分子遗传学_表观遗传学
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
1.分子遗传学含义：是研究遗传信息大分子的结构与功能的科学，在分子水平上研究遗传机制及遗传物质对代谢过程的调控。
2.03.分子生物学：是研究生物大分子结构与功能的一门学科。
注重的生物在分子水平上的一些特征和现象分子遗传学：侧重从分子水平对生物遗传规律和遗传现象的研究。
4.遗传物质特征：①在体细胞中含量稳定，贮存并表达遗传信息；②在生殖细胞中含量减半，能把遗传信息传给子代；③能精确地自我复制，物理和化学性质稳定；④有遗传变异的能力。
5.双螺旋模型double helix model特点：①DNA分子由两条反相平行的多核苷酸组成，形成右手双螺旋；②两条链反相平行，即两条链方向相反；③糖-磷酸键是在双螺旋的外侧，碱基对与轴线垂直；④糖与附着在糖上的碱基近于垂直；⑤碱基配对时，必须一个是嘌呤，另一个是嘧啶；⑥DNA双螺旋有大沟major or wide groove和小沟minor or narrow groove；⑦这个模型合理地解释了DNA自我复制和转录问题，巩固了DNA作为遗传物质的地位。
6.模型中的碱基配对重要性：①AT，GC配对可形成良好的线性氢键；②AT对和GC对的几何形状一样，使双链距离相近，使双螺旋保持均一；③碱基对处于同一平面。
不论核苷酸顺序如何，都不影响双螺旋结构；④为DNA半保留复制奠定了基础。
7.阮病毒：是一种能够决定细胞性状的非孟德尔遗传因子，具有传染能力的蛋白质病毒。
8.顺反效应：在顺反两种排列情况下所表现的遗传效应统称为顺反效应。
9.ORF开放读框：一个开放读框是被起始密码与终止密码所界定的一串密码子。
10.密码子偏爱：在基因组中经常为某种氨基酸编码的只是其中的一种密码子，这种现象。
11.高度保守：不同类型生物中广泛存在非常相似的DNA序列。
在进化过程中保留了这些序列，是生命活动所必须的，很少突变。
其突变常常导致死亡，表现为高度保守。
12.表观遗传学：对基因的功能变化的研究，这种变化可以通过体细胞有丝分裂或生殖细胞成熟分裂二遗传并不需要DNA序列发生变化。
第六章 表观遗传学
NIH-National Institutes of Health(美国)
Epigenetic changes have been associated with disease, but further progress requires the development of better methods to detect the modifications and a clearer understanding of factors that drive these changes. 192 million USD for 5 years ( 2008 to 2012)
获得性遗传（ Inheritance
of acquired characteristics）
Jean-Baptiste Lamarck
(1744-1829)
问题 环境的作用能否改变个体的遗传 特性，并传递给下一代?
这种被称为“拉马克学说”(Lamarckism) 的观点一直被正统的生物学家拒之门外。
AHEAD(人类表观基因组与疾病联合会） （Alliance for the Human Epigenome and Disease）计划.
The international AHEAD scientific committee will discuss the issue of the global collaborative efforts in light of the recent launch of NIH routemap Epigenetics program
effect variegation (PEV) —— 第一种表观遗
传学现象。 1942年，Waddington提出现代Epigenetics的
分子生物学笔记：表观遗传
表观遗传学表观遗传（epigenetics）是指DNA序列不发生变化，但基因表达却发生了可遗传的改变。
这种改变是细胞内除了遗传信息以外的其他可遗传物质发生的改变，且这种改变在发育和细胞增殖过程中能稳定传递。
概述在表观遗传中，DNA序列不发生变化，但基因表达却发生了可遗传的改变。
DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶的作用下，在基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶5'碳位以共价键结合一个甲基基团。
正常情况下，人类基因组中的“垃圾”序列的CpG二核苷酸相对稀少，并且总是处于甲基化状态；与之相反，人类基因组中大小为100-1000 bp左右且富含CpG二核苷酸的CpG岛则总是处于未甲基化状态，并且与56%的人类基因组编码基因相关。
