时光 第一讲 表观遗传学

How Histone Modifications work?
1. 2. 3. 4. Affect the nucleosome structure Affect higher order chromatin structure Affect other histone modifications Histone code --- allow or prevent binding of specific histone binding or effector proteins
Loss of Brg1 in mice results in early embryonic lethality, and recent studies have implicated a role for Brg1 in somatic stem cell self-renewal and differentiation.
• ATP依赖性核小体重塑复合物SWI/SNF和NURF。
• 组蛋白修饰和核小体重塑复合体二者是染色质模 板转录所必需的。
核小体动态分布
Chromatin Remodeling Enzyme SWI/SNF
SWI/SNF
BRG1, a component of the SWI-SNF complex, is mutated in multiple human tumor cell lines
发育的进程以及体细胞所有组成成分表达的特异基因受控于某些信号， 而这些信号并非来自生殖细胞DNA序列的缺失或突变
孟德尔遗传定律无法解释的现象
• 表型特征差异（豌豆颜色）是由于DNA序列突变导致的等 位基因的差别造成的。简而言之，突变是定义表型特点的 基础，而表型特点又有助于界定物种之间的界限。
• 非孟德尔定律定律的继承性（胚胎生长的异质性、皮肤嵌 合颜色、X染色体随机失活），DNA序列并未发生改变， 只是两个等位基因只有一个表达。
• 表观遗传的主要机制包括组蛋白修饰、染色质 重塑、DNA甲基化、组蛋白变异、基因印记及 RNA干扰等.
表观遗传学研究主要内容
(1)表观遗传信息建立和维持的机制及其间的 相互作用； (2)干细胞维持自我更新的同时及其分化潜能 的表观遗传学编程机制；（细胞身份和干 细胞可塑性） (3)重大疾病肿瘤、再生衰老、代谢性疾病乃 至精神性疾病发病的表观遗传学机制。
DNA is highly compacted into chromatin
• DNA is highly compacted into chromatin • The nucleosome is the fundamental subunit of chromatin
Nucleosome
Nucleosome = a nucleosome core particle + linker DNA+ a linker histone Nucleosome core particle = histone octamer + 147 bp DNA
有悖于“中心法则”
• 1957年F.H.C.克里克最初提出的中心法则是： DNA→RNA→蛋白质。 • 1970年H.M.特明和D.巴尔的摩提出RNA逆转 录DNA，完善“中心法则”。
中心法则否认从蛋白质到DNA的反馈过程。如朊粒有悖于中心法则
表观遗传学现象得出结论
• 非DNA突变引起的可继承的表型变化。
组蛋白赖氨酸甲基化酶
组蛋白赖氨酸去甲基化酶的发现
• 氨基酸氧化酶（LSD1）：催化 一甲基和二甲基化的H3K4/9去 甲基化，需要FAD（flavin adenine dinucleotide）协助完 成。
NuRD Complex: nuclesome remodeling and deacetylation complex
H3 (aa1-21)
-
CHD3/CHD4
MTA 1/2/3 P66/68 HDAC 1/2 Rbap 48/46
MBD3
NuRD is also associated with active genes, suggesting a versatile use of NuRD in transcriptional regulation.
第一个组蛋白赖氨酸甲基化酶的发现过程
Histone amino-terminal modifications influence chromatin structure and function
位置花斑效应（PEV）: 果蝇复眼颜色和形状；玉米颜色
第一个组蛋白赖氨酸甲基化酶的发现过程
PEVห้องสมุดไป่ตู้position effect variegantion)
第一讲
表观遗传学概论
时光
人和小鼠基因组比较
VS
1985年，人类基因组计划 2000年6月26日，参加人类基因组工程项目 的美国、英国、法兰西共和国、德意志联邦 共和国、日本和中国的6国科学家共同宣布， 人类基因组草图的绘制工作已经完成。 2000年完成小鼠基因组草图的绘制。
人和小鼠基因组比较
VS
adjacent cysteine-rich regions
Alignment
SET domain core: NHSC and GE(x)5Y Two conserved motifs may be of particular functional importance.
