表观遗传学 - EpigeneticsPPT课件
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表观遗传学(共20张PPT)
异性降解的现象。PTGS是启动了细胞质内靶mRNA序列特异性的降解机制。
• 近几年来RNAi研究取得了突破性进展，被《Science》杂志评为2001年的十大科 学进展之一，并名列2002年十大科学进展之首。由于使用RNAi技术可以特异性剔 除或关闭特定基因的表达，所以该技术已被广泛用于探索基因功能和传染性疾病及 恶性肿瘤的基因治疗领域。
表观遗传学 EPIGENETICS
什么是表观遗传学？
表观遗传学是研究除DNA序列 变化外的其他机制引起的细胞表 型和基因表达的可遗传的改变。 表观遗传学调控真核基因表达， 与人类重大疾病，如肿瘤、神经 退行性疾病、自身免疫性疾病等 密切相关。
举两个例子~
在胚胎发育过程中，果蝇存在很多体节。对 Hox 基因来 说，在有些体节中表达，有些中不表达。一开始，这种表 达或不表达经不在了，由原来不 表达（Hox 基因）的细胞衍生的后代呢，这些基因仍然不 表达；表达那些 Hox 基因的细胞衍生的细胞，仍然表达。
• 最常见的DNA甲基化形式是将甲基加到胞嘧啶环的 5‘位置上，形成5’-甲基胞嘧啶。哺乳动物中大约有 5%的胞嘧啶被甲基化，而甲基化与否，基因的转录活 性相差了上百万倍。
• DNA甲基化的作用主要体现于抑制基因转录活性，而具 体的抑制机制还尚未明确
• MeCP1所结合的DNA序列常需要有10个以上的甲基化CpG, 这一蛋白广泛存在于许多组织。
工蜂和蜂王都由同种受精卵发育而来，如 果能吃到蜂王浆，就变成蜂后；吃不到就 变成工蜂。
与工蜂相比，蜂王的成熟期短平均在半
个月左右，而工蜂则需要二十天以上；
寿命长蜂王可以活几年，而工蜂则只有
几十天的寿命；有生殖能力蜂王每天可
蜂王
工蜂
以产下几百枚卵，而工蜂一般终生都不
• 近几年来RNAi研究取得了突破性进展，被《Science》杂志评为2001年的十大科 学进展之一，并名列2002年十大科学进展之首。由于使用RNAi技术可以特异性剔 除或关闭特定基因的表达，所以该技术已被广泛用于探索基因功能和传染性疾病及 恶性肿瘤的基因治疗领域。
表观遗传学 EPIGENETICS
什么是表观遗传学？
表观遗传学是研究除DNA序列 变化外的其他机制引起的细胞表 型和基因表达的可遗传的改变。 表观遗传学调控真核基因表达， 与人类重大疾病，如肿瘤、神经 退行性疾病、自身免疫性疾病等 密切相关。
举两个例子~
在胚胎发育过程中，果蝇存在很多体节。对 Hox 基因来 说，在有些体节中表达，有些中不表达。一开始，这种表 达或不表达经不在了，由原来不 表达（Hox 基因）的细胞衍生的后代呢，这些基因仍然不 表达；表达那些 Hox 基因的细胞衍生的细胞，仍然表达。
• 最常见的DNA甲基化形式是将甲基加到胞嘧啶环的 5‘位置上，形成5’-甲基胞嘧啶。哺乳动物中大约有 5%的胞嘧啶被甲基化，而甲基化与否，基因的转录活 性相差了上百万倍。
• DNA甲基化的作用主要体现于抑制基因转录活性，而具 体的抑制机制还尚未明确
• MeCP1所结合的DNA序列常需要有10个以上的甲基化CpG, 这一蛋白广泛存在于许多组织。
工蜂和蜂王都由同种受精卵发育而来，如 果能吃到蜂王浆，就变成蜂后；吃不到就 变成工蜂。
与工蜂相比，蜂王的成熟期短平均在半
个月左右，而工蜂则需要二十天以上；
寿命长蜂王可以活几年，而工蜂则只有
几十天的寿命；有生殖能力蜂王每天可
蜂王
工蜂
以产下几百枚卵，而工蜂一般终生都不
肿瘤表观遗传学ppt课件
• 在结构基因的调控区段，CpG二联核苷常常以成簇串联的形式排列。结 构基因5’端附近富含CpG二联核苷的区域称为CpG岛(CpG islands)。
• CpG岛是CG二核苷酸含量大于50%的区域。CpG岛通常分布在基因的启 动子区域。
CpG岛的甲基化会稳定核小体之间的紧密结合而抑制基 因的表达。
对基因表达控制的方式： （1）DNA 甲基化； （2）组蛋白修饰； （3）染色质重塑； （4）非编码RNA。
等４ 种调控来。
DNA甲基化
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(5-methylcytosine， 5mC)。
没有DNA序列的改变或不能用DNA 序列变化来解释。
拉马克
1809年发表的《动物哲学》：用进废退这种后天获得 的性状是可以遗传的
表观遗传学变化具有可遗传性
Natt D, Rubin CJ, Wright D et al. Heritable genome-wide variation of gene expression and promoter methylation between wild and domesticated chickens. BMC genomics 2012;13:59.
