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发育与疾病中的表观遗传学:原理与技术 主讲人:闵雄 表观遗传学 从根本上讲,表观遗传是环境因素和细胞内的遗传物质之间发生交互作用的结果。 与中心法则不同,表观遗传学认为遗传信息并非单方向传递,环境因素也能改变遗传物质。 目前表观遗传学研究主要集中在甲基化、组蛋白修饰、小RNA 和 染色质重塑等方面。 Conrad Waddington 1905-1975 “The interactions of genes with their environment,which bring the phenotype into being” 1942 The term ‘epigenetics’ was first coined in the 1940s by British embryologist and geneticist Conrad Waddington 表观遗传学 第一节 DNA 甲基化 DNA甲基化 和转录调控 DNA甲基化(英语:DNA methylation)为DNA化学修饰的一种形式,能在不改变DNA序列的前提下,改变遗传表现。为外遗传编码(epigenetic code)的一部分,是一种外遗传机制。DNA甲基化过程会使甲基添加到DNA分子上,例如在胞嘧啶环的5‘碳上:这种5’方向的DNA甲基化方式可见于所有脊椎动物。 DNA的甲基化可引起基因的失活,DNA甲基化导致某些区域DNA构象变化,从而影响了蛋白质与DNA的相互作用。 什么是二核苷酸CpG? 由胞嘧啶(C)和鸟嘌呤(G)组成的一个2个核苷酸的链,当中的p是C和G之间的磷酸CpG岛就是由胞嘧啶(C)和鸟嘧啶(G)组成的串联重复序列 CpG岛的形成 虽然人类基因组上有的 CpG 岛处于甲基化状态,但是大部分 CpG 岛是不易被甲基化的,这同基因组上约 80%的 CpG 双核苷酸处于甲基化状态的现象形成鲜明对比。该现象促使人们思考为什么CpG 岛不易被甲基化。 基因印记 基因印记指在配子或合子发生期间,来自亲本的等位基因或染色体在发育过程中产生专一性的加工修饰,从而导致后代体细胞中两个亲本来源的等位基因有不同的表达活性。 基因组印迹的分子机理与印记基因中胞嘧啶甲基化尤其是CpG岛的甲基化密切相关。 若基因印迹作用丧失,本应处于“关闭”状态的基因被错误激活开启,导致疾病。 骡和駃騠 前者又称马骡,是公驴与母马杂交的后代,体大、耳小而尾部蓬松; 后者又叫驴骡,是公马与母驴杂交的后代,相对来说体小、耳大而尾毛较少。这个现象表明,来源于不同性别亲本的遗传物质在后代表达的功能可以有差别。这就是基因印记。 基因印记 Hinny 駃騠 Mule DNA甲基化机制? 在哺乳动物中,所有的胞嘧啶甲基化都与至少4种独立编码的DNA甲基化转移酶(DNMT),即DNMT1,DNMT2,DNMT3A和DNMT3B相关。 真核细胞中存在两类正常的甲基化过程。 第一类:从头合成甲基化,这类甲基化在胚胎发育或者细胞分化过程中会引起甲基化模型的重排。 第二类:维持类甲基化,这类甲基化是为了维持DNA的甲基化水平 哺乳动物细胞中已知有活性的 DNMT 有 3 种 ,它们是 DNMT1 、DNMT3a 、DNMT3b 。 DNMT1 的主要功能是作为 DNA 复制复合物(DNA synthesome) 中的组分 ,催化子链 DNA 半甲基化位点甲基化 ,维持复制过程中甲基化位点的遗传稳定性; DNMT3a 和 DNMT3b 主要催化从头甲基化 ,以非甲基化的 DNA 为模板 ,催化新的甲基化位点形成 ,在胚胎发育中起重要作用。 甲基化酶 1998年,英国爱丁堡大学的Nan和美国马里兰州的Johes等各自独立发现,选择性地结合于甲基化DNA上的特异的转录抑制因子MeCP2与组蛋白脱乙酰化酶 (histone deacetylase,HDAC) 在细胞中可存在于同一个复合 物中。 改变已有的甲基化必须要有一种机制可移除已存在的甲基化 第一种:被动去甲基化,因为DNMT1不能维持已经存在的甲基化而诱发 第二种:在甲基化酶的作用下主动地去甲基化。 2009年,斯坦福大学医学院的院士Helen M. Blau证明诱导哺乳动物IPS需要AID蛋白参与启动细胞的DNA去甲基化,并启动细胞核重新编程过程。 为了研究IPS诱导过程中的相关机制,他们构建了一个异核体细胞(融合了小鼠胚胎干细胞和人类成纤维细胞),这种异核体诱导的速度比正常的体细胞诱导速度快很多,仅需1天时间,诱导效率高达70%。 2010年,剑桥的M. A zim Surani和Wolf Reik先后在Nature和Science上报道,AID(活化诱导胞嘧啶脱氨酶)基因敲除的精子的去甲基化受到显著影响
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