第十三章 表观遗传学教学文案
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。
表观遗传学(共49张PPT)
• 1. DNA自身通过复制传递遗传信息；
• 2. DNA转录成RNA； • 3. RNA自身能够复制 (RNA病毒)；
• 4. RNA能够逆转录成DNA；
• 5. RNA翻译成蛋白质。
• 1939年，生物学家 Conrad Hal Waddington首先在《现代遗传学导论》
微小RNA(microRNA ,miRNA—单链)。
• RNA干扰（RNAi）：是通过小RNA分子在mRNA水平上介导mRNA 的降解诱导特异性序列基因沉默的过程。
• 诱导染色质结构的改变,决定着细胞的分化命运,还对 外源的核酸序列有降解作用以保护本身的基因组。
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2.长链非编码RNA (long noncoding RNA, lncRNA)
DXPas34 长度超过200bp；
DNA甲基化状态的保
持
11
• （一）DNMTs(DNA methyltransferases)
DNA甲基转移酶 结构特点：
-NH2末端调节结构域，介导胞核定位，调节与其他蛋白相互 作用。DNMT2无。
-COOH末端催化结构域，参与DNA甲基转移反应。 • 1.DNMT1
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• 三、其他表观遗传过程
• （一）非编码RNA的表观遗传学
• 非编码RNA（non-protein-coding RNA,ncRNA)
• tRNA,rRNA;短链非编码RNA,长链非编码RNA。
• 短链RNA(又称小RNA)，小干涉RNA(short interfering RNA ,siRNA—双链) 和
S-腺苷甲硫氨酸: S-adenosylmethionine,SAM S-腺苷同型半胱氨酸:S-adenosylhomocysteine，SAH
表观遗传学
表观遗传学
❖ 经典遗传学以研究基因序列影响生物学功能为核心相比， ❖ 表观遗传学主要研究这些“表观遗传现象”的建立和维持
的机制。
多少年来，基因一直被认为是生物有机体一代代相传的一个 并且仅有的一个遗传载体。越来越多的生物学家发现了一 个被称为表观遗传的现象------生物有机体后天获得的非遗 传变异有时可以被遗传下去。有详细记录的100个关于代 间表观遗传的例子，提示非基因遗传要比科学家们以前想 象的多得多。
其他例子 Rats whose agouti gene is unmethylated (i.e., expressed) have a yellow-ish coat color and are
高中生物表观遗传学教案
高中生物表观遗传学教案
一、教学目标：
1. 了解表观遗传学的基本概念和原理；
2. 掌握表观遗传学的研究方法和技术；
3. 理解表观遗传学在生物进化和疾病发生中的作用；
4. 能够分析和讨论表观遗传学的研究进展和意义。
二、教学内容：
1. 表观遗传学的基本概念和发展历史；
2. 表观遗传学的研究对象和方法；
3. 表观遗传学在生物进化和疾病发生中的作用；
4. 表观遗传学的研究进展和应用前景。
三、教学过程：
1. 导入：介绍表观遗传学的概念和相关背景知识；
2. 探究：学生分组讨论表观遗传学的研究对象和方法；
3. 实验：进行表观遗传学实验操作，观察实验结果；
4. 总结：归纳表观遗传学在生物进化和疾病发生中的作用；
5. 展示：学生展示表观遗传学的研究进展和应用前景。
四、教学资源：
1. 课本资料和教学PPT；
2. 实验器材和材料；
3. 同学们的讨论和展示成果。
五、教学评价：
1. 定期考核学生对表观遗传学的理解和掌握程度；
2. 鼓励学生参与表观遗传学领域的研究和探索；
3. 肯定学生在课堂讨论和展示中展示的知识和能力。