DNA低甲基化 vs. 癌症
• 1. DNA低甲基化/去甲基化对癌症细胞发育 的作用：
– A. 产生染色体的不稳定性 – B. 激活转座元件 – C. 印记的缺失
• 2. 甲基化水平较低的DNA区域在有丝分裂 过程中容易发生重组，从而产生删除或者 移位，或者染色体重排
遗传学第十二章表观遗传学精选课件.ppt
胞的两条X染色体中会有一条发生随机失活的假说， X染色体基因的剂量补偿。
Y
X
XX
X-染色体失活
24
（一）X失活中心
• 2019年G.D.Penny等发现X染色体的Xq13.3区 段有一个X失活中心( X-inactivation center，Xic)，X失活中心有“记数”和“选 择”的功能。
• 长1Mb,4个已知基因：Xist；Xce；Tsix；
（三）DNA去甲基化作用（不讲）
13
二、组蛋白修饰
14
15
❖组蛋白密码 ❖组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰
类型被称为组蛋白密码（histone code）。 ❖组蛋白通过乙酰化、甲基化和磷酸化等共价
修饰，使染色质处于转录活性状态或非转录活 性状态，为其他蛋白与DNA的结合产生协同 或拮抗效应，属于一种动态的转录调控成分。 ❖类型：乙酰化，甲基化，磷酸化，泛素化， SUMO化，ADP核糖化，脱氨基化，脯氨酸异 构化。
16
• (一）组蛋白乙酰化作用 组蛋白N末端 Lys 上，组蛋白乙酰化能选择 性的使某些染色质区域的结构从紧密变得松散， 开放某些基因的转录，增强其表达水平 。
• 组蛋白乙酰化转移酶（histone acetyltransferase,HAT） • 组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase,HDAC）
• 第一节 表观遗传学的分子机制
• 1. 遗传编码信息：提供生命必需蛋白质的编码模 板。
• 2. 表观遗传学信息：何时、何地、以何种方式去 应用遗传编码信息。
• DNA和染色质上的表观遗传修饰： • DNA甲基化；组蛋白修饰；RNA相关沉默（非编码
RNA）；染色质重塑。
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Y
X
XX
X-染色体失活
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（一）X失活中心
• 2019年G.D.Penny等发现X染色体的Xq13.3区 段有一个X失活中心( X-inactivation center，Xic)，X失活中心有“记数”和“选 择”的功能。
• 长1Mb,4个已知基因：Xist；Xce；Tsix；
（三）DNA去甲基化作用（不讲）
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二、组蛋白修饰
14
15
❖组蛋白密码 ❖组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰
类型被称为组蛋白密码（histone code）。 ❖组蛋白通过乙酰化、甲基化和磷酸化等共价
修饰，使染色质处于转录活性状态或非转录活 性状态，为其他蛋白与DNA的结合产生协同 或拮抗效应，属于一种动态的转录调控成分。 ❖类型：乙酰化，甲基化，磷酸化，泛素化， SUMO化，ADP核糖化，脱氨基化，脯氨酸异 构化。
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• (一）组蛋白乙酰化作用 组蛋白N末端 Lys 上，组蛋白乙酰化能选择 性的使某些染色质区域的结构从紧密变得松散， 开放某些基因的转录，增强其表达水平 。
• 组蛋白乙酰化转移酶（histone acetyltransferase,HAT） • 组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase,HDAC）
• 第一节 表观遗传学的分子机制
• 1. 遗传编码信息：提供生命必需蛋白质的编码模 板。
• 2. 表观遗传学信息：何时、何地、以何种方式去 应用遗传编码信息。
• DNA和染色质上的表观遗传修饰： • DNA甲基化；组蛋白修饰；RNA相关沉默（非编码
RNA）；染色质重塑。
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表观遗传学专业知识讲座课件
一种结论：个体在发育和 生长过程中获得的环境影 响，被遗传给了后代。 什么决定基因？大自然(环 境)如此丰富多彩、如此变 化不停，很难想象，对于 一个开放的复杂生命系统， 不会打上它的烙印。
文档仅供参考，不能作为科学依据，请勿模仿；如有不当之处，请联系网站或本人删除。
人类同卵双生的孪生子：具有完全相同的基因组，在同样的环境下成 长，俩人的气质和体质应该非常相似。 实际情形：一些孪生子的情况并不符合预期的理论。往往在长大成人 后出现性格、健康方面的很大差异。这种反常现象长期困扰着遗传学 家。 现在科学家们发现：可以在不影响DNA序列的情况下改变基因组的修 饰．这种改变不仅可以影响个体的发育，而且还可以遗传下去。
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表观遗传修饰
1. DNA甲基化(DNA methylation)
