【生物信息学第二版】计算表观遗传学
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。
生物信息学(第二版)
生物信息学（第二版）生物信息学是一门跨学科的学科，它结合了生物学、计算机科学、信息学以及统计学等多个领域的知识，旨在通过计算机技术和算法来分析生物数据，解决生物学问题。
随着生物技术的飞速发展，生物信息学在基因组学、蛋白质组学、代谢组学等领域发挥着越来越重要的作用。
第二版的生物信息学教材在第一版的基础上进行了全面升级和更新。
它不仅涵盖了生物信息学的基础知识，如生物序列分析、基因表达分析、蛋白质结构预测等，还增加了许多新的内容，如生物网络分析、系统生物学、生物医学大数据分析等。
第二版的生物信息学教材为读者提供了一个全面、深入、实用的学习资源，帮助他们更好地理解和应用生物信息学的知识。
无论您是生物学专业的学生，还是对生物信息学感兴趣的爱好者，这本教材都将为您提供宝贵的指导和帮助。
生物信息学（第二版）在生物信息学领域，第二版教材的推出不仅是对知识的更新，更是对教学理念的升华。
新版教材不仅关注生物信息学的基础理论和方法，更注重培养学生的实践能力和创新思维。
它通过引入最新的研究成果和技术进展，鼓励学生探索生物信息学的前沿领域。
教材的第二版还特别强调了跨学科的合作与交流。
在生物信息学的研究中，不同领域的专家需要紧密合作，共同解决复杂的生物学问题。
因此，教材中包含了大量跨学科合作的案例研究，让学生了解如何将生物学、计算机科学、数学和统计学等多学科的知识结合起来，以实现更高效的数据分析和生物学问题的解决。
第二版教材还注重培养学生的批判性思维和解决问题的能力。
它鼓励学生不仅要知道如何使用现有的生物信息学工具和技术，还要能够评估这些工具的适用性和局限性，以及如何根据具体问题设计和优化新的分析方法。
在实际应用方面，教材通过详细的案例分析，展示了生物信息学在疾病诊断、药物研发、个性化医疗等领域的应用。
这些案例不仅帮助学生理解生物信息学的实际价值，还激发了他们对未来可能的研究方向的兴趣。
生物信息学（第二版）随着生物科学和信息技术的高速发展，生物信息学作为两者的桥梁，其重要性日益凸显。
表观遗传学教学课件
04
表观遗传学研究方法
基因组学技术
基因组测序
通过全基因组测序技术，可以检测基因组中的变异和表观遗传修饰，了解基因表达的调 控机制。
甲基化测序
甲基化测序技术可以检测基因组中DNA甲基化的水平，研究甲基化与基因表达的关系。
生物信息学分析
数据挖掘
利用生物信息学方法对大规模基因组 数据进行挖掘，寻找表观遗传修饰与 基因表达之间的关联。
详细描述
非编码RNA在表观遗传学中发挥重要作用， 它们通过与mRNA相互作用，影响基因表达 的转录和转录后水平。非编码RNA的异常表 达与多种疾病的发生和发展密切相关。
组蛋白修饰
总结词
组蛋白修饰是指组蛋白上的化学基团， 如乙酰化、甲基化和磷酸化等。
VS
详细描述
组蛋白修饰能够影响染色质的结构和基因 表达，与细胞分化、发育和肿瘤形成等生 物学过程密切相关。组蛋白修饰的异常与 多种疾病的发生和发展密切相关。
80%
药物研发
表观遗传学研究有助于发现新型 药物靶点，推动药物研发的创新 和进步。
表观遗传学面临的挑战与问题
技术难题
表观遗传学研究涉及多种复杂技 术，如高通量测序、染色质免疫 沉淀等，技术难度较大，需要专 业人员操作。
数据解读与分析
表观遗传学研究产生大量数据， 如何准确解读和分析这些数据是 一个挑战。需要发展新的数据分 析方法和算法。
个体化治疗
表观遗传学研究有助于实现个 体化治疗，即根据患者的表观 遗传学特征，制定个性化的治 疗方案。例如，针对特定基因 的靶向治疗等。
疾病预防
表观遗传学研究还有助于疾病 的预防。例如，通过调整饮食 和生活方式等，可以改变个体 的表观遗传学特征，从而预防 某些疾病的发生。
表观遗传学(研究生)2024新版
细胞分化与表观遗传关系探讨
01
细胞类型特异性基因表达
在细胞分化过程中，不同类型的细胞表达不同的基因组合。表观遗传修
饰通过调控基因表达的时空特异性，参与细胞类型特异性基因表达的建
立。
02
转录因子与表观遗传修饰的互作
转录因子能够结合特定基因的启动子区域，调控基因表达。转录因子与
表观遗传修饰酶（如DNA甲基转移酶和组蛋白修饰酶）相互作用，共
人工智能技术在表观遗传学中应用前景
利用人工智能技术进行表观遗传数据 分析：人工智能技术可以对大规模的 表观遗传数据进行自动化处理和分析 ，提高数据处理的效率和准确性。例 如，利用深度学习技术对表观遗传数 据进行特征提取和分类，可以更加准 确地识别与特定生物学过程或疾病相 关的表观遗传标记。
基于人工智能技术的表观遗传调控网 络构建：利用人工智能技术可以构建 更加精细和复杂的表观遗传调控网络 模型。这些模型可以模拟生物体内复 杂的表观遗传调控过程，帮助我们更 加深入地理解表观遗传调控的机制和 功能。
研究DNA甲基化的方法包括重亚硫酸 盐测序、甲基化特异性PCR、甲基化 敏感的限制性内切酶等。
