表观遗传学(总结)资料
分子生物学之表观遗传学
分子生物学:表观遗传学表观遗传学( epigenetics):指非基因序列变化导致的基因表达的可遗传的改变。
细胞中生物信息的表达受两种因素的调控:遗传调控提供了“生产’维持生命活动所必需的蛋白质的“蓝本”,而表观遗传调控则指导细胞怎样、何时和何地表达这些遗传信息。
表观遗传学研究的主要内容:DNA的甲基化,染色质的物理重塑和化学修饰,非编码RNA基因调节。
依赖ATP的染色质的重塑由ATP水解释放的能量可以使DNA和组蛋白的构象发生改变;包括DNA的甲基化和组蛋白N端尾巴上特殊位点的化学基团修饰,同样可以直按或间接地影响染色质的结构和功能。
二者之间相互渗透,相互作用,共同影响着染色质的结构和基因的表达。
此外,近些年发现转录组(transcriptome)中组有多种非编码RNA广泛参与基因表达调控,非编码RNA的基因调节也可属于表观遗传学的研究的范畴。
DNA甲基化的概况DNA的甲基化既可以发生在腺嘌呤的第6位氮原子上,也可以发生在胞嘧啶的第5位碳原子上。
*在真核生物中,DNA甲基化只发生在胞嘧啶第5位碳原子上。
真核DNA甲基化由DNA甲基转移酶(Dnmt, DNA methyltransferase)催化,S-腺苷甲硫氨酸(SAM, S-adenosyl methionine)作为甲基供体,将甲基转移到胞嘧啶上,生成5一甲基胞嘧啶(5-mC)。
在哺乳动物中,DNA甲基化主要发生在CpG双核苷酸序列,全部CG二核苷酸中约70%~80%的C是甲基化(mCpG), 所以CpG称为甲基化位点。
CG抑制:DNA中CG的排列出现的概率小于期望值1/16(A42+4=16),如人的基因组中CG排列小于1%,而非随机期望的约6%(1/16).基因组中的CpG位点并非均一分布。
在某些区域中(大约有300~3 000 bp),CpG位点出现的密度高(50%或更高),这些区域即所谓的CpG岛。
大部分CpG岛(>200bp, C+G含量=/>50%. CpG观测值/期望值=/>0.6) 位于基因的5’端,包括基因的启动子区域和第一外显子区,而且60%的人类(哺乳动物40%)基因组的启动子区都含有CpG岛(几乎所有管家基因都存在CpG岛),它们在基因表达调控中可能发挥着重要的作用。
表观遗传学 (epigenetics)
3、遗传印记(迹)或基因印记(迹)
基因印迹是指二倍体细胞的一对基因(父本和母本) 只有一个可以表达,另一个因甲基化而沉默。 哺乳动物中相当数量的印迹基因与胎儿的生长发育 和胎盘的功能密切相关的。
4、染色质重塑
• 组成核小体的组蛋白可以被多种化学复合物所 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。 • X染色质出现与表观遗传修饰相关
4、神经精神疾病
精神分裂症和情绪障碍与DNMT基因相关。基因 高甲基化抑制脑组织中Reelin蛋白的表达,Reelin 蛋白是维持正常神经传递、大脑信息存储和突触可 塑性所必需的蛋白 。
小
结
• 掌握表观遗传学的概念 • 掌握表观遗传的主要现象
• 了解DNA甲基化与去甲基化、组蛋白乙酰 化和非乙酰化对基因的调控作用
表观遗的概念:是指DNA序列不发生变
化,但基因功能却发生了可遗传的改变。这种 改变是细胞内除了遗传信息以外的其他可遗传 物质发生的改变,且这种改变在发育和细胞增 殖过程中能稳定传递。
• 表观遗传(epigenetic inheritance)概 念:通过有丝分裂或减数分裂来传递非DNA序
列信息的现象。
二、表观遗传现象或表观遗传修 饰机制
1、DNA甲基化
DNA甲基化是指在DNA甲基转移酶(DNMTs)的作 用下,以S-腺苷甲硫氨酸(SAM)为甲基供体, 将甲基基团转移到胞嘧啶和鸟嘌呤(CpG)二核 苷酸的胞嘧啶。
DNMT1 SAM
胞嘧啶
5-甲基胞嘧啶
胞嘧啶甲基化反应
基因调控元件(如启动子)所含CpG岛中的5-mC会 阻碍转录因子复合体与DNA的结合.