通 过 甲 基 供 体 ——S- 腺 苷 甲 硫 氨 酸 ， 并 在 DNA 甲 基 转 移 酶 (DNA methyltransferase，DNMT)的催化下，CpG二核苷酸中的胞嘧啶环上5’位置 的氢被活性甲基所取代，从而转变成5-甲基胞嘧啶(5-mC) 。
• 表观遗传学(epigenetic)：DNA的序列不发生变化、基因表达改变、并且这种
改变可稳定遗传。
• 表观遗传学研究的内容： 基因选择性转录、表达的调控。
1. 基因转录后调控。 2. 基因转录后调控。
表观遗传修饰从多个水平上调控基因表达：
1. DNA水平：DNA甲基化
基因表达的变 化（或性状的 变化）一定是 DNA序列变异 的结果吗？
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表观遗传学课件 PPT
核小体
• 核小体定位是核小体在DNA上特异性定位的现象。 • 核小体核心DNA并不是随机的，其具备一定的定向特性。 • 核小体定位机制：
内在定位机制：每个核小体被定位于特定的DNA片断。 外在定位机制：内在定位结束后，核小体以确定的长度 特性重复出现。
• 核小体定位的意义：
核小体定位是DNA正确包装的条件。 核小体定位影响染色质功能。
• 组蛋白修饰种类
乙酰化-- 一般与活化的染色质构型相关联，乙酰化修饰 大多发生在H3、H4的 Lys 残基上。
甲基化-- 发生在H3、H4的 Lys 和 Arg残基上，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。 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Байду номын сангаас白）化-- 可稳定异染色质。 其他修饰（如ADP的核糖基化）
组蛋白修饰的检测方法
1.免疫染色
2.染色质免疫共沉淀
3.质谱
三、染色质重塑
• 染色质重塑（chromatin remodeling）是一个重要的表观遗传学 机制。 • 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核小 体变化为基本特征的生物学过程。 • 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，从而影响邻近基因的活性。
ton) 在 Endeavour 杂志
首次提出表观遗传学。
基因型的遗传(heredity)或
传承(inheritance)是遗传学
研究的主旨 ,而基因型产生
表型的过程则是属于表观
遗传学研究的范畴。
1987 年 ,霍利德( Holliday) 进一步指出可在两个层面上 研究高等生物的基因属性。 第一个层面是基因的世代间传递的规律 ——遗传学。 第二个层面是生物从受精卵到成体的发育过程中基因
表观遗传学课件
概述
Tuesday, March 03,
11
概述
遗 传 与 表 观 遗 传
Tuesday, March 03,
12
概述
真核生物全部遗传信息
遗传 密码
组蛋白 密码
？ 密码
基因组 DNA 序列
Tuesday, March 03,
组蛋白 氨基端 修饰
？
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DNA
概述
与 染 色 质
Tuesday, March 03,
Tuesday, March 03,
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概述
❖Definition of Epigenetics
Any changes in gene expression resulting from either a DNA and chromatin modification or resulting from a post posttranscriptional mechanism. However, it does not reflect a difference in the DNA code。
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发展历史
❖1975年，Hollidy R 对表观遗传学进行了 较为准确的描述。
❖他认为表观遗传学不仅在发育过程，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。
Tuesday, March 03,
Tuesday, March 03,
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Quiz, J. nature. 2006
表观遗传学机制
11Biblioteka DDNNAA 甲甲基基化化2
表观遗传学.ppt
差异甲基化母源 染色体上的ICs的甲基化呈现出分化状态。
Beckwith-Wiedemann综合征(BWS)是一种过度生长综合 征,常伴有肥胖和先天性脐疝等症状，并有儿童期肿瘤 易患倾向。
它起源于染色体11p15.5区段的多种能造
成该区段印迹基因表达失衡的遗传学和表观遗
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)。
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。
例如 SNRPN的23个 母源 完全甲基化
CpG二联核苷 父源 非甲基化
closed structure that can no longer be accessed by the transcriptional machinery.
