表观遗传学机制总结——DNA甲基化
表观遗传调控的生物学机制
表观遗传调控的生物学机制随着分子生物学和基因技术的不断发展，越来越多的生物学家开始重视表观遗传调控这一领域的研究。
表观遗传调控是指不依赖于基因序列改变的遗传调控机制。
这种调控机制可以影响基因表达、细胞分化和发育等生物过程，对于维持生物体正常发育和生理功能具有重要作用。
本文将就表观遗传调控的生物学机制做详细介绍。
一、 DNA 甲基化DNA 甲基化是一种广泛存在于真核生物中的表观遗传调控机制。
它是通过在 DNA 分子上引入甲基基团来改变 DNA 的结构和功能。
甲基化主要发生在 CpG 位点上，即 DNA 分子中 Cytosine 与 Guanine 的连接点。
在哺乳动物中，DNA 甲基化主要由 DNA 甲基转移酶 (DNMT) 完成。
DNA 甲基化在肿瘤、发育和干细胞分化等生物过程中具有重要作用。
二、染色质修饰染色质修饰是指通过化学修饰改变染色质的生物学性质。
染色质修饰包括histone 乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化等调控机制。
具体来说，当组蛋白受到乙酰化、磷酸化等修饰后，可以影响基因的三维结构，进而影响染色质上基因转录的可及性、基因表达的水平和方式、DNA 复制和修复等过程。
染色质修饰也是一种重要的表观遗传调控机制。
三、非编码 RNA 的调控机制非编码 RNA ( non-coding RNA，ncRNA) 包括各式各样的 RNA，如小 RNA、长链RNA、小核 RNA 等。
这些 RNA 并不编码蛋白质，但具有在基因表达调控、基因剪接、转录后加工和形态建成等方面的重要作用。
其中，小 RNA 又可分为 microRNA (miRNA)、short interfering RNA (siRNA) 和 piwi-RNA (piRNA) 等。
这些 RNA 通过基因表达、蛋白质转化等过程影响细胞和个体的基因表达和功能。
四、 DNA 序列的调控机制DNA 序列不仅包含基因编码的序列，还包括一些转录调控元件 (transcriptional regulatory element, TRE)。
DNA甲基化与表观遗传学
DNA甲基化与表观遗传学DNA甲基化是一种常见的表观遗传学调控方式, 通过甲基转移酶将甲基基团附加在DNA分子上, 影响DNA的解旋、螺旋结构和染色质构象, 进而调控基因表达。
DNA甲基化的作用和机制已经成为生命科学领域的研究热点, 在疾病和进化等方面的研究中发挥了至关重要的作用。
DNA甲基化的机制DNA甲基化是指在DNA分子上通过甲基转移酶添加甲基基团(-CH3), 形成甲基化序列。
DNMTs(甲基转移酶)是DNA甲基化的主要调节酶, 成功完成DNA甲基化需要DNMT1、DNMT3a和DNMT3b共同作用。
DNMT1是维持DNA甲基化的酶, 负责在DNA复制时维持DNA甲基化模式的稳定性。
DNMT3a和DNMT3b则是帮助甲基化酶作用于新DNA链和异常DNA区域的酶。
DNA甲基化的机制可以分为两种: 一种是“原位甲基化”, 即将甲基基团直接添加到已经存在的甲基化位点上; 另一种是“de novo甲基化”, 即在没有甲基化序列的基础上发生的甲基化反应。
实际上, 含有CG（甲基化位点常常位于CpG二核苷酸）的DNA序列往往是很高的DNA甲基化程度, 其他一些转录活性高的DNA序列也容易捕获甲基化反应, 一旦该序列甲基化, 就容易进行“原位甲基化”反应。
DNA甲基化的作用DNA甲基化虽然可以调节基因表达, 但是它并不是唯一的表观遗传学调控方式。
DNA甲基化对基因表达的影响是通过改变DNA的结构和染色质构象, 影响DNA高阶结构的形成来进行的。
1.阻止转录因子结合DNA甲基化可以阻止某些转录因子的定位, 阻止它们与DNA结合, 进而影响基因表达。
