表观遗传学

DNA的甲基化
5-甲基胞嘧啶 →
N6-甲基腺嘌呤→
7-甲基鸟嘌呤 →
DNA的甲基化
SAH, S-腺苷同型半胱氨酸; SAM, S-腺苷蛋氨酸
DNA的甲基化
DNA的甲基化
1.在全部的 CG 二核苷酸中，约 70%~80% 的胞嘧啶是呈甲基 化状态的，称为甲基化的 CpG 位点。 2.CpG岛：富含 CpG 区域，长度 300~3000bp，CpG 的含量可 以达到预计的平均值，甚至超过期望值的5倍以上。 非随机出现：超过 60% 的编码基因的 5’UTR区域（转录起 始区域）含有 CpG 岛。 CpG 的含量： (1)CG出现的期望值（百分比）：1/16 = 6.25% (2)观察值：很少（小于1%） (3)原因：CG具有很高的突变率
五、表观遗传与胚胎发育
发育的早期与细胞分化相关的基因被暂时性的 表观沉默，维持细胞多分化潜能的基因表达；伴 随着发育的过程，与维持细胞多潜能性相关的基 因被表观沉默而分化相关的基因在特定的阶段表 达。这个动态的过程受到不同转录因子及表观遗 传因素共同的精细调控
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组蛋白乙酰化修饰
组蛋白乙酰化与去乙酰化
组蛋白乙酰化修饰
中和赖氨酸的正电荷，C=O 具有一定的负电，能够 增加与 DNA 的斥力，使得 DNA 结构变得疏松，从而 导致基因的转录活化。
组蛋白乙酰化修饰
组蛋白去乙酰基酶家族分为3类(按蛋白质大小、 生活特性、催化结构域、亚细胞定位及活化方式)： 1.HDAC1, HDAC2, HDAC3, HDAC8 (定位于细胞核) 2.HDAC4, HDAC5, HDAC6,HDAC7A, HDAC9, HDAC10 (能 够在细胞核与胞质间转运) 靠结合某些转录抑制因子发挥作用，如 Sin2、NCoR （核受体辅抑制因子）等。 3.Sir2（去乙酰化功能依赖NAD+,可被烟酰胺阻断）
DNA甲基化的作用机制
二、DNA 的复制与染色体的组装
三、损伤与修复 四、DNA 的转座
DNA甲基化的生物效应
1. 甲基化与遗传性疾病的相互关系 某些遗传性疾病的发生与甲基化相关基因异常 有关。 2.甲基化在癌症发生、发展中的作用 甲基化的胞嘧啶是体内突变的热点 CpG岛异常高甲基化 基因组广泛低甲基化 癌症演进过程中，甲基化状态的改变
DNA甲基化和组蛋白修饰之间的关系
组蛋白乙酰化 DNA甲基化
四、表观遗传与疾病
1.DNA 甲基化异常与肿瘤发生相关 2.组蛋白修饰参与了肿瘤进程 3.组蛋白去甲基化酶参与了癌症过程 4.表观遗传因素参与了出肿瘤之外的其他疾病进程 5.组蛋白去乙酰基酶 Sirtuin 家族参与代谢调控， 认为与寿命调节有关，组蛋白甲基化与神经系统 发育及疾病有关。
DNA的甲基化
胞嘧啶甲基化后产生 5-甲基化胞嘧啶 能够自发 的脱氨基形成胸腺嘧啶(Thymine)：5mC -> T
DNA的甲基化
维持性甲基化、从头甲基化
从头甲基化
DNA主动去甲基化
维持甲基化
DNA的甲基化
1.从头甲基化：2条链均未甲基化的 DNA 被甲基化。 依赖于 DNMT3a 和 DNMT3b 的活性。 2.维持甲基化：双链 DNA 的其中1条链已存在甲基化 ，另1条未甲基化的链被甲基化。主要参与的分子 是 DNMT1。
DNA甲基化的生物应用
DNMT抑制剂：5-氮胞苷和5-氮-2’-胞苷
DNA甲基化的检测方法
常用的方法是将目的序列中甲基化状态的胞嘧 啶转化为 DNA 序列中碱基组成的变化，其基本 做法包括两种： 1.亚硫酸氢钠法——亚硫酸氢钠把非甲基化的胞 嘧啶转化为尿嘧啶，而保持甲基化的胞嘧啶不变， 以此实现两类的分离； 2.限制性内切酶法——限制性内切酶可以切割非 甲基化的位点，而甲基化以后的识别位点将被保 留；
表观遗传学
表观遗传学
指非基因序列变化导致的基因表达的可遗传的改 变。
表观遗传学研究主要内容
DNA 的甲基化以及染色质的物理重塑和化学修饰。
表观遗传学
表观遗传学
表观遗传学
简介 一、DNA甲基化
二、组蛋白修饰
三、DNA甲基化组蛋白修饰关系
四、表观遗传与疾病
五、表观遗传与胚胎发育
一、DNA甲基化
组蛋白乙酰化修饰
组蛋白去乙酰化酶抑制剂 大都包含一个脂链（与N-乙酰基赖氨酸残 基的侧链结构相似），与组蛋白去乙酰化 酶活性部位中的催化结构域相互作用
组蛋白甲基化修饰
1. 主要发生在赖氨酸或精氨酸上。 2. HKMTs (histone lysine methyltransferases) vs. PRMTs (protein arginine methyltransferases) 3. 可逆的生化反应? 4. 分子效应：增加赖氨酸上的疏水力
3.根据蛋白结构域的不同，MBD 蛋白家族可以分为3 大类。
甲基化结