DNA甲基化的作用
DNA甲基化在基因表达调控、X染色 体失活、基因组印记等方面发挥重要 作用。
组蛋白修饰
01
组蛋白修饰定义
组蛋白修饰是指通过改变组蛋白 的结构或功能来影响基因表达的 一种表观遗传修饰方式。
跨物种间表观遗传比较研究
不同物种间表观遗传修饰的保守性和差异性
不同物种间在表观遗传修饰上既存在保守性也存在差异性。通过比较不同物种间 表观遗传修饰的特点和规律，可以深入了解表观遗传调控的进化机制和生物学意 义。
表观遗传修饰在跨物种间的功能研究
表观遗传学
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）
机制2：由重塑因子首先独立地与核小体结合,不改变其结构,但使其松动并发生滑动,这将导致转录因子的结合,从而使新形成的无核小体的区域稳定。（滑动）
遗传印迹、X染色体失活的本质仍为DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑。
概念：
或称亲本印迹（parent imprinting）
是指基因组在传递遗传信息的过程中，通过基因组的化学修饰（DNA的甲基化；组蛋白的甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等）而使基因或DNA片段被标识的过程。
特点：
基因组印迹依靠单亲传递某种性状的遗传信息，被印迹的基因会随着其来自父源或母源而表现不同，即源自双亲的两个等位基因中一个不表达或表达很弱。
表观遗传学
大家晚上好！很高兴有机会和大家交流，我最近看了一些这方面的材料，借这个机会和大家交流一下，讲的不一定对，就是自己的理解，有问题的地方大家可以讨论。我想从以下几个方面进行介绍：
1、表观遗传学概念
2、表观遗传学的研究内容
一、表观遗传学概念
经典遗传学认为遗传的分子基础是核酸,生命的遗传信息储存在核酸的碱基序列上，碱基序列的改变会引起生物体表现型的改变，而这种改变可以从上一代传递到下一代。然而，随着遗传学的发展，人们发现,，DNA、组蛋白、染色质水平的修饰也会造成基因表达模式的变化，并且这种改变是可以遗传的。这种基因结构没有变化，只是其表达发生改变的遗传变化叫表观遗传改变。表观遗传学是一门研究生命有机体发育与分化过程中，导致基因发生表观遗传改变的新兴学科。
基因组学第十章计算表观遗传学
基因组学第⼗章计算表观遗传学第⼗章计算表观遗传学第⼀节表观遗传学是研究不涉及DNA序列改变的情况下，DNA甲基化谱、染⾊质结构状态和基因表达谱在细胞代间传递的遗传现象的⼀门科学。
计算表观遗传学：应⽤及开发⽣物信息学⽅法（统计分析，模式识别等）解决⽣物医学相关的表观遗传学问题。
第⼆节基因组的DNA甲基化⼀、CpG岛的DNA甲基化调控基因表达1、DNA甲基化与CpG岛DNA甲基化是⼀种发⽣在DNA序列上的化学修饰，可以在转录及细胞分裂前后被稳定地遗传。
DNA甲基化是重要的表观遗传代码。
参与酶：甲基化维持酶和从头甲基化酶CpG岛：见P78，下同2、DNA甲基化对转录的调控1. DNA甲基化阻碍转录因⼦的结合2. DNA甲基化识别染⾊质标记3. DNA甲基化募集其他蛋⽩引起染⾊质沉默4. DNA甲基化影响核⼩体定位3、DNA甲基化的意义：DNA甲基化与重复元件沉默DNA甲基化与染⾊体的选择性沉默DNA甲基化与基因的组织特异表达⼆、基因组CpG岛识别⽅法三、实验检测技术测定DNA甲基化状态DNA甲基化的检测⽅法见P791.限制性内切酶法2.重亚硫酸钠法3. 亲和纯化**预测⽅法基因组范围⾼通量的DNA甲基化检测⽅法⾼通量测序是最新发展起来的但却是最有前途的全基因组DNA甲基化分析⽅法。
⾼通量测序技术的出现，使得产⽣⼤量序列信息的时间和成本均要低于桑格法。
⽬前，两种⾼通量的测序平台最为流⾏：⼀种是454⽣命科学公司开发的焦磷酸测序⽅法，另外⼀种是Illumina前⾝的Solexa开发的基于荧光核苷酸的系统。
四、异常DNA甲基化特征识别第三节组蛋⽩修饰的表观基因组⼀、组蛋⽩密码是重要表观遗传标记之⼀（⼀）核⼩体与组蛋⽩修饰组蛋⽩⼄酰化主要促使基因表达和DNA复制，使组蛋⽩⼄酰化定位的基因得到动态的调控。
组蛋⽩去⼄酰化则使基因沉默。
组蛋⽩的磷酸化可以改变组蛋⽩的电荷，对基因转录、DNA修复和染⾊质凝聚等过程起调控作⽤。
计算表观遗传学名词解释
计算表观遗传学名词解释
计算表观遗传学 (Computational Epigenetics) 是一门利用计算机科学和机器学习方法研究表观遗传学的学科。
在该领域中，研究人员使用计算手段处理和分析表观遗传学数据，例如 DNA 甲基化、染色质修饰、RNA 表达等。
计算表观遗传学旨在探索表观遗传学机制，解释生物体内表观遗传学现象，并为疾病诊断和治疗提供新的思路和方法。
在计算表观遗传学中，常用的方法包括机器学习、深度学习、数据挖掘等。
这些方法被用于特征提取、模式识别、预测模型构建等方面。
例如，研究人员可以使用机器学习方法对表观遗传学数据进行分类和聚类，从而探索数据中的模式和规律。