组成核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。
activity. Methylated cytosines are recognized by methyl-CpG-binding proteins (MBDs), which in turn recruit histone deacetylases (HDACs) to the site of methylation, convert-ing the chromatin into a
Beckwith-Wiedemann综合征(BWS)是一种过度生长综合 征,常伴有肥胖和先天性脐疝等症状，并有儿童期肿瘤 易患倾向。
它起源于染色体11p15.5区段的多种能造
成该区段印迹基因表达失衡的遗传学和表观遗
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)。
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。
例如 SNRPN的23个 母源 完全甲基化
CpG二联核苷 父源 非甲基化
closed structure that can no longer be accessed by the transcriptional machinery.
组成核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。
activity. Methylated cytosines are recognized by methyl-CpG-binding proteins (MBDs), which in turn recruit histone deacetylases (HDACs) to the site of methylation, convert-ing the chromatin into a
第十一章-表观遗传学PPT课件
二、基因组印迹(genomic imprinting)
概念：依赖于父、母源性的等位基因的差异性 表达，即父亲和母亲的基因组在个体发育中有 着不同的影响，这种现象称基因组印迹。
两个亲本的等位基因差异性甲基化是基因组印 迹现象的基础。
疾病的基础： 15q11-13 微缺失
Prader-Willi syndrome, PWS（父源）：肥胖、矮 小, 中度智力低下
2. 表遗传（epigenetic）信息
，提供何时、何地、如何应
用遗传学信息的指令，保证
基因适时启闭
One genome--------multiple epigenome
-
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一、表观遗传修饰
表达模式的信息标记： DNA特定碱基的修饰：胞嘧啶的甲基化； 染色质构型重塑：如，组蛋白的乙酰化、 甲基化
果蝇中的杂色（眼）位置效应（positioneffect variegation）： 野生红眼基因W+（显性） 突变白眼基因w（隐性）
基因定位于X染色体长臂末端
W+
“W+/W+”和“W+/w”均表现正常红眼 意外情况： W+异位至着丝粒附近（异染
色质区）， “W+/w”杂合体表现为花斑 眼（杂色），即：部分细胞正常红色， 部分少量红色，部分白色。
设计实验拟解决：“RNA 干扰”是否与转入的RNA 结构有关。
-
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意外发现：导入双链RNA的产生功能干扰的有效 性远高于导入单链RNA, sense or antisense RNA导入均如此。
仅需少数分子即可产生干扰效应，提示酶促反 应或分子扩增的存在。
-
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上述现象提示： 1. 存在超越简单反义RNA作用的机理。 2. RNA靶向的作用也不能排除。 3. 同时可能存在RNA与染色质的直接作用，影 响RNA的转录。
表观遗传学简介课件
借以调控基因表达活性，在生殖与发育、遗传与进化、生理与病理现象中 具有重要的生物学意义，表观遗传学及应运而生的人类表观基因组计划 （HEP）已成为近年关注的热点问题。已知表观遗传学现象与多种人类疾 病有着密切的关系，如肿瘤、基因印迹病等。同时基因甲基化异常存在可 逆性，这可能为相关疾病的治疗提供崭新的途径。
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。
表观遗传有三个密切相关的含义：
(1) 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；
(2) 可逆性的基因表达调节； (3) 没有DNA序列的变化或不能用DNA序列变化来解释。
表观遗传学的研究内容
主要包括：
