表观遗传与疾病-表观遗传,细胞重塑与基因的转录调控
基因调控与表观遗传
基因调控与表观遗传基因调控是指一系列的细胞过程，从而决定了一个生物体内的基因在何时、何地以及何种程度上表达。
表观遗传是指基因表达过程中，受到非编码RNA、DNA甲基化、组蛋白修饰等多种表观遗传标记的调控。
这些标记可以影响基因的可及性，从而调控基因的表达水平。
在本文中，我们将深入探讨基因调控与表观遗传之间的关系以及这一领域的最新研究进展。
一、基因调控的机制基因调控的机制非常复杂，涉及到转录因子、启动子区域、增强子、DNA甲基化、组蛋白修饰等多个方面。
转录因子是一类能够结合到DNA上的蛋白质，它们能够激活或抑制基因的转录。
启动子区域是基因的起始点，转录因子结合到这一区域可以启动基因的转录过程。
增强子是远离基因区域的片段，与某些转录因子结合后，可以增强基因的转录水平。
除了转录因子和启动子区域的调控，表观遗传的调控机制也扮演着重要的角色。
DNA甲基化是指DNA上的甲基化修饰。
DNA甲基化可以通过化学修饰影响染色质的结构，从而静默或激活某些基因。
组蛋白修饰是指组蛋白上的化学修饰，例如乙酰化、甲基化等。
不同的组蛋白修饰模式可以调控染色质的结构和可及性，最终影响基因的表达。
二、表观遗传的重要性表观遗传起着基因调控的重要作用。
在细胞发育过程中，表观遗传调控参与了多个阶段。
例如，在胚胎发育过程中，表观遗传调控是细胞分化的一个关键步骤。
一些转录因子和表观遗传标记在胚胎发育过程中的不同阶段发挥不同的作用，从而保证了不同类型的细胞可以分化出来。
此外，表观遗传的变化也与疾病的发生和发展密切相关。
一些疾病的发生与表观遗传调控的异常有关。
例如，癌症细胞中往往存在DNA 甲基化和组蛋白修饰的异常，这些异常可以导致某些抑癌基因的失活和癌基因的活化。
因此，研究表观遗传的变化对于疾病的预防和治疗具有重要意义。
三、最新研究进展目前，越来越多的研究瞄准基因调控与表观遗传之间的关系，并取得了一系列有意义的突破。
例如，研究人员发现了一些新的转录因子和增强子，这些发现有助于我们更好地理解基因调控的机制。
细胞的转录与转录调控
细胞的转录与转录调控转录是生物体中基因表达的重要过程之一。
通过转录过程，DNA 序列将被转录成RNA分子，从而实现基因信息的转换和传递。
转录调控作为机体对基因表达的精细调节机制，不仅控制着细胞内各种生物过程的进行，还决定了细胞发育、分化以及应对环境变化的能力。
本文将从细胞的转录机制以及转录调控的重要性两个方面进行探讨。
一、细胞的转录机制细胞的转录是指在DNA模板的指导下，通过RNA聚合酶酶的催化作用，将DNA主链上的一段编码或非编码的基因序列转录成RNA分子的过程。
具体而言，转录的主要过程可分为如下几个步骤：1. 酶的结合：RNA聚合酶通过特异性与DNA结合，形成RNA聚合酶-DNA复合物。
这种结合形式通常是依赖于酶与DNA特定的序列结合而发生的。
2. 脱氧核苷酸的加入：RNA聚合酶将脱氧核苷酸（dNTP）与DNA 携带的模板链上的核苷酸进行互补配对，并将其加入到新合成的RNA 链中。
3. 转录起始：在DNA的启动子区域，RNA聚合酶会寻找具有特殊序列的基因，以确定转录起始点。
4. 转录终止：当RNA聚合酶通过识别特定的转录终止信号而停止在DNA上的移动时，转录过程达到终止点，生成的RNA链被释放。
通过上述步骤，细胞内的DNA信息得以转录成为RNA分子。
这些RNA分子代表着细胞中特定基因的表达水平，可进一步在蛋白质合成过程中发挥重要的作用。
二、转录调控的重要性转录调控是细胞内对基因转录过程进行精细调控的重要机制。
转录调控的主要目的是在不同发育阶段、组织和环境条件下，使细胞能够选择性地激活或抑制特定基因的转录，从而实现细胞功能和特性的调节。
以下是转录调控的几个重要类型：1. 转录因子：转录因子是一类能够结合到DNA上的蛋白质，可以促进或阻止RNA聚合酶与转录起始复合物的形成，从而调控基因的转录。
转录因子在转录调控中起到关键作用，可以通过结合启动子区域和共激活蛋白相互作用，激活或阻止转录的进行。
2. 表观遗传调控：表观遗传调控是指通过对DNA和组蛋白修饰状态的改变，来调节基因的转录过程。
表观遗传与疾病-表观遗传,细胞重塑与基因的转录调控