深度学习方法则可以用于对表观遗传学数据进行可视化和三维建模，以揭示细胞内复杂的表观遗传学机制。
计算表观遗传学的研究对于理解生物体内表观遗传学机制、探索疾病诊断和治疗新方法具有重要意义。
随着计算技术和表观遗传学研究的不断发展，计算表观遗传学将成为未来生命科学研究中不可或缺的一部分。
生物信息学(第二版)
《精要速览系列-先锋版生物信息学（第二版）》D.R.Westhead，J.H.Parish & R.M.Twyman科学出版社2004A生物信息学概述相关学习网站/inbioinformaticsB数据采集DNA,RNA和蛋白质测序1．DNA测序原理DNA中核苷酸的顺序是通过链式终止测序【也称为脱氧测序（dideoxy sequencing）或以发明人命名的Sanger方法】来确定。
2．DNA序列的类型基因组DNA，是直接从基因组中得到，包括自然状态的基因复制DNA（copy DNA, cDNA），通过反转录ｍＲＮＡ得到的重组DNA，包括载体序列如质粒，修饰过的病毒和在实验室使用的其他遗传元件等3．基因组测序策略散弹法测序（shotgun sequence）包括随机DNA片段的生成，通过大量片段测序来覆盖整个基因组克隆重叠群测序（clone contig）DNA片段用推理的方法亚克隆，并且进行系统的测序直到整个序列完成4．序列质量控制通过在DNA双链上进行多次读取完成高质量序列数据的测定可使用如Phred等程序对最初的跟踪数据（trace data）进行碱基识别和质量判断。
载体序列和重复的DNA片段被屏蔽后，使用Phred等程序将序列拼接成重叠群（contigs），剩下的不一致部分通过人工修饰解决5．单遍测序低质量的序列数据可以由单次读段（read）产生（单遍测序，single-pass sequencing）。
尽管不很准确，但单遍测序如ESTs和GSS s，可以低廉的价格快速大量的产生6．RNA测序因为有大量的小核苷酸（minor nucleotide）（化学改变的核苷）存在于转移RNA （tRNA）和核糖体RNA（rRNA）中，所以RNA测序不能像DNA测序那样直接进行。
需要用特殊的方法来识别被改变的核苷，包括生化实验，核磁共振谱（NRM spectroscopy）和质谱（MS）技术7．蛋白质测序蛋白质序列可以通过DNA序列推断得到，而RNA测序不能提供有关已改变残基或其他类型的翻译后蛋白质修饰（比如剪接或二硫键的形成）大部分蛋白质测序是通过质谱（MS）技术进行的基因和蛋白质表达数据1．全局表达分析RNA水平的分析中有效的方法是从RNA群体或cDNA文库中，甚至从序列数据库中进行序列采样。
第十章 计算表观遗传学
处理及分析表
观遗传数据
挖掘表观 遗传现象
常用的算法 统计学方法 回归分析 模式识别方法
支持向量机
决策树
相关分析及判别分析
聚类分析
贝叶斯网络
最小二乘法 最近邻算法
主成分分析
因子分析
（四）功能层面
目的 有效利用当前已有的高通量表观基因组数据
单核苷酸多态、DNA甲基化与基因表达之间的关 系，挖掘调控基因表达的关键因子。
（三）计算表观遗传学与进化
DNA甲基化的进化分析
DNA甲基化的进化分析
DNA甲基化的进化分析
DNA甲基化和组蛋白修饰有潜在的临床用途 附加的诊断工具 用于普遍临床实践
抑癌基因高甲基化和DNA 预后因子 高甲基化谱可用于癌症病 人预后指示器 特定基因的高甲基化可对 治疗反应进行预测
治疗反应预测
2. 改进的CpG岛定义
Takai和Jones
增加最短长度、CpG O/E值
GC含量分别到500 bp,0.65% 和 55%对预测精度 的影响。 通过使阈值更加严格，Alu重复元件得到最大程 度的排除，但此时却排除了原来数量10%的CpG
岛，这表明一些真正的CpG岛可能也被排除。
常见的CpG岛预测算法
（二）DNA甲基化对转录的调控
1. DNA甲基化阻碍转录因子的结合 2. DNA甲基化识别染色质标记 3. DNA甲基化募集其他蛋白引起染色质沉默
4. DNA甲基化影响核小体定位
CpG岛甲基化和转录的关系
（三）DNA甲基化的意义
CpG二核苷酸的甲基化与重复元件沉默 CpG二核苷酸的甲基化与染色体的选择性沉默
NimbleGen
生物信息学中的表观遗传组学研究方法
生物信息学中的表观遗传组学研究方法表观遗传组学是研究基因组中非编码DNA序列上的一系列化学修饰，以及这些修饰如何影响基因表达和表型的领域。
近年来，随着高通量测序技术的发展，表观遗传组学已成为生物信息学中一个重要的研究领域。
本文将介绍几种常用的表观遗传组学研究方法，包括甲基化测序、组蛋白修饰测序和染色质构象测序。
1. 甲基化测序甲基化是一种常见的DNA修饰方式，它在基因表达和易位等遗传过程中起到重要的调控作用。
甲基化测序是表观遗传组学中最常用的方法之一。
该技术利用高通量测序技术来探索基因组中的DNA甲基化状态，并研究它在不同细胞类型、组织和疾病中的变化。
甲基化测序通常分为全基因组甲基化测序和区域甲基化测序两类。