(1)基因选择性转录表达的调控：DNA 甲基化、组蛋白共价修饰等所导致 的基因组印迹、染色质重构（塑）等; (2)基因转录后的调控： 针对mRNA的调控。如基因组中非编码RNA（主 要来源于内含子和转录的基因间序列）、miRNA（能够自我折叠形成发夹 状结构，通过RNAi或类似于RNAi的机制起作用）、反义RNA、内含子和 核糖体开关等
表观遗传学治疗
由于表观遗传学修饰机制参与人类多种疾病的致病，且表观遗传学的改 变在一定程度上具有可逆性（reversibility），这就要求我们寻找逆转基 因沉默的有效治疗方法，因此，表观遗传学治疗（epigenetic therapy） 应运而生。如，DNA甲基化抑制剂和组蛋白去乙酰化酶抑制剂等。
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。
表观遗传有三个密切相关的含义：
(1) 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；
(2) 可逆性的基因表达调节； (3) 没有DNA序列的变化或不能用DNA序列变化来解释。
表观遗传学的研究内容
主要包括：
(1)基因选择性转录表达的调控：DNA 甲基化、组蛋白共价修饰等所导致 的基因组印迹、染色质重构（塑）等; (2)基因转录后的调控： 针对mRNA的调控。如基因组中非编码RNA（主 要来源于内含子和转录的基因间序列）、miRNA（能够自我折叠形成发夹 状结构，通过RNAi或类似于RNAi的机制起作用）、反义RNA、内含子和 核糖体开关等
表观遗传学治疗
由于表观遗传学修饰机制参与人类多种疾病的致病，且表观遗传学的改 变在一定程度上具有可逆性（reversibility），这就要求我们寻找逆转基 因沉默的有效治疗方法，因此，表观遗传学治疗（epigenetic therapy） 应运而生。如，DNA甲基化抑制剂和组蛋白去乙酰化酶抑制剂等。
表观遗传学简介ppt课件
表观遗传学简介
Jomi
20131121
·表观遗传学简介
基因突变？？
2
·表观遗传学简介
·表观遗传学概述 ·表观遗传学研究内容 ·表观遗传学研究意义
3
·表观遗传学概述
-表观遗传（Epigenetics）
所谓表观遗传就是不基于DNA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。
泛 素 是一种存在于大多数真核细胞中的小蛋白 ， 它的主 要功能是标记需要分解掉的蛋白质，使其被水解 ； 当附有泛 素的蛋白质移动到桶状的蛋白酶的时候，蛋白酶就会将该蛋 白质水解 ， 泛素也可以标记跨膜蛋白，如受体，将其从细胞 膜上除去。
17
·表观遗传学研究内容
-染色质重塑（chromatin remodeling）
·转录抑制复合物干扰基因转录。 甲基化DNA结合蛋白与启动子区内的甲基化CpG岛结合，再与其
他一些蛋白共同形成转录抑制复合物（TRC），阻止转录因子与启动子 区靶序列的结合，从而影响基因的转录。
·通过改变染色质结构而抑制基因表达。 染色质构型变化伴随着组氨酸的乙酰化和去乙酰化，许多乙酰化和
去乙酰化本身就分别是转录增强子和转录阻遏物蛋白。
21
·表观遗传学研究内容
siRNA介导的RNAi
22
·表观遗传学研究内容
miRNA（microRNA）介导的RNAi
23
·表观遗传学研究内容
-其他内容
转录后基因沉默（Post-transcriptional Gene Silencing ,PTGS） 研究结果发现有大量的转基因植株不能正常表达，通常这并不是由
Jomi
20131121
·表观遗传学简介
基因突变？？
2
·表观遗传学简介
·表观遗传学概述 ·表观遗传学研究内容 ·表观遗传学研究意义
3
·表观遗传学概述
-表观遗传（Epigenetics）
所谓表观遗传就是不基于DNA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。
泛 素 是一种存在于大多数真核细胞中的小蛋白 ， 它的主 要功能是标记需要分解掉的蛋白质，使其被水解 ； 当附有泛 素的蛋白质移动到桶状的蛋白酶的时候，蛋白酶就会将该蛋 白质水解 ， 泛素也可以标记跨膜蛋白，如受体，将其从细胞 膜上除去。
17
·表观遗传学研究内容
-染色质重塑（chromatin remodeling）
·转录抑制复合物干扰基因转录。 甲基化DNA结合蛋白与启动子区内的甲基化CpG岛结合，再与其
他一些蛋白共同形成转录抑制复合物（TRC），阻止转录因子与启动子 区靶序列的结合，从而影响基因的转录。
·通过改变染色质结构而抑制基因表达。 染色质构型变化伴随着组氨酸的乙酰化和去乙酰化，许多乙酰化和
去乙酰化本身就分别是转录增强子和转录阻遏物蛋白。
21
·表观遗传学研究内容
siRNA介导的RNAi
22
·表观遗传学研究内容
miRNA（microRNA）介导的RNAi
23
·表观遗传学研究内容
-其他内容