Histone code
• 表观遗传学是在研究与经典孟德尔定律不相符的 许多遗传现象过程中逐步发展起来的。 • 不依赖于DNA序列差异的核继承性。
• 细胞核内等位基因的选择性调控。同卵双生外部 表型差别；环境、饮食等外部因素。 • 表观遗传信息对正常发育的贡献？
DNA甲基化的发现
• 染色体印记和X染色体失活为表观遗传机理研究提供了早 期模型。 • 1975年Riggs、Holliday和Pugh提出DNA甲基化作为表观遗 传学标志。 • DNA甲基化在基因沉默中的作用。 • 等位基因发现 • 果蝇位置花斑现象：DNA甲基化水平很低，暗示还有一种 表观遗传机制存在。
• 1965年 McClintick提出转座子（玉米） • 染色质以正常剂量存在，排列异常，表型 结果不同。
个体体细胞DNA是相同的
• 1953年 Watson和Crick解析DNA结构。 • 1970年 Laskey和Gurdon爪蟾实验：早期胚胎细胞 的核移植入去核的卵母细胞可以使其发育成胚胎。
1974年染色质单体---核小体结构 1997年Luger核小体晶体结构：组蛋白N端尾 巴调控基因表达调控以及沉默染色质。
染色质模板的转换（顺式/反式）
常染色质与异染色质差别
组蛋白修饰和组蛋白密码
核小体重塑因子
• 1994年证明Gal4-VP16能够以ATP依赖的方式从重 组的染色质模板激活转录，激活伴随核小体重新 定位。
组蛋白甲基化
组蛋白甲基化
• • • • 位点（赖氨酸和精氨酸） 甲基化转移酶 去甲基化酶 甲基化识别蛋白
Methylation
组蛋白甲基化酶
• 组蛋白甲基转移酶（Histone methyltransferase，简称为 HMT）是包括组蛋白-赖氨酸N-甲基转移酶与组蛋白-精氨 酸N-甲基转移酶在内的是一大类组蛋白修饰酶类，它们催 化将一个、两个或三个甲基转移到组蛋白的赖氨酸或精氨 酸残基上。被添加上的甲基基团主要位于组蛋白H3和H4特 定赖氨酸或精氨酸上。
所有机制是相互关联的
• • • • • 表观遗传调控的复杂性 动态性 可遗传性 物种差异性 影响因素的复杂性
表观遗传学
• 表观遗传（epigenetics）是指一组不改变基 因型而可决定细胞表现型的遗传机制与现象。
• 其研究的内容是基因序列不发生改变的可遗传 变化，这种可遗传改变调控基因表达的变化， 是基因表达转录调控的另一种方式。
• 表型变化是“开关型”的。 • 例子：噬菌体在裂解型和溶原型间的转变； 大肠杆菌的菌毛形态转变；果蝇的位置花 斑现象；X染色体失活。
遗传学与表观遗传学
DNA和染色质
“你可以继承DNA序列之外的一些东西，这正是现代遗传学中让我们激 动的地方”（Watson 2003）
经典遗传学与现代遗传学区别
Su(var) group genes Su(var)3-9
SU(VAR)3-9 protein family
Human SUV39H1 mice Suv39h1 S. pombe CLR4 murine Suv39h2
The chromo domains
SET domains human EZH2 human HRX proteins Stephen Rea et al. Science. 2000
Stephen Rea et al. Science. 2000
组蛋白赖氨酸甲基化位点
组蛋白赖氨酸甲基化酶
• 赖氨酸特异性组蛋白甲基转移酶类可被细分为含SET结构域的和 不含SET结构域的两类。 • 人类基因所编码的具有组蛋白甲基转移酶活性的蛋白质包括： • ASH1L • DOT1L • EHMT1、EHMT2、EZH1、EZH2 • MLL、MLL2、MLL3、MLL4、MLL5 • NSD1 • PRDM2 • SET、SETBP1、SETD1A、SETD1B、SETD2、SETD3、SETD4、 SETD5、SETD6、SETD7、SETD8、SETD9、SETDB1、SETDB2 • SETMAR、SMYD1、SMYD2、SMYD3、SMYD4、SMYD5、 SUV39H1、SUV39H2、SUV420H1、SUV420H2
染色质的研究历史
• 真核生物细胞核中结合于DNA上的蛋白质，尤其是组蛋白可能 参与了DNA修饰。 • 染色质作为转录模板的功能：体外系统加入RNA聚合酶转录产 物。组蛋白解离转录必需。 • 组蛋白乙酰化、甲基化和磷酸化发现。 • 1974年染色质单体---核小体结构。
• 1997年Luger核小体晶体结构：组蛋白N端尾巴调控基因表达调 控以及沉默染色质。
（1）小鼠和人类基因组之间有85%到90%的遗传基因完全相同 （2）人类和小鼠都有大约30000条基因，其中约有80%的基因是 “完全一样的”。 （3）人和小鼠鼠大约共享有99%的类似基因
双胞胎
性格 长相
表观遗传学研究历史
表观遗传学
表观遗传学从现象到领域：染色体重排
• 1930年 H.J. Muller 提出位置花斑现象（果蝇）
• 1996年Allis发现首个乙酰化酶Gcn5：组蛋白乙酰化与基因表达 调控联系在一起。
染色质的高级结构
• 分为常染色质和异染色质。 • 常染色质是松散的染色质，既可以是转录处于活跃状态， 也可以是转录非活跃状态。 • 异染色质是高度致密和沉默的染色质，分为组成型异染 色质（永久沉默的染色质）和兼性异染色质（特殊细胞 时期或发育阶段沉默）。 • 染色质是高度动态的大分子结构，接收信号倾向于重塑 或重建。
“后基因组时代”
表观遗传学概述
• • • • • 组蛋白修饰和组蛋白变异体 DNA甲基化 染色质重塑 基因印记 非编码RNA
一 、组蛋白修饰和组蛋白变异体
Nucleosome with histone posttranslational modifications
Multiple modifications and enormous potential combinations
组蛋白乙酰化
Histone acetylation and deacetylation mechanism
乙酰化酶系统
• • • • HAT（GNAT Family；MYST；P300/CBP；SRC） HDAC（Class I /II /III ） HDAC1-10 蛋白复合体（RbAp48，NuRD） In HDAC1 knockout (KO) mice, mice were found to die during embryogenesis. • HDACs 1 and 3 have been found to mediate Rb-RbAp48 interactions which suggests that it functions in cell cycle progression.