转录因子是一类重要的调控分子, 通过与DNA结构特异互补而与之靶向性地结合。
但是, 含有甲基化序列的DNA往往会阻止转录因子结合, 减少转录复合物(Transcriptional Machinery)的进入, 从而减少或停止基因的表达。
这样做可以帮助基因调控过程不太复杂, 只需控制在基因表达过程中产生的甲基化位点的数量即可。
DNA甲基化与基因表达的关系
DNA甲基化与基因表达的关系DNA甲基化是一种常见的表观遗传学修饰，可以影响基因表达。
甲基化过程通常在细胞分化和胚胎发育期间发生，并且可以受到环境因素的影响。
因此，DNA甲基化被认为是决定细胞命运和功能的关键因素。
本文将探讨DNA甲基化与基因表达之间的关系。
DNA甲基化是什么？DNA甲基化是一种化学修饰，通过将甲基基团添加到DNA分子的氮碳链上来改变DNA序列。
这种化学反应由DNA甲基转移酶催化。
DNA甲基化通常发生在DNA双链脱氧核糖核酸的胞嘧啶（C）的3'位置，即丙酮酸和磷酸二酯链的第五个碳上。
一旦这种修饰发生，DNA就被称为甲基化DNA。
甲基化的DNA序列可以影响基因表达，并且在细胞分化和发育中起着重要作用。
DNA甲基化如何影响基因表达？DNA甲基化可以影响基因表达的多个方面。
首先， DNA甲基化可以在启动子区域和转录因子结合位点上引起DNA环境的改变，进而影响染色质结构。
这些结构改变可以放大或缩小基因表达的影响。
其次，DNA甲基化可以影响DNA与蛋白质之间的互作关系，进而影响染色质的结构和基因转录。
最后，DNA甲基化还可以影响miRNA，这些是可满足RNA分子，通过对 mRNA 的识别和特定结合来调节基因表达。
DNA甲基化与疾病的关系DNA甲基化与许多疾病之间有联系。
其中包括癌症、心血管疾病、糖尿病、肥胖症和各种神经系统疾病。
这些疾病的发生和发展通常与基因表达的改变有关。
最新研究表明，DNA甲基化的过程可能是这些疾病的一个关键机制。
除了疾病，DNA甲基化还与寿命有关。
许多调查都发现DNA 甲基化级别随年龄增加而增加。
这种现象表明，DNA甲基化可能是衰老和寿命限制的一个关键机制。
如何研究DNA甲基化目前，研究DNA甲基化的方法有很多。
其中包括Next-generation sequencing（下一代测序）、MeDIP-Seq、BS-seq和RRBS。
这些技术可以帮助科学家了解DNA甲基化在不同细胞、组织和物种中的分布情况，以及在疾病和发育中的作用。
基因调控的表观遗传机制
基因调控的表观遗传机制表观遗传学是研究基因调控的一项重要领域，它探讨了基因表达在细胞和个体发育过程中的调控机制。
表观遗传机制在细胞分化、组织发育以及疾病发生等方面扮演着重要的角色。
本文将介绍基因调控的表观遗传机制及其在生物学研究中的应用。
一、DNA甲基化DNA甲基化是一种常见的表观遗传调控机制，通过在DNA链上添加甲基化基团，改变基因的表达水平。
DNA甲基化主要发生在CpG二核苷酸位点上，可以抑制基因转录，影响基因的表达。
DNA甲基化在胚胎发育、细胞分化以及疾病发生中起着至关重要的作用。
二、组蛋白修饰组蛋白修饰是另一个重要的表观遗传调控机制，通过改变组织染色质的结构和稳定性，来调节基因的表达。
这些修饰包括乙酰化、甲基化、磷酸化等。
乙酰化通过添加乙酰基来松弛染色质结构，促进基因转录。
甲基化和磷酸化则有不同的影响，可以抑制或促进基因的表达。
组蛋白修饰在细胞命运决定中起着重要作用，对于细胞分化和组织发育至关重要。
三、非编码RNA的调控非编码RNA是一类不具有蛋白质编码功能的RNA分子，它们通过与DNA或其他RNA分子相互作用，参与基因调控。
这些非编码RNA包括小分子RNA、长非编码RNA等。
它们可以与DNA序列互补结合，靶向调节基因的转录和翻译。
非编码RNA的发现和研究对于揭示基因调控网络提供了重要线索。
四、染色质重塑染色质重塑是指通过改变染色质结构和空间组织来影响基因的表达。
