX(组蛋白蛋白2A变异体异体)磷酸化磷酸化H3的磷酸化的磷酸化1.H3K10和和H3K28的磷酸化的磷酸化H3的磷酸化的磷酸化1.IKK磷酸化磷酸化H3K10，促，促进NF-B的表达；的表达；2.MSK1&MSK2:促促进c-fos&c-jun的表达的表达H3磷酸化的功能：基因表达磷酸化的功能：基因表达H4S1的磷酸化的磷酸化常染色质的H4S1被磷酸化之后A.直接形成致密的异染色直接形成致密的异染色质；B.招募招募HP1，形成异染色，形成异染色质；C.促使促使组蛋白异构体的替蛋白异构体的替换。H2AX的磷酸化1.UV使得使得DNA发生双生双链断
52、裂；断裂；2.激活激活ATM/ATR，磷酸，磷酸化化许多底物，包括多底物，包括H2AX;3.H2AX招募招募NuA4和和Cohesin复合物；复合物；4.NuA4乙乙酰化化DSB附近附近的的组蛋白，招募蛋白，招募INO80，分分别进行行单链的修复；的修复；5.修复完修复完毕，招募，招募Tip60踢走踢走H2AX四、组蛋白的泛素化1.通常发生在赖氨酸通常发生在赖氨酸(K)上；上；2.可逆的生化反应：可逆的生化反应：A.E1,E2&E3B.DUBs3.分子效应：小蛋白质，可能改变底物的结构分子效应：小蛋白质，可能改变底物的结构4.生物学功能：生物学功能：H2B的泛素化的泛素化A.H2B的泛素化平衡
53、组蛋白的泛素化平衡组蛋白H3K4和和H3K36的甲基化水的甲基化水平平Ubiquitination五、组蛋白的SUMO化1.通常发生在赖氨酸通常发生在赖氨酸(K)上；上；2.可逆的生化反应：可逆的生化反应：A.E1,E2,&E3B.SENPs3.生物学功能：生物学功能：A.转录沉默转录沉默B.抑制组蛋白的乙酰化和甲基化抑制组蛋白的乙酰化和甲基化组蛋白的SUMO化1.H2A,H2B,H3,&H4都可能被都可能被SUMO化修化修饰；2.酵母中，酵母中，H2AK126，H2BK6/K7,orK16/K17可能被可能被SUMO化修化修饰Act招募招募HAT，激活，激活转录。Act可能招募可能招募E2/
54、E3，使，使组蛋白蛋白SUMO化，削弱化，削弱转录。Rep招募招募HDAC，组蛋白去乙蛋白去乙酰化化/招募招募HMT，甲基化，甲基化组蛋白。招募蛋白。招募HP1，形成异染色，形成异染色质。六、组蛋白密码Histonecode:Thehistonecodehypothesispredictsthatthepost-translationalmodificationsofhistones,aloneorincombination,functiontodirectspecificanddistinctDNA-templatedprograms.组蛋白密码 染色体的多级折叠过程中，需要染色体的多级折叠
55、过程中，需要DNA同组蛋白同组蛋白(H3、H4、H2、H2B和和H1)结合在一起。研究中，人们发现组蛋白在进化中是结合在一起。研究中，人们发现组蛋白在进化中是保守的，但它们并不是通常认为的静态结构。组蛋白在翻译后的保守的，但它们并不是通常认为的静态结构。组蛋白在翻译后的修饰中会发生改变，从而提供一种修饰中会发生改变，从而提供一种识别的标志识别的标志，为其它蛋白与为其它蛋白与DNA的结合产生协同或拮抗效应的结合产生协同或拮抗效应，它是一种动态转录调控成分，它是一种动态转录调控成分，称为称为组蛋白密码组蛋白密码(histonecode)。v所谓组蛋白密码就是对结合DNA的组蛋白进行一系列修饰,从而
56、影响某些基因何时以及以何种方式被打开或关闭。组蛋白密码信息存在于转录后组蛋白修饰等过程中，这些修饰的多样性、整体性及生物学功能的多样性表明存在这样一种组蛋白密码。 组蛋白修饰作为一种重要的表观标志 ，与其他表观标志之间也存在一定的联系 ，构成了一个复杂的网络。组蛋白密码大大丰富了传统遗传密码的信息含量 。组蛋白氨基末端的多样化修饰扩充了遗传密码的信息库。 这种常见的组蛋白外在修饰作用包括这种常见的组蛋白外在修饰作用包括乙酰化、甲基化、磷乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化、酸化、泛素化、糖基化、ADPADP核糖基化、羰基化核糖基化、羰基化等等，它们都等等，它们都是是组蛋白密码的基本元素组蛋白