MCF7 MDA-231
组蛋白修饰和组蛋白密码(histone code)
乙酰化：histone acetyltransferases (HATs) Human proteins that possess HAT catalytic activity include: CREBBP, CDY1 , CDY2, CDYL1, CLOCK ELP3 , EP300 HAT1 KAT2A, KAT2B, KAT5 MYST1, MYST2, MYST3, MYST4 NCOA1, NCOA3, NCOAT TF3C4
twins that one can
develop a disease while
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
the other is fine
When this situation
occurs, researchers will
try to pinpoint the
environmental factors that
are responsible for the
4. Prions Note: DNA 甲基化和组蛋白修饰是可逆的，与上面相对应的逆过程分别 是： 去甲基化，去乙酰话，去磷酸化。。。。。
表观遗传的主要研究内容
1. DNA 甲基化对基因表达的影响 （正常发育和病变） 2. 组蛋白的修饰对基因表达的影响 3. X染色体的失活 4. 基因印记（gene imprinting) 5. 细胞的重编程－多能干细胞的诱导和分化
Identical Twins are
基因表达调控和表观遗传学
基因表达调控和表观遗传学基因是控制生物体发育、生长和功能的最基础的遗传单元。
但是，基因并不是静态地存在于细胞核中，而是被调控着表达，并实现每个细胞和整个生命体系的功能。
基因表达调控是指在基因转录和翻译的过程中，通过转录因子、核糖体等多种分子机制从外部环境和内源性信号中完成对基因表达的精确调节，以确保基因的正常表达，维持生命活动的平衡。
而表观遗传学，则是通过修饰染色体结构和DNA 本身的化学改变，来影响基因表达以及后代细胞和个体的遗传特征。
基因表达调控的分类基因表达调控有两种基本的模式：正向调控和负向调控。
正向调控是指蛋白质转录因子与DNA结合后，启动基因的转录和翻译过程，使其表达和合成；而负向调控则是指结合蛋白质转录抑制因子与DNA，阻止基因转录和翻译的进行。
这两种模式的调控因素可以是外源性信号、内源性因素、细胞周期等多种生物因素。
基因表达调控的分子机制基因表达调控的分子机制主要是通过转录因子、启动子、剪切体等多种分子复合物的结合和相互作用，来实现对基因表达的正常和精确调节。
在转录因子的调节下，基因启动子可被开放，RNA聚合酶能正常转录DNA，逐步形成RNA链，而后在核质中进行翻译，启动运行细胞分子的生产和代谢活动。
同时，剪切体的作用则能够取决于RNA的修饰方式，以及RNA的分子结构，进行后续的转译调控。
表观遗传学的种类表观遗传学是指不涉及DNA序列本身改变的基因遗传学领域，而是指基于DNA核苷酸和蛋白质之间的化学修饰，从而影响基因表达和功能。
表观遗传学的种类主要包括甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、转录后修饰等。
甲基化是指DNA和某些蛋白质上添加甲基基团，从而影响基因或染色体结构可达到调控目的。
组蛋白修饰则是指调节或重塑染色体之间的相互作用，从影响基因包装和通路的方式来实现基因表达的控制。
而染色质重塑通过染色质突变、显微操作、某些细胞周期等手段，对染色质结构进行重塑，以更好地实现对基因的调控和功能调整。
表观遗传学在疾病预防和治疗中的应用
表观遗传学在疾病预防和治疗中的应用随着生命科学和医学的快速发展，人们对人类基因组各个方面的研究也日益深入，表观遗传学就是其中一个相对新兴的研究领域，它关注的是基因外的遗传信息，包括DNA甲基化、组蛋白修饰以及非编码RNA等一系列信息。
近年来，越来越多的研究表明，表观遗传变化会对疾病的发生、发展和预后产生重要影响，因此，表观遗传学在疾病预防和治疗中也逐渐成为研究热点。
