表觀遺傳學(xué)ppt課件

第六章 表觀遺傳學(xué) （epigenetics ） 1 1 xx 馬騾驢騾 騾子更象誰？ 2 2 表觀遺傳學(xué) 主要內(nèi)容： 第一節(jié) 表觀遺傳概述 第二節(jié) 表觀遺傳調(diào)控機(jī)制 第三節(jié) 表觀遺傳研究的應(yīng)用 3 3 第一節(jié) 表觀遺傳概述 一、表觀遺傳現(xiàn)象 分子生物學(xué)的中心法則 （entral dogma） 堿基序列（基因）決定性狀，序列改變，引起性狀的改變。 4 4 影響基因表達(dá)的遺傳變異因素 l基因突變（錯(cuò)義突變） l基因缺失/倍增 l染色體結(jié)構(gòu)及數(shù)目變異 問題： 基因表達(dá)的變化（或性狀的變化）一定是 DNA序列變異的結(jié)果嗎？ 5 5 BUT “Some authors use the term “variation” in a technical sense, as implying a modification directly due to the physical conditions of life; and “variations” in this sense are supposed not to be inherited; but who can say that the dwarfed condition of shells in the brackish waters of the Baltic, or dwarfed plants on Alpine summits, or the thicker fur of an animal from far northwards, would not in some cases be inherited for at least a few generations (Darwin, 1859)?” Lamarck was the first man whose conclusions on the subject excited much attention. This justly celebrated naturalist first published his views in 1801. . . he first did the eminent service of arousing attention to the probability of all changes in the organic, as well as in the inorganic world, being the result of law, and not of miraculous interposition.（ Darwin, 1861） 6 6 Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829) 獲得性遺傳（ Inheritance of acquired characteristics） 7 7 問題 環(huán)境的作用能否改變個(gè)體的遺傳 特性，并傳遞給下一代? 這種被稱為“拉馬克學(xué)說”(Lamarckism) 的 觀點(diǎn)一直被正統(tǒng)的生物學(xué)家拒之門外。 8 8 u一種結(jié)論：個(gè)體在發(fā)育和生長(zhǎng)過程中獲得的環(huán)境 影響，被遺傳給了后代。 什么決定基因？大自然(環(huán)境)如此豐富多彩、如 此變化不停，很難想象，對(duì)于一個(gè)開放的復(fù)雜生 命系統(tǒng)，不會(huì)打上它的烙印。 u瑞典一個(gè)科學(xué)家小組的研究: 對(duì)于生于1890- 1920年的瑞典男人的孫輩而言，如果其祖父在青 少年期間吃得很好， 那么孫輩因糖尿病而死亡 的概率就很高；如果其祖父是在饑餓中長(zhǎng)大的 那么孫輩死于心臟病的機(jī)會(huì)就很少。也就是說， 祖父輩的飲食狀態(tài)影響到了孫輩的健康狀態(tài)。 9 9 1010 人類同卵雙生的孿生子： 具有完全相同的基因組，在同樣的環(huán)境下成長(zhǎng)， 倆人的氣質(zhì)和體質(zhì)應(yīng)該非常相似。 實(shí)際情形： 一些孿生子的情況并不符合預(yù)期的理論。往往在 長(zhǎng)大成人后出現(xiàn)性格、健康方面的很大差異。這 種反?，F(xiàn)象長(zhǎng)期困擾著遺傳學(xué)家。 