表观遗传学简介.ppt

表观遗传学简介
(Introduce to ics)
表观遗传学(ics) 是指基于非基因序列改变所致基因表达水平变化,如DNA甲基化、组蛋白乙酰化等。
在基因组中除了DNA和RNA序列以外,还有许多调控基因的信息,它们虽然本身不改变基因的序列,但是可以通过基因修饰,蛋白质与蛋白质、DNA和其它分子的相互作用,而影响和调节遗传的基因的功能和特性,并且通过细胞分裂和增殖周期影响遗传的一门新兴学科。因此表观遗传学又称为实验遗传学、化学遗传学、特异性遗传学、后遗传学、表遗传学和基因外调节系统,它是生命科学中一个普遍而又十分重要的新的研究领域。
什么是表观遗传学
表观遗传有三个密切相关的含义:
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;
没有DNA序列的变化或不能用DNA序列变化来解释。
主要包括:
(1)基因选择性转录表达的调控:DNA 甲基化、组蛋白共价修饰等所导致的基因组印迹、染色质重构(塑)等;
(2)基因转录后的调控: 针对mRNA的调控。如基因组中非编码RNA(主要来源于内含子和转录的基因间序列)、miRNA(能够自我折叠形成发夹状结构,通过RNAi或类似于RNAi的机制起作用)、反义RNA、内含子和核糖体开关等
借以调控基因表达活性,在生殖与发育、遗传与进化、生理与病理现象中具有重要的生物学意义,表观遗传学及应运而生的人类表观基因组计划(HEP)已成为近年关注的热点问题。已知表观遗传学现象与多种人类疾病有着密切的关系,如肿瘤、基因印迹病等。同时基因甲基化异常存在可逆性,这可能为相关疾病的治疗提供崭新的途径。
表观遗传学的研究内容
DNA 甲基化是生物关闭基因表达的一种有效手段,也是印迹遗传的主要机制之一;基因的去甲基化可能使得印迹丢失,基因过度表达,甚至引起肿瘤或癌症的发生,如促肿瘤生长因子IGF2基因过度表达引发大肠癌。
在特定组织中,非甲基化基因表达,甲基化基因不表达,基因选择性的去甲基化形成特异的组织类型。
DNA甲基化不仅与染色质重构、转录抑制密切相关, 而且与疾病的易感性、发生发展、预后和转归均有密切关系。多种肿瘤的发生都涉及到基因组甲基化的改变, 包括抑癌基因的高/新甲基化和癌基因的低/去甲基化。
脊椎动物基因的甲基化状态有3种:持续的低甲基化状态,如管家基因;去甲基化状态,如发育阶段中的一些基因;高度甲基化状态,如女性的一条失活的X染色体。
DNA甲基化
(一) 全基因组范围CpG岛DNA甲基化分析
采用甲基化敏感或/和甲基化不敏感的酶(同裂酶)进行全基因组DNA范围内的酶切,在基因组消化产物的两端加上特异性的接头,然后以PCR扩增来筛选甲基化和未甲基化的CpG岛片段。
(二) 位点特异性甲基化分析
目前多采用亚硫酸氢盐作前期的基因组DNA预处理。亚硫酸氢盐修饰是众多序列特异性甲基化检测方法的基础。胞嘧啶(C)与亚硫酸氢钠的反应可以迅速鉴别出以任何序列存在的5mC,修饰后单链DNA中的C通过磺酸基作用脱氨基形成U,而CmG不变。
(三)新甲基化位点的寻找
DNA甲基化研究方法
DNA甲基化研究方法(续)
组蛋白的修饰可通过影响组蛋白与DNA双链的亲和性,从而改变染色质的疏松或凝集状态,或通过影响其它转录因子与结构基因启动子的亲和性来发挥基因调控作用。组蛋白修饰对基因表达的调控有类似DNA遗传密码的调控作用。
组蛋白有多种共价修饰方式,其中乙酰化修饰是基因转录调控的重要机制,组蛋白翻译后修饰所引起的染色质结构重塑在真核生物基因表达调控中发挥着重要的作用。组蛋白与细胞内遗传物质DNA密切结合,在组蛋白的尾部有多种化学修饰作用,组蛋白尾部这种特殊修饰的组合形式,提供了转录调控效应蛋白结合位点,可以改变和DNA的结合状态,达到有效调节染色质转录状态的动力学转换,进而影响基因的表达。所以,组蛋白不仅有结合DNA的作用,而且组蛋白乙酰化直接参与基因活化。
组蛋白共价修饰
组蛋白转录后的修饰,包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化、ADP-核糖基化等,形成了复杂的组蛋白密码(histone code),或“表观遗传学分子记忆”(ic molecular memory),可以被不同细胞因子识别和在亲子代间传递。它们都是组蛋白密码的基本元素,共同参与了基因表达调控。研究发现组蛋白H3 N端的赖氨酸4(H3-K4)甲基化与基因表达的活化相关,主要存在于活化基因的启动子区;而组蛋白H3 N端赖氨酸9甲基化(H3-K9)甲基化则直接导致了中心粒周围异染色质DNA的甲基化,参与基因沉默。
表观遗传学尤其是组蛋白乙酰化修饰的深入研究对于更好地认识肿瘤发生机制和临床选择潜在的药物靶点具有重要价值。