DNA的去甲基化基因可重新激活。
表观遗传学
磷酸化-- 发生与 Ser 残基,一般与基因活化相关。
泛素化-- 一般是C端Lys修饰,启动基因表达。 SUMO(一种类泛素蛋白)化-- 可稳定异染色质。
其他修饰
非编码的RNA
无论DNA修饰还是组蛋白修饰,都是基因活性调节的中 间参与者;而真正诱导基因活性改变的最大可能者是功能 性非编码RNA。 非编码RNA在调节基因表达、基因转录、调整染色质结构 、表观遗传记忆、RNA选择性剪接以及蛋白质翻译中都发 挥重要的作用。 不仅如此,RNA在保护机体免受外来核酸的侵扰中也扮演 着重要的作用,被认为是最古老的免疫体系。
非编码的RNA
包括: siRNA miRNA
(以上两种是序列特异性转录后基因表达的调节因子)
siRNA
siRNA结构:21-23nt的双链结构,序列与靶mRNA有同 源性,双链两端各有2个突出非配对的3’碱基。
siRNA功能:是RNAi 作用的重要组分,是RNAi发生的中 介分子。内源性siRNA使细胞能够抵御转座子、转基因和 病毒的侵略。
1942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。 1975年,Hollidy R 对表观遗传学进行了较为准确的描述 。
表观遗传学的特点
可遗传的,即这类改变是通过有丝分裂或减数分裂,能在 细胞或个体世代内遗传
可逆性的基因表达调节
没有DNA序列的改变,或不能用DNA序列变化来解释
至核小体以外,会受到不同的化学修饰,这种修饰往往与
基因的表达调控密切相关。 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DNA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,组蛋白是重要的染色体结构
维持单元和基因表达的负控制因子。
生物高三表观遗传知识点
生物高三表观遗传知识点在遗传学领域中,表观遗传学是指通过非DNA序列变化来影响基因表达和细胞功能的遗传变化。
表观遗传是细胞和生物体发育过程中的一个重要因素,也在许多疾病的发生和发展中起着关键作用。
本文将介绍生物高三中常见的表观遗传知识点,以帮助读者更好地理解这一领域的重要性。
I. DNA甲基化DNA甲基化是表观遗传学中最常见的一种现象,它通过在DNA分子上添加甲基基团来影响基因表达。
甲基化通常发生在CpG二核苷酸的胞嘧啶上,可以促进或抑制基因的转录。
在高三生物课程中,学生需要理解DNA甲基化对基因组稳定性和个体发育的重要性。
II.组蛋白修饰组蛋白是染色质的主要组成部分,其修饰可以影响基因的可及性和转录水平。
组蛋白修饰包括乙酰化、甲基化、磷酸化等多种类型,不同修饰方式对基因表达起到不同的调控作用。
生物高三学生需要了解组蛋白修饰对基因表达和细胞分化的重要影响,以及它们在细胞功能和发育过程中的作用机制。
III.非编码RNA除了编码蛋白质的基因,人类基因组中还包含大量非编码RNA 基因。
这些非编码RNA在表观遗传中扮演重要角色,例如长链非编码RNA(lncRNA)可以通过与DNA、RNA或蛋白质相互作用,调控基因表达和信号传导。
生物高三学生需要对不同类型的非编码RNA及其调控机制有所了解。
IV.环境因素的影响表观遗传学中另一个重要的方面是环境因素对基因表达的影响。
环境因素包括营养、化学物质、毒素、温度等,它们可以通过改变DNA甲基化或组蛋白修饰等方式,对基因表达起到调控作用。
生物高三学生需要了解环境因素对表观遗传的重要性,并理解环境对基因表达多样性和细胞功能的影响机制。
V.表观遗传与多种疾病之间的关系表观遗传与多种疾病之间存在着紧密的联系。
许多疾病,如癌症、心血管疾病和神经系统疾病,都与表观遗传异常有关。
生物高三学生需要理解表观遗传与疾病之间的关联性,并对相关的研究方法和治疗策略有所了解。
总结:以上是生物高三中常见的表观遗传知识点的简要介绍。
表观遗传学
表观遗传学Epigenetics1.达尔文“自然选择”:过度繁殖、生存竞争、遗传和变异、适者生存2.表观遗传学:没有DNA序列的变化,可发生生物体表现型的可遗传的改变。
表观遗传学是在以孟德尔式遗传为理论基石的经典遗传学和分子遗传学母体中孕育的、专门研究基因功能实现的一种特殊机制的遗传学分支学科。
表观遗传研究进一步促进了遗传学和基因组学的研究。
3.染色质DNA或蛋白质的各种修饰(染色质水平的基因表达调控)DNA修饰;组蛋白修饰;RNA干扰;基因组印迹;X染色体失活。
4.DNA甲基化(DNA methylation)甲基化位点:CpG中胞嘧啶第5位碳原子。
DNA甲基转移酶。
甲基来源:一碳单位;S-腺苷蛋氨酸;环境和饮食因素:叶酸、B121)基因组DNA CpG:70%~80%甲基化状态,CpG甲基化与基因组稳定性相关。
2)CpG岛:CpG双核苷酸局部聚集,形成GC含量较高、CpG双核苷酸相对集中的区域。
CpG岛CpG多为非甲基化状态;CpG岛CpG甲基化与基因表达抑制相关。
3)CpG岛分类:转录起始点附近的CpG岛(TSS–CGIs),正常组织是非甲基化的,肿瘤组织发生甲基化,与转录抑制相关。
转录起始点外的CpG岛(non-TSS CpG),正常组织:通常呈高度的甲基化。
肿瘤组织:甲基化程度降低,程度与患病程度相关。
4)CpG岛的分析:长度大于200 bp、GC含量大于50%、CpG含量与期望含量之比大于0.6的区域。
5)DNA甲基化转移酶DNMT:DNMT1:催化子链DNA半甲基化位点甲基化,维持复制过程中甲基化位点的遗传稳定性.DNMT3a和DNMT3b:催化从头甲基化,以非甲基化的DNA为模板,催化新的甲基化位点形成.6)甲基来源:S-腺苷蛋氨酸(胞嘧啶甲基化供体、蛋氨酸是必需氨基酸),一碳单位叶酸:参与一碳单位代谢,间接提供甲基。