現(xiàn)在科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)：可以在不影響DNA序列的情況 下改變基因組的修飾這種改變不僅可以影響個(gè) 體的發(fā)育，而且還可以遺傳下去。 1111 Science 7 April 2000:Vol. 288. no. 5463, p. 38 Was Lamarck Just a Little Bit Right? Michael Balter Although Jean-Baptiste Lamarck is remembered mostly for the discredited theory that acquired traits can be passed down to offspring, new findings in the field of epigeneticsepigenetics, the study of changes in genetic expression that are not linked to alterations in DNA sequences, are returning his name to the scientific literature. Although these new findings do not support Lamarcks overall concept, they raise the possibility that “epimutations,“ as they are called, could play a role in evolution. 1212 Epigenetics comes of age “The major problem, I think, is chromatin you can inherit something beyond the DNA sequence. Thats where the real excitement of genetics is now” (Watson, 2003). 1313 n概念：指基因的DNA序列不發(fā)生改變的情況 下，基因的表達(dá)水平與功能發(fā)生改變，并產(chǎn) 生可遺傳表型的遺傳學(xué)分支學(xué)科。 nEpigenetics is the study of stable genetic modifications that result in changes in gene expression and function without a corresponding alteration in DNA sequence. 表觀遺傳學(xué) 表觀基因組 The epigenome is a catalog of the epigenetic modifications that occur in the genome. 1414 特征: n 可遺傳； n 可逆性； n DNA不變 表觀遺傳學(xué) 1515 基因表達(dá)模式 相同的基因型不同的表型 一個(gè)多細(xì)胞生物機(jī)體的不同類型細(xì)胞 1616 基因表達(dá)模式 ( gene expression pattern ) 決定細(xì)胞類型的不是基因本身，而是基因表達(dá)模 式，通過細(xì)胞分裂來傳遞和穩(wěn)定地維持具有組織 和細(xì)胞特異性的基因表達(dá)模式對(duì)于整個(gè)機(jī)體的結(jié) 構(gòu)和功能協(xié)調(diào)是至關(guān)重要的。 基因表達(dá)模式在細(xì)胞世代之間的可遺傳性并不依 賴細(xì)胞內(nèi)DNA的序列信息。 1717 基因表達(dá)模式的信息標(biāo)記 表觀遺傳修飾 (epigenetic modification) DNA分子的特定堿基的結(jié)構(gòu)修飾 (如胞嘧啶的甲基化) 染色質(zhì)構(gòu)型重塑 (chromatinremodeling) (如組蛋白的構(gòu)型變化) 1818 二、表觀遺傳學(xué)的發(fā)展歷史 u1941年，Hermann J. Muller發(fā)現(xiàn)Position effect variegation (PEV) 第一種表觀遺傳 學(xué)現(xiàn)象。 u1942年，Waddington提出現(xiàn)代Epigenetics的 概念，認(rèn)為基因型通過一些“偶然的、不確定的 機(jī)制”決定了不同的表型。 u1958年，R.A.Brink發(fā)現(xiàn)paramutation現(xiàn)象。 u1961年，Mary Lyon發(fā)現(xiàn)X染色體失活現(xiàn)象。 