分子遗传学-表观遗传学讲课稿
分子生物学之表观遗传学
分子生物学：表观遗传学表观遗传学( epigenetics):指非基因序列变化导致的基因表达的可遗传的改变。
细胞中生物信息的表达受两种因素的调控：遗传调控提供了“生产’维持生命活动所必需的蛋白质的“蓝本”，而表观遗传调控则指导细胞怎样、何时和何地表达这些遗传信息。
表观遗传学研究的主要内容：DNA的甲基化，染色质的物理重塑和化学修饰，非编码RNA基因调节。
依赖ATP的染色质的重塑由ATP水解释放的能量可以使DNA和组蛋白的构象发生改变；包括DNA的甲基化和组蛋白N端尾巴上特殊位点的化学基团修饰，同样可以直按或间接地影响染色质的结构和功能。
二者之间相互渗透，相互作用，共同影响着染色质的结构和基因的表达。
此外，近些年发现转录组(transcriptome)中组有多种非编码RNA广泛参与基因表达调控，非编码RNA的基因调节也可属于表观遗传学的研究的范畴。
DNA甲基化的概况DNA的甲基化既可以发生在腺嘌呤的第6位氮原子上，也可以发生在胞嘧啶的第5位碳原子上。
*在真核生物中，DNA甲基化只发生在胞嘧啶第5位碳原子上。
真核DNA甲基化由DNA甲基转移酶(Dnmt, DNA methyltransferase)催化，S-腺苷甲硫氨酸(SAM, S-adenosyl methionine)作为甲基供体，将甲基转移到胞嘧啶上，生成5一甲基胞嘧啶(5-mC)。
在哺乳动物中，DNA甲基化主要发生在CpG双核苷酸序列，全部CG二核苷酸中约70%~80%的C是甲基化（mCpG), 所以CpG称为甲基化位点。
CG抑制:DNA中CG的排列出现的概率小于期望值1/16（A42+4=16），如人的基因组中CG排列小于1%，而非随机期望的约6%（1/16）.基因组中的CpG位点并非均一分布。
在某些区域中(大约有300～3 000 bp)，CpG位点出现的密度高(50%或更高），这些区域即所谓的CpG岛。
大部分CpG岛(>200bp, C+G含量=/>50%. CpG观测值/期望值=/>0.6) 位于基因的5’端，包括基因的启动子区域和第一外显子区，而且60%的人类(哺乳动物40%)基因组的启动子区都含有CpG岛(几乎所有管家基因都存在CpG岛），它们在基因表达调控中可能发挥着重要的作用。
表观遗传学教学课件
04
表观遗传学研究方法
基因组学技术
基因组测序
通过全基因组测序技术，可以检测基因组中的变异和表观遗传修饰，了解基因表达的调 控机制。
甲基化测序
甲基化测序技术可以检测基因组中DNA甲基化的水平，研究甲基化与基因表达的关系。
生物信息学分析
数据挖掘
利用生物信息学方法对大规模基因组 数据进行挖掘，寻找表观遗传修饰与 基因表达之间的关联。
详细描述
非编码RNA在表观遗传学中发挥重要作用， 它们通过与mRNA相互作用，影响基因表达 的转录和转录后水平。非编码RNA的异常表 达与多种疾病的发生和发展密切相关。
组蛋白修饰
总结词
组蛋白修饰是指组蛋白上的化学基团， 如乙酰化、甲基化和磷酸化等。
VS
详细描述
组蛋白修饰能够影响染色质的结构和基因 表达，与细胞分化、发育和肿瘤形成等生 物学过程密切相关。组蛋白修饰的异常与 多种疾病的发生和发展密切相关。
80%
药物研发
表观遗传学研究有助于发现新型 药物靶点，推动药物研发的创新 和进步。
表观遗传学面临的挑战与问题
技术难题
表观遗传学研究涉及多种复杂技 术，如高通量测序、染色质免疫 沉淀等，技术难度较大，需要专 业人员操作。
数据解读与分析
表观遗传学研究产生大量数据， 如何准确解读和分析这些数据是 一个挑战。需要发展新的数据分 析方法和算法。
个体化治疗
表观遗传学研究有助于实现个 体化治疗，即根据患者的表观 遗传学特征，制定个性化的治 疗方案。例如，针对特定基因 的靶向治疗等。
疾病预防
表观遗传学研究还有助于疾病 的预防。例如，通过调整饮食 和生活方式等，可以改变个体 的表观遗传学特征，从而预防 某些疾病的发生。
分子遗传学表观遗传学课件