染色质受到细胞核内的组织和环境的影响，通过复合体的形成调控染色质的结构和与转录因子的相互作用。
这种结构调控使得特定的基因区域可以更容易地被转录因子识别和结合，调节基因的转录水平。
表观遗传机制不仅在正常生物发育过程中起着关键的作用，也在疾病的发生和发展中扮演着重要角色。
例如，表观遗传变异在某些肿瘤的发生过程中起到了重要的作用。
对于揭示表观遗传机制的研究不仅有助于我们理解生物学的基本原理，还为疾病的防治提供了新的思路和目标。
总结起来，基因调控的表观遗传机制在生物学研究中具有重要意义。
DNA甲基化——表观遗传学的重要组成部分
DNA甲基化——表观遗传学的重要组成部分DNA甲基化是一种表观遗传学调控机制，通常指DNA分子上的甲基化修饰。
这种化学变化涉及DNA链上的甲基基团与Cytosine碱基的配对，对基因表达和细胞分化等生命过程具有重要作用。
DNA甲基化不仅在正常生长发育中发挥至关重要的作用，而且也涉及很多人类疾病的发展。
本文将介绍DNA甲基化的基本原理、分布方式、调控机制及其在疾病中的作用。
一、DNA甲基化的基本原理DNA是由4种不同的核苷酸构成的，其中包括Adenine、Thymine、Cytosine和Guanine。
DNA的甲基化通常发生在Cytosine碱基的C5位，即通过甲基基团与细胞内的S-Adenosyl Methionine（SAM）反应，形成5-甲基Cytosine（5mC）。
DNA甲基化是基因组合成和生物遗传变异的关键机制之一。
它可以调控基因的表达和细胞分化，与疾病的发展密切相关。
虽然越来越多的研究表明，DNA甲基化是一种可逆的表观遗传修饰，但它仍然是一种稳定的标记，可以被逐代遗传，影响基因表达和细胞分化。
二、DNA甲基化的分布方式DNA甲基化在不同种类和类型的细胞中存在和分布不同。
在人体内，DNA甲基化主要发生在GC富集区域，如基因启动子、繁殖起始点、转录因子结合区等。
这些区域往往影响到基因表达的调控，因此被视为关键的甲基化信号的地点。
另一方面，DNA甲基化还出现在基因体内部的非编码区域，如intron、intergenic regions、satellite DNA和telomeres。
虽然对它们的确切功能还有争议，但这些甲基化信号可能参与调控DNA复制、染色体结构和修复。
三、DNA甲基化的调控机制DNA甲基化是由DNA甲基转移酶（DNMTs）负责催化核苷酸中的甲基基团的加成。
DNMTs可以对一些具有特定序列和结构的DNA区域进行偏好性的甲基化修饰。
这些区域的一个重要特征是在基因表达和细胞分化中发挥着重要的作用。
DNA甲基化与表观遗传学
DNA甲基化与表观遗传学DNA甲基化是表观遗传学中重要的一环，它可影响基因的表达和细胞分化，从而对细胞功能起着重要的调节作用。
中生代以后，DNA甲基化逐渐演化成为一种重要的表观遗传修饰。
本文将从表观遗传学的角度介绍DNA甲基化的概念、机制和生理学意义。
一、DNA甲基化的概念DNA甲基化是一种将甲基基团（CH3）添加到DNA分子上的化学修饰。
这种修饰通常在胞嘧啶（C）基对旁边的鸟嘌呤（G）碱基上发生，形成CpG二联体。
CpG二联体是被高度甲基化的区域，通常称为DNA甲基化岛。
DNA甲基化的位点和甲基的加入方式是高度可变的，但是在哺乳动物的基因组中，占据了大约60%的CpG二联体都被甲基化。
二、DNA甲基化的机制DNA甲基化的机制是通过DNA甲基转移酶（DNMTs）完成的。
DNMTs可以将methyl donor S-adenosyl methionine（SAM）中的甲基转移给DNA核苷酸碱基中的胞嘧啶。
DNMTs通常分为三个类型：DNMT1、DNMT3A和DNMT3B。
DNMT1主要在DNA复制期间辅助维持DNA甲基化模式。
DNMT3A和DNMT3B则主要负责在胚胎发育过程中建立DNA甲基化模式。