补充S-腺苷蛋氨酸。
叶酸摄入不足时可导致DNA低甲基化。
7)DNA甲基化抑制基因转录的机制①直接抑制基因表达:启动子区CpG序列甲基化,影响转录激活因子与启动子识别结合。
第十一章表观遗传学
第十一章表观遗传学重点内容提示:一、表观遗传学表观遗传学是于遗传学相对应的一门科学,是指DNA序列不发生转变但基因表达却发生了可遗传的改变,它包括三个层次的含义:一是可遗传性,二是基因表达的可变性,三是无DNA序列的转变或不能用序列转变来讲明。
二、表观遗传修饰1.DNA甲基化。
DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶的作用下,将一个甲基添加在DNA分子的碱基上,最多见的是加在胞嘧啶上。
DNA甲基化是最先发觉DNA修饰途径之一,它直接制约基因的活化状态, DNA甲基化能关闭某些基因的活性,去甲基化诱导基因的从头活化和表达,对基因表达起重要调剂作用,爱惜基因组的稳固性。
DNA甲基化与肿瘤疾病的发生进展有重要的关系,抑癌基因CpG 甲基化可致使抑癌基因的表观遗传学转录失活,直接参与肿瘤的发生机制,是肿瘤研究的新型生物学指标。
2.组蛋白修饰。
组蛋白修饰包括乙酰化、甲基化和磷酸化,组成多种多样的组蛋白密码,作为一种识别标志,为其他蛋白与DNA的结合产生协同或拮抗作用。
3.DNA相关沉默。
反义RNA、非编码RNA和RNA干扰均能异染色质形成,引发RNA的相关沉默。
三、遗传印记1.遗传印记。
是指不同亲本来源的一对等位基因之间存在功能上的不同,它在长期进化中形成,哺乳动物的正常发育起着重要作用。
DNA甲基化是产生遗传印记的要紧缘故。
2.遗传印记特点。
一是遗传印记遍及基因组,二是遗传印记的内含子小,雄性印记基因重组率高于雌性印记基因。
三是印记基因组织特异性表达,四是遗传印记活着代中能够逆转。
四、X染色体失活在哺乳动物中,雌雄性个体X染色体的数量不同,这种动物一X染色体失活方式来解决X染色体剂量的不同。
在雌性哺乳动物中,两条X染色体有一个是失活的,成为X染色体剂量补充。
X染色体失活的选择和起始发生在胚胎发育的初期,此进程被称为X失活中心所操纵,是一种反义转录调控模式。
那个中心存在着X染色体失活特异性转录基因,当失活的命令下达时,那个基因酒会产生一个17kb不翻译RNA与X染色体结合,引发失活,X失活中心具有“记数”的功能,既维持每一个二倍体中仅有一条X染色体有活性,其余全数失活。
表 观 遗 传 学
样本进行分析,可以开发历史上贮备的大量病理学资源。
组蛋白修饰
染色质蛋白并非只是一种包装蛋白,而是在DNA和细胞其他 组分之间构筑了一个动态的功能界面。
对植物研究发现miRNA 可诱导PHB基因甲基 化及染色质重塑。
DNA甲基化的生物学意义
调控基因表达, 在胚胎发育、细胞生长分化,衰老, 疾病等方面发挥重要作用。
维持染色体结构 X染色体失活 基因印记 肿瘤发生发展
DNA甲基化的检测方法
1.甲基化敏感的限制性内切酶法 2.基于重亚硫酸氢盐修饰的方法 3.基于甲基化DNA特异结合富集方法
相反,HDAC可移去乙酰基使组蛋白去乙酰化,稳定核 小体结构,诱导核小体聚集,形成更高级的染色体结构, 并抑制基本转录复合体组装,从而抑制转录。
组蛋白的甲基化
1. 主要发生在赖氨酸(K)或精氨酸(R)上;
2. Long-term;
3. HKMTs (histone lysine methyltransferases) vs. PRMTs (protein arginine methyltransferases)
MeCP2
Model for methylation-dependent gene silencing. The structural element of chromatin is the nucleosomal core, which consists of a 146-bp DNA sequence
5
4 SAM
DNMT
dCMP (~C~)
遗传表观遗传学
遗传表观遗传学是研究细胞因素、环境因素和行为因素如何影响基因表达和遗传传递的学科。
在过去几十年的研究中,我们已经发现表观遗传学在许多细胞功能以及人类疾病的发生发展过程中表现出重要的作用。
一、表观遗传学的定义表观遗传学是指在基因序列不变的情况下,细胞内化学修饰和非编码RNA调控等影响基因表达和遗传传递的方式。
这些修饰包括甲基化、去甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA等。
表观遗传学变化可以被细胞传承,即基因表达和遗传变化会被后代细胞或个体继承,从而影响后代的生理、代谢和行为等特征。
二、表观遗传学的重要性表观遗传学的研究已经揭示了许多生命过程和疾病发生发展的分子机制和生理学基础。
例如,变化可以使得同一基因在不同组织或生长发育期间呈现不同的表达模式,从而调节细胞功能的稳定性和可塑性。
此外,表观遗传学还与人类疾病如肥胖症、糖尿病、心脑血管疾病、癌症、神经系统疾病等发生发展密切相关。
三、表观遗传学的作用表观遗传学在细胞功能和人类健康方面的作用主要包括以下几个方面:1. 影响基因表达和遗传稳定性:表观遗传学的变化可以直接或间接地影响基因表达和遗传传递的稳定性,从而影响细胞功能和个体特征。
2. 调节细胞功能的可塑性:表观遗传学的变化可以使得同一基因在不同组织或生长发育期间呈现不同的表达模式,从而调节细胞功能的可塑性和稳定性。