DNA甲基化的机制
DNA甲基化是一种常见的表观遗传修饰方式，通过甲基化酶的催化作用，在 DNA分子上添加甲基基团，从而影响基因的转录和表达。
组蛋修饰的作用
组蛋白修饰是通过酶催化和其他蛋白质相互作用改变组蛋白结构和功能的过程，调控基因的表达和染色质状态。
诱导多能干细胞的实验方法
诱导多能干细胞是通过改变细胞环境和基因表达方式，将成体细胞重新编程 为具备多能性的干细胞，可能用于再生医学和疾病治疗。
分子遗传学表观遗传学课 件
这份课件将深入介绍分子遗传学和表观遗传学的基本概念和原理，并探讨其 在疾病治疗和干细胞研究中的应用。
分子遗传学的介绍
分子遗传学是研究基因与生物表型之间关系的学科，通过分析DNA和RNA的结 构与功能，揭示遗传信息的传递和表达机制。
表观遗传学的介绍
表观遗传学关注的是基因活性可变的遗传现象，包括DNA甲基化和组蛋白修饰等，这些变化可以通过环境和生活方 式影响。
表观遗传学在疾病治疗中的前景
研究表明，表观遗传变化与许多疾病的发生和发展有关，例如癌症和神经系统疾病。通过干预表观遗传机制，我们 或许可以开发出新的治疗方法。
总结和讨论
本课件对分子遗传学和表观遗传学的主要概念和应用进行了介绍，并展望了 表观遗传学在未来的疾病治疗中的潜力。感谢您的关注和聆听。
分子遗传学基础—表观遗传学概述(普通遗传学课件)
达的调控。 非编码RNA调控：通过某些机制实现对基因转录的调控，如RNA
干扰。
（二）意义 任何一个层面异常，都将影响染色质结构和基因表达，导致复杂
综合征、多因素疾病以及癌症。和DNA序列改变不同的是，许多表观 遗传的改变是可逆的，这就为疾病的治疗提供乐观的前景。
父本PWS印记中心缺失
1956年Prader-Willi综合症（PWS），患者矮小、肥胖、中度智力低下。 经染色体核型分析表明：父本染色体15q11-13区段缺失。
母本AS印记中心缺失
1968年Angelman综合症（AS），共 济失调、智力低下和失语。经染色体核型 分析表明：母本染色体15q11-13区段缺失。
四、DNA甲基化的机制
1、哺乳动物基因组中5mC占胞嘧啶总量的2%-7%，约70%的 5mC存在于CpG二连核苷。
2、在结构基因的5’端调控区域, CpG二连核苷常常以成簇串联形 式排列，这种富含CpG二连核苷的区域称为CpG岛，其大小为5001000bp，约56%的编码基因含该结构。
3、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。
《遗传学》
表观遗传学—DNA甲基化
内容
一 DNA甲基化试验 二 DNA甲基化定义 三 DNA甲基化功能 四 DNA甲基化机制
一、DNA甲基化试验
试验处理：以基因型为a/a的母鼠及其孕育的基因型为AVY/a的仔 鼠作实验对象。
孕鼠分为两组，试验组孕鼠除喂以标准饲料外，从受孕前两周起 还增加富含甲基的叶酸、乙酰胆碱等补充饲料，而对照组孕鼠只喂标 准饲料。
2、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。
2024年表观遗传学课件
表观遗传学课件一、引言表观遗传学是研究基因表达调控机制的一门学科，它涉及到基因序列不发生变化，但基因表达却发生了可遗传的改变。
这种调控机制对于生物体的生长发育、细胞分化、疾病发生等过程具有重要作用。
本文将对表观遗传学的基本概念、调控机制及其在疾病中的应用进行详细阐述。
二、表观遗传学的基本概念1.基因表达调控：基因表达调控是指生物体通过一系列机制，控制基因在特定时间和空间的表达水平。
基因表达调控是生物体生长发育、细胞分化、环境适应等生命现象的基础。
2.表观遗传修饰：表观遗传修饰是指在基因的DNA序列不发生改变的情况下，通过DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑等机制调控基因表达的过程。