转录后基因沉默（Post-transcriptional Gene Silencing ,PTGS） 研究结果发现有大量的转基因植株不能正常表达，通常这并不是由
表观遗传学PPT课件
1958年，R.A.Brink发现paramutation现象。
1961年，Mary Lyon发现X染色体失 活现象。
1983年，DNA甲基化的发现。
近年来，现代分子生物学 认为细胞中信息的表达受两 种因素控制：一种是传统意 义上的遗传调控，另一种是 表观遗传调控—何时、何地、 以何种方式去应用遗传信息 的指令。
表观遗传学（epigentics） 被认为是遗传学领域中探讨 基因型与表现型之间相互关 系的一个新的研究方向。
• 人类表观基因组和疾病联合会 于2003 年10月正式宣布开始投 资和实施旨在解析人类全基因 组中表观遗传信息及其与疾病 状态相关的特定表观遗传修饰 的人类表观基因组计划(Human Epigenome Project , HEP) 。
DNA低甲基化：整个基因组普遍低甲基化，这种广泛的 低甲基化会造成基因的不稳定，这与多种肿瘤的发生有 关。 DNA的低甲基化也可能在异常组蛋白修饰的协同下引起 某些T细胞基因的异常活化、导致自身免疫性疾病的发 生。
肿瘤类型 肺癌
乳腺癌 食管癌 胃癌 肝癌
结直肠癌
肾癌 膀胱癌
前列腺癌 卵巢癌
神经胶质瘤 淋巴瘤
CHCH33源自CH3DNA
DNA
CH
3
CH
复制
3
酶
甲基 CH
3
转移
CH
3
酶
CH
3
甲基化抑制基因的 表达
SUCCESS
THANK YOU
2019/7/30
DNA高甲基化：基因启动子区的CpG岛在正常状态下一般是 非甲基化的，当发生甲基化时，基因转录沉寂，使一些重 要基因如抑癌基因、DNA修复基因等丧失功能，从而导致 正常细胞的生长分化调控失常以及DNA损伤不能被及时修 复，这与多种肿瘤形成密切相关。
1961年，Mary Lyon发现X染色体失 活现象。
1983年，DNA甲基化的发现。
近年来，现代分子生物学 认为细胞中信息的表达受两 种因素控制：一种是传统意 义上的遗传调控，另一种是 表观遗传调控—何时、何地、 以何种方式去应用遗传信息 的指令。
表观遗传学（epigentics） 被认为是遗传学领域中探讨 基因型与表现型之间相互关 系的一个新的研究方向。
• 人类表观基因组和疾病联合会 于2003 年10月正式宣布开始投 资和实施旨在解析人类全基因 组中表观遗传信息及其与疾病 状态相关的特定表观遗传修饰 的人类表观基因组计划(Human Epigenome Project , HEP) 。
DNA低甲基化：整个基因组普遍低甲基化，这种广泛的 低甲基化会造成基因的不稳定，这与多种肿瘤的发生有 关。 DNA的低甲基化也可能在异常组蛋白修饰的协同下引起 某些T细胞基因的异常活化、导致自身免疫性疾病的发 生。
肿瘤类型 肺癌
乳腺癌 食管癌 胃癌 肝癌
结直肠癌
肾癌 膀胱癌
前列腺癌 卵巢癌
神经胶质瘤 淋巴瘤
CHCH33源自CH3DNA
DNA
CH
3
CH
复制
3
酶
甲基 CH
3
转移
CH
3
酶
CH
3
甲基化抑制基因的 表达
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2019/7/30
DNA高甲基化：基因启动子区的CpG岛在正常状态下一般是 非甲基化的，当发生甲基化时，基因转录沉寂，使一些重 要基因如抑癌基因、DNA修复基因等丧失功能，从而导致 正常细胞的生长分化调控失常以及DNA损伤不能被及时修 复，这与多种肿瘤形成密切相关。
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。
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（2）转录抑制复合物干扰基因转录。甲基化DNA结合蛋 白与启动子区内的甲基化CpG岛结合，再与其他一些 蛋白共同形成转录抑制复合物（TRC），阻止转录因 子与启动子区靶序列的结合，从而影响基因的转录。
（3）通过改变染色质结构而抑制基因表达。染色质构型 变化伴随着组氨酸的乙酰化和去乙酰化，许多乙酰化 和去乙酰化本身就分别是转录增强子和转录阻遏物蛋 白。
表观遗传学 Epigenetics
概念
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
所谓表观遗传就是不基于DNA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，也有较少的能用DNA序列变化来解 释。
表观遗传学的研究内容：
基因选择性转录表达 基因转录后的调控 的调控
DNA甲基化
❖ 目前认为基因调控元件（如启动子）的CpG岛中发生 5mC修饰会在空间上阻碍转录因子复合物与DNA的结 合。因而DNA甲基化一般与基因沉默相关联。
DNA甲基化的转录抑制机制：
