表觀遺傳學(xué)同等學(xué)歷第1頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二同卵雙胞胎不同人生結(jié)果第2頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二幾十年來，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(guān)系。在童年階段，她倆被視為一個(gè)人的兩個(gè)版本：她們穿同樣的衣服，留同樣的發(fā)型。但進(jìn)入了青春期，兩個(gè)女孩開始表現(xiàn)出差別?！拔掖┒倘?，而克莉絲汀穿長裙和夾克?！卑虐爬f。同時(shí)，她倆的性格差異也變得更加明顯。“克莉絲汀做事更認(rèn)真，我更自信。隨著時(shí)光流逝，這種差別越來越大?！笨死蚪z汀同意這一點(diǎn)?！拔矣懈嗟淖晕乙庾R(shí)，深受嚴(yán)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?！钡?頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二倫敦國王學(xué)院雙胞胎研究負(fù)責(zé)人，遺傳流行病學(xué)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(fā)現(xiàn)：疾病發(fā)生幾率在同卵雙胞胎中并不相同，當(dāng)同卵雙胞胎中的一個(gè)得心臟病時(shí)，另一個(gè)得心臟病的機(jī)會(huì)只有30%，類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的數(shù)字只有15%左右?！钡?頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二具有相同基因和相似成長經(jīng)歷的人具有非常不同的人生結(jié)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(xué)是環(huán)境變化會(huì)改變基因表現(xiàn)的一種機(jī)制。飲食、疾病、衰老、環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)、吸煙、毒品和藥物等各種類型的生活事件都會(huì)影響到我們體內(nèi)表觀遺傳。第5頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二表觀遺傳變異甚至能夠持續(xù)影響兩到三代人。例如，科學(xué)家曾經(jīng)對一些特殊孕婦（在第二次世界大戰(zhàn)和50年代中國大饑荒時(shí)期忍饑挨餓過）的孩子及其孫子進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，這些后代傾向于個(gè)頭更小，更容易患上糖尿病和精神病。這些趨勢都?xì)w因于表觀遺傳變異?！皬谋举|(zhì)上講，它們是一種讓一代人發(fā)生短期變化的方法?！彼古煽铺卣f。“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(dá)到最適應(yīng)新形勢的狀態(tài)，這些變化至少將持續(xù)兩到三代，當(dāng)然，它也有可能不會(huì)發(fā)生?！钡?頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二概念：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(huán)境因素和細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)之間發(fā)生交互作用的結(jié)果。表觀遺傳學(xué)第7頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二表觀遺傳現(xiàn)象DNA甲基化（DNAmethylation）組蛋白修飾（histonmodification）染色質(zhì)重塑（chromatinremodeling）基因組印記（genomicimprinting）x染色體失活（xchromsomeinactivation）RNA相關(guān)沉默（RNAinterference等）副突變（paramutation）位置效應(yīng)斑（positioneffectvariegation）組蛋白密碼（histoncode）第8頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二DNA甲基化DNA堿基在甲基化酶催化下甲基化。最常見反應(yīng)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(yīng)

第9頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二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，共62頁，2023年，2月20日，星期二真核生物的DNA甲基轉(zhuǎn)移酶哺乳動(dòng)物:DNMT1,DNMT2,DNMT3ADNMT3B，DNMT3L第11頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二基因組中長度為300～3000bp的富含CpG二核苷酸的一些區(qū)域，主要存在于基因的5′區(qū)域。CpG島的甲基化第12頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二DNA甲基化的功能-宿主防御

宿主防御模型：細(xì)胞中90%的甲基化CpG位于轉(zhuǎn)座子中，轉(zhuǎn)座子的甲基化抑制轉(zhuǎn)座子的活性轉(zhuǎn)座子容易導(dǎo)致等位基因的失活或是不穩(wěn)定第13頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二基因組中轉(zhuǎn)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，共62頁，2023年，2月20日，星期二ddm

突變導(dǎo)致轉(zhuǎn)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(diǎn)，藍(lán)色和紅色是新的插入位點(diǎn)。

CAC1CAC3CAC2CAC4DDM

失活導(dǎo)致DNA甲基化減少后的第6代，新插入的轉(zhuǎn)座子遍布基因組。第15頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二DNA甲基化的功能-基因表達(dá)調(diào)控1.DNA甲基化的主要功能：轉(zhuǎn)錄沉默