六、教学反思：
1. 及时调整教学内容和方法，以适应学生的学习需求；
2. 鼓励学生独立思考和创新，培养其探索表观遗传学领域的兴趣和能力；
3. 保持对表观遗传学领域研究进展的关注，及时更新教学内容。
表 观 遗 传 学
样本进行分析，可以开发历史上贮备的大量病理学资源。
组蛋白修饰
染色质蛋白并非只是一种包装蛋白，而是在DNA和细胞其他 组分之间构筑了一个动态的功能界面。
对植物研究发现miRNA 可诱导PHB基因甲基 化及染色质重塑。
DNA甲基化的生物学意义
调控基因表达, 在胚胎发育、细胞生长分化，衰老， 疾病等方面发挥重要作用。
维持染色体结构 X染色体失活 基因印记 肿瘤发生发展
DNA甲基化的检测方法
1.甲基化敏感的限制性内切酶法 2.基于重亚硫酸氢盐修饰的方法 3.基于甲基化DNA特异结合富集方法
相反，HDAC可移去乙酰基使组蛋白去乙酰化，稳定核 小体结构，诱导核小体聚集，形成更高级的染色体结构， 并抑制基本转录复合体组装，从而抑制转录。
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)
MeCP2
Model for methylation-dependent gene silencing. The structural element of chromatin is the nucleosomal core, which consists of a 146-bp DNA sequence
5
4 SAM
DNMT
dCMP (~C~)
高中生物学中的表观遗传学
高中生物学中的表观遗传学1900 年，孟德尔规律的再发现诞生了经典遗传学，其影响之广泛、传播之迅速不亚于进化学说的提出。
此后10年，大量遗传学数据相继发表，孟德尔的拥趸者与反对者各执其词。
结束上述争论的是摩尔根及其同事的果蝇杂交实验，随后，染色体遗传学说的提出标志着经典遗传学的兴起。
20世纪60年代，随着对基因本质的阐明和中心法则的扩充和完善，“基因如何控制性状”这一核心问题仿佛已然被解决。
然而，近年来越来越多的证据表明，除去基因（碱基排序）之外，还存在一系列复杂和精细的调控机制，共同决定着性状的形成。
科学家将后者称为表观遗传学（Epigenetics），区别于以基因为核心的经典遗传学。
21世纪的表观遗传学崭新且富有活力，已经成为遗传学领域中不可或缺的组成。
为了紧跟科学前沿，2019年版人教版《必修2·遗传与进化》中增加了表观遗传概念，旨在帮助学生更深入地理解基因表达与性状的关系。
那么，在高中生物教学过程中，教师如何在学生所熟悉的（经典遗传）概念体系中引入新的表观遗传概念呢？对于前者而言，后者是挑战还是完善呢？在讨论上述问题之前，先来看教科书中提供的两个“令人困惑”的遗传现象。
1 小鼠毛色杂交实验教材案例1：纯合黄色小鼠（AvyAvy）与纯合黑色小鼠（aa）杂交，F1代没有表现出黄色，反而呈现出介于黄、黑色的一系列过渡类型。
不难想象，上述现象曾给遗传学家们带来过怎样的困扰。
自然界中类似的现象比比皆是，就连摩尔根都曾因为小鼠体色的遗传问题对孟德尔规律产生过怀疑。
遗传学家们将这种F1代“融合”了双亲性状的现象统称为“不完全显性”。
在表观遗传概念建立之前，人们无法解释上述现象的内在机制。
1999年，Emma Whitelaw等通过对上述案例的分析，终于揭开了表观遗传机制的冰山一角。
此前，科学家们已经知道小鼠毛色的深浅主要由Avy基因所决定。
当Avy基因正常表达时，小鼠毛色呈现黄色，反之则为黑色。
医学遗传学课件：表观遗传学
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lncRNA
Long noncoding RNAs (lncRNAs) are an important class of pervasive genes involved in a variety of biological functions.