3.表观遗传学的研究内容：表观遗传学主要研究基因表达调控的分子机制，包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、非编码RNA调控等。
三、表观遗传学的调控机制1.DNA甲基化：DNA甲基化是指在DNA甲基转移酶的催化下，将甲基基团转移至DNA分子的过程。
DNA甲基化通常发生在基因的启动子区域，抑制基因表达。
2.组蛋白修饰：组蛋白修饰是指在组蛋白分子上发生的一系列化学修饰，如乙酰化、磷酸化、甲基化等。
这些修饰可以改变组蛋白与DNA的结合状态，从而调控基因表达。
3.染色质重塑：染色质重塑是指染色质结构发生变化，使基因的表达状态发生改变的过程。
染色质重塑可以通过改变核小体结构、DNA甲基化、组蛋白修饰等方式实现。
4.非编码RNA调控：非编码RNA是指不具有编码蛋白质功能的RNA分子，包括miRNA、lncRNA、circRNA等。
这些RNA分子可以通过与mRNA结合、调控转录因子活性等方式调控基因表达。
四、表观遗传学在疾病中的应用1.癌症：表观遗传学在癌症研究中的应用主要涉及肿瘤发生、发展和治疗。
研究发现，癌细胞的表观遗传修饰模式发生改变，导致肿瘤相关基因的表达异常。
通过研究这些表观遗传修饰，可以为癌症的早期诊断、预后评估和治疗提供新靶点。
表观遗传学概论课件
03
表观遗传变异与疾病关系
肿瘤发生发展中表观遗传变异作用
DNA甲基化异常
抑癌基因高甲基化导致沉默，原癌基因低甲基化而活 化。
组蛋白修饰改变
组蛋白乙酰化、甲基化等修饰异常影响染色质结构和 基因表达。
非编码RNA调控
miRNA、lncRNA等通过调控靶基因表达参与肿瘤发 生发展。
神经系统疾病中表观遗传变异影响
脂肪代谢异常
表观遗传变异调控脂肪细胞分化和脂质代谢相 关基因表达，引发脂肪代谢异常。
糖尿病及其并发症
表观遗传变异在糖尿病及其并发症的发生发展中发挥重要作用。
其他类型疾病与表观遗传变异关系
自身免疫性疾病
表观遗传变异影响免疫细胞分化和功能，导 致自身免疫性疾病。
心血管疾病
表观遗传变异与高血压、动脉粥样硬化等心 血管疾病的发生发展有关。
表观遗传学特点
在不改变DNA序列的前提下，通 过DNA甲基化、组蛋白修饰等方 式调控基因表达。
表观遗传学与遗传学关系
表观遗传学与遗传学相互补充，共同揭示生物遗 传信息的传递和表达机制。
遗传学关注基因序列的遗传信息，而表观遗传学 关注基因表达的调控机制。
二者在生物发育、疾病发生发展等方面具有密切 联系。
组蛋白修饰
定义
组蛋白修饰是指对组蛋白 分子进行化学修饰的过程 ，包括乙酰化、甲基化、 磷酸化等。
机制
通过组蛋白修饰酶的催化 作用，对组蛋白的特定氨 基酸残基进行修饰，改变 组蛋白的电荷和构象。
功能
影响染色质的结构和功能 ，进而调控基因的表达。 与细胞分化、发育、记忆 等生物学过程密切相关。
非编码RNA调控
甲基化DNA免疫共沉淀技术
利用特异性抗体与甲基化DNA结合，通过免疫共 沉淀的方法富集甲基化DNA片段，再进行高通量 测序分析。
分子遗传学表观遗传学知识讲稿
DNA的突变与变异
突变的种类
点突变、插入缺失、基因重排等多种类型。
突变的原因
化学物质致突变、放射线突变等内部因素和基因重组、突变位点等外部因素。
基因变异的重要性
基因变异是物种进化和个体不同性状产生的重要原因。
基因调控及其机制
1
表观遗传调控
2
通过DNA甲基化和组蛋白修饰等调控机
制，影响基因表达。
3
除了编码氨基酸，也可以表示启 动、终止信号等附加含义。
基因组的结构与功能
基因组组成
包含所有生物体的全部DNA序列，可以分为编码和非编码区域。
基因库和基因家族
基因库指一个组织或个体所拥有的所有基因，而基因家族是指多个基因在演化过程中产生的 相关基因。
基因组学分析
包括序列分析、比较基因组学、功能基因组学和系统生物学等多个层面和方向。
人类基因组计划
20世纪90年代，人类基因组计划 启动，促进了分子遗传学和基因 组学的快速发展。
DNA的结构与功能
碱基配对原则
腺嘌呤-胸腺嘧啶，鸟嘌呤-鸟嘌呤，胞嘧啶-鸟 嘌呤，胸腺嘧啶-腺嘌呤。
