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单击此处编辑母版文本样式,*,单击此处编辑母版标题样式,*,南京农业大学 生命科学学院 生物化学与分子生物学系,2024年9月11日,基因表达的表观遗传调控,（,epigenetics of gene expression,）,侯 琳,一、基因表达是指基因转录及翻译的过程,基因组,(genome),来自一个生物体的一整套遗传物质。,是基因转录及翻译的过程，即：生成具有生物学功能产物的过程。,基因表达,(gene expression),基因表达是受调控的,。,二、基因表达具有时间特异性和空间特异性,（一）时间特异性,按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的,时间特异性,(temporal specificity),。,多细胞生物基因表达的时间特异性又称,阶段特异性,(stage specificity),。,（二）空间特异性,基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称,细胞或组织特异性,(cell or tissue specificity),。,在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，,称之为基因表达的,空间特异性,(spatial specificity),。,三、基因表达的方式及调节存在很大差异,按对,刺激的反应性，基因表达的方式分为：,基本（或组成性）表达,诱导或阻遏表达,（一）,基本（或,组成性,）,表达,某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为,管家基因,(housekeeping gene),。,无论表达水平高低，管家基因较少受环境因素影响，而是在个体各个生长阶段的大多数或几乎全部组织中持续表达，或变化很小。区别于其他基因，这类基因表达被视为,组成性基因表达,(constitutive gene expression),。,（二）适应性表达,在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因称为,可诱导基因,(,inducible gene,),。,可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为,诱导,(induction),。,如果基因对环境信号应答是被抑制，这种基因是,可阻遏基因,(repressible gene),。,可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为,阻遏,(repression),。,在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为,协调表达,(coordinate expression),，这种调节称为,协调调节,(coordinate regulation),。,基因表达调控呈现多层次和复杂性,基因表达的多级调控,基因激活,拷贝数,重排,甲基化程度,转录起始,转录后加工,mRNA,降解,蛋白质翻译,翻译后加工修饰,蛋白质降解等,转录起始,生物遗传信息表达正确与否，既受控于,DNA,序列，又受制于表观遗传学信息。,表观遗传学主要通过,DNA,修饰、蛋白质修饰与非编码,RNA,调控,3,个层面上调控基因表达。,2024年9月11日,11,2024年9月11日,11,表 观 遗 传 学 发 展 历 史,1939,年，,Waddington CH,首先在,现代遗传学导论,中提出了,epigenetics,这一术语。,1942,年定义为生物学的分支，研究基因与决定表型的基因产物之间的因果关系。,1975,年，,Hollidy,R,对表观遗传学进行了较为准确的描述。,1996,年,James G,Herman,和,Stephen B,Baylin,发明,MSP,技术，并发现肿瘤细胞中抑癌基因启动子区,CpG,呈高甲基化状态。,2024年9月11日,12,概 述,表观遗传学,（,epigenetics,）,：,指在,DNA,序列不发生改变,的情况下，基因的表达水平与功能发生改变，并产生可遗传的表型。,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，也有较少的学者描述为基因活性或功能的改变；,没有,DNA,序列的改变或不能用,DNA,序列变化来解释。