LncRNAs are roughly classified based on their position relative to protein-coding genes:
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医学遗传学
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Epigenetics的中译名问题
➢ Epigenetics 新创词，是由epigenesis和genetics缩 合而成。
➢ 希腊词前缀“epi-”在英文中有6种以上的解释
➢ 有的意为“besides”或“beyond”, 而另一些作者则“upon”、 “over” 或”“in addition to” 。
组蛋白密码（Histone Code）：
组蛋白在翻译后的修饰形式，包括乙酰化、 磷酸化、甲基化、泛素化等，构成了基因转录的动 态识别标志，为其他蛋白与DNA 的结合产生协同 或拮抗效应，调控基因的转录，这种组蛋白修饰的 形式，即～。
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医学遗传学
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The “Histone Code” hypothesis
Histone Proteins
enzymes
(core) H2A,H2B, H3 & H4
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Nucleosome
DNA
医学遗传学
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第一节 表观遗传学的分子机制
表观遗传 修饰机制
DNA甲基化
组蛋白修饰
（染色质重塑）
表观遗传学
表观遗传学一、教学内容本节课的教学内容选自人教版小学科学六年级下册第二章《遗传与变异》的第三节“表观遗传学”。
本节内容主要介绍表观遗传学的概念、特点和实例，让学生了解基因与性状之间的关系，以及环境因素对基因表达的影响。
二、教学目标1. 让学生了解表观遗传学的概念，知道基因与性状之间的关系不是一成不变的。
2. 培养学生运用科学知识解决实际问题的能力。
3. 培养学生对生物科学的兴趣和好奇心。
三、教学难点与重点重点：表观遗传学的概念、特点和实例。
难点：基因与性状之间的关系不是一成不变的，环境因素对基因表达的影响。
四、教具与学具准备教具：PPT、视频、图片等。
学具：笔记本、彩笔等。
五、教学过程1. 导入：通过展示一张图片，让学生观察并思考：为什么同卵双胞胎的性状会有所不同？引发学生对遗传与变异的思考。
2. 新课导入：介绍表观遗传学的概念，让学生理解基因与性状之间的关系不是一成不变的。
3. 实例讲解：通过展示视频和图片，介绍环境因素对基因表达的影响，如温度对生物体性状的影响。
4. 随堂练习：让学生举例说明环境因素对性状的影响。
5. 小组讨论：让学生探讨表观遗传学在生产生活中的应用，如如何通过改变环境因素来改善性状。
六、板书设计表观遗传学1. 概念：基因与性状之间的关系不是一成不变的。
2. 特点：环境因素对基因表达的影响。
3. 实例：温度对生物体性状的影响。
七、作业设计1. 作业题目：请结合生活实际，举例说明环境因素对性状的影响。
2. 答案：例如：在寒冷的环境中，同卵双胞胎的体型可能会有所不同，因为环境因素影响了基因的表达。
八、课后反思及拓展延伸1. 课后反思：本节课通过图片、视频等教具，让学生直观地了解了表观遗传学的概念和特点，通过实例讲解和小组讨论，使学生掌握了环境因素对基因表达的影响。
教学过程中，学生积极参与，课堂气氛活跃。
但在讲解实例时，可以更加深入地探讨环境因素对性状的影响，以提高学生的理解能力。
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4. 非编码RNA调控(ncRNA)
功 能 性 非 编 码 RNA 在 表 观 遗 传 修 饰 中 发 挥极其重要的作用。ncRNA按照大小可分为两 类：长链非编码RNA和短链非编码RNA。
长链非编码RNA在基因簇乃至于整个染色 体水平上发挥顺式调节作用，短链RNA在基因 组水平对基因的表达进行调控。
3. 染色质重塑(remodeling)
染色质重塑是指染色质位置、结构的 变化，主要包括紧缩的染色质在核小体连 接处发生松动造成染色质的解压缩，从而 暴露了基因转录启动子区中的顺式作用元 件，为反式作用因子的结合提供了可能。
染色质重塑与基因转录
动态的染色质重塑过程是大多数以DNA为模 板的生物学过程的基础，如基因的转录、DNA的 复制与修复等等，而这些生物学过程的混乱都与 疾病的发生、发展直接相关，因此染色质重塑不 仅能够调节基因的转录，同时还参与了与疾病发 生密切相关的那些基础细胞生理过程。但是不同 的染色质重塑能够导致不同的疾病，又提示我们 这些生理过程并不是独立的起作用。
➢ 去甲基化(demethylation)→沉默基因的重 新激活（reactivation）