全基因组甲基化测序可以全面地测定基因组中所有的甲基化位点，而区域甲基化测序则关注某些特定的基因区域。
2. 组蛋白修饰测序组蛋白修饰是另一种常见的表观遗传修饰方式，它通过在组蛋白分子上添加或移除特定的化学基团来调控基因表达。
组蛋白修饰测序利用测序技术可以精确定量和定位基因组中不同组蛋白修饰的位置和程度。
这些修饰可以包括乙酰化、甲基化、泛素化等。
通过分析组蛋白修饰测序数据，研究人员可以了解到哪些基因区域可能处于激活或沉默状态，以及组蛋白修饰如何调控基因表达。
3. 染色质构象测序染色质构象在调控基因表达和遗传稳定性方面发挥着重要作用。
染色质构象测序技术可以帮助研究人员理解DNA在细胞中是如何被组织和包装的。
其中，3C（chromosome conformation capture）技术是最早用于研究染色质构象的方法之一。
3C技术通过交联细胞核中的染色质，然后利用限制性内切酶切割DNA，最终通过PCR或测序来确定交联DNA片段之间的相对距离。
近年来，随着测序技术的发展，高通量染色质构象测序（Hi-C）等技术可以全面而高分辨地测定整个基因组的相对距离，从而帮助研究人员理解染色质构象在基因表达调控及基因组稳定性方面的作用。
表观遗传学课件(带目录)
表观遗传学课件一、引言表观遗传学是研究基因表达调控机制的一门学科，它涉及到基因序列不发生变化，但基因表达却发生了可遗传的改变。
这种调控机制对于生物体的生长发育、细胞分化、疾病发生等过程具有重要作用。
本文将对表观遗传学的基本概念、调控机制及其在疾病中的应用进行详细阐述。
二、表观遗传学的基本概念1.基因表达调控：基因表达调控是指生物体通过一系列机制，控制基因在特定时间和空间的表达水平。
基因表达调控是生物体生长发育、细胞分化、环境适应等生命现象的基础。
2.表观遗传修饰：表观遗传修饰是指在基因的DNA序列不发生改变的情况下，通过DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑等机制调控基因表达的过程。
3.表观遗传学的研究内容：表观遗传学主要研究基因表达调控的分子机制，包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、非编码RNA调控等。
三、表观遗传学的调控机制1.DNA甲基化：DNA甲基化是指在DNA甲基转移酶的催化下，将甲基基团转移至DNA分子的过程。
DNA甲基化通常发生在基因的启动子区域，抑制基因表达。
2.组蛋白修饰：组蛋白修饰是指在组蛋白分子上发生的一系列化学修饰，如乙酰化、磷酸化、甲基化等。
这些修饰可以改变组蛋白与DNA的结合状态，从而调控基因表达。
3.染色质重塑：染色质重塑是指染色质结构发生变化，使基因的表达状态发生改变的过程。
染色质重塑可以通过改变核小体结构、DNA甲基化、组蛋白修饰等方式实现。
4.非编码RNA调控：非编码RNA是指不具有编码蛋白质功能的RNA分子，包括miRNA、lncRNA、circRNA等。
这些RNA分子可以通过与mRNA结合、调控转录因子活性等方式调控基因表达。
四、表观遗传学在疾病中的应用1.癌症：表观遗传学在癌症研究中的应用主要涉及肿瘤发生、发展和治疗。
研究发现，癌细胞的表观遗传修饰模式发生改变，导致肿瘤相关基因的表达异常。
通过研究这些表观遗传修饰，可以为癌症的早期诊断、预后评估和治疗提供新靶点。
(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。
生物信息学中的表观遗传学研究现状
生物信息学中的表观遗传学研究现状随着高通量测序技术的发展，我们对基因组和转录组的了解也越来越深入。
然而基因组上的修饰是在转录的过程中发挥作用的，因此表观遗传学的研究也变得越来越重要。
表观遗传学研究的是影响基因表达的非遗传学的因素，包括DNA甲基化、组蛋白修饰、转录后修饰等。
它是转录组和基因组学的补充，帮助我们理解基因组上的变异和调控。
生物信息学技术的发展也为表观遗传学的研究提供了很多工具和方法。
DNA甲基化是表观遗传学研究中最为广泛的研究方向之一。
DNA甲基化是指DNA上的一种化学修饰，在转录过程中影响基因表达。
对于体细胞来说，DNA甲基化的模式是相对稳定的，但在很多疾病中，例如癌症，DNA甲基化的模式会出现异常。
这些异常的DNA甲基化模式可以用来帮助诊断和治疗疾病。
生物信息学技术使得我们能够对DNA甲基化数据进行分析和整合，利用这些信息识别差异甲基化区域和甲基化相关的基因。
除了DNA甲基化外，组蛋白修饰也是表观遗传学的重要研究方向之一。
组蛋白是染色体上最主要的蛋白质之一，通过化学修饰修改组蛋白可以改变染色体上的某些区域对基因的调控。
例如，诸如乙酰化、甲基化、磷酸化等的修饰可以影响基因表达，所以我们需要了解和分析这些组蛋白修饰对整个基因组的影响。
生物信息学技术可以帮助我们识别不同类型的组蛋白修饰，挖掘出它们可能对基因表达的影响。
除了DNA甲基化和组蛋白修饰外，转录后修饰也是表观遗传学研究的重要方向之一。