,2024年9月11日,12,A Symphonic Example,2024年9月11日,14,概 述,表观遗传学的研究内容：,基因转录后的调控,基因组中非编码,RNA,微小,RNA,（,miRNA,）,反义,RNA,基因选择性转录表达的调控,DNA,甲基化,组蛋白共价修饰,染色质重塑,基因印记,X,染色体失活,2024年9月11日,14,2024年9月11日,15,概 述,2024年9月11日,15,遗传与表观遗传,2024年9月11日,16,概 述,2024年9月11日,16,基因组与表观基因组,经组织归类的信息,2024年9月11日,17,2024年9月11日,表观遗传学机制,DNA,甲基化,1,17,组蛋白修饰,2,染色质重塑,3,RNA,调 控,4,DNA,甲基化,1,一、,DNA,甲基化,（,DNA methylation,）,甲基化是指生物分子在特定的酶系统催化下加上甲基（,-CH3,）的生物化学反应，是普遍存在原核生物和真核生物中的,DNA,修饰作用。甲基化没有改变基因序列，但对基因表达起调控作用。,在哺乳动物,DNA,分子中，甲基化一般发生在胞嘧啶（,C,）碱基上。在,DNA,甲基转移酶（,DNA methyltransferases, DNMTs,）催化下，甲基从,S-,腺苷甲硫氨酸（,S-adenosylmethione,）转移至胞嘧啶,5,位上，形成,5-,甲基胞嘧啶（,m 5C,）。,2024年9月11日,19,一、,DNA,甲基化,2024年9月11日,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),。,DNMT1,SAM,胞嘧啶,5-甲基胞嘧啶,胞嘧啶甲基化反应,19,S-,腺苷甲硫氨酸,DNA,序列中的四种碱基,/,核苷,DEAMINATION,Deamination,:,去氨基化反应,An enzyme to remove it from DNA: uracil-N-glycosylase.,2024年9月11日,22,一、,DNA,甲基化,（,DNA methylation,）,在发生甲基化的胞嘧啶后通常紧跟着一个鸟嘌呤（,G,）碱基。因此，通常称胞嘧啶,-,磷酸,-,鸟嘌呤或,CpG,的甲基化。在基因组中富含,CpG,位点的区域称为,CpG,岛（,CpG islands,），,其大小为,1,00,0,-,2,000bp,，,人基因组序列约有,29,000 CpG,岛，约,60%,的人基因与,CpG,岛关联。,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,。,2024年9月11日,22,甲基化所致的转录抑制的可能机制,直接干扰机制,(1),脊椎动物基因的甲基化状态有三种：（,1,）高度甲基化状态,如女性两条,X,染色体中的一条处于失活状态；（,2,）持续的低甲基化状态,如细胞存活所需的一直处于活性转录状态的管家基因；（,3,）去甲基化状态,如生物发育的某一阶段或细胞分化的某种状态下，原先处于甲基化状态的基因，也可以被诱导去除甲基化，而出现转录活性。,健康人基因组中，,CpG,岛中的,CpG,位点通常是处于非甲基化状态，而在,CpG,岛外的,CpG,位点则通常是甲基化的。这种甲基化的形式在细胞分裂的过程中能够稳定的保留。当肿瘤发生时，抑癌基因,CpG,岛以外的,CpG,序列非甲基化程度增加，而,CpG,岛中的,CpG,则呈高度甲基化状态，,以致于染色体螺旋程度增加及抑癌基因表达的丢失。,2024年9月11日,27,一、,DNA,甲基化,2024年9月11日,27,5,3,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。,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。,Rb,基因,CpG,频率,两种甲基化酶,DNA,甲基化转移酶,(,DNA,methyltransferase, DNMT,),真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性：一种被称为日常型（,maintenance,）,甲基转移酶，另一种是从头合成（,denovo,synthesis,）,甲基转移酶。前者主要在甲基化母链（模板链）指导下使处于半甲基化的,DNA,双链分子上与甲基胞嘧啶相对应的胞嘧啶甲基化。,二、真核生物的,DNA,甲基转移酶,1.,哺乳动物,: DNMT1, DNMT3A, DNMT3B,，,DNMT3L,DNMT2,2.,拟南芥：,DRM2, MET1,，,DNMT2,CMT3,3.,粗糙脉孢菌,(,Neurospora,crassa,): DIM2, dim-5, RID,DNA,甲基转移酶,哺乳动物的,DNA,甲基转移酶,daughter strand,daughter strand,DNMT1:,maintenance,methyltransferases,DNMT3A & DNMT3B:,de novo,methyltransferases,胚胎移植过程中高表达,DNA,甲基化与去甲基化,DNA,甲基化状态通过从头甲基化、维持甲基化和去甲基化,3,个过程受到调节。