正常的DNA甲基化模式对于细胞分化和稳态维护非常重要。
三、DNA甲基化与表观遗传学DNA甲基化是表观遗传学中最常见的一种形式。
表观遗传学（epigenetics）是指一系列改变遗传物质表现形式的现象，这种改变并不会直接影响基因的 DNA 序列，而是通过化学修饰、染色体组装和非编码RNA等多种机制间接地调节基因表达和细胞分化。
DNA甲基化通常被认为是一种稳定的表观遗传修饰，可以在细胞分裂和细胞分化过程中传递。
正在不断深入研究的表观遗传学可以进一步协调DNA甲基化和其他表观遗传调节，如乙酰化、脱乙酰化等。
四、DNA甲基化的生理学意义DNA甲基化在从胚胎发育到成年后的稳态维持过程中起着极其重要的作用。
随着年龄的增长，DNA甲基化图谱会生长和演化，引起基因表达的变化。
遗传表观遗传学及其机制的研究
遗传表观遗传学及其机制的研究随着科技的不断发展，对遗传学的研究也在不断地深入。
其中，遗传表观遗传学的研究逐渐成为了热点。
遗传表观遗传学是指指环境、药物和行为等外在因素对基因表达的调控，这种调控不像基因突变一样会改变DNA序列，而是影响DNA 上的化学改变或DNA的三维构象等，进而影响基因的表达。
在人类疾病的发病机制研究以及生物学体系研究方面，遗传表观遗传学日渐成为了研究热点。
一、遗传表观遗传学机制的研究1. DNA 甲基化DNA甲基化是指甲基转移酶催化下，将DNA上的腺嘌呤或胞嘧啶的甲基基团的加入。
当DNA甲基化在特定的DNA序列（例如启动子和增强子）中发生时，它会影响DNA上相应的基因转录，从而影响基因表达。
该机制在胚胎早期发育、X-连锁染色体失活、肿瘤发展等过程中都有着重要的作用。
2. 组蛋白修饰组蛋白修饰机制是指蛋白激酶、转移酶或去乙基化酶将各种化学基团添加到组蛋白上，从而改变基因表达模式。
此外，这种修饰还可以调节基因座的组合，形成开放或紧闭的染色质状态，进而影响基因表达。
3. 非编码 RNA随着RNA-seq技术的广泛应用，非编码RNA（ncRNA）在遗传表观遗传学中的作用越来越引起注意。
近年来的研究表明，ncRNA主要包括microRNA和长非编码RNA，它们可以通过抑制或激活mRNA的翻译与稳定来调节基因表达。
ncRNA还能够影响转录因子的活性，对基因表达起关键作用。
二、遗传表观遗传学在疾病中的作用1. 肿瘤发展许多肿瘤在肿瘤发展的过程中，都会出现DNA甲基化异常和组蛋白修饰不平衡等表观遗传学的变化。
这些变化可以影响肿瘤相关基因的表达，从而参与调节肿瘤的发生和发展。
2. 综合征在某些先天性疾病中，遗传表观遗传学的变化可以导致表观遗传学机制的错误配置。
例如，未克隆的人类代母细胞缺乏DNA甲基转移酶，导致每个X染色体都活性化，从而引起女性的恒性染色体X综合征。
3. 精神疾病最近的研究表明，遗传表观遗传学的变化在神经精神疾病的发生和发展中起着重要作用。
DNA甲基化与表观遗传学
DNA甲基化与表观遗传学DNA甲基化和表观遗传学是近年来备受研究者关注的热门领域，它们在生物体发育、细胞功能调控以及疾病发生等方面起到重要作用。
本文将从DNA甲基化的机制、表观遗传学的定义和功能以及两者之间的相互关系等几个方面进行论述。
一、DNA甲基化的机制DNA甲基化是指在DNA分子中，通过将一个或多个甲基（CH3）基团添加到胞嘧啶（C）碱基上，形成甲基化胞嘧啶。
DNA甲基化主要发生在CpG二核苷酸上，即脱氧鸟嘌呤和脱氧胞嘧啶之间的磷酸二酯键连接的C和G上。
DNA甲基化的过程主要依赖于DNA甲基转移酶，它能够将甲基基团从S-腺苷甲硫氨酸（SAM）转移到DNA分子中的胞嘧啶上。
DNA甲基化通常发生在基因的启动子区域，通过甲基化可以影响基因的转录和表达。
甲基化的胞嘧啶在原则上是通过DNA复制和维持过程传递给子代细胞的。