57、密码的基本元素。 与与DNADNA密码不同的是，组蛋白密码在动物、植物和真菌类密码不同的是，组蛋白密码在动物、植物和真菌类中是不同的。我们从植物细胞保留有发育成整个植株的全能性中是不同的。我们从植物细胞保留有发育成整个植株的全能性和去分化的特性中，就可以看出它们在建立和保持表观遗传信和去分化的特性中，就可以看出它们在建立和保持表观遗传信息方面与动物是不同的。息方面与动物是不同的。 2024年年9月月5日日1101102024年年9月月5日日110110BryanM.Turner,naturecellbiology,2007v组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型被组蛋白中被修饰氨基酸的种类
58、、位置和修饰类型被称为组蛋白密码（称为组蛋白密码（histone codehistone code），遗传密码的表），遗传密码的表观遗传学延伸，决定了基因表达调控的状态，并且观遗传学延伸，决定了基因表达调控的状态，并且可遗传。可遗传。2024年年9月月5日日111111v组蛋白修饰种类l乙酰化乙酰化- - 一般与活化的染色质构型相关联，乙酰一般与活化的染色质构型相关联，乙酰化修饰大多发生在化修饰大多发生在H3H3、H4H4的的 Lys Lys 残基上。残基上。l甲基化甲基化- - 发生在发生在H3H3、H4H4的的 Lys Lys 和和 Arg Arg 残基上，残基上，可以与基因抑制有关，也可
59、以与基因的激活相关，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。这往往取决于被修饰的位置和程度。l磷酸化磷酸化- - 发生与发生与 Ser Ser 残基，一般与基因活化相关。残基，一般与基因活化相关。l泛素化泛素化- - 一般是一般是C C端端LysLys修饰，启动基因表达。修饰，启动基因表达。lSUMOSUMO（一种类泛素蛋白）化（一种类泛素蛋白）化- - 可稳定异染色质。可稳定异染色质。l其他修饰其他修饰2024年年9月月5日日1131132024年年9月月5日日1131132024年年9月月5日日114114三、染色质重塑三、染色质重塑核小体染色质重塑（染
60、色质重塑（chromatinremodeling）v真核生物染色质是一切遗传学过程的物质基础，染色质构真核生物染色质是一切遗传学过程的物质基础，染色质构型局部和整体的动态改变，是基因功能调控的关键因素。型局部和整体的动态改变，是基因功能调控的关键因素。染色质的基本结构单位是核小体（染色质的基本结构单位是核小体（nucleosome），每个），每个核小体是由核小体是由5种组蛋白和种组蛋白和DNA链链200bp组成，其核心颗粒组成，其核心颗粒是由是由H2A、H2B、H3和和H4四种组蛋白各两个分子的八聚四种组蛋白各两个分子的八聚体和绕体和绕1.8圈的圈的147bp组成。当组成。当DNA绕到两圈时，
61、约用绕到两圈时，约用165bp，并结合上一个，并结合上一个H1组蛋白分子。染色质重塑是指染组蛋白分子。染色质重塑是指染色质位置和结构的变化，主要涉及核小体的置换或重新排色质位置和结构的变化，主要涉及核小体的置换或重新排列，改变了核小体在基因启动序列区域的排列，增加了基列，改变了核小体在基因启动序列区域的排列，增加了基因转录装置和启动序列的可接近性。因转录装置和启动序列的可接近性。v染色质重塑与组蛋白染色质重塑与组蛋白N端尾巴修饰密切相关，尤其是对组端尾巴修饰密切相关，尤其是对组蛋白蛋白H3和和H4的修饰。通过修饰直接影响核小体的结构，的修饰。通过修饰直接影响核小体的结构，并为其他蛋白质提供了与