2.DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)制：

(1)干擾轉(zhuǎn)錄因子對DNA元件的識(shí)別和結(jié)合

(2)將轉(zhuǎn)錄因子的DNA識(shí)別序列轉(zhuǎn)變?yōu)樽枰治锏淖R(shí)別序列

(3)DNA甲基化促進(jìn)染色質(zhì)重塑第16頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二Themethyl-CpGbindingProteinsMeCP1、

MeCP2能夠與甲基化的DNA結(jié)合MeCP2能夠招募Sin3a,HDACs，形成復(fù)合物，阻遏轉(zhuǎn)錄DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)制（1）第17頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)制（2）DNA甲基化后，轉(zhuǎn)錄因子無法識(shí)別和結(jié)合DNA的元件第18頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二DNA甲基化狀態(tài)的遺傳和保持：DNA復(fù)制后，新合成鏈在DNMT1的作用下，以舊鏈為模板進(jìn)行甲基化。（缺乏嚴(yán)格的精確性，95%）第19頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二DNA全新甲基化。引發(fā)因素可能包括：胚胎發(fā)育過程中，基因組DNA在去甲基化后重新甲基化。第20頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二第21頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二第22頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二第23頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二第24頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二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(dòng)去甲基化A.真正去甲基化B.間接去甲基化(2)復(fù)制相關(guān)的去甲基化第25頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二主動(dòng)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，共62頁，2023年，2月20日，星期二主動(dòng)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(fù)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，共62頁，2023年，2月20日，星期二4.5-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(nèi)切酶修復(fù)第28頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二間接去甲基化1.通過去氨基把5-甲基胞嘧啶轉(zhuǎn)變?yōu)榧谆叵汆奏?，通過DNA修復(fù)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(nèi)切酶修復(fù)3.CpG二核苷酸切除修復(fù)，把甲基化的CpG切除后修復(fù)第29頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二第30頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二基因組印記第31頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二基因組印記與DNA甲基化密切相關(guān)1956年P(guān)rader-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(qū)段缺失。第32頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二1968年Angelman綜合征(AngelmanSyndrome，AS)，共濟(jì)失調(diào)、智力低下和失語。母源染色體15q11-13區(qū)段缺失第33頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二PWS和AS綜合癥表明，父親和母親的基因組在個(gè)體發(fā)育中有著不同的影響，這種現(xiàn)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(shí)發(fā)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(dá)特性。第34頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二基因印記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(dá)的基因。

A.兩個(gè)等位基因中只有一個(gè)印記基因表達(dá)

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，共62頁，2023年，2月20日，星期二父系印記基因:

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

來自母系的等位基因的表達(dá)被抑制來自父系的等位基因表達(dá)(mono-allelic)第36頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二第37頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二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(xì)胞成熟過程中建立的。原始性細(xì)胞（2n）合子（2n）配子（n）第38頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二印記基因在小鼠中已發(fā)現(xiàn)150多個(gè)印記基因一般認(rèn)為在人中具有大致相等數(shù)量的印記基因第39頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二印記基因的特點(diǎn)通常成簇出現(xiàn)一個(gè)簇中一般有3-11個(gè)印記基因，絕大多數(shù)編碼可表達(dá)蛋白質(zhì)的基因，至少有一個(gè)起拮抗作用的ncRNA基因，具有雙親特異性的表達(dá)模式在染色體上的分布較為分散每一個(gè)印記基因簇由一個(gè)印記控制元件(imprintcontrolelement,ICE)所調(diào)控絕大多數(shù)ICE都有CpG島，能夠發(fā)生DNA甲基化，在CpG島內(nèi)或附近通常有成簇的、反向的重復(fù)片段第40頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二印記基因的特點(diǎn)等位基因具有不同的甲基化區(qū)域(DMRs)

