时光表观遗传学培训课件

VS人和小鼠基因组比较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。1时光表观遗传学6/28/2024VS（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%的类似基因人和小鼠基因组比较2时光表观遗传学6/28/2024双胞胎性格长相3时光表观遗传学6/28/2024表观遗传学研究历史4时光表观遗传学6/28/2024表观遗传学5时光表观遗传学6/28/2024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）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。6时光表观遗传学6/28/2024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。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7时光表观遗传学6/28/2024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。8时光表观遗传学6/28/2024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：DNARNA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9时光表观遗传学6/28/2024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。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。10时光表观遗传学6/28/2024遗传学与表观遗传学11时光表观遗传学6/28/2024DNA和染色质“你可以你可以继承承DNA序列之外的一些序列之外的一些东西，西，这正是正是现代代遗传学中学中让我我们激激动的地方的地方”（Watson 2003）12时光表观遗传学6/28/2024经典遗传学与现代遗传学区别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？13时光表观遗传学6/28/2024DNA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。14时光表观遗传学6/28/2024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。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。15时光表观遗传学6/28/2024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。16时光表观遗传学6/28/2024DNA is highly compacted into chromatinDNA is highly compacted into chromatinThe nucleosome is the fundamental subunit of chromatin17时光表观遗传学6/28/2024NucleosomeNucleosome=a nucleosome core particle+linker DNA+a linker histoneNucleosome core particle=histone octamer+147 bp DNA1974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。18时光表观遗传学6/28/2024染色质模板的转换（顺式/反式）19时光表观遗传学6/28/2024常染色质与异染色质差别20时光表观遗传学6/28/2024组蛋白修饰和组蛋白密码21时光表观遗传学6/28/2024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。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。22时光表观遗传学6/28/2024核小体动态分布23时光表观遗传学6/28/2024Chromatin Remodeling Enzyme SWI/SNF24时光表观遗传学6/28/2024SWI/SNFBRG1,a component of the SWI-SNF complex,is mutated in multiple human tumor cell linesLoss 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.25时光表观遗传学6/28/2024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26时光表观遗传学6/28/2024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.27时光表观遗传学6/28/2024表观遗传学研究主要内容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表观遗传信息建立和维持的机制及其间的相互作用；相互作用；(2)干细胞维持自我更新的同时及其分化潜能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；（细胞身份和干的表观遗传学编程机制；（细胞身份和干细胞可塑性）细胞可塑性）(3)重大疾病肿瘤、再生衰老、代谢性疾病乃重大疾病肿瘤、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。