62、并为其他蛋白质提供了与DNA作用的结合位点。染色质作用的结合位点。染色质重塑修饰方式主要包括两种：一种是含有组蛋白乙酰转移重塑修饰方式主要包括两种：一种是含有组蛋白乙酰转移酶和脱乙酰酶的化学修饰；另一种是依赖酶和脱乙酰酶的化学修饰；另一种是依赖ATP水解释放能水解释放能量解开组蛋白与量解开组蛋白与DNA的结合，使转录得以进行。的结合，使转录得以进行。v通常，通常，DNA甲基化与染色质的压缩状态、甲基化与染色质的压缩状态、DNA的不可接的不可接近性，以及与近性，以及与基因沉默基因沉默（genesilencing）状态相关；而）状态相关；而DNA去甲基化、组蛋白的乙酰化和染色质去压缩状态，去甲基化
63、、组蛋白的乙酰化和染色质去压缩状态，则与转录的启动、则与转录的启动、基因活化基因活化和行使功能有关。这意味着，和行使功能有关。这意味着，不改变基因结构，而改变基因转录的微环境条件就可以令不改变基因结构，而改变基因转录的微环境条件就可以令其沉默，或使其激活。其沉默，或使其激活。2024年年9月月5日日117117三、染色质重塑三、染色质重塑v染色质重塑（染色质重塑（chromatin remodelingchromatin remodeling）是一个）是一个重要的表观遗传学机制。重要的表观遗传学机制。v染色质重塑是由染色质重塑复合物介导的一系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
64、核小体变化为基本特征的生物学列以染色质上核小体变化为基本特征的生物学过程。过程。v组蛋白尾巴的化学修饰（乙酰化、甲基化及磷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，从而影响邻近酸化等）可以改变染色质结构，从而影响邻近基因的活性。基因的活性。2024年年9月月5日日118118三、染色质重塑三、染色质重塑染色质修饰与重塑（共价修饰型与染色质修饰与重塑（共价修饰型与ATPATP依赖型）依赖型）v染色质重塑复合物、组蛋白修饰酶的突变均和转染色质重塑复合物、组蛋白修饰酶的突变均和转录调控、录调控、DNA甲基化、甲基化、DNA重组、细胞周期、重组、细胞周期、DNA的复制和修复的
65、反常相干的复制和修复的反常相干,这些反常可以引起这些反常可以引起生长发育反常生长发育反常,智力发育缓慢智力发育缓慢,乃至导致癌症。乃至导致癌症。v依赖依赖ATP的物理修饰主要是使用的物理修饰主要是使用ATP水解释放的水解释放的能量能量,使使DNA超螺旋旋矩和旋相产生转变超螺旋旋矩和旋相产生转变,使转录因使转录因子更易靠近并连合核小体子更易靠近并连合核小体DNA,从而调控基因的转从而调控基因的转录进程。录进程。三、染色质重塑三、染色质重塑2024年年9月月5日日120120三、染色质重塑三、染色质重塑（A A）结合）结合（B B）松链）松链（C C）重塑）重塑八聚体转移八聚体转移八聚体滑动八聚体
66、滑动+ ATP+ ATP重塑重塑复合物复合物A AT TP P依依赖赖的的染染色色质质重重构构机机制制染色质重塑复合物：染色质重塑复合物： 依靠水解依靠水解ATPATP提提供能量来完成染色质供能量来完成染色质结构的改变，根据水结构的改变，根据水解解ATPATP的亚基不同，的亚基不同，可将复合物分为可将复合物分为SWI/SNFSWI/SNF复合物、复合物、ISWISW复合物等，这些复合复合物等，这些复合物及相关蛋白均与转物及相关蛋白均与转录激活和抑制、录激活和抑制、DNADNA甲基化、甲基化、DNADNA修复及修复及细胞周期相关细胞周期相关。2024年年9月月5日日121121v染色染色质重塑与
67、人重塑与人类疾病疾病（ ATRX、 ERCC6、 SMARCAL1编码与SWI/SNF复合物相关的ATP酶）lX X连锁连锁-地中海贫血综合征、地中海贫血综合征、Juerg Juerg MarisidiMarisidi综合综合征、征、Carpenter-WaziriCarpenter-Waziri综合征、综合征、Sutherland-HaanSutherland-Haan综合综合征和征和Smith-Fineman-MyersSmith-Fineman-Myers综合征：综合征：ATRXATRX突变引起突变引起DNADNA甲基化异常。核小体重新定位的异常引起基因表达抑甲基化异常。核小体重新定位的