转录后修饰指的是mRNA上的一些修饰，例如剪切和多聚腺苷酸化等。
这些修饰不仅会影响基因表达，而且也会影响蛋白质的翻译和折叠。
生物信息学技术可以帮助我们对这些修饰进行分析和注释。
总之，表观遗传学的研究是基因组学和转录组学的重要补充。
生物信息学技术的发展为我们提供了强大的分析工具，使得我们能够对表观遗传学的差异进行分析和识别，并利用它们来了解许多疾病的发生和进展机制。
随着技术的日益成熟和数据的日益丰富，表观遗传学的研究将在未来的生物学研究中扮演越来越重要的角色。
表观遗传学和表观基因组学的发展和应用
表观遗传学和表观基因组学的发展和应用随着人们对生命科学的深入研究和认识，表观遗传学和表观基因组学日益受到关注和重视。
表观遗传学和表观基因组学不同于传统遗传学和基因组学，它们关注的是基因表达的调控、细胞命运及环境因素对基因表达的影响等特定领域，近年来取得了重大突破，并在多个领域得到了广泛的应用。
一、表观遗传学和表观基因组学的概念与定义表观遗传学研究遗传信息的表达和遗传改变与基因功能的关系，一直被认为是生物学最前沿的领域之一。
它主要关注基因表达调控，研究通过DNA甲基化、染色质修饰、小RNA和组蛋白修饰等方式产生的表观遗传变化对基因表达的影响及其对生物发育、生理和病理过程的重要作用。
表观基因组学则是扩展了这个范围，专注于比单一的核基因更广泛的、包括非编码RNA在内的基因组层面的表观遗传信息。
它研究的是全基因组的表观遗传修饰和转录组学特征，建立不同细胞类型和不同组织之间的关联，从而揭示不同生物过程的机制。
研究表观基因组学对于我们理解基因的表达及其调控具有重要的意义。
二、表观遗传学和表观基因组学的研究方法表观遗传学和表观基因组学的研究一般涉及多种技术手段，如荧光原位杂交、基因组甲基化检测、mRNA微阵列和RNA测序技术，从而确定DNA甲基化、染色质修饰以及非编码RNA等表观遗传修饰和全基因组的转录活动情况。
其中，高通量透明质酸酶释放测序技术（ChIP-seq）和全基因组甲基化检测技术（WGBS）是目前最常用的表观遗传学和表观基因组学研究方法。
ChIP-seq通过按照抗体特异性识别相关的蛋白质或其修饰延伸以及与DNA相互作用的区域进行同步测序, 可以对染色质结构进行准确定位, 从而确定不同转录因子在染色体上的结合位点，更加全面地认识基因表达调控的机制。
WGBS可以用来识别与基因表达和表观遗传修饰的转录因子有关的主要位点以及DNA甲基化和非编码RNA的相关区域，以及基因底物修饰。
除此之外，还有其他方法如生物信息学分析、基因组编辑技术以及群体表观遗传学等技术的发展，使得表观遗传学和表观基因组学研究更加高效、准确、具有重复性。
《表观遗传学》PPT课件
研发高通量、高灵敏度的表观遗传学检测技术，提高检测效率和准确 性。
推动表观遗传学在临床应用中的转化
加强表观遗传学与临床医学的交叉融合，推动表观遗传学研究成果在 临床应用中的转化。
关注表观遗传学的伦理和社会问题
在推动表观遗传学发展的同时，关注相关的伦理和社会问题，确保技 术的合理应用和社会责任。
03
神经系统发育与表 观遗传
表观遗传调控在神经系统发育过 程中发挥关键作用，影响神经细 胞的分化和功能。
代谢性疾病与表观遗传关联
肥胖与表观遗传
肥胖的发生和发展与DNA甲基化、组蛋白修饰等表观遗传调控密 切相关。
糖尿病与表观遗传
糖尿病及其并发症的发病机制涉及多种表观遗传调控异常。
心血管疾病与表观遗传
揭示生物多样性的本质
生物多样性的形成不仅与基因序列的 变异有关，还与基因表达的调控密切 相关。
解析复杂疾病的发生机制
许多复杂疾病如癌症、神经退行性疾 病等的发生与表观遗传调控异常密切 相关。
指导个体化医疗和精准治疗
通过解析患者的表观遗传特征，可以 为个体化医疗和精准治疗提供指导。
推动生物技术的发展
表观遗传学的研究为基因编辑、细胞 重编程等生物技术的发展提供了新的 思路和方法。
3
亚硫酸氢盐测序PCR
结合重亚硫酸盐处理和PCR技术，对特定区域的 DNA甲基化进行高灵敏度检测。
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，进而研究其功能。
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，揭示修饰的种类 和程度。
《表观遗传学》PPT 课件
生物信息学与表观遗传学的研究进展
生物信息学与表观遗传学的研究进展近年来，随着生物学和计算机科学的高速发展，生物信息学和表观遗传学已经成为了热门领域。
这两个领域的交叉研究，正在推动着生物学研究的新发展。
一、生物信息学生物信息学是利用计算机和数学方法研究生物学的一门学科。
它的主要研究内容包括：基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学等方面。
通过对这些组学数据的分析和挖掘，生物信息学可以揭示生物分子间的相互作用，研究生物进化的规律，发现致病基因和潜在药物靶点等。
目前，生物信息学在许多研究领域都发挥着重要的作用。