1.目前普遍认可的 DNA 甲基化模式是：DNMT3a/3b 催化 DNA 重新甲基化，DNMT1 在体细胞中维持 DNA 甲基化模式的遗传。
2.现在有学者认为 DNA 甲基化的维持可能是染色质 相关蛋白和几种 DNA 甲基化转移酶协同作用的结 果。
DNA甲基化的检测方法
亚硫酸氢钠法流程示意图
DNA主动去甲基化
DNA 去甲基化的方式有两种： a.被动途径: 应用核苷衍生物模拟胞嘧啶掺入 DNA 双链,并且与 DNMT1 结合抑制其维持甲基化的能 力。 b.主动途径: 这类 DNA 去甲基化酶（一类糖苷酶） 可以识别并切除甲基化胞嘧啶，随后偶联 DNA 修 复过程，将非甲基化的胞嘧啶掺入 DNA 双链。
组蛋白甲基化修饰
组蛋白甲基化修饰
氨基酸甲基化
组蛋白甲基化修饰
赖氨酸去甲基化
组蛋白甲基化修饰
精氨酸的去甲基化与瓜氨酸化
组蛋白甲基化修饰
组蛋白调控模式及组蛋白修饰之间的相互作用 1. 3类蛋白：writers、erasers与readers writers：能特异性产生组蛋白修饰的酶 erasers：能去除组蛋白修饰的酶 readers：能特异性识别组蛋白修饰并与其结合的 蛋白 2.组蛋白修饰对基因转录活性的调控是局部染色质区 域多种修饰共同作用的结果，在此过程中形成了复 杂的协同或拮抗作用。
DNMT家族
1.根据NH2- 末端的结构差异，DNMT家族成员可分为 3类DNMT1， DNMT2， DNMT3a， DNMT3b，但它们 羧基末端催化结构域却是高度保守的。
2.DNMT 的 NH2- 末端调节结构域主要介导其细胞 核定位以及调节与其他蛋白的相互作用，而羧基 末端的催化结构域则包含某些高度保守的基序， 直接参与 DNA 甲基的转移反应。
DNA甲基化模式的建立与维持
DNA甲基化的作用机制
一、DNA 甲基化对基因表达的调控作用 1.甲基化影响一部分 转录因子的 DNA 结合活性
DNA甲基化的作用机制
2.MBD 家族介导的转录抑制
DNA甲基化的作用机制
3.DNMT 家族介导的转录抑制 DNMT1 和 DNMT3a/3b 可以结合 HADC 和 Suv39H1，通过影响组蛋白的活性而影响基因的表 达。 意义：抑制 DNA 复制过程伴随的基因转录，从 而保证复制过程的顺利完成。 4.DNA 甲基化和基因表达抑制之间的关系不仅是单 向的
2.DNA 与组蛋白的相互作用影响着 DNA 的转录和修 复。 3.组蛋白的修饰方法（6种） 乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、SUMO化和ADP核糖化。
组蛋白修饰概况
组蛋白乙酰化修饰
1. 通常发生在蛋白质的赖氨酸上。 2. 可逆的生化反应： A. Histone acetyltransferase ，HAT B. Histone deacetylase, HDAC 3. 分子效应：中和赖氨酸上的正电荷，增加组蛋白 与 DNA 的排斥力，使转录因子容易与 DNA 的启 动子区域结合，介导基因表达。
1.原核生物中，DNA 的甲基化可以发生在腺嘌呤 的第 6 位氮原子上和胞嘧啶的第5位碳原子上。 2.真核生物中，DNA 的甲基化只发生在胞嘧啶的 第 5 位碳原子上。 它是由 DNA 甲基转移酶所催化，以S-腺苷甲 硫氨酸作为甲基供体，将甲基转移到胞嘧啶上， 生成 5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5mC)的 一种反应。
二、组蛋白修饰
1. 常染色质：基因 表达活跃的区域， 染色体结构较为疏 松。 2. 异染色质：基因 表达沉默的区域， 染色体结构致密。
组蛋白修饰概况
组蛋白与核小体
组蛋白修饰概况
1.组蛋白有五种类型：H1 、H2A 、H2B 、H3 、H4 富含带正电荷的碱性氨基酸（Arg和Lys）, 能够同 DNA 中带负电荷的磷酸基团相互作用。
DNMT家族
DNA 甲基化的机制
1.DNM T1, 持续性DNA 甲基转移酶 使仅有一条链甲基化的DNA 双链完全甲基化； 参与DNA 复制双链中的新合成链的甲基化； DNM T1 可能直接与HDAC (组蛋白去乙酰基转移酶) 联合作用阻断转录。 2.DNM T3a、DNM T3b从头甲基转移酶 它们可甲基化CpG, 使其半甲基化, 继而全甲基化 ； 可能参与细胞生长分化调控, 其中DNM T3b在肿瘤 基因甲基化中起重要作用。
DNMT家族
与 DNMT1 相互作用的蛋白
DNMT家族
DNMT2 催化的 tRNA 甲基化
DNMT家族
与 DNMT3 相互作用的蛋白
甲基化结合蛋白家族
1.抑制性转录因子并不直接与 DNA 序列结合，DNA 甲基化结合蛋白（MBDs）可以特异性的解读甲基 化的标签。 2.在哺乳动物中有 5 种基本的 MBD 蛋白，甲基化 胞嘧啶结合区域 MBD 是甲基化结合蛋白发挥功能 的主要结构。