有些DMRs存在于所有細(xì)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(jié)構(gòu)等DNA復(fù)制不同步，父系的拷貝較早發(fā)生復(fù)制第41頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二印記的判讀機(jī)制1.通過CpG島或者啟動(dòng)子的差異甲基化來實(shí)現(xiàn)第42頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二印記的判讀機(jī)制2.差異性的將沉默因子結(jié)合到順式沉默元件上第43頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二印記的判讀機(jī)制3.差異性的甲基化邊界元件/絕緣子第44頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二印記的判讀機(jī)制反義轉(zhuǎn)錄本與CpG島或啟動(dòng)子的甲基化聯(lián)合作用機(jī)制第45頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二原生殖細(xì)胞與體細(xì)胞中的印記胚胎發(fā)育早期：非印記的基因發(fā)生去甲基化，印記基因的甲基化模式保留原生殖細(xì)胞自E10.5-E12.5發(fā)生去甲基化，去除遺傳的印記模式體細(xì)胞的基因印記模式保留終生第46頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二三、組蛋白修飾第47頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二2023年4月18日48組蛋白修飾組蛋白修飾是表觀遺傳研究的重要內(nèi)容。組蛋白的N端是不穩(wěn)定的、無一定組織的亞單位，其延伸至核小體以外，會(huì)受到不同的化學(xué)修飾，這種修飾往往與基因的表達(dá)調(diào)控密切相關(guān)。被組蛋白覆蓋的基因如果要表達(dá)，首先要改變組蛋白的修飾狀態(tài)，使其與DNA的結(jié)合由緊變松，這樣靶基因才能與轉(zhuǎn)錄復(fù)合物相互作用。因此，組蛋白是重要的染色體結(jié)構(gòu)維持單元和基因表達(dá)的負(fù)控制因子。48第48頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二2023年4月18日49組蛋白修飾種類乙?；?-一般與活化的染色質(zhì)構(gòu)型相關(guān)聯(lián)，乙?；揎棿蠖喟l(fā)生在H3、H4的Lys殘基上。甲基化--發(fā)生在H3、H4的Lys和Asp殘基上，可以與基因抑制有關(guān)，也可以與基因的激活相關(guān)，這往往取決于被修飾的位置和程度。磷酸化--發(fā)生與Ser殘基，一般與基因活化相關(guān)。泛素化--一般是C端Lys修飾，啟動(dòng)基因表達(dá)。SUMO（一種類泛素蛋白）化--可穩(wěn)定異染色質(zhì)。其他修飾第49頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二2023年4月18日502023年4月18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(xué)延伸，決定了基因表達(dá)調(diào)控的狀態(tài)，并且可遺傳。第50頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二2023年4月18日51四、RNA調(diào)控RNA干擾（RNAi）作用是生物體內(nèi)的一種通過雙鏈RNA分子在mRNA水平上誘導(dǎo)特異性序列基因沉默的過程。由于RNAi發(fā)生在轉(zhuǎn)錄后水平，所以又稱為轉(zhuǎn)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(xiàn)象。2023年4月18日51第51頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二2023年4月18日52

siRNAsiRNA結(jié)構(gòu)：21-23nt的雙鏈結(jié)構(gòu)，序列與靶mRNA有同源性，雙鏈兩端各有2個(gè)突出非配對的3’堿基。siRNA功能：是RNAi作用的重要組分，是RNAi發(fā)生的中介分子。內(nèi)源性siRNA是細(xì)胞能夠抵御轉(zhuǎn)座子、轉(zhuǎn)基因和病毒的侵略。2023年4月18日52第52頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二2023年4月18日532023年4月18日53siRNA介導(dǎo)的RNAi第53頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二2023年4月18日54siRNAi的特點(diǎn)：高效性和濃度依賴性特異性位置效應(yīng)時(shí)間效應(yīng)細(xì)胞間RNAi的可傳播性多基因參與及ATP依賴性2023年4月18日54第54頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二2023年4月18日55

miRNA結(jié)構(gòu)：21-25nt長的單鏈小分子RNA，5′端有一個(gè)磷酸基團(tuán)，3′端為羥基，由具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)的約70-90個(gè)堿基大小的單鏈RNA前體經(jīng)過Dicer酶加工后生成。特點(diǎn)：具有高度的保守性、時(shí)序性和組織特異性。2023年4月18日55第55頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二怎樣定義miRNA(成熟)1,長度為22nt的轉(zhuǎn)錄體.可通過northernblot等方法檢測得到.2,其前體為典型的發(fā)卡結(jié)構(gòu).miRNA位于發(fā)卡結(jié)構(gòu)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，共62頁，2023年，2月20日，星期二mirtron:一種微RNA的新亞型，mirtron是內(nèi)含子編碼的、微RNA的一個(gè)亞型?？勺鳛闈撛诘脑\斷和預(yù)后的生物學(xué)標(biāo)志。CanonicalmiRNA：典型的miRNA，由獨(dú)立的編碼序列編碼，經(jīng)Drosha加工成熟的miRNA。第57頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二miRNA的生成過程第58頁，共62頁，2023年，2月20日，星期二注意事項(xiàng):1