u1983年，DNA甲基化的發(fā)現(xiàn)。 1919 2020 2121 2222 副突變（paramutation） 是指一個(gè)等位基因可以使其同源基因的轉(zhuǎn)錄 產(chǎn)生穩(wěn)定可遺傳變化。也就是基因或DNA 本身沒有變化，屬于一種后天的改變。即具 有同一位點(diǎn)的兩個(gè)等位基因之間的相互作用 ，它導(dǎo)致其中一個(gè)等位基因發(fā)生一個(gè)可遺傳 的變化。 2323 Paramutatio nn一個(gè)沉默的基因常常導(dǎo)致等位基因也發(fā)生沉默 nmaize P-rr gene：Myb 轉(zhuǎn)錄因子 2424 Paramutation n原因一：染色體發(fā)生交聯(lián)，使得等位基因受到 影響； 2525 Paramutation n原因二 ：RNA參與調(diào)控 2626 X-chromosome inactivation n雌性的一條X染色體完全失去活性 Rainbow Copy Cat Allie X染色體失活 2727 DNA甲基化 SAH, S-adenosylhomocysteine; SAM, S- adenosylmethionine 2828 u近年來，現(xiàn)代分子生物學(xué)認(rèn)為細(xì)胞中信息的表達(dá)受 兩種因素控制：一種是傳統(tǒng)意義上的遺傳調(diào)控，另 一種是表觀遺傳調(diào)控何時(shí)、何地、以何種方式去 應(yīng)用遺傳信息的指令。 u2003 年10月正式宣布開始投資和實(shí)施人類表觀基 因組計(jì)劃（HGP）。 u表觀遺傳學(xué)（epigentics）被認(rèn)為是遺傳學(xué)領(lǐng)域中 探討基因型與表現(xiàn)型之間相互關(guān)系的一個(gè)新的研究 方向。 2929 3030 n 人類基因組：22，000個(gè)基因vs. 100,000個(gè)蛋白 質(zhì)可變剪切(Alternative Splicing) 三、人類表觀遺傳學(xué)及表觀基因組研究 3131 全球最大表觀遺傳學(xué)項(xiàng)目啟動(dòng) 2010/09/07 南都訊 記者劉凡 通訊員王靜思 昨日，深圳華大基因研 究院與倫敦國(guó)王學(xué)院的知名雙胞胎研究團(tuán)隊(duì)TwinsUK共同 發(fā)起一項(xiàng)專門針對(duì)雙胞胎的遺傳學(xué)項(xiàng)目Epitwin。該 項(xiàng)目為目前全球最大的表觀遺傳學(xué)項(xiàng)目，將對(duì)全球5000對(duì) 雙胞胎進(jìn)行深入研究。 據(jù)介紹，這個(gè)項(xiàng)目計(jì)劃對(duì)雙胞胎中的基因進(jìn)行分別研 究，并且在同卵雙胞胎間進(jìn)行比較。與以往研究不同的是， 此次研究不是尋找相似之處，而是尋找那些能夠解釋為什么 同卵雙胞胎不得同樣疾病的差異。這個(gè)項(xiàng)目首先將以肥胖、 糖尿病、過敏反應(yīng)、心臟病、骨質(zhì)疏松癥和長(zhǎng)壽等為主要研 究對(duì)象，但研究方法可應(yīng)用于各種常見性狀和疾病。 3232 n人類表觀基因組和疾病聯(lián)合會(huì) 于2003 年10月正式宣布開 始投資和實(shí)施旨在解析人類全 基因組中表觀遺傳信息及其與 疾病狀態(tài)相關(guān)的特定表觀遺傳 修飾的人類表觀基因組計(jì)劃 (Human Epigenome Project , HEP) 。 nHEP 的提出和實(shí)施，標(biāo)志著 與人類發(fā)育和腫瘤疾病密切相 關(guān)的表觀遺傳學(xué) (epigenetic) 和表觀基因組 (epigenome) 研究跨上了一 個(gè)新的臺(tái)階。 3333 Epigenetic changes have been associated with disease, but further progress requires the development of better methods to detect the modifications and a clearer understanding of factors that drive these changes. 