表观遗传学研究的不同方面与疾病的关系1. DNA甲基化与疾病的关系DNA甲基化是表观遗传学的一个重要方面，它是指通过在DNA分子上添加甲基基团而改变基因表达模式的过程。
研究表明，DNA甲基化与多种疾病密切相关。
例如，在癌症的发生和发展过程中，DNA甲基化在细胞增殖、转录调控和基因突变等方面起着重要作用。
在糖尿病等代谢性疾病中，DNA甲基化也与疾病发生有关，如著名的Pdx-1基因的甲基化改变与二型糖尿病有关。
此外，不良的生活方式如饮食和环境因素也可影响DNA甲基化水平，从而导致疾病的发生。
2. 组蛋白修饰与疾病的关系组蛋白是一种存在于染色质中的蛋白质，它可以通过被其他分子修饰，从而影响细胞基因表达水平。
研究表明，组蛋白修饰与肿瘤、心血管疾病、阿尔兹海默病等多种疾病相关。
组蛋白修饰类型的变化往往与基因的转录活性及染色质结构有关，进而影响基因的表达和功能。
因此，对组蛋白修饰的研究对于诊断和治疗多种疾病具有重要意义。
3. 非编码RNA与疾病的关系与编码蛋白的RNA不同，非编码RNA没有能力翻译为蛋白。
研究表明，非编码RNA在多种生物学过程中发挥着重要作用，并与多种疾病的发生有关。
例如，小分子RNA（miRNA）调控了基因表达，从而影响了心血管疾病、肿瘤和神经系统疾病等多种疾病的发生发展。
同样，长非编码RNA也与多种癌症的发生和发展有关，如乳腺癌和前列腺癌等。
由于表观遗传变化对疾病的发生发展和预后产生重要影响，因此，表观遗传学在疾病预防和治疗中也逐渐成为研究热点。
遗传调控和表观遗传学对基因表达的影响
遗传调控和表观遗传学对基因表达的影响基因是生命的基础单位，每个人的基因组中都包含数万个基因，这些基因控制着细胞功能和身体特征的表达。
然而，基因的表达并不是一成不变的，它会受到多种因素的调控，其中包括遗传调控和表观遗传学的影响。
本文将介绍遗传调控和表观遗传学对基因表达的影响，并讨论这些影响对细胞和个体的重要性。
一、遗传调控对基因表达的影响在细胞内，基因的表达通常受到调节因子的影响，这些调节因子可以是蛋白质、RNA或小分子化合物。
这些调节因子可以通过与基因组DNA相互作用，调节基因的转录和翻译过程，从而影响基因表达的水平。
这种基因表达的调控方式被称为遗传调控。
例如，转录因子是一种常见的遗传调控因子，它们可以识别和结合到DNA序列上的特定位点，并促进或抑制基因的转录。
这些转录因子可以通过改变DNA双链的空间结构，影响RNA聚合酶的结合和活性，从而调节基因的表达水平。
此外，催化酶和修饰酶等蛋白质也可以通过不同的机制，增强或抑制基因转录和翻译过程。
遗传调控对细胞发育、分化、代谢和功能等各个方面都有重要影响。
同时，基因调控的异常也会导致多种疾病的发生和发展，如癌症、遗传性疾病和自身免疫性疾病等。
因此，深入了解遗传调控对基因表达的调控机制，对精准医疗和疾病治疗等方面都具有重要意义。
二、表观遗传学对基因表达的影响表观遗传学是一种非编码DNA序列上的遗传信息调控机制，它是遗传调控的一种重要形式。
表观遗传学包括DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA等多种调控机制，其主要作用是改变染色质结构和DNA的可用性，从而影响基因的表达。
DNA甲基化是表观遗传学中最常见的一种调控方式，它是指通过甲基基团的加入，改变DNA分子上的化学结构。
DNA甲基化通常会导致DNA双链紧密地缠绕在组蛋白核小体上，从而使基因变得不易被访问和转录。
组蛋白修饰也是一种常见的表观遗传学调控机制，它通过化学修饰和改变组蛋白的结构，使得DNA上的基因表达受到影响。
表观遗传、基因与基因组学
第十三章表观遗传学第一节概述相同的基因型不同的表型一．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。
二．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。
(表观遗传通常被定义为DNA的序列不发生变化但是基因表达却发生了可遗传的改变，也就是说基因型未变化而表型却发生了改变，这种变化是细胞内除了遗传信息以外的其他可遗传物质的改变，并且这种改变在发育和细胞增殖的过程中能稳定的传递下去。