例如，基因组学中的序列比对和注释、转录组学中的差异表达分析等。
随着高通量技术的不断发展，生物信息学的应用范围越来越广泛，许多疾病的研究也离不开生物信息学的支持。
二、表观遗传学表观遗传学是研究基因表达调控的分子机制的学科。
它主要涉及基因组DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA、染色质重塑等方面。
表观遗传学是继基因遗传学之后的另一个前沿学科，其研究凸显了基因环境互作机制对生物表型的决定和转化的重要影响。
表观遗传学的研究领域也非常广泛，涉及的应用领域包括癌症、心血管疾病、神经系统疾病、免疫系统疾病等。
目前，表观遗传学研究的进展主要表现在以下几个方面：1.组蛋白修饰组蛋白修饰是表观遗传学研究的重要内容之一。
它包括了许多化学修饰方式，如甲基化、磷酸化、乙酰化、泛素化等。
这些修饰可以影响染色质的结构和功能，从而影响基因的转录和表达。
最近的研究表明，某些疾病（如心血管疾病和肿瘤）的发生和发展与特定的组蛋白修饰事件有关。
因此，对组蛋白修饰的研究，可以揭示许多疾病的病理机制，为相关疾病的治疗提供新的思路。
2.非编码RNA非编码RNA（ncRNA）是一类不能翻译成蛋白质的RNA分子。
最初被认为是“垃圾RNA”，但随着技术的发展，研究人员发现ncRNA在许多生物过程中起着重要的调控作用，如基因表达调节、表观遗传修饰和染色质结构调节等。
ncRNA的研究正在迅速发展。
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。
生物信息学中的表观遗传组学研究
生物信息学中的表观遗传组学研究生物信息学是一门以计算机技术和数据分析方法为基础的学科，它的发展对于生命科学研究的推进起到了重要的作用。
在过去几十年中，人们通过对序列分析、比对和功能注释等方面进行研究，逐渐探究了生物基因组的结构和功能，但在追求更深层次了解基因组的变异、表达和调控等方面，科学家们将分析方向更加聚焦在了基因组表观遗传学领域中。
表观遗传学是研究对染色体结构和功能有影响，但DNA序列本身未发生改变的遗传现象，其中包括了DNA甲基化、组蛋白修饰等多种方式。
表观遗传学的研究在生物多样性、发育、分化、环境适应性等方面都具有广泛而重要的应用价值，因此，表观遗传组学成为了生物信息学领域的一个热点研究方向。
表观遗传组学研究的方法和工具有很多种，其中包括了下一代测序（Next-generation Sequencing, NGS）技术、CAGE和MeDIP-seq等表观遗传学特异的分析方法。
这些方法的应用，不仅可以在基因组水平上研究表观遗传标记的分布和分析不同组织、不同时间点以及不同环境下基因组的表观遗传学变化，还可以为我们提供重要的生物信息数据，例如启动子、转录因子结合位点和DNA甲基化编码序列等。
为了更好地研究表观遗传组学，人们需要仔细处理样本、数据等多个方面的问题，并应用适当的下游分析来挖掘其潜在的生物信息学意义。
例如，在分析功能注释方面，可以使用创新的机器学习算法和人工智能技术来识别具有生物学意义的额表观遗传标记和整合不同类型和来源的表观遗传学数据。
同时，可以进行基因网络和通路分析，以便在生物学的层次上理解表观遗传标记和DNA序列的功能关系。
因此，表观遗传组学是一种多学科交叉和多种技术的综合应用，这一领域的进展不仅可以为我们深入了解基因组结构和功能提供深刻的洞见，还有望改善诸如遗传疾病、新药发现等方面的医学应用。
相信在未来，随着科学技术的不断进步，表观遗传组学将继续在生物信息学领域中发挥着至关重要的作用。
生物信息学中的表观遗传学数据分析教程
生物信息学中的表观遗传学数据分析教程在生物学研究中，遗传学一直是重要的研究领域之一。
然而，传统的遗传学主要关注基因本身的遗传特征，而忽略了环境对基因表达的调控。
表观遗传学的出现填补了这一空白，它研究的是基因表达被环境因素调控的机制。
表观遗传学涉及多种数据类型，包括DNA甲基化、组蛋白修饰、核小体位置等。
在生物信息学领域，我们可以利用各种分析工具和技术来研究和解读这些表观遗传学数据。
本教程将介绍生物信息学中常用的表观遗传学数据分析方法和工具，包括DNA甲基化分析、组蛋白修饰分析以及转录组和ChIP-seq数据分析。
一、DNA甲基化数据分析DNA甲基化是表观遗传学中最重要的调控机制之一。
DNA甲基化分析的目标是确定基因组中哪些位点被甲基化以及甲基化的程度。
这可以通过不同的测序技术来实现。
在数据分析步骤中，我们首先需要对原始测序数据进行质控和预处理，包括去除接头序列、低质量序列和重复序列等。
之后，我们可以使用Bowtie、Bismark等工具对清洗后的数据进行比对，以确定甲基化位点。
接着，我们可以使用不同的统计方法，比如Fisher精确检验或贝叶斯方法，来评估甲基化的显著性差异和位置。
二、组蛋白修饰数据分析组蛋白修饰是另一种常见的表观遗传学调控机制。
组蛋白修饰数据的分析方法类似于DNA甲基化数据的分析。
首先，我们需要对测序数据进行预处理，去除低质量序列和重复序列等。