二、表观遗传学的定义和功能表观遗传学是研究细胞在不改变DNA序列的情况下，通过DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA等方式对基因表达进行调控的一门学科。
与经典的遗传学研究不同，表观遗传学关注的是基因表达的多样性和可塑性。
表观遗传学在生物体发育、细胞分化以及环境适应等过程中起到重要作用。
通过改变DNA甲基化水平和特定蛋白质修饰模式，细胞可以调控基因的转录和表达，从而实现细胞命运的选择和功能的发挥。
表观遗传学的异常调控常常与多种疾病的发生和发展密切相关。
三、DNA甲基化与表观遗传学的相互关系DNA甲基化是表观遗传学研究的一个重要内容，两者密切相关。
首先，DNA甲基化是表观遗传学的一种主要机制之一。
通过改变DNA 甲基化水平和模式，细胞可以实现基因的正常表达和细胞功能的调控。
其次，表观遗传学的研究也揭示了DNA甲基化的调控机制。
例如，组蛋白修饰可以影响DNA甲基化酶的结合能力，从而影响DNA甲基化的发生和维持。
此外，非编码RNA通过与DNA甲基化酶相互作用，也能够影响DNA甲基化的过程。
最后，异常的DNA甲基化与表观遗传学的紊乱常常与疾病的发生和发展密切相关。
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巨大变化。
DMNT1 (DMNT2) (maintenance)
DEMETER DNA glycosylase (demethylation)
KYP:H3K9特意 性组蛋白甲基化 酶
HDAC:组蛋白去
表观遗传学的三大支柱之乙二酰化酶 ——组蛋白修饰与染色体M移重E酶T塑1:甲基化转
DDM1:与染色体 重构相关的蛋白
相关研究结果2015年12月10日发表在《Genome Biology》(IF=13.5)。
表观遗传标记是一种化学标签，将自己附着在DNA上，并在不改变遗传密码的同 时修改它的功能。DNA甲基化是一种这样的表观基因表达调控机制，可以传递给后代。
现在，正在发展中的技术，已经使科学家们能够研究复杂的和具有挑战性的小麦 基因组中的甲基化。
来自中国科学院上海植物逆境生物学研究中心、美国普渡大学的研究人员，在拟 南芥中揭示出了Dicer非依赖性的RNA介导的DNA甲基化机制（RdDM）。这一重要的 研究发现发布在2015年12月8日的《细胞研究》（Cell Research, IF=12）杂志上。
DNA甲基化作为一种高等生物中古老而保守的表观遗传修饰，参与了许多重要 的生物学功能，包括转座子沉默、基因组印记、发育过程中的转录因子调控和环境 反应，及跨代表观基因遗传等。
联合使用亚硫酸氢钠处理和靶基因富集，该研究团队发现，甲基化在所 有三个六倍体小麦的基因组之间是高度保守的，而且发现了亚基因组特异 性甲基化的证据。
甲基化变化也被发现与基因表达的变化有关，虽然没有证明，但是这些 变化很可能影响表型。在小麦基因组中甲基化的稳定性也显示，一些甲基 化模式保存了50万年以上。
Anthony Hall教授指导了这项研究，他说：“如果能够描述甲基化的全基因组模式， 我们现在就可以解决小麦中的基本问题，如表观遗传学在农作物驯化、甲基化稳定 性和长期功能中的作用。” “我们也可以寻求了解甲基化是如何改变对农民重要的特征，如抗病性和产量变异 性。这些都是利物浦大学未来研究的重要课题，将对世界农业产生重要的影响。”
组蛋白修饰和染色体重塑
除组蛋白的甲 基化修饰，还 有其他的一些 组蛋白修饰， 如：乙酰化
除了以上列出的这类组蛋白密码外，组蛋白本身存在空间异 构体，这又使得对组蛋白密码的认识更加复杂。
甲基化相关酶
DNA甲基化
组蛋白修饰
？ 细胞分裂 DNA甲基化
识别蛋白、甲基化相关酶
表观遗传学的三大支柱之三 ——RNA世界