RNA的不同类型
三种主要类型是mRNA、tRNA、rRNA，分别在 基因表达的不同过程中发挥作用。
双链结构
分子遗传学表观遗传学知 识讲稿
分子遗传学是研究生物基因组结构、功能、表达和调控的分子水平的遗传学 分支。它对于深入理解生命科学及其应用具有重要意义。
分子遗传学的历史与发展
孟德尔定律
19世纪末，孟德尔通过豌豆杂交 研究提出了遗传基本规律。
双螺旋结构
1953年，沃森和克里克发表“关 于分子结构的一种可能的模型“， 证明了DNA的双螺旋结构。
遗传学：表观遗传学教学课件
基因表达模式
• 决定细胞类型的不是基因本身，而是基因 表达模式，通过细胞分裂来传递和稳定地 维持具有组织和细胞特异性的基因表达模 式对于整个机体的结构和功能协调是至关 重要的。
• 基因表达模式在细胞世代之间的可遗传性 并不依赖细胞内DNA的序列信息。
• 基因表达模式有表观遗传修饰决定。
Waddington's epigenetics
• CMT3 (CHROMOMETHYLASE3) – 5'-CHG-3' sites
• (H= A, C or T) • Interacts with histone mark
• CMT2 (CHROMOMETHYLASE3) – 5'-CHH-3' sites
DRM 1, DRM 2 (DOMAINS REARRANGED 1 and 2) - 5'-CHH-3' sites
Photo credit: DrL
Mosaicism: An Individual with Two Different Eye Colors
“Diego”
Mosaicism: An Individual Eye with Two Colors
Epigenetic programming in plants helps silence transposons and maintain centromere function
2、衰老
无论DNA甲基化水平增高还是减低，都与人的 衰老过程相关。
3、免疫紊乱 在狼疮病人的T细胞中，甲基转移酶活性降低，DNA
存在异常的低甲基化。 4、神经精神疾病
精神分裂症和情绪障碍与DNMT基因相关。基因高甲 基化抑制脑组织中Reelin蛋白的表达，Reelin蛋白是 维持正常神经传递、大脑信息存储和突触可塑性所必 需的蛋白 。
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➢1939年，生物学家 Waddington CH 首先在 《 现 代 遗 传 学 导 论 》 中 提 出 了 epigenetics 这 一术语，
➢并于1942年定义表观遗传学为“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。
CpG
频 率
Rb基因
❖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。
组蛋白修饰 Histone modification
表观遗传学的特点：
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。
• 表观遗传学的研究内容：
基因选择性转录表达 基因转录后的调控 的调控
Chapter 7 Epigenetics表观遗传学
Classical genetics
History
➢2000多年前，古希腊哲学家亚里士多德在 《On the Generation of Animals》一书中首 先提出后生理论（the theory of epigenesis）， 它相对于先成论，新器官的发育由未分化的 团块逐渐形成的。
➢他认为表观遗传学不仅在发育过程，而且应在成 体阶段研究可遗传的基因表达改变，这些信息能 经过有丝分裂和减数分裂在细胞和个体世代间传 递，而不借助于DNA序列的改变，也就是说表观 遗传是非DNA序列差异的核遗传。
Overview