,在不同组织或同一类型细胞的不同发育阶段，基因组,DNA,各,CpG,位点甲基化状态的差异构成基因组,DNA,甲基化谱，组织特异的,DNA,甲基化谱是哺乳动物基因组的显著特征。,Dnmt3a & Dnmt3b,对哺乳动物的发育至关重要,三、,DNA,去甲基化,1. DNA,去甲基化,(DNA,demethylation,): 5,甲基胞嘧啶,(5mC),替代成胞嘧啶的过程,2.,两种方式,(1),主动去甲基化,(Active DNA,demethylation,),A.,Bona fide,demethylation,B. Indirect,demethylation,(2),复制相关的去甲基化,(Replication-coupled DNA,demethylation,),Active DNA,demethylation,1. 5-,甲基胞嘧啶去甲基化酶将,5-,甲基胞嘧啶水解成胞嘧啶,2. 5-,甲基胞嘧啶,/DNA,糖基化酶将,5-,甲基胞嘧啶从磷酸二脂键骨架中切除，然后通过内切酶修复,5-,甲基胞嘧啶去甲基化酶,5-,甲基胞嘧啶,/DNA,糖基化酶,四、,DNA,甲基转移酶抑制剂,1.,核苷类,DNA,甲基转移酶抑制剂,2.,非核苷类,DNA,甲基转移酶抑制剂,(,五,) DNA,甲基化与肿瘤,现已明确,DNA,的甲基化与肿瘤的发生有着密切的联系，,DNA,甲基化在肿瘤的发生和发展中扮演着极其重要的角色，其异常是通过影响癌基因和抑瘤基因的表达以及基因组的稳定性而参与肿瘤的发生和发展的。,近来人们发现肿瘤细胞的总基因组甲基化水平比正常细胞低，但是伴有某些特定,CpG,岛甲基化程度的增高。抑癌基因的高度广泛甲基化使,DNA,发生转录抑制，抑癌基因的不能表达参与了肿瘤的发生。近年来，癌基因和抑癌基因的甲基化与肿瘤的发生和发展之间的关系已成为肿瘤研究的另一热点。,癌基因的低甲基化和抑癌基因的高甲基化,肿瘤细胞的总体甲基化水平比正常细胞低，这是,癌变早期,的一种分子异常现象。基因组范围的,DNA,低甲基化会增加染色体的不稳定性，促使原来处于沉默状态的基因如生长促进基因，特别是原癌基因的表达，促进细胞恶性转化。多种癌基因如,c-raf,、,c-myc,、,c-fos,等在肿瘤组织中普遍低甲基化，且随着肿瘤的发展低甲基化程度愈发明显，那些原癌基因甲基化程度更低的肿瘤表现出更大的恶性侵袭能力。,在肿瘤细胞总体甲基化水平降低的同时也伴有某些,CpG,岛甲基化程度升高，主要表现为调控基因启动子的异常甲基化，由此导致的调控基因的沉默是癌症产生的重要途径。如在循环系统的肿瘤细胞中就发现许多基因的过度甲基化，这导致肿瘤抑制基因、,DNA,修复基因和转移抑制基因的失活，并使这些基因成为突变靶点，失去对细胞周期和细胞分化的控制。,许多肿瘤细胞的,p53,基因由于其启动子区域,(-199 +142,bp,),中,15,个,CpG,位点的甲基化而失去转录活性。肿瘤转移抑制基因,Ecadhersn,在乳腺癌和前列腺癌中的低表达也是启动子区高甲基化的结果。,DNA,甲基化对生命过程非常重要，它是为人所熟知的基因外遗传信号。目前在肿瘤和基因紊乱性遗传病中，,DNA,甲基化处于中心环节，而且治疗的可能性也很明确，因为突变过程是经常发生的，而甲基化过程是可逆转的。,DNA,甲基化与癌,DNA,甲基化在肿瘤形成中起作用的假设已提出很多年。大量的研究显示肿瘤细胞中,DNA,甲基转移酶的活性出现异常，细胞中常有总,DNA,甲基转移酶活性增加，正常甲基化位点中的甲基化广泛丢失，更多区域的高甲基化。,DNA,甲基化可能以下列机制中的一种或多种对肿瘤形成起作用。,DNA,甲基化与临床,DNA,甲基化可作为肿瘤标记物,DNA,甲基化可作为治疗的目标,DNA,甲基化与药物耐受的逆转,DNA,甲基化可作为肿瘤标记,物,1,、肿瘤早期诊断：不同的人体组织发现，肌肉或者肝脏中的同一种基因，其甲基化模式差异却非常明显。这一研究结果为,DNA,甲基化在不同组织上具有不同模式提供了 “确定性的证据”。这也为肿瘤的早期诊断提供了一定的依据。而肿瘤早期诊断对肿瘤治疗非常重要。,以前肿瘤诊断主要集中在肿瘤特异性,DNA,的鉴定、分析。如抑癌基因的突变，由于突变位点的不确定性，限制了对肿瘤的广泛筛选。相比而言，,DNA,甲基化对肿瘤的诊断很有用，因为对于某一肿瘤，,DNA,甲基化变化不存在个体差异。