3. 参与个体发育和代谢调节:表观遗传学变化可以涉及个体发育和代谢调节过程中的多个环节,如胚胎发育、干细胞分化、器官发育和功能、代谢过程和能量调节等。
4. 参与人类疾病的发生发展:表观遗传学变化与许多人类疾病如肥胖症、糖尿病、心脑血管疾病、癌症、神经系统疾病等发生发展密切相关。
四、表观遗传学的研究方法目前,表观遗传学的研究方法主要包括以下几个方面:1. 细胞培养和动物模型:通过对细胞和动物模型中基因和表观遗传学变化的分析,探究表观遗传学在细胞功能和人类健康方面的作用。
2. 组学大数据和计算生物学:在大规模测序数据的支持下,通过生物信息学分析细胞和个体特征中基因表达和表观遗传学变化的模式和关联,挖掘表观遗传学在人类疾病的发生发展中的作用。
(2024年)表观遗传学完整版
表观遗传调控参与突触可塑性的形成和维持,影响学习记忆等认知 功能。
神经退行性疾病治疗
针对神经退行性疾病中的表观遗传调控异常,开发潜在的治疗策略 。
15
其他疾病中表观遗传影响
心血管疾病
表观遗传调控在心血管疾病如 动脉粥样硬化、高血压等的发
生发展中具有潜在作用。
2024/3/26
代谢性疾病
表观遗传变化与肥胖、糖尿病 等代谢性疾病的发生和发展密 切相关。
20
非编码RNA研究技术
2024/3/26
非编码RNA测序技术
通过对特定细胞或组织中的非编码RNA进行高通量测序,从而鉴定新的非编码RNA分子 并研究其表达模式和功能。
微小RNA(microRNA)靶基因预测和验证
利用生物信息学方法预测microRNA的靶基因,并通过实验手段验证其调控关系,从而揭 示microRNA在生物过程中的作用。
与疾病关联
非编码RNA异常表达与多种疾病相 关,如心血管疾病、代谢性疾病和 癌症等。
10
其他类型表观遗传变异
2024/3/26
染色质可及性
01
染色质结构的开放或关闭状态可以影响基因表达,这种变化可
以通过高通量测序技术进行检测和分析。
拷贝数变异
02
基因组中特定区域的拷贝数增加或减少也可以导致表观遗传变
DNA甲基化异常与多种疾 病的发生和发展密切相关 ,如癌症、神经退行性疾 病等。
8
组蛋白修饰与染色质重塑
组蛋白修饰类型
包括乙酰化、甲基化、磷 酸化等多种共价修饰方式 ,影响组蛋白与DNA的相 互作用。
2024/3/26
染色质重塑
通过改变核小体位置和组 蛋白修饰状态来调控染色 质结构和基因表达。
表观遗传学主要内容
表观遗传学主要内容全文共四篇示例,供读者参考第一篇示例:表观遗传学是研究遗传物质之外对基因表达所产生影响的科学领域。
表观遗传学主要关注的是通过不影响DNA序列的改变,而对DNA及其相关蛋白进行修饰,从而调控基因表达的方式。
表观遗传学被认为在细胞分化、发育、疾病进展等方面扮演着重要作用。
表观遗传学的主要内容包括DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA、噬菌体遗传等。
DNA甲基化是最为常见和重要的一种表观遗传学修饰方式。
DNA甲基化是指在DNA链上的胞嘧啶基团上添加甲基基团的修饰过程。
这种修饰可以抑制基因的转录,从而影响基因的表达。
组蛋白修饰是指组蛋白分子的赋予不同化学修饰,如乙酰化、甲基化等,以调节染色质的结构和功能,从而影响染色质的紧密程度和DNA的可读性。
非编码RNA也是表观遗传学研究的热点内容之一。
非编码RNA 是指不编码蛋白质的RNA分子,包括microRNA(miRNA)、长链非编码RNA(lncRNA)等,它们可以通过介导转录后调控基因的表达和功能,参与信号通路的调控等。
以及噬菌体遗传也是表观遗传学的一个新兴研究领域,噬菌体的遗传物质可以传递到宿主细胞中,从而影响宿主的表观遗传修饰状态。
表观遗传学是一门综合了分子生物学、生物化学、基因组学、生物信息学等多学科知识的学科。
通过研究表观遗传学,我们可以更好地理解基因表达调控的机制,揭示疾病发生发展的内在机理,为疾病的诊断和治疗提供新的思路和方法。
表观遗传学的研究也为基因编辑、干细胞治疗等前沿领域的发展提供了重要的理论支持。
随着技术的不断进步和研究的深入,表观遗传学必将为人类健康和生物学研究带来更多的突破和创新。
第二篇示例:表观遗传学是研究表观遗传现象的一门学科,其主要内容包括遗传变异、表观修饰、染色质结构和功能等方面。
表观遗传学是遗传学领域中一个新兴的研究方向,它研究的对象不是DNA序列本身,而是对DNA序列的修饰和调控。
表观遗传学的研究为我们更好地理解基因表达调控机制和疾病发生的机理提供了重要线索。
生命科学中的表观遗传学
生命科学中的表观遗传学表观遗传学是研究基因表达调控和细胞命运决定的一门学科。
它通常被定义为基因表达模型传递给下一代细胞和生物,但不包括DNA序列的改变。
这个学科领域正在扩大,研究者越来越多地将其应用于癌症和其他疾病的研究中。
表观遗传学是一个复杂的学科,它涉及到DNA序列上的化学修饰、遗传调控以及体内环境等多个因素。
表观遗传学是研究细胞分化的重要组成部分。
表观遗传学的研究可以精确的区分细胞类型,通过确定某些基因在特定细胞类型中是否表达来表征该细胞类型。
同样在癌症研究中,研究人员利用表观遗传学的研究深入探索细胞信号传导通路,以期发掘出更有效的癌症治疗手段。
表观遗传学可以促进我们对基因组的理解。
基因组序列是信息的存储库,但它并不足以解释我们为什么不会在每个细胞中表达每个基因,在某些细胞中,一些基因会特别活跃,而在其他细胞中则不是那样。
表观遗传学的研究解释了这种差异,从而使我们理解了细胞如何根据基因组序列来决定命运。
基因表达调控是表观遗传学的关键方面。
细胞对外界信号的感知和传递,导致某些基因的活性增加或减少,这是由于某些区域中DNA上化学修饰的改变。