至精神性疾病发病的表观遗传学机制。“后基因组时代后基因组时代”28时光表观遗传学6/28/2024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RNA29时光表观遗传学6/28/2024一、组蛋白修饰和组蛋白变异体30时光表观遗传学6/28/2024Nucleosome with histone posttranslational modifications31时光表观遗传学6/28/2024Multiple modifications and enormous potential combinations32时光表观遗传学6/28/2024How Histone Modifications work?1.Affect the nucleosome structure2.Affect higher order chromatin structure3.Affect other histone modifications4.Histone code-allow or prevent binding of specific histone binding or effector proteins33时光表观遗传学6/28/2024组蛋白乙酰化34时光表观遗传学6/28/2024Histone acetylation and deacetylation mechanism35时光表观遗传学6/28/2024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.36时光表观遗传学6/28/2024H3(aa1-21)-CHD3/CHD4MTA 1/2/3P66/68HDAC 1/2Rbap 48/46MBD3NuRD Complex:nuclesome remodeling and deacetylation complexNuRD is also associated with active genes,suggesting a versatile use of NuRD intranscriptional regulation.37时光表观遗传学6/28/2024组蛋白甲基化38时光表观遗传学6/28/2024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39时光表观遗传学6/28/2024Methylation40时光表观遗传学6/28/2024组蛋白甲基化酶组蛋白甲基蛋白甲基转移移酶（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。41时光表观遗传学6/28/2024Histone amino-terminal modifications influence chromatin structure and function第一个组蛋白赖氨酸甲基化酶的发现过程位置花斑效应（PEV）:果蝇复眼颜色和形状；玉米颜色42时光表观遗传学6/28/2024Su(var)group genesPEV(position effect variegantion)Su(var)3-9Human SUV39H1 mice Suv39h1S.pombe CLR4murine Suv39h2SU(VAR)3-9 protein familyThe chromo domainsSET domainsadjacent cysteine-rich regionshuman EZH2 human HRX proteins第一个组蛋白赖氨酸甲基化酶的发现过程Stephen Rea et al.Science.200043时光表观遗传学6/28/2024SET domain core:NHSC and GE(x)5YTwo conserved motifs may be of particular functional importance.Alignment44时光表观遗传学6/28/2024Histone codeStephen Rea et al.Science.200045时光表观遗传学6/28/2024组蛋白赖氨酸甲基化位点46时光表观遗传学6/28/2024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：ASH1LDOT1LEHMT1、EHMT2、EZH1、EZH2MLL、MLL2、MLL3、MLL4、MLL5NSD1PRDM2SET、SETBP1、SETD1A、SETD1B、SETD2、SETD3、SETD4、SETD5、SETD6、SETD7、SETD8、SETD9、SETDB1、SETDB2SETMAR、SMYD1、SMYD2、SMYD3、SMYD4、SMYD5、SUV39H1、SUV39H2、SUV420H1、SUV420H2组蛋白赖氨酸甲基化酶47时光表观遗传学6/28/2024组蛋白赖氨酸甲基化酶48时光表观遗传学6/28/2024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。Jumonji结构域蛋白家族（JMJD），催化底物多样，需要Fe2+和-酮戊二酸的参与。Jmjc结构域为去甲基化酶活性结构域。