表观遗传学研究内容具体来说主要包括DNA甲基化表观遗传、染色质表观遗传、表观遗传基因表达调控、表观遗传基因沉默、细菌的限制性基因修饰等。
从更加广泛的意义上来说，DNA甲基化、组蛋白甲基化和乙酰化、基因沉默、基因组印记、染色质重塑、RNA剪接、RNA编辑、RNA干扰、x染色体失活等等都可以归入表观遗传学的范畴，而其中任何一个过程的异常都将影响基因结构以及基因表达，导致某些复杂综合症、多因素疾病或癌症。
) 三．表观遗传修饰从多个水平上调控基因表达：1.RNA水平：非编码RNA可通过某些机制实现对基因转录以及转录后的调控，例如microRNA、RNA干扰等2.蛋白质水平：通过对蛋白质的修饰或改变其构象实现对基因表达的调控，例如组蛋白修饰3.染色质水平：通过染色质位置、结构的变化实现对基因表达的调控，例如染色质重塑以上几个水平之间相互关联，任何一方面的异常都将影响染色质结构和基因表达。
四．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。
第二节表观遗传修饰一.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。
遗传物质的表观遗传与细胞分化调控
遗传物质的表观遗传与细胞分化调控在生物学领域中，表观遗传和细胞分化调控是两个重要的概念。
表观遗传指的是在基因组DNA序列不发生改变的情况下，通过DNA和蛋白质的化学修饰以及染色质结构的调控来影响基因的表达。
而细胞分化调控则是指细胞在发育过程中逐渐分化为不同类型细胞的过程。
本文将探讨遗传物质的表观遗传对细胞分化调控的重要性以及相关的调控机制。
一、表观遗传的基本概念表观遗传是指在细胞分化和发育过程中，通过影响染色质的状态以及基因的表达来传递给后代的遗传信息。
在表观遗传中，最常见的修饰方式包括DNA甲基化、组蛋白修饰以及非编码RNA的参与等。
这些修饰可以影响基因座的可及性，从而决定细胞是否表达某个基因。
二、DNA甲基化与表观遗传DNA甲基化是表观遗传中最重要也是最常见的一种修饰方式。
它通过将甲基基团添加到DNA分子上的胞嘧啶环上来实现对基因的调控。
DNA甲基化可以抑制转录因子的结合，进而影响基因的表达。
在细胞分化过程中，不同类型的细胞会表现出不同的DNA甲基化模式，从而决定其细胞特化的方向。
三、组蛋白修饰与表观遗传组蛋白修饰是通过对组蛋白的特定位点进行化学修饰来调控基因的表达。
常见的组蛋白修饰方式包括乙酰化、甲基化、磷酸化等。
这些修饰可以改变染色质的结构，使得基因转录因子能够更容易地与DNA结合，从而促进或抑制基因的表达。
细胞分化过程中，不同类型的细胞会表现出特定的组蛋白修饰模式，从而决定其细胞命运的确定。
四、非编码RNA与表观遗传非编码RNA（non-coding RNA）是指不能编码蛋白质的RNA分子。
研究发现，非编码RNA在表观遗传中扮演着重要的角色。
例如，miRNA是一类短小的非编码RNA分子，它们可以与靶基因的mRNA结合并诱导其降解或抑制翻译过程，从而调控基因的表达。
miRNA的表达模式在细胞分化过程中也会发生变化，从而对细胞的特化发挥着重要作用。
五、表观遗传与细胞分化调控的关系表观遗传在细胞分化调控中发挥着重要的作用。
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这一术语最早是 C. H. Waddington 在1939 首次提出的。 Rubin Holiday在1975 进一步完善了表观遗传的内容。 1996年, Herman JG 和Baylin SB首次检测到了抑癌基 因启动子ＤＮＡ被甲基化。标志着表观遗传从描述进入 了实验，从宏观进入了分子时代。
表观遗传,细胞重塑与基因的转录调控
1. 什么是表观遗传？ 2.表观遗传是研究什么的？ 3.表观遗传和传统的遗传是什么关系？ 4. 基因表达的转录调控
表观遗传的定义
Epigenetics is referred to heritable traits (over rounds of cell division and sometimes transgenerationally) that do not involve changes to the underlying DNA sequence.