比如在染色质水平上,组蛋白标记的修饰程度是基因表达调控的一个关键因素。
在转录水平上,非编码RNA(ncRNA)的表达使得RNA通常比蛋白质更加稳定,并且可能起到调节RNA的相互作用或干涉RNA翻译的作用。
表观遗传学对于人类健康及其疾病的理解有着重要的意义。
多种表观遗传修饰异常与许多疾病相关,从而可以为疾病的早期诊断和治疗提供指导。
例如,DNA甲基化异常已经在多种癌症中得到了广泛的研究,并且在癌症的早期诊断中有很大的潜力。
大量研究表明表观遗传学在所谓的成年病(包括糖尿病、肥胖和心血管疾病)中也存在异常,这为更好地理解疾病的起因和新的药物治疗策略提供了可能。
总而言之,表观遗传学研究对人类生命科学和健康具有重要意义。
它的研究可以帮助我们更好地理解基因通路和细胞命运,并为癌症和其他疾病的治疗提供新的思路和方法。
表观遗传学简介
表观遗传学简介 (Introduce to Epigenetics)
什么是表观遗传学
表观遗传学(epigenetics) 是指基于非基因序列改变所致基因表达水平变 化,如DNA甲基化、组蛋白乙酰化等。
在基因组中除了DNA和RNA序列以外,还有许多调控基因的信息,它 们虽然本身不改变基因的序列,但是可以通过基因修饰,蛋白质与蛋白 质、DNA和其它分子的相互作用,而影响和调节遗传的基因的功能和 特性,并且通过细胞分裂和增殖周期影响遗传的一门新兴学科。因此表 观遗传学又称为实验遗传学、化学遗传学、特异性遗传学、后遗传学、 表遗传学和基因外调节系统,它是生命科学中一个普遍而又十分重要的 新的研究领域。
DNA甲基化
DNA 甲基化是生物关闭基因表达的一种有效手段,也是印迹遗传的主要 机制之一;基因的去甲基化可能使得印迹丢失,基因过度表达,甚至引起 肿瘤或癌症的发生,如促肿瘤生长因子IGF2基因过度表达引发大肠癌。
在特定组织中,非甲基化基因表达,甲基化基因不表达,基因选择性的去甲 基化形成特异的组织类型。
(二) 位点特异性甲基化分析 目前多采用亚硫酸氢盐作前期的基因组DNA预处理。亚硫酸氢盐修饰是 众多序列特异性甲基化检测方法的基础。胞嘧啶(C)与亚硫酸氢钠的 反应可以迅速鉴别出以任何序列存在的5mC,修饰后单链DNA中的C通 过磺酸基作用脱氨基形成U,而CmG不变。
(三)新甲基化位点ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ寻找
表观遗传学简介
表观遗传学的重要性
表观遗传学在生物医学领域具有重要意义,因为它可以通过影响基因的 表达来影响生物体的表型,进而影响生物体的发育、疾病和进化等方面。
表观遗传学在生物医学领域的应用包括疾病诊断、药物研发和个性化医 疗等方面。例如,通过研究癌症的表观遗传学特征,可以开发出针对特 定癌症的个性化治疗方案。
去甲基化的意义
去甲基化在表观遗传学中具有重要意义,可以逆转甲基化引起的基因沉默,恢复基因的正 常表达。
组蛋白乙酰化与去乙酰化
组蛋白乙酰化
指组蛋白上的某些赖氨酸残基被乙酰 基修饰的过程。
组蛋白乙酰化的作用
组蛋白乙酰化可以调控基因的表达, 影响细胞的功能和发育。
组蛋白去乙酰化
指将乙酰基从组蛋白上移除的过程。
2
甲基化测序技术包括亚硫酸氢盐测序、酶解法、 质谱分析等,可对全基因组范围内的甲基化水平 进行高精度检测。
3
甲基化测序在研究肿瘤、发育生物学、神经科学 等领域具有重要应用价值,有助于深入了解表观 遗传学机制。
染色质免疫沉淀技术(ChIP)
ChIP是一种用于研究蛋白质与DNA相互作用的 实验技术。
通过ChIP实验,可以检测特定蛋白质与基因组 特定区域的结合情况,了解基因表达调控的机 制。
作用,共同调控基因的表达。
miRNA在表观遗传学中的作用
03
miRNA可以通过影响DNA甲基化和组蛋白修饰等表观遗传学过
程,调控基因的表达,影响细胞的功能和发育。
03
表观遗传学在生物体发育中的作用
胚胎发育过程中的表观遗传调控
基因表达的时空特异性
表观遗传学机制如DNA甲基化和组蛋 白修饰等,在胚胎发育过程中调控基 因的时空特异性表达,确保细胞分化 的正确进行。
表观遗传学
组蛋白修饰检测技术
染色质免疫沉淀技术
利用特异性抗体与组蛋白修饰结合,通过沉淀和洗脱步骤 富集特定修饰的组蛋白及其结合的DNA片段。
质谱分析技术
通过质谱仪对组蛋白修饰进行定性和定量分析,具有高灵 敏度和高分辨率的优点。
表观遗传学
目录
• 表观遗传学概述 • 表观遗传机制 • 表观遗传与基因表达调控 • 表观遗传在生物发育中作用 • 表观遗传在疾病发生发展中作用 • 表观遗传学技术应用与前景展望
01 表观遗传学概述
定义与发展历程
表观遗传学定义
研究基因表达或细胞表现型的变化, 这些变化在不改变基因序列的情况下, 可通过细胞分裂和增殖进行遗传。
03 表观遗传与基因 表达调控
基因转录水平调控
转录因子
通过与DNA特定序列结合,激活 或抑制基因转录。
染色质重塑
改变染色质结构,影响转录因子与 DNA的结合。
组蛋白修饰
通过乙酰化、甲基化等修饰,影响 基因转录活性。
mRNA稳定性及翻译水平调控
mRNA降解
通过特定酶降解mRNA,调节基因表达。
microRNA
利用特异性抗体或亲和层析等方法,分离和鉴定与非编码RNA结 合的蛋白质,揭示其调控机制。
未来发展趋势预测
多组学整合分析
将表观遗传学数据与基因组学、转录组学、蛋白质组学等多组学数据 进行整合分析,更全面地揭示生物过程的调控机制。
单细胞表观遗传学研究
利用单细胞测序等技术,研究单个细胞水平上的表观遗传学变异和动 态变化过程。
非编码RNA在发育、细胞分化、 代谢等过程中发挥重要作用,同 时也与疾病的发生和发展有关。