68、异常引起基因表达抑制。制。lSkeletalSkeletal综合征和综合征和B B型型CockayneCockayne综合征：综合征：ERCC6ERCC6（在（在DNADNA修复中起重要作用）突变。修复中起重要作用）突变。lSchimkeSchimke免疫性骨质发育异常：免疫性骨质发育异常：SMARCAL1SMARCAL1（调控细胞增（调控细胞增殖相关基因的表达）殖相关基因的表达） l肿瘤：肿瘤：BRG1BRG1、SMARCB1SMARCB1和和BRMBRM编码与编码与SWI/SNFSWI/SNF复合物特异复合物特异的的ATPATP酶（改变染色质结构）酶（改变染色质结构）三、染色质重塑三、染色
69、质重塑四、四、RNA调控调控2024年年9月月5日日123123四、四、RNA调控调控siRNAvsiRNA结构：结构：21-23nt的双链结构，序列与靶的双链结构，序列与靶mRNA有同源性，双链两端各有有同源性，双链两端各有2个突出非配对的个突出非配对的3碱基。碱基。vsiRNA功能：是功能：是RNAi作用的重要组分，是作用的重要组分，是RNAi发生的中介分子。内源性发生的中介分子。内源性siRNA使细胞能够抵御使细胞能够抵御转座子、转基因和病毒的侵略。转座子、转基因和病毒的侵略。2024年年9月月5日日1231232024年年9月月5日日124124四、四、RNA调控调控miRNAv结构：
70、结构：21-25nt长的单链小分子长的单链小分子RNA，5端有端有一个磷酸基团，一个磷酸基团，3端为羟基，由具有发夹结构端为羟基，由具有发夹结构的约的约70-90个碱基大小的单链个碱基大小的单链RNA前体经过前体经过Dicer酶加工后生成。酶加工后生成。v特点：具有高度的保守性、时序性和组织特异特点：具有高度的保守性、时序性和组织特异性性。2024年年9月月5日日1241242024年年9月月5日日125125四、四、RNA调控调控2024年年9月月5日日125125非编码非编码RNA与疾病与疾病v癌症癌症v神经性疾病：如精神分裂症（神经性疾病：如精神分裂症（DISC2RNA异常所异常所诱发的
71、精神分裂症。）、孤独症、忧郁症、躁动诱发的精神分裂症。）、孤独症、忧郁症、躁动症等症等v牛皮癣易感性牛皮癣易感性四、四、RNA调控调控2024年年9月月5日日127127五、其他表观遗传机制五、其他表观遗传机制v除除DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、和甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、和RNA调控以外，还有遗传印迹、调控以外，还有遗传印迹、X染色体失活、染色体失活、等。等。v遗传印迹、遗传印迹、X染色体失活的本质仍为染色体失活的本质仍为DNA甲基化、甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑。组蛋白修饰、染色质重塑。2024年年9月月5日日128128遗遗传传印印迹迹2024年年9月月5日日128128
72、v概念：概念：l传给子代的亲本基因在子代中表达的状况取决于基因传给子代的亲本基因在子代中表达的状况取决于基因来自母本还是父本的现象。该现象在合子形成时已经来自母本还是父本的现象。该现象在合子形成时已经决定，是涉及基因表达调控的遗传。决定，是涉及基因表达调控的遗传。v特点：特点：l基因组印迹依靠单亲传递某种性状的遗传信息，被印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因中一个不表达或表达很弱。自双亲的两个等位基因中一个不表达或表达很弱。l不遵循孟德尔定律，是一种典型的非孟德尔遗传，正