利用,MSP,（,methylation,-specific PCR,）就可建立一种高度敏感而且普遍实用的诊断方法。,肿瘤特异性,DNA,早期检测可利用非原发位点的标本，例如肺癌患者可以检测痰标本、前列腺癌患者可以检测尿标本。肿瘤患者血清还可以检测到大量的肿瘤,DNA,。令人兴奋的是肺癌患者痰标本和癌组织，二个甲基化标记物中总有一个出现阳性，而且现有方法临床确诊的,3,年前，痰液里就可以检测到该肿瘤特异性甲基化变化。,2,、,DNA,甲基化状态分析还可用于肿瘤的预测。血清游离肿瘤,DNA,，是肿瘤治疗监测的一种手段，而游离,DNA,甲基化检测同样可作为肿瘤形成过程和药物治疗的监测手段。,DNA,甲基化可作为治疗的目标,虽然遗传性与外遗传机制对肿瘤的形成有相同的地位，由于对肿瘤形成的基本原理的差异，抗肿瘤治疗也就有潜在的意义。首先，遗传性的变化是固定的，基因的失活是不可逆转的，外遗传变化不影响基因序列，因而是可逆的。外遗传所致的基因失活可以从两个不同方面减轻：抑制,DNA,甲基化和抑制组蛋白的脱乙酰基作用。,在体外，,DNA,甲基化和组蛋白脱乙酰基作用的抑制剂可以调节基因的转录活性。,DNA,甲基化特异性抑制剂,5-AzaDc,在实验中得到广泛的应用，在临床上已用于对急性白血病和脊髓发育不良的治疗 。,DNA,甲基化抑制剂最大的缺陷是缺乏特异性，它可导致处于抑制状态的基因恢复活性，从而限制甲基化抑制剂的应用。特异性,DNA,甲基化抑制剂的研究就显得很重要。,DNA,甲基化与药物耐受的逆转,化疗药物广泛用于肿瘤的治疗，但其固有的或获得性的药物耐受对肿瘤治疗的有效性具有不可预知性。如果知道药物耐受的细胞和分子机制，就可以设计和使用相应的化疗药物。药物耐受通过,DNA,甲基化作用而逆转，这也可能为一条有效途径。,多种化疗药物是通过感应细胞的生理性死亡程序如凋亡而对易感细胞起作用，因此，反常基因的激活和凋亡可能是药物耐受的主要机制。一个显著的例子就是细胞毒素性药物如阿霉素和顺铂的耐受与凋亡相关蛋白,caspase-8,的减少相关，采用,5-AzaDc,治疗，使,caspase-8,启动子脱甲基化，,caspase-8,重新表达，那么可以恢复化疗的敏感性。,问题与展望,低甲基化激活原癌基因、高甲基化使肿瘤抑制基因转录失活等因素均可导致肿瘤形成。,DNA,甲基化的选择性调节在临床上可以用来预防和治疗癌。,最近已经将,DNA,甲基化和组蛋白去乙酰基作用两种整体机制联系起来作进一步研究。,DNA,甲基化对肿瘤形成的作用是多方面的、多层次的、多角度的，真正阐明,DNA,甲基化和组蛋白去乙酰基与肿瘤的关系，还需了解各种机制之间的关系。,DNA,甲基化和组蛋白修饰的研究对肿瘤的形成、早期诊断、治疗、药物耐受和预防开辟了一条新的道路。,2024年9月11日,58,二、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,，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。,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。,2024年9月11日,58,2024年9月11日,59,二、组蛋白修饰（,histone modification,）,2024年9月11日,59,DNA Packing,1.,如何将,10,000,公里长的蚕,丝,(,半径,10,-5,米,),装入一个篮,球中。,2.,蚕丝的体积：,3.14*10,-3,m,3,3.,折叠、缠绕,染色体上不同的区域,Euchromatin,:,常染色质；,Heterochromatin:,异染色质,E-H,或,H-E,称为染色质重塑,(Chromatin Remodeling),分子机理：,DNA,甲基化，,组蛋白修饰，染色质重塑复,合物的协同作用。,常染色质与异染色质,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,常染色质,异染色质,核小体,组蛋白与核小体,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, 是一类小分子碱性蛋白质, 组蛋白是已知蛋白质中最保守的,Histone,variants,组蛋白修饰,组蛋白修饰（,2,）,2024年9月11日,69,二、组蛋白修饰,2024年9月11日,69,主要的功能基团,Acetyl,Methyl,Phosphoryl,Ubiquitin,Epigenetic differences,：,monozygotic twins,5mC