遗传学-第15章 表观遗传学-文档资料
SAM S-腺苷甲硫氨酸 胞嘧啶 5-甲基胞嘧啶
胞嘧啶甲基化反应
Thursday, February
23
以基因型为 a/a 的母鼠 及其孕育的基因型为 AVY/a的仔鼠作实验对象。 孕鼠分为两组,试验组孕 鼠除喂以标准饲料外,从 受孕前两周起还增加富含 甲基的叶酸、乙酰胆碱等 补充饲料,而对照组孕鼠 只喂饲标准饲料。
结果实验组孕鼠产下的仔鼠大多数在身体的不同部位出现了大小不等的棕 色斑块,甚至出现了以棕褐色为主要毛色的小鼠。而对照组孕鼠的仔鼠大多数 为黄色。分析表明喂以富甲基饲料的孕鼠所产仔鼠的IAP所含CpG岛的甲基化
平均水平远高于对照组,转录调控区的高甲基化使原该呈异位表达的基因趋于
沉默,毛色也趋于棕褐色。
相同的基因型
不同的表现型
Thursday, February
17
概
基因表达模式
述
决定细胞类型的不是基因本身,而是基因表达模式,通 过细胞分裂来传递和稳定地维持具有组织和细胞特异性 的基因表达模式对于整个机体的结构和功能协调是至关 重要的。
基因表达模式在细胞世代之间的可遗传性并不依赖细胞 内DNA的序列信息。 基因表达模式有表观遗传修饰决定。
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Quiz, J. nature. 2019
表观遗传学机制 1 1 2 3 4
Thursday, February
DNA 甲基化 DNA 甲基化
组蛋白修饰 染色质重塑 RNA 调 控
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一、DNA甲基化
DNA 甲基化 (DNA methylation) 是研究得最 清楚、 也是最重要的表观遗传修饰形式,主要是 基因组 DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基间的 共价结合,胞嘧啶由此被修饰为 5 甲基胞嘧啶 (5methylcytosine,5mC)。
2024年表观遗传学(研究生课件)
表观遗传学(研究生课件)一、表观遗传学的基本概念表观遗传学(Epigenetics)一词最早由英国生物学家康韦·里德(ConradWaddington)于1942年提出,意为“基因表达调控的研究”。
表观遗传学关注的是基因表达的可遗传变化,这种变化不涉及DNA序列的改变,而是通过染色质重塑、DNA甲基化、组蛋白修饰等机制实现。
二、表观遗传学的调控机制1.染色质重塑:染色质重塑是指染色质结构发生变化,使DNA 暴露或隐藏于核小体中,从而影响基因表达。
染色质重塑主要通过ATP依赖的染色质重塑复合体实现。
2.DNA甲基化:DNA甲基化是指在DNA甲基转移酶的作用下,将甲基基团转移至DNA上的过程。
DNA甲基化通常发生在CpG岛上,高甲基化状态往往与基因沉默相关,而低甲基化状态与基因活化相关。
3.组蛋白修饰:组蛋白修饰是指组蛋白上的氨基酸残基发生甲基化、乙酰化、磷酸化等修饰。
这些修饰可以改变组蛋白与DNA的相互作用,进而影响基因表达。
4.非编码RNA:非编码RNA包括微小RNA(miRNA)、长链非编码RNA(lncRNA)等,它们在基因表达调控中发挥重要作用。
例如,miRNA可以通过与目标mRNA结合,抑制其翻译过程。
三、表观遗传学与疾病表观遗传学异常与多种疾病的发生密切相关。
例如,肿瘤的发生往往伴随着表观遗传学调控机制的紊乱,如DNA甲基化异常、组蛋白修饰异常等。
表观遗传学还与心血管疾病、神经系统疾病、代谢性疾病等密切相关。
四、表观遗传学的应用1.肿瘤诊断与治疗:表观遗传学在肿瘤诊断和治疗方面具有重要应用价值。
例如,通过检测肿瘤相关基因的DNA甲基化状态,可以早期发现肿瘤;同时,针对表观遗传学调控机制的药物研发,为肿瘤治疗提供了新策略。
2.农业育种:表观遗传学在农业育种领域也具有广泛应用。
通过改变植物表观遗传状态,可以提高作物产量、抗病性和适应环境能力。
3.神经科学与心理学:表观遗传学研究为揭示神经系统疾病和心理学问题的发生机制提供了新视角。
遗传学第十二章表观遗传学精选课件
探讨染色质重塑与DNA甲基化、组蛋白修饰等表观 遗传调控之间的相互作用及联合用药策略。
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异常影响
异常的染色质重塑与多种疾病相关,如癌症、神经系统疾病等。同时, 核小体定位的改变也可能导致基因表达的异常和疾病的发生。
03 表观遗传机制探 讨
基因印记与X染色体失活
01 02 03
基因印记定义与特点
基因印记是指来自父方或母方的等位基因在发育过程中产生 专一性的加工修饰,导致后代体细胞中两个等位基因出现不 同的表达特性。这种修饰是稳定和可遗传的,但不涉及DNA 序列的改变。
甲基化特异性PCR 根据甲基化和非甲基化DNA设计特异性引物,通 过PCR扩增来检测特定基因的甲基化状态。
3
甲基化敏感的限制性内切酶法
利用对甲基化敏感的限制性内切酶切割DNA,通 过比较切割前后的DNA片段差异来判断甲基化水 平。
组蛋白修饰检测技术
01
染色质免疫沉淀
利用特异性抗体与组蛋白修饰位点结合,再通过沉淀和洗涤等步骤富集
遗传学第十二章表观遗传学 精选课件
目 录
• 表观遗传学概述 • 表观遗传变异类型 • 表观遗传机制探讨 • 实验方法与技术手段 • 疾病发生发展中作用 • 药物研发及临床应用前景
01 表观遗传学概述
表观遗传学定义与特点
定义
表观遗传学是研究基因表达发生可 遗传变化而不涉及DNA序列改变的 学科。