DNA高甲基化：基因启动子区的CpG岛在 正常状态下一般是非甲基化的，当发生甲 基化时，基因转录沉寂，使一些重要基因 如抑癌基因、DNA修复基因等丧失功能， 从而导致正常细胞的生长分化调控失常以 及DNA损伤不能被及时修复，这与多种肿 瘤形成密切相关。
胞嘧啶甲基化反应
CH3 CH3
CH3
DNA 复制酶
CH3
Байду номын сангаас
CH3
DNA甲基 转移酶
CH3 CH3
CH3
DNA复制后甲基化型的维持
CpG岛（CpG island）
甲基化抑制基因的表达
➢ DNA甲基化→基因沉默(gene silence)
➢ 非 甲 基 化 (non-methylation) → 基 因 活 化 (gene activation)
组蛋白甲基化：
组蛋白甲基化多发生于组蛋白H3、H4的赖氨 酸和精氨酸残基上，由特异的组蛋白赖氨酸甲基 转移酶(histone methyltransferase, HMT)催化 完成，也是一个可调控的动态修饰过程。而组蛋 白 的 去 甲 基 化 是 由 赖 氨 酸 去 甲 基 酶 (lysinespecific demethylase 1, LSD1)催化完成。
② 短链非编码RNA
短 链 非 编 码 RNA( 又
称 小 RNA) 能 够 介 导
mRNA的降解，诱导染色
质结构的改变，决定着细
胞的分化命运，还对外源
的核酸序列有降解作用以
保护本身的基因组。
短链非编码RNA的表达与功能
A. RNA干扰(RNA Interference, RNAi)
真 核 生 物 mRNA 编 码 区 同 源 的 外 源 双 链 RNA(Double Strand RNA, dsRNA)能特异地诱 导其同源mRNA的降解，导致相应基因的沉默， 这一现象被称为RNA干扰，RNAi依赖于小干扰 RNA(Small Interference RNA, siRNA)与靶序列 之间严格的碱基配对，具有很强的特异性。
DNA低甲基化：整个基因组普遍低甲基 化，这种广泛的低甲基化会造成基因的不 稳定，这与多种肿瘤的发生有关。 DNA的低甲基化也可能在异常组蛋白修 饰的协同下引起某些T细胞基因的异常活 化、导致自身免疫性疾病的发生。
2. 组蛋白修饰
DNA以染色质的形式存在，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。
第十三章 表观遗传学
第一节 概 述
基因的表达
相同的基因型
不同的表型
表观遗传学(epigenetic)：
DNA的序列不发生变化、基因表达改变、并且这 种改变可稳定遗传。
表观遗传学研究的内容：
1. 基因选择性转录、表达的调控。 2. 基因转录后调控。
表观遗传修饰从多个水平上调控基因表达：
1. DNA水平：DNA甲基化 2. 蛋白质水平：组蛋白修饰 3. 染色质水平：染色质重塑 4. RNA水平：miRNA、RNA干扰
① 长链非编码RNA
X染色体的失活就是长链ncRNA所介导的甲 基化和组蛋白修饰共同参与的一个复杂的过程。x 染色体上的失活基因编码出相应RNA，这些RNA 包裹在x染色体上，达到某一水平后，在甲基化和 组蛋白修饰的参与下共同导致并维持x染色体的失 活。
此外长链ncRNA常在基因组中建立单等位基 因表达模式，在核糖核蛋白复合物中充当催化中 心，对染色质结构的改变发挥着重要的作用。
表观遗传学的研究意义： 1. 表观遗传学补充了“中心法则”所忽略的两个问题，即
哪些因素决定了基因的正常转录和翻译以及核酸并不是 存储遗传信息的唯一载体。 2. 表观遗传信息可以通过控制基因的表达时间、空间和方 式来调控各种生理反应。所以许多用DNA序列不能解释 的现象都能够找到答案。 3. 与DNA序列的改变不同，许多表观遗传的改变是可逆的 ，这使表观遗传疾病的治愈成为可能。
组蛋白的其他修饰：
组蛋白泛素化由E1、E2、E3级联酶催化修饰， 也是一个可逆的动力学过程。
所有组蛋白的组分均能磷酸化。
组蛋白的各种修饰不是相互独立的，而是互相 联系的，例如H3-Serl0的磷酸化可以促进H3-K14乙 酰化，而H3-K9的甲基化则会阻止H3-Serl0的磷酸 化。
•染色质重塑
组蛋白的N-末端可通过共价作用从而发生 乙酰化、甲基化、泛素化以及磷酸化等翻译后 的修饰，这些修饰的信息构成了丰富的组蛋白 密码，其中乙酰化和甲基化是最为重要的修饰 方式。
组蛋白的不同修饰
组蛋白乙酰化：
组蛋白乙酰化是由组蛋白 乙酰基转移酶(HAT)和组蛋 白去乙酰基酶(HDAC)协调 催化完成，修饰的部位一 般 位 于 N- 末 端 保 守 的 赖 氨 酸残基上。组蛋白乙酰化 是一个可逆的动力学过程， 可以调节基因的转录。
第二节 表观遗传修饰
1. DNA甲基化(DNA methylation)
DNA甲基化是目前研究得最清楚、也是最重 要的表观遗传修饰形式。通过甲基供体——S-腺 苷 甲 硫 氨 酸 ， 并 在 DNA 甲 基 转 移 酶 (DNA methyltransferase ， DNMT) 的 催 化 下 ， CpG 二 核苷酸中的胞嘧啶环上5’位置的氢被活性甲基所 取代，从而转变成5-甲基胞嘧啶(5-mC) 。