H4,乙酰化,H3,乙酰化,内容纲要,一、组蛋白的乙酰化,二、组蛋白的甲基化,三、组蛋白的磷酸化,四、组蛋白的泛素化,五、组蛋白的,SUMO,化,六、组蛋白密码,一、组蛋白的乙酰化,1.,通常发生在蛋白质的赖氨酸,(K),上；,2.,可逆的生化反应：,A.,Histone,acetyltransferase,，,HAT (30),B.,Histone,deacetylase, HDAC (18),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,4.,生物学功能：,基因转录活化,B. DNA,损伤修复,组蛋白的乙酰化,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,HATs,：转乙酰基酶,HDACs,1. Class I,：,HDAC1, HDAC2, HDAC3, HDAC8 (,定位于细胞核,),2. Class II,：,HDAC4, HDAC5, HDAC6,HDAC7A, HDAC9, HDAC10 (,能够在细胞核与胞质间转运,),3. Class III,：,Sirtuins,(SIRT1, SIRT2, SIRT3,SIRT4, SIRT5, SIRT6, SIRT7),4. Class IV,：,HDAC11,HDAC Inhibitor,1.,主要针对,Classical,HDACs,；,2.,激活保护性基因的表达,3.,抗肿瘤新药,赖氨酸,引入乙酰基,乙酰基转移酶,去乙酰化酶,组蛋白乙酰化对染色质结构及基因转录的影响,组蛋白乙酰化引起染色质结构改变及基因转录活性变化的机制：, 组蛋白尾部赖氨酸残基的乙酰化能够使组蛋白携带正电荷量减少，降低其与带负电荷的,DNA,链的亲和性，导致局部,DNA,与组蛋白八聚体解开缠绕，从而促使参与转录调控的各种蛋白因子与,DNA,特异序列结合，进而发挥转录调控作用；, 组蛋白的末端尾巴可与参与维持染色质高级结构的多种蛋白质相互作用，更加稳定了核小体的结构。而组蛋白乙酰化却减弱了上述作用，阻碍了核小体装配成规则的高级结构（如螺线管）；, 组蛋白乙酰基转移酶对相关的转录因子或活化因子进行乙酰化修饰以调节基因的表达。,二、组蛋白的甲基化,1.,主要发生在赖氨酸,(K),或精氨酸,(R),上；,2. Long-term,；,3. HKMTs (histone lysine methyltransferases) vs.,PRMTs (protein arginine methyltransferases),4.,可逆的生化反应,?,5.,分子效应：增加赖氨酸上的疏水力,6.,生物学功能：,A.,基因转录活化,B.,基因转录沉默,C. X,染色体失活,D.,异染色质致密状态,(heterochromatin compaction),精氨酸和赖氨酸甲基化的过程,目前发现,24,个组蛋白甲基化位点，其中,17,个位于,赖氨酸,，其他,7,个位于,精氨酸,。赖氨酸可以是单甲基化、双甲基化和三甲基化，精氨酸也可以是单甲基化或者双甲基化。如果把这,3,种甲基化状态都考虑在内，应该一共有,310,11,种组蛋白甲基化组合状态，复杂的组合为组蛋白甲基化发挥功能调控作用提供更大的潜能。,赖氨酸甲基化,1. Mono-, di- or tri- methylation,2. H3K9 & H3K27,的,tri- methylation,是沉默的异染色质的,主要特征,3. H3K9,的,di- methylation,对于常染色质的基因表达是必,需的,4. H4K20,的,tri- methylation,是癌症中的一个普遍现象,5.,有丝分裂期间，在动粒,(centromere),附近的,H3K9,的,trimethylation,负责保证染色体顺利完成分裂,6.,在活化基因的,5,端和启动子区域，甲基化出现的模式为：,A. H4K20,的,mono- methylation,B. H3K4,的,di- or tri- methylation,C. H3K79,的,di- methylation,组蛋白赖氨酸甲基化与转录,RNA polymerase II (,Pol,II),定位到基,因启动子区域，与,H3K4 & H3K36,的,甲基转移酶,Set1, Set2 & Dot1,相互作,用；,Activator (Act),招募,Rad6-Bre1,复合,物，并加载到,Pol,II,上,Rad6-Bre1,泛素化,H2B,，促使,H3K4,和,H3K79,的甲基化；,转录延长过程中，,Pol,II,的,Ser2,被磷,酸化，促使,Set1,分离下来；,第一轮转录后，基因被标记为,H3K4,H3K36 & H3K79,甲基化,H3K4,被,Chd1,识别后结合，招募,SAGA,复合物；,SAGA,复合物乙酰化组蛋白,转录保持激活,哈佛大学的分子生物学家施洋及其同事在,2004,年,12,月,16,日的,细胞,杂志网络版上报告：他们发现了一种组蛋白去甲基酶，,命名为,赖氨酸特异性去甲基酶,1(LSD1)(lysine-specific,demethylase,1),。