异常影响
异常的非编码RNA表达与多种疾病相 关,如癌症、心血管疾病等。
作用
非编码RNA能够通过与靶基因结合或 调控转录因子等方式,影响基因表达 和细胞功能。
染色质重塑与核小体定位
定义
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1.表观遗传学概念表观遗传是与DNA 突变无关的可遗传的表型变化,且是染色质调节的基因转录水平的变化,这种变化不涉及DNA 序列的改变。
表观遗传学是研究基因的核苷酸序列不发生改变的情况下,基因表达了可遗传的变化的一门遗传学分支学科。
表观遗传学内容包括DNA 甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、遗传印记、随机染色体失活及非编码RNA 等调节。
研究表明,这些表观遗传学因素是对环境各种刺激因素变化的反映,且均为维持机体内环境稳定所必需。
它们通过相互作用以调节基因表达,调控细胞分化和表型,有助于机体正常生理功能的发挥,然而表观遗传学异常也是诸多疾病发生的诱因。
因此,进一步了解表观遗传学机制及其生理病理意义,是目前生物医学研究的关键切入点。
别名:实验胚胎学、拟遗传学、、外遗传学以及后遗传学表观遗传学是与遗传学(genetic)相对应的概念。
遗传学是指基于基因序列改变所致基因表达水平变化,如基因突变、基因杂合丢失和微卫星不稳定等;而表观遗传学则是指基于非基因序列改变所致基因表达水平变化,如和染色质构象变化等;表观基因组学(epigenomics)则是在基因组水平上对表观遗传学改变的研究。
2.表观遗传学现象(1)DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶的作用下,在基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶5'碳位共价键结合一个甲基基团。
正常情况下,人类基因组“垃圾”序列的CpG二核苷酸相对稀少,并且总是处于甲基化状态,与之相反,人类基因组中大小为100—1000 bp左右且富含CpG二核苷酸的CpG岛则总是处于未甲基化状态,并且与56%的人类基因组编码基因相关。
人类基因组序列草图分析结果表明,人类基因组CpG岛约为28890个,大部分每1 Mb就有5—15个CpG岛,平均值为每Mb含10.5个CpG岛,CpG岛的数目与基因密度有良好的对应关系[9]。
由于DNA甲基化与人类发育和肿瘤疾病的密切关系,特别是CpG岛甲基化所致抑癌基因转录失活问题,DNA甲基化已经成为表观遗传学和表观基因组学的重要研究内容。
(2)基因组印记基因组印记是指来自父方和母方的等位基因在通过精子和传递给子代时发生了修饰,使带有亲代印记的等位基因具有不同的表达特性,这种修饰常为DNA甲基化修饰,也包括组蛋白乙酰化、甲基化等修饰。
在形成早期,来自父方和母方的印记将全部被消除,父方等位基因在精母细胞形成精子时产生新的甲基化模式,但在受精时这种甲基化模式还将发生改变;母方等位基因甲基化模式在卵子发生时形成,因此在受精前来自父方和母方的等位基因具有不同的甲基化模式。
目前发现的大约80%成簇,这些成簇的基因被位于同一条链上的所调控,该位点被称做印记中心(imprinting center, IC)。
印记基因的存在反映了性别的竞争,从目前发现的印记基因来看,父方对的贡献是加速其发育,而母方则是限制胚胎发育速度,亲代通过印记基因来影响其下一代,使它们具有性别行为特异性以保证本方基因在中的优势。
印记基因的异常表达引发伴有复杂突变和表型缺陷的多种人类疾病。
研究发现许多印记基因对胚胎和胎儿出生后的生长发育有重要的调节作用,对行为和大脑的功能也有很大的影响,印记基因的异常同样可诱发癌症。
(3)非编码RNA在表观遗传学中的作用功能性在基因表达中发挥重要的作用,按照它们的大小可分为长链非编码RNA和短链非编码RNA。
长链非编码在基因簇以至于整个染色体水平发挥顺式调节作用。
在果蝇中调节“剂量补偿”的是roX RNA,该RNA还具有反式调节的作用,它和其它的共同构成MSL 复合物,在雄性果蝇中调节X染色体活性。
在中Xist RNA调节X染色体的失活,其具有特殊的模体可和一些蛋白共同作用实现X染色体的失活。
Tsix RNA是Xist RNA的反义RNA,对Tsix起负调节作用,在X染色体随机失活中决定究竟哪条链失活。
air RNA调节一个基因簇的表达,该基因簇含有3个调节生长的基因[38]。
长链RNA常在基因组中建立单等位基因表达模式,在核糖核蛋白复合物中充当催化中心,对染色质结构的改变发挥着重要的作用。
短链RNA在基因组水平对基因表达进行调控,其可介导mRNA的降解,诱导染色质结构的改变,决定着细胞的分化命运,还对外源的核酸序列有降解作用以保护本身的基因组。
常见的短链RNA为小干涉RNA(short interfering RNA, siRNA)和微小RNA(microRNA, miRNA),前者是RNA干扰的主要执行者,后者也参与RNA干扰但有自己独立的作用机制。
非编码RNA与疾病非编码RNA对防止疾病发生有重要的作用。
染色体着丝粒附近有大量的转座子,转座子可在染色体内部转座导致基因失活而引发多种疾病甚至癌症,然而在着丝粒区存在大量有活性的短链RNA,它们通过抑制转座子的转座而保护基因组的稳定性。
在细胞分裂时,短链RNA异常将导致染色体无法在着丝粒处开始形成异染色质,细胞分裂异常,如果干细胞发生这种情况可能导致癌症的发生。
siRNA 可在外来的诱导下产生,通过RNA干扰清除外来的核酸,对预防传染病有重要的作用。