192 million USD for 5 years ( 2008 to 2012) The international AHEAD scientific committee will discuss the issue of the global collaborative efforts in light of the recent launch of NIH routemap Epigenetics program AHEAD(人類表觀基因組與疾病聯(lián)合會(huì)） （Alliance for the Human Epigenome and Disease）計(jì)劃. NIH-National Institutes of Health(美國(guó)) 3434 3535 12.5 M euro 2004-2009 3636 1.7 M euro 2005-2008 3737 10.9 M euro 2005-20103838 12 M euro 2005-2010 3939 3.5 M euro 2006-2009 4040 12 M euro 2006-2010 4141 第二節(jié) 表觀遺傳修飾機(jī)制 nDNA甲基化 n染色質(zhì)重塑 nX染色體失活 n基因組印跡 n基因表達(dá)重新編程 nRNA編輯與RNA干擾（略） 4242 （一）DNA 甲基化 pDNA甲基化(DNA methylation)是研究得 最清楚、 最重要的表觀遺傳修飾形式。 pDNA 甲基化指在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNA methyltransferase，Dnmt)的作用下，以s- 腺苷甲硫氨酸(sAM)為甲基供體，將甲基基 團(tuán)轉(zhuǎn)移到胞嘧啶第5位碳原子上。 p甲基化的胞嘧啶多位于CpG島上。 4343 Whats DNA methylation? C5-methyl-cytosine CH3 O NH2 1 2 3 4 5 6 cytosine DNA methyltransferase DNMT CG m O NH2 1 2 3 4 5 6 4444 CpG島 結(jié)構(gòu)基因5端 4545 4646 DNA甲基化的特點(diǎn) n不改變DNA的堿基配對(duì)特性 n不改變DNA的編碼屬性 n增加額外的信息 n體細(xì)胞可遺傳 4747 維持甲基化（maintenance methylation) DNMT1 DNADNA甲基化的遺傳機(jī)制甲基化的遺傳機(jī)制 忠實(shí)度：9598% DNA 雙鏈 4848 DNMT3 從頭甲基化 （de novo methylation) DNA 雙鏈 4949 DNA甲基化導(dǎo)致基因 沉默 基因之“鎖” 沉默 啟動(dòng)子區(qū) 轉(zhuǎn)錄 永固牌 5050 鎖定“自私”基因 反轉(zhuǎn)座子反轉(zhuǎn)座子反轉(zhuǎn)座子反轉(zhuǎn)座子 永固牌 5151 干擾轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合 TF TF 轉(zhuǎn)錄 沉默 DNA甲基化導(dǎo)致基因沉默的機(jī)制 5252 （二）染色質(zhì)重塑（ Chromatin remodeling） n組成核小體的組蛋白可以被多種化學(xué)加合物 所修飾，如磷酸化、乙?；图谆龋M 蛋白的這類結(jié)構(gòu)修飾可使染色質(zhì)的構(gòu)型發(fā)生 改變，稱為染色質(zhì)重塑。 n組蛋白的乙?；话闩c常染色質(zhì)構(gòu)型 (euchromatin)和基因活化相關(guān)聯(lián)。 n組蛋白的去乙?；图谆瘎t與濃縮的異染 色質(zhì)(hetero-chromatin)構(gòu)型和基因表達(dá) 受抑相關(guān)聯(lián)。 5353 染色質(zhì)重塑過程涉到及幾個(gè)酶， 包括： n DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNMT) n 甲基胞嘧啶結(jié)合蛋白（MBD） n 組蛋白去乙?；?HDAC) n 組蛋白甲基化酶（HMT） 5454 染色質(zhì)重塑 異染色質(zhì)形成 AC 轉(zhuǎn)錄 Pol II HMT AC AC AC AC AC AC M M M M MBD MBD MBD MBD甲基化酶 甲基化酶 HDAC HDAC HDAC HDAC HM HMT HMT 疏松開放致密封閉 MBD: methyl-C binding protein，甲基C結(jié)合蛋白 HDAC: histone deactyltransferase, 組蛋白去乙酰化酶HMT: histone methyltransferase 組蛋白甲基化酶 AC: actyl group, 乙?