来自利物浦大学基因组研究中心的Laura Gardiner博士表示：“由于小 麦基因组的绝对尺寸，直到现在，进行这样的调查已经在技术上不可行， 但是，理解基因何时以及如何被激活，是理解其复杂性的一个关键部分。” “这项工作打开了一个全新的遗传变异水平，可以被小麦育种者利用。在 未来，我们看到，表观遗传标记正成为这个领域一种重要的新工具。”
在拟南芥关键的RdDM通路中，两种非典型的DNA依赖RNA聚合酶IV和V (Pol IV 和Pol V)分别负责产生24-nt siRNA和长非编码RNAs。Pol IV可产生单链RNA， RNA引导的RNA聚合酶2（RDR2）将它们转化为双链RNA。
双链RNA被Dicer样3（DCL3）裂解为24-nt siRNAs，它们被装载到细胞质中 的AGO4 (Argonaute 4)，随后运输到细胞核中以装配RdDM效应复合物。Pol V可产 生长非编码scaffold RNAs，来招募RdDM效应复合物。Pol IV和Pol V是多亚基RNA 聚合酶，NRPD1和NRPE1分别是最大的Pol IV和Pol V亚基。DMS3、DRD1和 RDM1形成DDR复合物，是Pol V在染色体上占位所必需的。最后，通过结合AGO4siRNA 复合物和介导从头DNA甲基化，DRM2被招募到RdDM靶位点。
RNA介导的DNA甲基化（RdDM）是植物从头建立DNA甲基化的重要途径。
在许多的生物中都观察到有非编码RNA介导的转录基因沉默和异染色质形成。 人们认为，在所有的情况下，都是由小干扰RNAs (siRNAs)为催化抑制性表观遗传 修饰的酶提供了靶向特异性。RdDM代表了植物中一个重要的RNA介导的表观遗传 沉默信号通路，有人提出其至少经过了两个连续的步骤：24-nt siRNA生物合成及 siRNA引导从头甲基化。
研究人员说，拥有操控表观基因组的能力将有助于他们 探究特殊启动子和增强子在细胞命运或遗传病风险中所起的 作用，并可能为基因治疗及引导干细胞分化提供一条新途径。
这项研究在线发表在2015年4月6日的《自然生物技术》 (Nature Biotechnology)杂志上。
最近，英国利物浦大学的科学家们，对小麦中调节基因活性的遗传性分 子变化，进行了首次全基因组范围的调查，这可能成为提高作物育种技术的 一种新工具。
神奇的RNA世界
用CRISPR操控表观基因组
杜克大学的研究人员开发出了一种新方法，可以精确地 控制基因开启及激活的时间。
沉默CRISPR的DNA切割机制，仅利用它作为靶向系统 传送一种乙酰转移酶到特异启动子和增强子处。
借助这一新技术研究人员可通过化学操控包装DNA的 蛋白，来开启特异的基因启动子和增强子——控制基因活性 的基因组片段。
(T.Kakutani et al.,Genetics, 1999; J.A. Jeddeloh et al., nature genetics, 1999; W. Soppe et al., EMBO J., 2002)
组蛋白修饰和染色体重塑
SUVH是一类组蛋白甲基转移酶，这类物质的存在直接影响组蛋 白的修饰，进而影响染色体的结构。
表观遗传学的三大支柱之一 ——DNA甲基化
DNA甲基化的模式
DNA methylation pattern
5－氮胞苷药物处理
广泛的去甲基化作用
甲基化敏感的同裂酶 HpaII、MspI等
亚硫酸氢盐处理 Bisulphite sequencing
检测相同位点的不同 的甲基化模式
特异性的鉴定扩增序 列中的甲基化位点
Symmetriቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ CpG
对称
CpNpG
Asymmetric非对称
植物中DNA甲基化的研究
cmt3
诱导和筛选突变体
DMNT3a DMNT3b (de novo)
DNA甲基化
ddm1、mom1
met1
不编码任何与甲基化
相关的酶，但可以影
响植物的甲基化水平，
并进而影响植物的基
因表达导致表型上的 dme