然后，我们可以使用Bowtie、BWA等工具将清洗后的数据与参考基因组比对。
之后，我们可以使用MACS2等工具对修饰位点进行富集分析，以确定哪些区域的修饰显著丰富。
另外，我们还可以将修饰位点与转录因子结合位点进行比对，以寻找可能的调控机制。
三、转录组数据分析转录组学研究可以帮助我们理解基因的表达模式以及基因在不同生物过程中的调控机制。
转录组数据分析的第一步是对原始测序数据进行质控和预处理。
之后，我们可以使用STAR、HISAT2等工具将清洗后的数据与参考基因组比对，以确定每个基因的表达水平。
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（二）DNA甲基化对转录的调控
1. DNA甲基化阻碍转录因子的结合 2. DNA甲基化识别染色质标记 3. DNA甲基化募集其他蛋白引起染色质沉默
4. DNA甲基化影响核小体定位
CpG岛甲基化和转录的关系
（三）DNA甲基化的意义
CpG二核苷酸的甲基化与重复元件沉默 CpG二核苷酸的甲基化与染色体的选择性沉默
meet the CpG island criteria
Then slide the window back toward the island.
Keep sliding until the window meets CpG island criteria.
If it doesn’t meet the criteria, try trimming a base pair off each end and analyzing again.
第三节 组蛋白修饰的表观基因组
Section 3
Epigenome of Histone Modifications
一、组蛋白密码是重要表观遗传标记之一
（一）核小体与组蛋白修饰
1. 核小体与组蛋白
组蛋白修饰位点
2. 组蛋白修饰与转录 关于组蛋白修饰在转录中的作用，已经有许多模型 如电中性模型、组蛋白密码以及信号通路模型被提 出来。 不同的组蛋白修饰类型的作用不尽相同。
处理及分析表
观遗传数据
挖掘表观 遗传现象
常用的算法 统计学方法 回归分析 模式识别方法
支持向量机
决策树
相关分析及判别分析
聚类分析
贝叶斯网络
最小二乘法 最近邻算法
主成分分析
因子分析
（四）功能层面
目的 有效利用当前已有的高通量表观基因组数据
单核苷酸多态、DNA甲基化与基因表达之间的关 系，挖掘调控基因表达的关键因子。
（一）DNA甲基化的检测方法
目前常用的DNA甲基化检测方法是将待检序列中 甲基化的胞嘧啶转化为其他碱基组成的变化。最新 的检测方法还用到了基因微阵列（microarray）。 1.限制性内切酶法
2.亲和纯化
3.重亚硫酸钠法
1.限制性内切酶法
使用甲基化敏感的酶检测DNA甲基化
2.亲和纯化
3.重亚硫酸钠法
CpGcluster 无限 制 CpG_MI ≥50
差异取决于以下因素
（1）任意阈值的应用； （2）没有考虑到CpG岛的异质性； （3）基于DNA序列的预测方法忽略了DNA甲基化状态。
举例：窗口法 Analyze a window.
Does it meet CpG island criteria? If not, slide to the right one nucleotide
甲基化的CpG富集的DNA片段（CpG岛）。 该技术使用了半胱氨酸富集的对非甲基化的CpG位 点有高亲和性的CXXC3结构域。CXXC结构域对只 包含甲基化的CpG位点或缺乏CpG位点的DNA片段 几乎没有亲和性。
从小鼠Mbd1中得到的重组的CXXC结构域对非甲基
化的CpG位点有高的结合特异性，并被用于从全基
因组DNA中提取CpG岛。他们从人类血液中提取了 超过17000个CpG岛。
实验方法确定的基因组范围CpG岛图谱
（三）CpG岛定位有助于发现新基因
CpG岛是重要的调控元件,可用于新基因的发现。
CpG岛通常是不被甲基化的，作为管家基因的重
要标志之一。
UCSC数据库的截图展示了三个CpG岛
三、实验检测技术测定DNA甲基化状态
遗传现象:生物界普遍存在的现象
表观遗传现象:生物界普遍存在的另一现象
二、计算表观遗传学
• 应用及开发生物信息学方法（统计分析，模式识
别等）解决生物医学相关的表观遗传学问题。计 算 表 观 遗 传 学
生物信息学构架了基因组学与表观基因组学的桥梁
表观遗传学领域全球发表的论文
计算表观遗传学的发展
三、计算表观遗传学研究方向
预测的角度研究表观遗传现象。 应用生物信息学工具建立遗传与表观遗传调控
网络。
表观遗传数据库。 建立在表观遗传机制基础的功能基因组及比较
基因组研究。
四、计算表观遗传学研究内容
（一）数据层面
分子水平的表观遗传修饰
（二）数据分类
（三）算法层面
开发新 方法 和工具
削减
削减
Once it meets CpG island criteria, move on to the
next adjacent window and analyze that.