RNA干扰已大量应用于疾病的研究为一些重大疾病的治疗带来了新的希望。
非编码RNA不仅能对整个染色体进行活性调节,也可对单个基因活性进行调节,它们对基因组的稳定性、细胞分裂、个体发育都有重要的作用。
RNA干扰是研究人类疾病的重要手段,通过其它物质调节RNA干扰的效果以及实现RNA干扰在特异的组织中发挥作用是未来RNA干扰的研究重点。
(4)染色体重塑染色质重塑复合物依靠水解A TP提供能量来完成染色质结构的改变,根据水解ATP的亚基不同,可将复合物分为SWI/SNF复合物、ISW复合物以及其它类型的复合物。
这些复合物及相关的蛋白均与转录的激活和抑制、DNA的甲基化、以及细胞周期相关。
ATRX、ERCC6、SMARCAL1均编码与SWI/SNF复合物相关的A TP酶。
ATRX突变引起DNA甲基化异常导致数种遗传性的智力迟钝疾病如:X连锁α-地中海贫血综合征、Juberg-Ma rsidi综合征、Carpenter-Waziri综合征、Sutherland-Haan综合征和Smith-Fineman-Myers综合征,这些疾病与核小体重新定位的异常引起的基因表达抑制有关。
ERCC6的突变将导致Cerebro-Oculo-Facio-Skeletal综合征和B型Cockayne综合征。
前者表现为出生后发育异常、神经退行性变、进行性关节挛缩、夭折;后者表现出紫外线敏感、骨骼畸形、侏儒、神经退行性变等症状。
这两种病对紫外诱导的DNA损伤缺乏修复能力,表明ERCC6蛋白在DNA修复中有重要的作用。
SMARCAL1的突变导致Schimke免疫性骨质发育异常,表现为多向性T细胞免疫缺陷,临床症状表明SMARCAL1蛋白可能调控和细胞增殖相关的基因的表达。
BRG1、SMARCB1和BRM编码SWI/SNF复合物特异的ATP酶,这些酶通过改变染色质的结构使成细胞纤维瘤蛋白(Retinoblastoma protein, RB蛋白)顺利的行使调节细胞周期、抑制生长发育以及维持状态的功能,这三个基因的突变可导致肿瘤形成。
染色质重塑异常引发的人类疾病是由于重塑复合物中的关键蛋白发生突变,导致染色质重塑失败,即核小体不能正确定位,并使修复DNA损伤的复合物,等不能接近DNA,从而影响基因的正常表达。
如果突变导致抑癌基因或调节细胞周期的蛋白出现异常将导致癌症的发生。
(5)DNA复制相关组蛋白乙酰化、去乙酰化与人类疾病DNA组蛋白乙酰化与基因活化以及复制相关,组蛋白的去乙酰化和基因的失活相关。
乙酰化转移酶(HATs)主要是在组蛋白H3、H4的N端尾上的赖氨酸加上乙酰基,去乙酰化酶(HDACs)则相反,不同位置的修饰均需要特定的酶来完成。
乙酰化酶家族可作为辅激活因子调控转录,调节细胞周期,参与,还可作为。
去乙酰化酶家族则和、转录调控、基因沉默、、细胞分化和增殖以及相关。
CREB结合蛋白(CREB binding protein,CBP)、E1A结合蛋白p300(E1A binding protein p300,EP300)和锌指蛋白220(zinc finger 220,ZNF220)均为乙酰化转移酶。
CBP是cAMP的辅激活蛋白,通过乙酰化组蛋白使和cAMP应答元件作用的启动子开始转录,它的突变导致Rubinstein Taybi综合征,患者智力低下、面部畸形、拇指和拇趾粗大、身材矮小。
CBP和EP300均可抑制肿瘤的形成,在小鼠瘤细胞中确定了CBP的突变,在结肠和乳房瘤细胞系中确定了EP300的突变,另外ZNF220异常和人的急性进行性髓性白血病相关。
如果突变导致错误的激活去乙酰化酶或错误的和去乙酰化酶相互作用,将可能导致疾病的发生。
甲基化CpG-结合蛋白-2(methyl cytosine binding protein-2,MeCP2)可募集去乙酰化酶到甲基化的DNA区域,使组蛋白去乙酰化导致染色质浓缩,MeCP2的突变导致,患者出生即发病、智力发育迟缓、伴孤独症。
若阻碍去乙酰化酶的功能,则可抑制癌细胞的增殖和分化,可用于急性早幼粒细胞性白血病, 急性淋巴细胞性白血病和的治疗。
乙酰化酶的突变导致正常基因不能表达,去乙酰化酶的突变或一些和去乙酰化酶相关的蛋白的突变使去乙酰化酶错误募集将引发肿瘤等疾病。
3.表观遗传学在抗肿瘤领域的研究现状及前景(1) DNA甲基化异常与肿瘤发生① DNA甲基化修饰肿瘤细胞整个基因组中普遍存在低甲基化。
染色质结构因为低甲基化的大范围出现而引起改变,通过降低染色的质凝聚程度,可以使基因组的不稳定性增加,从而导致肿瘤的发生。
DNA的甲基化是由S2腺苷甲硫氨酸作为甲基供体,使胞嘧啶转化为5-甲基胞嘧啶(mC) 的反应。
在一般的状态下,基因启动子区的CpG岛是没有发生甲基化的,如果发生甲基化,就会使基因不发生转录。
在这种情况下,一些抑制癌症的基因、DNA修复的基因等等就会失去功用,使正常细胞的培养与调控发生改变以及DNA损害不能被及时复原,从而产生肿瘤。
②组蛋白乙酰化修饰组蛋白是一类小分子碱性基础结构蛋白质,具有五种类型:H1、H2a、H2b、H3、H4,它们能够与DNA中带负电荷的磷酸基团相互作用。
组蛋白乙酰化酶(HAT)是组蛋白乙酰化的关键酶,组蛋白的乙酰化程度就是由其决定着,与肿瘤异常基因表达有关。
在HAT基因剔除试验中,p300-/-小鼠在妊娠的早期就死亡了,其神经形成、细胞增殖和心脏发育等方面存在很多缺点;p300-/+小鼠的胚胎期的死亡数量非常多,在胚胎分开的细胞中包含特异性的转录缺点与增殖障碍。
③染色质重组染色质重组是指染色质的位置、结构等包括紧缩的染色质丝在核小体连接处松开,从而使染色质发生释放,显出了转录基因启动子区中的顺式作用元件,使其可能与反式作用因子结合[5]。