这种酶能使某种组蛋白尾部的一个氨基酸,-,赖氨酸失去甲基。某些类型的白血病、结肠癌等疾病，被认为可能与错误的甲基化过程有关，组蛋白去甲基酶可能成为颇有潜力的药物标靶。,甲基转移酶,去甲基酶使组蛋白失去甲基,Shi Y J, Lan F, Matson C, et al.,Histone,demethylation,mediated by the nuclear amine,oxidase,homolog LSD1. Cell, 2004, 119 (7):941,953,Jmjc proteins,JHDM1A: H3K36,的去甲基酶, mono- & dir,JHDM2: H3K9,的去甲基酶, mono- & dir,JHDM3/JMJD2: H3K9 or H3K36,的,di,- & tri-me,组蛋白甲基化的遗传,PC:,Polycomb,；招募,PRC2/EZH2,，甲基化子染色质上的,H3K27;,PR-SET7: H4K20,特异性的转甲基酶，通过未知蛋白质，修饰子染色质上的,H4K20,表观遗传信息的传递！,三、组蛋白的磷酸化,1.,磷酸化：丝氨酸,(S)/,苏氨酸,(T),2.,转录调控：,H3K10,被,Rsk-2,磷酸化,3. H4S1,的磷酸化：异染色质的形成,4. DNA repair: H2AX(,组蛋白,2A,变异体,),磷酸化,H3的磷酸化,1. H3K10,和,H3K28,的磷酸化,H3的磷酸化,1.,IKK,磷酸化,H3K10,，促进,NF-,B,的表达；,2. MSK1 &MSK2:,促进,c-fos,&,c-jun,的表达,H3磷酸化的功能：基因表达,H4S1,的磷酸化,常染色质的,H4S1,被磷酸化之后,A.,直接形成致密的异染色质；,B.,招募,HP1,，形成异染色质；,C.,促使组蛋白异构体的替换。,H2AX的磷酸化,1. UV,使得,DNA,发生双,链断裂；,2.,激活,ATM/ATR,，磷酸,化许多底物，包括,H2AX;,3. H2AX,招募,NuA4,和,Cohesin,复合物；,4. NuA4,乙酰化,DSB,附近,的组蛋白，招募,INO80,，,分别进行单链的修复；,5.,修复完毕，招募,Tip60,踢走,H2AX,四、组蛋白的泛素化,1.,通常发生在赖氨酸,(K),上；,2.,可逆的生化反应：,A. E1, E2 & E3,B. DUBs,3.,分子效应：小蛋白质，可能改变底物的结构,4.,生物学功能：,H2B的泛素化,A. H2B,的泛素化平衡组蛋白,H3K4,和,H3K36,的甲基化水平,Ubiquitination,五、组蛋白的SUMO化,1.,通常发生在赖氨酸,(K),上；,2.,可逆的生化反应：,A. E1, E2, & E3,B. SENPs,3.,生物学功能：,A.,转录沉默,B.,抑制组蛋白的乙酰化和甲基化,组蛋白的SUMO化,1. H2A, H2B, H3, & H4,都可能被,SUMO,化修饰；,2.,酵母中，,H2A K126,，,H2B K6/K7, or K16/K17,可能被,SUMO,化修饰,Act,招募,HAT,，激活转录。,Act,可能招募,E2/E3,，使组蛋白,SUMO,化，削弱转录。,Rep,招募,HDAC,，组蛋白去乙酰化,/,招募,HMT,，甲基化组蛋白。招募,HP1,，形成异染色质。,六、组蛋白密码,Histone,code: The,histone,code hypothesis predicts,that the post-translational modifications of,histones,alone or in combination, function to direct specific,and distinct DNA-,templated,programs.,组蛋白密码,染色体的多级折叠过程中，需要,DNA,同组蛋白,(H3,、,H4,、,H2,、,H2B,和,H1),结合在一起。研究中，人们发现组蛋白在进化中是保守的，但它们并不是通常认为的静态结构。组蛋白在翻译后的修饰中会发生改变，从而提供一种,识别的标志,，,为其它蛋白与,DNA,的结合产生协同或拮抗效应,，它是一种动态转录调控成分，称为,组蛋白密码,(,histonecode,),。,所谓组蛋白密码,就是对结合,DNA,的组蛋白进行一系列修饰,从而影响某些基因何时以及以何种方式被打开或关闭。组蛋白密码信息存在于转录后组蛋白修饰等过程中，这些修饰的多样性、整体性及生物学功能的多样性表明存在这样一种组蛋白密码。