削减
（二）实验方法寻找CpG岛
Illingworth等人最近开发了一项CXXC亲和纯化技
术（CAP，CXXC affinity purification）以富集非
DNA甲基化大规模分析可用平台一览表
技术 阵列 应用 性发现和分 析 Affymetrix 芯片 全基因组甲 基化测定 优势 定量，多达96个样品 的同时快速分析 局限 需要设计引物文 库，同时只能分 析1536个位点 探针密度大，支持物 短寡核苷酸噪声 种多，可定制，价格 大，单通道杂交， 合理 定制芯片昂贵 Illumina磁珠 甲基化多态
生物信息学
生物信息学
第十章
计算表观遗传学
哈尔滨医科大学 张岩
长颈鹿的来源
第一节
引言
Section 1 Introduction
一、表观遗传学（epigenetics）
表观遗传学是研究不涉及DNA序列改变的情况下， DNA甲基化谱、染色质结构状态和基因表达谱在细 胞代间传递的遗传现象的一门科学。
（三）计算表观遗传学与进化
DNA甲基化的进化分析
DNA甲基化的进化分析
DNA甲基化的进化分析
DNA甲基化和组蛋白修饰有潜在的临床用途 附加的诊断工具 用于普遍临床实践
抑癌基因高甲基化和DNA 预后因子 高甲基化谱可用于癌症病 人预后指示器 特定基因的高甲基化可对 治疗反应进行预测
治疗反应预测
癌症相关的子网
五、计算表观遗传学的应用
（一）计算表观遗传学与疾病
肿瘤 代谢性 疾病 神经退行 性疾病
精神性
疾病
心血管 疾病
肿瘤抑制基因表达
内源性逆转录表达
染色质结构异常
肿瘤表观遗传的特征
精神性疾病DNA甲基化的特征
（二）计算表观遗传学与发育
发育中DNA甲基化的特征
早期胚胎DNA甲基化的特征
And analyze again.
And again.
Until it meets the criteria
Then jump ahead and check the window adjacent to the island on the 3’ side.
Repeat as needed, until the new window does not
DNA甲基化与基因的组织特异表达
二、基因组CpG岛识别方法
（一）CpG岛识别准则
1. 最初的CpG岛定义
Gardiner-Garden和Frommer
• • •
长度最短200bp GC含量至少50% CpG O/E最小0.6
许多启动子缺乏严格定义的CpG岛，但是有组织
特异的甲基化模式和转录活性有密切联系。
第二节 基因组的DNA甲基化
Section 2
Genome-wide DNA Methylation
一、CpG岛的DNA甲基化调控基因表达
（一） DNA甲基化与CpG岛
DNA甲基化是一种发生在DNA序列上的化学修饰， 可以在转录及细胞分裂前后被稳定地遗传。DNA甲 基化是重要的表观遗传代码。
DNA甲基化的发生机制
定，分析
印记位点
器或服务
四、异常DNA甲基化特征识别
（一）癌症基因组整体低甲基化 （二）癌基因的印记丢失 （三）基因超甲基化是癌症的标志
不同癌症之间存在差异
MeInfoText和PubMeth数据库汇总了癌症特异的异 常甲基化信息。使用生物信息学方法有助于进一步 扩充已知的异常甲基化基因列表的信息。
（二）基因组范围高通量的DNA甲基化检测方法
高通量测序是最新发展起来的但却是最有前途的
全基因组DNA甲基化分析方法。高通量测序技术
的出现，使得产生大量序列信息的时间和成本均 要低于桑格法。
目前，两种高通量的测序平台最为流行：一种是 454生命科学公司开发的焦磷酸测序方法，另外一 种是Illumina前身的Solexa开发的基于荧光核苷酸 的系统。
常见的CpG岛预测算法
预测方法 EMBOSS CpGProD 长度 （bp） 指定 ＞500 GC含量 （ %） 指定 ＞50% 无限制 无限制 CpG O/E 指定 ＞0.6 无限制 无限制 重复元 件屏蔽 否 是 否 否 备注 参数可调 总CpG岛数目 76793 总CpG岛数目 197727 总CpG岛数目 40926
名称+组蛋白尾巴上的位点+修饰类型和个数。
• 例如基因转录起始位点富集普遍存在H3K4me3 修饰，它是组蛋白H3上，具体的位置为第四个 位置即赖氨酸（lysine, K），该位置存在三个甲 基基团。
• 又如H3K9me，则表示组蛋白H3上的第九位置上 的甲基化修饰，但并没有指定甲基集团的数目，
则泛指组蛋白甲基化修饰，这些模糊记法已被广
组蛋白的氨基酸残基可以接受许多种化学修饰，包
括甲基化和乙酰化等修饰。质谱分析检测到组蛋白 H2A有13个可以接受修饰的位点，H2B、H3和H4 则分别有12个，21个和14个可以接受修饰的位点。 每个氨基酸残基位点可以发生至少一种化学修饰。