表观遗传学 研究不涉及DNA序列改变的基因表达
和调控的可遗传变化的，或者说是研究 从基因演绎为表型的过程和机制的一门 新兴的遗传学分支。
甲基化-- 发生在H3、H4的 Lys 和 Asp 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。
表观遗传 所谓表观遗传就是不基于DNA差异的核酸
遗传。即细胞分裂过程中，DNA 序列不变的 前提下，全基因组的基因表达调控所决定的 表型遗传，涉及染色质重编程、整体的基因 表达调控（如隔离子，增强子，弱化子， DNA甲基化，组蛋白修饰等功能 ), 及基因型 对表型的决定作用。
✓Definition of Epigenetics Any changes in gene expression resulting from either a
DNA and chromatin modification or resulting from a posttranscriptional mechanism. However, it does not reflect a difference in the DNA code。
✓A unifying definition of epigenetics: (Adrian Bird, nature, 2007)
DNA以染色质的形式储存在细胞核中， 染色质通常由DNA、组蛋白、非组蛋白 以及少量RNA包装而成，其中组蛋白是 染色质的基本结构蛋白。
组蛋白作为真核生物染色体的基本结构 蛋白，是一类小分子碱性蛋白质，分为 H1、H2A、H2B、H3和H4五种类型。
• 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、无一定组织的亚单 位，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。
• 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。
DNA甲基化
基因组中非编码RNA
基因印记
微小RNA（miRNA）
组蛋白共价修饰
反义RNA
染色质重塑
内含子、核糖开关等
1 DNA 甲基化
2 组蛋白修饰
3 染色质重塑
4
RNA 调 控
DNA甲基化(methylation)
DNA 甲 基 化 一 般 与 基 因 的 沉 默 (gene silence) 相 关 ， 非 甲 基 化 (nonmethylation)一般则与基因的活化 (gene activation) 相 关 ， 而 去 甲 基 化 (demethylation) 往 往 是 与 一 个 沉 默 基 因 的重新激活(reactivation)相关
The structural adaptation of chromosomal regions so as to register, signal or perpetuate altered activity states.
This definition is inclusive of chromosomal marks, because transient modifications associated with both DNA repair or cell-cycle phases and stable changes maintained across multiple cell generations qualify.
DNA甲基化对维持染色体的结构具有重 要作用，并且与X染色体的失活、基因 印记和肿瘤的发生密切相关。
哺乳动物基因组中5mC占胞嘧啶总量 的2%-7%，约70%的5mC存在于CpG二 连核苷。
在结构基因的5’端调控区域, CpG二连 核苷常常以成簇串联形式排列，这种富 含pG二连核苷的区域称为CpG岛 (CpG islands)，其大小为500-1000bp ，约56%的编码基因含该结构。