；?5555 （三）X染色體失活 n雌性哺乳動(dòng)物細(xì)胞中的兩條X染色體中會(huì) 有一條發(fā)生隨機(jī)失活。 nX染色體的Xq13.3區(qū)段有一個(gè)X失活中心(X -inaction center，Xic)，存在著X染色 體失活相關(guān)的特異性轉(zhuǎn)錄基因Xist，這個(gè) 基因轉(zhuǎn)錄一段17kb不翻譯的RNA與X 染 色體結(jié)合，引發(fā)失活。失活從Xic區(qū)段開 始啟動(dòng)，然后擴(kuò)展到整條染色體。 5656 X染色體失活 （X-chromosome inactivation） XXXY XY XX Barr body 5757 X 染色體的失活狀態(tài)需要表觀遺傳修飾 如DNA 甲基化來維持。 X染色體 失活特點(diǎn) 組蛋白H4不 被乙?；?CpG島的高 度甲基化 5858 X染色體失活障礙引發(fā)疾病 Wiskott-Aldrich Syndrome 免疫缺陷性疾病 Puck JM, et al. N Engl J Med. 1998 5959 （四）基因組印跡 二倍體細(xì)胞中來自某一親本的等位基 因或它所在染色體發(fā)生了表觀遺傳修 飾，導(dǎo)致不同親本來源的兩個(gè)等位基 因只有一個(gè)可以表達(dá)，另一個(gè)因甲基 化而沉默。 6060 基因組印跡是兩個(gè)親本等位基因的差異性甲基化 型造成了一個(gè)親本等位基因的沉默，另一個(gè)親本 等位基因保持單等位基因活性(monoallelic activity)。 B AA B 表達(dá)沉默 表達(dá)沉默 6161 馬騾（馬驢）驢騾（驢馬） 6262 不同親本來源的印跡基因的DNA甲基化型都 是在生殖細(xì)胞成熟過程中建立的。 原始性細(xì)胞（2n ） 配子（n ） 合子（2n ） 6363 n基因組印跡是性細(xì)胞系的一種表觀遺傳修 飾，這種修飾有一整套分布于染色體不同 部位的印跡中心來協(xié)調(diào)，印跡中心直接介 導(dǎo)了印跡標(biāo)記的建立及其在發(fā)育全過程中 的維持和傳遞，并導(dǎo)致以親本來源特異性 方式優(yōu)先表達(dá)兩個(gè)親本等位基因中的一個(gè) ，而使另一個(gè)沉默。 n研究表明，在哺乳動(dòng)物中相當(dāng)數(shù)量的印跡 基因是與胎兒的生長(zhǎng)發(fā)育和胎盤的功能密 切相關(guān)的。 6464 （五）基因表達(dá)重新編程（五）基因表達(dá)重新編程 n同一生物體中，由于基因表達(dá)模式的 不同，造成具有相同基因組的細(xì)胞執(zhí) 行的功能也各不相同。 n與組織和細(xì)胞特異性相關(guān)的基因表達(dá) 模式的建立和細(xì)胞信息的維持，必需 是可以通過細(xì)胞分裂而遺傳的， 同 時(shí)也應(yīng)該具備被刪除和重建的潛在可 能性。 6565 “多莉”的誕生證明：一個(gè)來自成年的哺乳動(dòng)物 的高度分化的體細(xì)胞仍然保持發(fā)育成為完整個(gè) 體的能力，也就是說細(xì)胞的分化并沒有造成不 可逆的遺傳物質(zhì)修飾。 6666 n已徑完全分化的細(xì)胞，其基因組在特 定條件下經(jīng)過表觀遺傳修飾重建，可 以為胚胎發(fā)育中的基因表達(dá)重新編程 (reprogramming)并賦予發(fā)育全能性 。 n胚胎發(fā)育中表觀基因組重新編程的差 誤將會(huì)導(dǎo)致多種表觀遺傳缺陷性疾病 。 基因表達(dá)重新編程 6767 發(fā)育過程中表觀基因組的重編程 表 觀 基 因 組 原始性細(xì)胞 (2n) 胚胎組織成熟性細(xì)胞 受精卵 精子分化 卵子分化 早期原始生殖細(xì)胞的表觀遺傳修飾(包括基因組印跡)會(huì)被刪除。在 生殖細(xì)胞發(fā)生與成熟過程中表觀遺傳標(biāo)記重新建立。受精后會(huì)進(jìn)行 除印跡基因(由黑色虛線表示)以外的表觀遺傳修飾的刪除與重建， 重建后的表觀基因組在組織特異性定型后被穩(wěn)定地維持。 6868 輔助生育是在配子生成和胚胎發(fā)育早期干預(yù) 了生殖，而這個(gè)時(shí)期正是表觀遺傳編程獲得 和維持的關(guān)鍵時(shí)期，因此： n核移植克隆成功率極低的原因是由于基因 組表觀遺傳狀態(tài)重新編程的失敗。 n輔助生育是在配子生成和胚胎發(fā)育早期干 預(yù)了生殖，而這個(gè)時(shí)期正是表觀遺傳編程 獲得和維持的關(guān)鍵時(shí)期。 