,组蛋白修饰作为一种重要的表观标志 ，与其他表观标志之间也存在一定的联系 ，构成了一个复杂的网络。组蛋白密码大大丰富了传统遗传密码的信息含量 。组蛋白氨基末端的多样化修饰扩充了遗传密码的信息库。,这种常见的组蛋白外在修饰作用包括,乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化、,ADP,核糖基化、羰基化,等等，它们都是,组蛋白密码的基本元素,。,与,DNA,密码不同的是，组蛋白密码在动物、植物和真菌类中是不同的。我们从植物细胞保留有发育成整个植株的全能性和去分化的特性中，就可以看出它们在建立和保持表观遗传信息方面与动物是不同的。,2024年9月11日,110,2024年9月11日,110,Bryan M. Turner, nature cell biology, 2007,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。,2024年9月11日,111,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,（一种类泛素蛋白）化,-,可稳定异染色质。,其他修饰,2024年9月11日,113,2024年9月11日,113,2024年9月11日,114,三、染色质重塑,核小体,染色质重塑（,chromatin remodeling,）,真核生物染色质是一切遗传学过程的物质基础，染色质构型局部和整体的动态改变，是基因功能调控的关键因素。染色质的基本结构单位是核小体（,nucleosome,），每个核小体是由,5,种组蛋白和,DNA,链,200bp,组成，其核心颗粒是由,H2A,、,H2B,、,H3,和,H4,四种组蛋白各两个分子的八聚体和绕,1.8,圈的,147bp,组成。当,DNA,绕到两圈时，约用,165bp,，并结合上一个,H1,组蛋白分子。染色质重塑是指染色质位置和结构的变化，主要涉及核小体的置换或重新排列，改变了核小体在基因启动序列区域的排列，增加了基因转录装置和启动序列的可接近性。,染色质重塑与组蛋白,N,端尾巴修饰密切相关，尤其是对组蛋白,H3,和,H4,的修饰。通过修饰直接影响核小体的结构，并为其他蛋白质提供了与,DNA,作用的结合位点。染色质重塑修饰方式主要包括两种：一种是含有组蛋白乙酰转移酶和脱乙酰酶的化学修饰；另一种是依赖,ATP,水解释放能量解开组蛋白与,DNA,的结合，使转录得以进行。,通常，,DNA,甲基化与染色质的压缩状态、,DNA,的不可接近性，以及与,基因沉默,（,gene silencing,）状态相关；而,DNA,去甲基化、组蛋白的乙酰化和染色质去压缩状态，则与转录的启动、,基因活化,和行使功能有关。这意味着，不改变基因结构，而改变基因转录的微环境条件就可以令其沉默，或使其激活。,2024年9月11日,117,三、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。,2024年9月11日,118,三、染色质重塑,染色质修饰与重塑（共价修饰型与,ATP,依赖型）,染色质重塑复合物、组蛋白修饰酶的突变均和转录调控、,DNA,甲基化、,DNA,重组、细胞周期、,DNA,的复制和修复的反常相干,这些反常可以引起生长发育反常,智力发育缓慢,乃至导致癌症。,依赖,ATP,的物理修饰主要是使用,ATP,水解释放的能量,使,DNA,超螺旋旋矩和旋相产生转变,使转录因子更易靠近并连合核小体,DNA,从而调控基因的转录进程。,三、染色质重塑,2024年9月11日,120,三、染色质重塑,（,A,）结合,（,B,）松链,（,C,）重塑,八聚体转移,八聚体滑动,+ ATP,重塑,复合物,ATP,依赖的染色质重构机制,染色质重塑复合物：,依靠水解,ATP,提供能量来完成染色质结构的改变，根据水解,ATP,的亚基不同，可将复合物分为,SWI/SNF,复合物、,ISW,复合物等，这些复合物及相关蛋白均与转录激活和抑制、,DNA,甲基化、,DNA,修复及细胞周期相关,。,2024年9月11日,121,染色质重塑与人类疾病,（,ATRX,、,ERCC6,、,SMARCAL1,编码与,SWI/SNF,复合物相关的,ATP,酶）,X,连锁,-,地中海贫血综合征、,Juerg,Marisidi,综合征、,Carpenter-,Waziri,综合征、,Sutherland-,Haan,综合征和,Smith-,Fineman,-Myers,综合征：,ATRX,突变引起,DNA,甲基化异常。核小体重新定位的异常引起基因表达抑制。,Skeletal,综合征和,B,型,Cockayne,综合征：,ERCC6,（在,DNA,修复中起重要作用）突变。