（1）直接干扰特异转录因子与各自启动子结合的识别位 置。DNA的大沟是许多蛋白因子与DNA结合的部位，胞 嘧啶的甲基化干扰转录因子与DNA的结合。
染色质重塑是由染色质重塑复合物介导的 一系列以染色质上核小体变化为基本特征 的生物学过程。
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 影响邻近基因的活性。
核小体
核小体定位是核小体在DNA上特异性定位 的现象。
核小体核心DNA并不是随机的，其具备一 定的定向特性。
❖ 组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型被 称为组蛋白密码（histone code），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 且可遗传。
Bryan M. Turner, nature cell biology, 2007
三、染色质重塑
染色质重塑（chromatin remodeling） 是一个重要的表观遗传学机制。
核小体定位机制：
内在定位机制：每个核小体被定位于特定的DNA片断 。
外在定位机制：内在定位结束后，核小体以确定的长 度特性重复出现。
核小体定位的意义：
核小体定位是DNA正确包装的条件。 核小体定位影响染色质功能。
重塑因子调节基因表达机制的假设有两种:
机制1：一个转录因子独立地与核小体DNA 结合 (DNA可以是核小体或核小体之间的), 然后, 这个 转录因子再结合一个重塑因子, 导致附近核小体 结构发生稳定性的变化, 又导致其他转录因子的 结合, 这是一个串联反应的过程; （重建）
DNA甲基化状态的遗传和保持：
DNA复制后，新合成链在DNMT1的作用下，以旧链 为模板进行甲基化。（缺乏严格的精确性，95%）
甲基化并非基因沉默的原因而是基因沉默的结果， 其以某种机制识别沉默基因，后进行甲基化。
DNA全新甲基化。引发因素可能包括：
DNA本身的序列、成分和次级结构。 RNA根据序列同源性可能靶定的区域。 特定染色质蛋白、组蛋白修饰或相当有序的染色质
DNMT1
胞嘧啶
S-腺苷S甲AM硫氨酸
5-甲基胞嘧啶
胞嘧啶甲基化反应
哺乳动物基因组中5mC占胞嘧啶总量的2%-7%，约70%的5mC 存在于CpG二连核苷。
在结构基因的5’端调控区域, CpG二连核苷常常以成簇串 联形式排列，这种富含CpG二连核苷的区域称为CpG岛(CpG islands)，其大小为500-1000bp，约56%的编码基因含该 结构。
基因调控元件(如启动子)所含CpG岛中的5mC会阻碍转录因 子复合体与DNA的结合。
DNA甲基化一般与基因沉默相关联；
非甲基化一般与基因的活化相关联；
而去甲基化往往与一个沉默基因的重新激活相关联。
CpG
频 率
5’
Rb基因
3’
❖ CpG岛主要处于基因5’端调控区域。
❖ 启动子区域的CpG岛一般是非甲基化状态的，其非甲基 化状态对相关基因的转录是必须的。
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。
组蛋白修饰种类
乙酰化-- 一般与活化的染色质构型相关联，乙酰化修 饰大多发生在H3、H4的 Lys 残基上。
结构。
DNA去甲基化
主动去甲基化
复制相关的去甲基化
在复制过程中维持甲基化酶活性被关闭或维持甲基化酶 活性被抵制。
DNA
复 制 相 关 的 去 甲 基 化
DNA全新甲基化
DNA主动去甲基化
DNA甲基化状态的保 持
二、组蛋白修饰
组蛋白修饰是表观遗传研究的重要内容。
组蛋白的 N端是不稳定的、无一定组织的亚单位，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控密切相关。
基因组中非编码RNA
基因印记
微小RNA（miRNA）
组蛋白共价修饰
反义RNA
染色质重塑
内含子、核糖开关等
表观遗传学机制
DNA甲基化 组蛋白修饰 染色质重塑 RNA调控 其他表观遗传机制
遗传印记 X染色体失活
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(5-methylcytosine，5mC)。
甲基化-- 发生在H3、H4的 Lys 和 Arg残基上，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。
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（如ADP的核糖基化）
（3）通过改变染色质结构而抑制基因表达。染色质构型 变化伴随着组氨酸的乙酰化和去乙酰化，许多乙酰化 和去乙酰化本身就分别是转录增强子和转录阻遏物蛋 白。
表观遗传学 Epigenetics
概念
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
所谓表观遗传就是不基于DNA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，也有较少的能用DNA序列变化来解 释。