49时光表观遗传学6/28/2024Jmjc家族蛋白亚家族50时光表观遗传学6/28/2024组蛋白赖氨酸去甲基化酶51时光表观遗传学6/28/2024组蛋白精氨酸甲基蛋白精氨酸甲基转移移酶（PRMTs）52时光表观遗传学6/28/2024组蛋白精氨酸去甲基化酶53时光表观遗传学6/28/2024Biotin-Histone tailsBound to streptavidin beads Incubate with HeLa NEWashEluteSDS-PAGEHistone Modification Binding ProteinsHistone tail Pull DownH3K4Me2H3-Coomassie Blue StainingPHF2PHF854时光表观遗传学6/28/2024Methyl-lysine binding effector proteins55时光表观遗传学6/28/202456时光表观遗传学6/28/2024染色质的协同修饰57时光表观遗传学6/28/202458时光表观遗传学6/28/2024组蛋白突变体59时光表观遗传学6/28/2024所有生物DNA都被结构性蛋白所包装真核生物核心组蛋白由古细菌组蛋白进化而来60时光表观遗传学6/28/2024大多数组蛋白在DNA复制后被置入旧核小体：暗色新核小体：淡色61时光表观遗传学6/28/2024组蛋白变体的置入发生在整个细胞周期62时光表观遗传学6/28/2024着丝粒被特定H3变体标记63时光表观遗传学6/28/2024置换性组蛋白H3.3存在于活跃的染色质区域64时光表观遗传学6/28/2024H2AX的磷酸化在DNA断裂修复中具有功能65时光表观遗传学6/28/2024H2A突变体H2AZ普遍存在，占H2A的10%，H2A在核小体表面呈现酸性区域，给染色体带来独特的物理属性。作用于转录调控。maroH2A参与X染色体失活。66时光表观遗传学6/28/2024二、DNA甲基化67时光表观遗传学6/28/2024DNA甲基化1.1975年DNA甲基化化发现2.哺乳细胞中胞嘧啶甲基化主要发生在CpG二核苷酸上3.DNA甲基化酶家族：1988年发现dnmt14.卫星DNA，转座子，重复原件，非重复基因间DNA和外显子都是高甲基化的序列68时光表观遗传学6/28/2024DNA从头甲基化和维持甲基化69时光表观遗传学6/28/2024DNA甲基化转移酶70时光表观遗传学6/28/2024DNA甲基化转移酶的功能DNA甲基化转移酶主要活性失活后表型Dnmt1维持性CpG甲基化基因组大规模DNA甲基化丢失，E9.5胚胎致死，印记基因表达异常Dnmt3aCpG从头甲基化出生4-8周死亡，雄性不育，雌性和雄性无法建立甲基化印记Dnmt3bCpG从头甲基化微卫星DNA去甲基化，E14.5胚胎致死伴随血管和肝脏缺陷（Dnmt3a和Dnmt3b同时缺失的胚胎在着床后无法启动从头甲基化E9.5死亡）DNMT3BCpG从头甲基化ICF综合征：免疫缺陷，着丝粒不稳定，面部畸形，重复序列和近着丝粒异染色质去甲基化71时光表观遗传学6/28/2024DNA甲基化调控基因表达转录因子结合的干扰甲基化CpG结合蛋白的吸引72时光表观遗传学6/28/202473时光表观遗传学6/28/2024RNA去甲基化酶74时光表观遗传学6/28/2024DNA去甲基化酶75时光表观遗传学6/28/2024A complete pathway for dynamic modifications of C76时光表观遗传学6/28/2024DNA methylation dynamics in pre-implantation embryos and primordial germ cells.77时光表观遗传学6/28/2024三、非编码RNA78时光表观遗传学6/28/2024不同生物基因组组成分布图44%重复序列52%非编码序列4%编码序列哺乳动物进化防御机制：防止转录单元出现转座子的插入79时光表观遗传学6/28/202480时光表观遗传学6/28/2024ncRNAncRNAs in translation(rRNA,tRNA)ncRNAs in RNA splicing（snoRNA）ncRNAs in gene regulation（shRNA,siRNA）ncRNAs and chromosome structure（terra）ncRNAs and disease,cancer（miRNA）81时光表观遗传学6/28/2024表观遗传与人类疾病82时光表观遗传学6/28/2024染色质相关疾病的遗传和表观遗传机制83时光表观遗传学6/28/2024基因组印记紊乱表型姐妹综合症15q11-q13上一个约5-6Mb区域的缺失，但表型却完全不同。84时光表观遗传学6/28/2024PWS缺失了父本来源的该区域，涉及的基因snoRNA及其它。AS缺失了母本来源的这一区域，涉及的基因是UBE3A。85时光表观遗传学6/28/2024反式作用于染色体结构紊乱疾病基因备注Rett综合症MECP2功能缺失或倍增，引起广泛的表型Rubinstein-Taybi综合症CBP，P300ICF综合症DNMT3B86时光表观遗传学6/28/2024表观遗传与环境的相互作用87时光表观遗传学6/28/2024例子同卵双生在出生早期具有相似的表观遗传型，但随后在5-甲基胞嘧啶和组蛋白乙酰化的分布和密度上产生了明显的不同。表观遗传型是亚稳态的并具时间多样性。环境因素和随机事件参与导致了表型多样性。食物和早期经历是决定性因素。（缺乏叶酸及B12；大鼠母亲经常舔舐梳理幼鼠导致幼鼠海马体内GR基因启动子甲基化升高，改变对于压力的反应）88时光表观遗传学6/28/2024染色质对于癌症的重要意义基因表达状态以及染色质稳定性的改变胞嘧啶甲基化以及组蛋白修饰在癌细胞中呈异常分布89时光表观遗传学6/28/2024抑癌基因的高甲基化原癌基因的低甲基化DNA甲基化与癌症90时光表观遗传学6/28/202491时光表观遗传学6/28/202492时光表观遗传学6/28/2024