73、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。反交结果不同。v机制：机制：l基因组在传递遗传信息的过程中，通过基因组的化学基因组在传递遗传信息的过程中，通过基因组的化学修饰（修饰（DNA的甲基化；组蛋白的甲基化、乙酰化、磷的甲基化；组蛋白的甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等）而使基因或酸化、泛素化等）而使基因或DNA片段被标识的过程。片段被标识的过程。2024年年9月月5日日129129遗遗传传印印迹迹2024年年9月月5日日129129正交Igf-2Igf-2Igf-2mIgf-2mIgf-2Igf-2Igf-2mIgf-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
74、小鼠Igf-2mIgf-2Igf-2Igf-2m2024年年9月月5日日130130遗遗传传印印迹迹2024年年9月月5日日130130v由正反交实验可以看出：由正反交实验可以看出：l印迹基因的正反交结果不一致、不符合孟德印迹基因的正反交结果不一致、不符合孟德尔定律。尔定律。l小鼠小鼠Igf-2基因总是母本来源的等位基因被印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，因此是母本迹，父本来源的等位基因表达，因此是母本印迹。印迹。l基因印迹使基因的表达受到抑制，导致被印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。迹的基因的生物功能的丧失。2024年年9月月5日日1
75、31131遗遗传传印印迹迹2024年年9月月5日日131131v基因印迹过程基因印迹过程l印迹的形成印迹的形成印迹形成于成熟配子，并持续到出生后。印迹形成于成熟配子，并持续到出生后。l印记的维持印记的维持l印记的去除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。印记的去除过程是发生在原始生殖细胞的早期阶段。v基因组印迹的机制基因组印迹的机制l配子在形成过程中，配子在形成过程中，DNA产生的甲基化、核组蛋白产产生的甲基化、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。模式发生了改变。父本父本PWS印记中心缺失印记中
76、心缺失母本母本AS印记中心缺失印记中心缺失2024年年9月月5日日134134X染色体失活染色体失活v1961年年M.F.Lyon就提出了关于雌性哺乳动物体细胞的两就提出了关于雌性哺乳动物体细胞的两条条X染色体中会有一条发生随机失活的假说，并认为这是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。一种基因剂量补偿的机制。v以后的研究表明在给定的体细胞有丝分裂谱系中，有一条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谱系中同一条X染色体又可以是活化的且呈常染色
77、质状态。染色体又可以是活化的且呈常染色质状态。v1996年年G.D.Penny等发现等发现X染色体的染色体的Xq13.3区段有一个区段有一个X失失活中心活中心(X-inactioncenter，Xic)，X-失活从失活从Xic区段开始启区段开始启动，然后扩展到整条染色体。动，然后扩展到整条染色体。2024年年9月月5日日135135X染色体失活染色体失活v失活失活X染色体即为巴氏小体。染色体即为巴氏小体。v失活失活X染色体特点：染色体特点：l组蛋白组蛋白H4不被乙酰化不被乙酰化lCpG岛的高度甲基化岛的高度甲基化巴氏小体巴氏小体2024年年9月月5日日136136X染色体失活染色体失活X染染色色体体失失活活过过程程模模式式图图20242024年年年年9 9月月月月5 5日日日日