,Schimke,免疫性骨质发育异常：,SMARCAL1,（调控细胞增殖相关基因的表达）,肿瘤：,BRG1,、,SMARCB1,和,BRM,编码与,SWI/SNF,复合物特异的,ATP,酶（改变染色质结构）,三、染色质重塑,四、,RNA,调控,2024年9月11日,123,四、,RNA,调控,siRNA,siRNA,结构：,21-23nt,的双链结构，序列与靶,mRNA,有同源性，双链两端各有,2,个突出非配对的,3,碱基。,siRNA,功能：是,RNAi,作用的重要组分，是,RNAi,发生的中介分子。内源性,siRNA,使细胞能够抵御转座子、转基因和病毒的侵略。,2024年9月11日,123,2024年9月11日,124,四、,RNA,调控,miRNA,结构：,21-25nt,长的单链小分子,RNA,，,5,端有一个磷酸基团，,3,端为羟基，由具有发夹结构的约,70-90,个碱基大小的单链,RNA,前体经过,Dicer,酶加工后生成。,特点：具有高度的保守性、时序性和组织特异性 。,2024年9月11日,124,2024年9月11日,125,四、,RNA,调控,2024年9月11日,125,非编码,RNA,与疾病,癌症,神经性疾病：如精神分裂症（,DISC2 RNA,异常所诱发的精神分裂症。）、孤独症、忧郁症、躁动症等,牛皮癣易感性,四、,RNA,调控,2024年9月11日,127,五、其他表观遗传机制,除,DNA,甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、和,RNA,调控以外，还有遗传印迹、,X,染色体失活、等。,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。,2024年9月11日,128,遗 传 印 迹,2024年9月11日,128,概念：,传给子代的亲本基因在子代中表达的状况取决于基因来自母本还是父本的现象。该现象在合子形成时已经决定，是涉及基因表达调控的遗传。,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。,不遵循孟德尔定律，是一种典型的非孟德尔遗传，正反交结果不同。,机制：,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。,2024年9月11日,129,遗 传 印 迹,2024年9月11日,129,正交,Igf-2,Igf-2,Igf-2m,Igf-2m,Igf-2,Igf-2,Igf-2m,Igf-2m,反交,正常小鼠,矮小型小鼠,矮小型小鼠,矮小型小鼠,正常小鼠,正常小鼠,Igf-2m,Igf-2,Igf-2,Igf-2m,2024年9月11日,130,遗 传 印 迹,2024年9月11日,130,由正反交实验可以看出：,印迹基因的正反交结果不一致、不符合孟德尔定律。,小鼠,Igf-2,基因总是母本来源的等位基因被印迹，父本来源的等位基因表达，因此是母本印迹。,基因印迹使基因的表达受到抑制，导致被印迹的基因的生物功能的丧失。,2024年9月11日,131,遗 传 印 迹,2024年9月11日,131,基因印迹过程,印迹的形成,印迹形成于成熟配子，并持续到出生后。,印记的维持,印记的去除,印记的去除过程是发生在原始生殖细胞的早期阶段。,基因组印迹的机制,配子在形成过程中，,DNA,产生的甲基化、核组蛋白产生的乙酰化、磷酸化和泛素化等修饰，使基因的表达模式发生了改变。,父本,PWS,印记中心缺失,母本,AS,印记中心缺失,2024年9月11日,134,X,染色体失活,1961,年,M.F.Lyon,就提出了关于雌性哺乳动物体细胞的两条,X,染色体中会有一条发生随机失活的假说，并认为这是一种基因剂量补偿的机制。,以后的研究表明在给定的体细胞有丝分裂谱系中，有一条,X,染色体是完全失活并呈异染色质状态，而在另一个细胞谱系中同一条,X,染色体又可以是活化的且呈常染色质状态。,1996,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-inaction center,，,Xic,),，,X-,失活从,Xic,区段开始启动，然后扩展到整条染色体。,2024年9月11日,135,X,染色体失活,失活,X,染色体即为巴氏小体。,失活,X,染色体特点：,组蛋白,H4,不被乙酰化,CpG,岛的高度甲基化,巴氏小体,2024年9月11日,136,X,染色体失活,X,染色体失活过程模式图,2024年9月11日,Thank You,For Your Attention !,
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