表观遗传学的研究内容：
基因选择性转录表达 基因转录后的调控 的调控
DNA甲基化
❖ 目前认为基因调控元件（如启动子）的CpG岛中发生 5mC修饰会在空间上阻碍转录因子复合物与DNA的结 合。因而DNA甲基化一般与基因沉默相关联。
DNA甲基化的转录抑制机制：
（1）直接干扰特异转录因子与各自启动子结合的识别位 置。DNA的大沟是许多蛋白因子与DNA结合的部位，胞 嘧啶的甲基化干扰转录因子与DNA的结合。
染色质重塑是由染色质重塑复合物介导的 一系列以染色质上核小体变化为基本特征 的生物学过程。
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 影响邻近基因的活性。
核小体
核小体定位是核小体在DNA上特异性定位 的现象。
核小体核心DNA并不是随机的，其具备一 定的定向特性。
❖ 组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型被 称为组蛋白密码（histone code），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 且可遗传。
Bryan M. Turner, nature cell biology, 2007
三、染色质重塑
染色质重塑（chromatin remodeling） 是一个重要的表观遗传学机制。
核小体定位机制：
内在定位机制：每个核小体被定位于特定的DNA片断 。
外在定位机制：内在定位结束后，核小体以确定的长 度特性重复出现。
核小体定位的意义：
核小体定位是DNA正确包装的条件。 核小体定位影响染色质功能。
重塑因子调节基因表达机制的假设有两种:
机制1：一个转录因子独立地与核小体DNA 结合 (DNA可以是核小体或核小体之间的), 然后, 这个 转录因子再结合一个重塑因子, 导致附近核小体 结构发生稳定性的变化, 又导致其他转录因子的 结合, 这是一个串联反应的过程; （重建）
DNA甲基化状态的遗传和保持：
DNA复制后，新合成链在DNMT1的作用下，以旧链 为模板进行甲基化。（缺乏严格的精确性，95%）
甲基化并非基因沉默的原因而是基因沉默的结果， 其以某种机制识别沉默基因，后进行甲基化。
DNA全新甲基化。引发因素可能包括：
DNA本身的序列、成分和次级结构。 RNA根据序列同源性可能靶定的区域。 特定染色质蛋白、组蛋白修饰或相当有序的染色质
DNMT1
胞嘧啶
S-腺苷S甲AM硫氨酸
5-甲基胞嘧啶
胞嘧啶甲基化反应
哺乳动物基因组中5mC占胞嘧啶总量的2%-7%，约70%的5mC 存在于CpG二连核苷。
在结构基因的5’端调控区域, CpG二连核苷常常以成簇串 联形式排列，这种富含CpG二连核苷的区域称为CpG岛(CpG islands)，其大小为500-1000bp，约56%的编码基因含该 结构。
基因调控元件(如启动子)所含CpG岛中的5mC会阻碍转录因 子复合体与DNA的结合。
DNA甲基化一般与基因沉默相关联；
非甲基化一般与基因的活化相关联；
而去甲基化往往与一个沉默基因的重新激活相关联。
CpG
频 率
5’
Rb基因
3’
❖ CpG岛主要处于基因5’端调控区域。
❖ 启动子区域的CpG岛一般是非甲基化状态的，其非甲基 化状态对相关基因的转录是必须的。
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。
组蛋白修饰种类
乙酰化-- 一般与活化的染色质构型相关联，乙酰化修 饰大多发生在H3、H4的 Lys 残基上。
结构。
DNA去甲基化
主动去甲基化
复制相关的去甲基化
在复制过程中维持甲基化酶活性被关闭或维持甲基化酶 活性被抵制。
DNA
复 制 相 关 的 去 甲 基 化
DNA全新甲基化
DNA主动去甲基化
DNA甲基化状态的保 持
二、组蛋白修饰
组蛋白修饰是表观遗传研究的重要内容。
组蛋白的 N端是不稳定的、无一定组织的亚单位，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控密切相关。
基因组中非编码RNA
基因印记
微小RNA（miRNA）
组蛋白共价修饰
反义RNA
染色质重塑
内含子、核糖开关等
表观遗传学机制
DNA甲基化 组蛋白修饰 染色质重塑 RNA调控 其他表观遗传机制
遗传印记 X染色体失活
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(5-methylcytosine，5mC)。
甲基化-- 发生在H3、H4的 Lys 和 Arg残基上，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。
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（如ADP的核糖基化）