胎教的理论依据
人类基因组计划（１９９０－２０００）
这是一项宏伟的计划，对生物学的研究具有划时 代的意义。也充满了期待，认为将对很多人类疾 病做出最终的解释和提供治疗线索。
结果是充满了惊奇和困惑：只有大约 2,2000基因 （在变化中）, 编码区域仅 占整个基因组的2%。
那98%（主要是高度重复序列和一些非 编码ＲＮＡ）的作用是什么？ 2,2000个基因(和老鼠的基因数量差不多） 却能编码一个人？
新老问题的困惑
新问题
近年来，各大疾病例如癌症，糖尿病等都成上升趋势，为什么？ 营养（地沟油，三聚氰胺，各种添加剂，化肥农药的不当等），环境污 染等外界因素
老问题
易感人群：家族性遗传缺陷携带者患病的几率不同，病征也有所不同
Ｘ染色体的失活
一些综合症在DNA 序列上找不到证据和解释
同卵双胞胎的表型差异
Identical twins are from the same zygote, so they begin life with the same genetic tion, including epigenetic tags
4. Prions Note: DNA 甲基化和组蛋白修饰是可逆的，与上面相对应的逆过程分别 是： 去甲基化，去乙酰话，去磷酸化。。。。。
表观遗传的主要研究内容
1. DNA 甲基化对基因表达的影响 （正常发育和病变） 2. 组蛋白的修饰对基因表达的影响 3. X染色体的失活 4. 基因印记（gene imprinting) 5. 细胞的重编程－多能干细胞的诱导和分化
孟德尔的豌豆
孟德尔
DNA 是遗传物质 基因是遗传的基本单位 基因决定形状
中心法则
达尔文完胜拉马克
现代遗传学的建立奠定了达尔文的现代生物学之父的地位. 获得性可遗传的假说被送进了“shadow”（在前苏联例外）
表观遗传扩大化的后果：李森科
为什么表观遗传现在受到 如此地关注了呢？
获得性可以遗传
Genetic tags are passed down through generations
Stress hormones also travel from the mother to a fetus to affect the epigenome
Stress, social interactions, physical activity, exposure to toxins and diet are major factors that affect the epigenome
表观遗传的形式：
1. DNA 甲基化（methylation)
2. 组蛋白的修饰 (Histone modifications) ，最常见的修饰是乙酰化， 甲基化，磷酸化。Histone code
3. 非编码RNAs。目前研究最多是microRNA, long non-coding RNA, circular RNA
Cell Metab. 2016 Feb 16. Paternal Psychological Stress Reprograms Hepatic Gluconeogenesis in Offspring.
Environmental Factors
The nutrition of the mother can affect the epigenome of a fetus
Identical Twins are
different
The difference in the twins’ epigenomes is what
获得性可以遗传－－拉马克与达尔文之争
拉马克学说：用进废退和获得性可遗传。 例如：长颈鹿 的脖子长是因为祖祖辈辈伸长脖子够树叶吃 导致的。该学说暗示了表观遗传对性状的决 定作用
达尔文学说：自然选择，适者生存。长颈鹿的脖子长是因 为短脖子的都饿死了。 该学说暗示了基因 决定性状。
现代遗传学
摩尔根的果蝇
When the zygote is formed many epigenetic tags are removed from the chromosomes of the parents, but some remain
Studies in the field of epigenetics shows that parent’s experiences are passed on to offspring through epigenetic tags
While infants they experience the same or very similar environments, so there is little variation in the epigenome
Over time the twins’ environments will diverge, resulting in individual epigenetic tags to form for each twin