n試管嬰兒會(huì)出現(xiàn)遺傳缺陷增高的現(xiàn)象，有 必要對(duì)經(jīng)輔助生育技術(shù)孕育的孩子作表觀 遺傳學(xué)監(jiān)測(cè)。 6969 第三節(jié)第三節(jié) 表觀遺傳研究的應(yīng)用表觀遺傳研究的應(yīng)用 （一）表觀遺傳與腫瘤（一）表觀遺傳與腫瘤 1 1、DNADNA甲基化甲基化整體與局部的悖論 l癌基因組整體甲基化水平降低 Global hypomethylation l抑癌基因特異性過度甲基化 gene specific hypermethylation 7070 整體甲基化不足 在腫瘤發(fā)生中的作 用 Holm TM, et al. Cancer Cell. 2005Sakatani T, et al. Science. 2005 染色體穩(wěn)定性降低 基因印跡丟失 癌基因激活 7171 基因特異性DNA過度甲基 化 （hypermethylation) Feinberg AP, et al. Nat Rev Genet. 2006 被上鎖的抑癌基因 抑癌基因沉默 7272 2、腫瘤的抗甲基化治療 1）打開鎖鏈 解救基因 TRENDS in Pharmacological Sciences 2004 . Zebularine Procaine EGCG Psammaplins Decitabine Chemicals Clinical trial Phase III Phase II Phase I preclinical preclinical (甲基化酶抑制劑） 7373 抗甲基化治療：解救英雄與釋放 惡魔 癌基因 自私基因 抑癌基因 7474 2）靶向性DNA甲基化 造一把專用之鎖，鎖定 魔鬼 7575 永固牌 “鎖”定病毒基因 HSV-IE175 promoter ZIF 甲基化酶 沉默 ZIF: zinc finger protein 7676 A B C D E HSV 甲基化酶 ZIF 靶向性DNA甲基化鎖定病毒基因 HSV 甲基化酶 ZIF Nucleic Acids Research, 2007, 35：100-112 7777 靶向性DNA甲基化抑制HSV活病毒復(fù) 制 B A: 靶向性DNA甲基化抑制 病毒靶基因的表達(dá) B:靶向性DNA甲基化抑制 活病毒的復(fù)制 A Nucleic Acids Research, 2007, 35：100-112 7878 （二）表觀遺傳與疾病 表觀遺傳修飾異常引起的疾病主要可分為兩 大類： n一類是在發(fā)育的重新編程過程中造成的特定 基因表觀遺傳修飾的異常，稱為表觀突變 (epimutation) n另一類是與表觀遺傳修飾的分子機(jī)器結(jié)構(gòu)與 功能相關(guān)的蛋白質(zhì)編碼基因有關(guān)，如DNA甲 基轉(zhuǎn)移酶基因或差異甲基化CpG島結(jié)合蛋白 CTCF基因的突變或表觀突變。 7979 與表觀遺傳修飾異常有關(guān)的人類疾病 nRett綜合癥：只見于女孩的精神發(fā)育遲滯癥， 由X染色體上編碼一種甲基結(jié)合蛋白的基因突 變引起。 nICF綜合癥：表現(xiàn)不同程度的免疫缺陷，由能 催化DNA從頭甲基化的DNMT3B編碼基因的 突變所致。 nATR-X癥：-地中海貧血/智力發(fā)育遲滯，由 高度重復(fù)序列區(qū)域甲基化的嚴(yán)重減少所致。 n脆性X綜合癥：遺傳性智力障礙， FMRI基因 的(CCG)n重復(fù)序列擴(kuò)展引起CCG中CpG二聯(lián) 核苷的甲基化。 8080 脆性X綜合癥 8181 u無論DNA甲基化水平增高還是減低， 都與人的衰老過程相關(guān)。 u啟動(dòng)子區(qū)域出現(xiàn)年齡相關(guān)的甲基化 動(dòng)脈粥樣硬化，結(jié)腸，糖尿病。 u衰老細(xì)胞的甲基化水平降低，導(dǎo)致基 因不穩(wěn)定性增高，增加了腫瘤發(fā)生的危 險(xiǎn)。 （三）表觀遺傳與衰老 8282 （四）表觀遺傳與作物遺傳改良 廣泛表觀遺傳變異 extensive epi-mutation 解決人類 糧食問題 普通小麥 遠(yuǎn)緣雜交遠(yuǎn)緣雜交/ /異緣染色質(zhì)漸滲異緣染色質(zhì)漸滲/ /多倍體化多倍體化/ /環(huán)境因子或基環(huán)境因子或基 因組脅迫誘導(dǎo)的表觀遺傳變異在作物遺傳改良中蘊(yùn)藏因組脅迫誘導(dǎo)的表觀遺傳變異在作物遺傳改良中蘊(yùn)藏 著尚未被發(fā)掘的巨大潛力！著尚未被發(fā)掘的巨大潛力！ 8383