人类基因组序列草图分析结果表明，人类基因组CpG岛约为28890个，大部分染色体每1 Mb就有5-15个CpG岛，平均值为每Mb 含10.5个CpG岛，CpG岛的数目与基因密度有良好的对应关系。
由于DNA甲基化与人类发育和肿瘤疾病的密切关系，特别是CpG岛甲基化所致抑癌基因转录失活问题，DNA甲基化已经成为表观遗传学和表观基因组学的重要研究内容。
特点DNA双螺旋结构的发现和重组DNA技术、PCR技术的产生促进了分子遗传学的发展。
几十年来，人们一直认为基因决定着生命过程中所需要的各种蛋白质，决定着生命体的表型。
但随着研究的不断深入，科研人员也发现一些无法解释的现象：马、驴正反交的后代差别较大；同卵双生的两人具有完全相同的基因组，在同样的环境中长大后，他们在性格、健康等方面却会有较大的差异。
这些现象并不符合经典遗传学理论预期的结果，提示在某些情况下，基因的碱基序列不发生改变，但生物体的一些表型却可以发生了变化。
此外，研究还发现有些特征只是由一个亲本的基因来决定，而源自另一亲本的基因却保持“沉默”。
人们对于这样一些现象都无法用经典的遗传学理论去阐明。
遗传学中的一个前沿领域：表观遗传学（Epigenetics），为人们提供了解答这类问题的新思路。
遗传学和表观遗传学的方法和应用
遗传学和表观遗传学的方法和应用遗传学和表观遗传学是生命科学中重要的两个分支学科，它们研究的是生物基因和表观遗传变异对个体遗传特性和行为表现的影响。
这两个学科的发展，不仅给人们更好地认识生物的起源和发展提供了支撑和依据，而且也为解决人类的健康问题提供了新的社会保障。
一、遗传学的方法和应用遗传学主要研究的是DNA传递基因信息的过程。
基因是生物内部的遗传信息，每个生物体的基因都唯一，它由含有遗传信息的DNA分子组成，DNA是双螺旋的结构，其中包含有四种碱基，即腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）和鸟嘌呤（G），基因是由这些碱基的排列顺序组成的。
1. 遗传学手段分子遗传学是遗传学研究的一个分支，它通过细胞遗传学和分子生物学技术来研究基因的构成和表达。
其中，核酸杂交、基因克隆与表达技术、基因突变和转座子等技术是分子遗传学领域中的代表性方法。
（1）核酸杂交：指将两个具有亲缘关系的DNA或RNA分子，以互补配对的方式结合在一起，形成双链结构的现象。
它是分子遗传学研究的一个重要手段，通常用于检测DNA序列间的相似性和差异性。
（2）基因克隆：指通过对目标DNA分子进行裁剪、连接和转化的方法，在体外建立一个与原DNA分子相同的“重组”DNA分子。
它是分子遗传学研究中最为广泛应用的一种技术，可以用于基因的筛选、分离和纯化，也可以用于蛋白质的表达和鉴定。
（3）基因突变：指由于外界环境或内部遗传机制的作用，引起基因序列发生改变或失去功能的现象。
它是遗传变异最常见和最坏的一种形式，多为无害的突变，但也会引起一些重要疾病的发生，如遗传心脏病、先天性白内障等。
（4）转座子：指在基因组中存在的一类可移动遗传因子，其具有能够自主活动和调节基因表达的能力。
它是遗传变异中的一种常见类型，经常出现于植物、昆虫和低等生物中。
2. 遗传学的应用（1）人类遗传病的诊断和治疗：对于一些重大的遗传疾病，如糖尿病、心血管病、汉-辽口病等，遗传学的技术在诊断和治疗中具有极为广泛的应用。
医学分子遗传学第四章表观遗传学与疾病
（Ser/S ）、泛素化、SUMO 化、ADP 核糖基化等。
? 组蛋白密码（Histone code ）
? 定义：组蛋白不同氨基酸 残基的不同共价修饰所代 表的生物学信息（表观遗 传信息）。
? 主要修饰靶点：H3 ，H4 ? 修饰稳定性：甲基化> 乙
酰化> 磷酸化
? 组蛋白的共价修饰控制基因 的转录活性
? 组蛋白的共价修饰是动态的
非 活 性
活 性 染 色 质
? DNA 无甲基化修饰 ? 组蛋白乙酰化修饰 ? 结合的非组蛋白
? 组蛋白乙酰转移酶（ HATs ） ? 转录调控因子 ? RNA 聚合酶复合体 ……
? 受保护序列：被非组蛋白识别并结合的位点。
? 非组蛋白与特定序列DNA 的结合可界定核小体定位 ? 高频转录的基因处往往不形成核小体结构（rDNA ）
? 异染色质在特殊序列处形成核心 （DNA 甲基化与组蛋白甲基化等）
? 募集异染色质蛋白（如 HP1 ） ? 异染色质蛋白自主聚集，沿染色
质扩散，终止于绝缘子
非活性染色质 活性染色质
细胞间期染色质的结构是动态的
? 核心组蛋白的组装与修饰
? 核心组蛋白与核小体组装
基本组装单位：H3-H4 四聚体 （H3 2 -H4 2），H2A-H2B 二聚体
in vitro
√ in vivo
? 核小体的复制
√ 八聚体保留复制
八聚体随机组合复制
? 组蛋白的共价修饰与组蛋白密码
? 染色质（chromatin ）的化学组成
染色质的主要化学成份是DNA，组蛋白，非组蛋白和 少量的RNA（cRNA）。组成染色质的各种化学成份的比 例大致是：
分子遗传学的发展本科论文
分子遗传学的发展1. 生化遗传学摩尔根曾经正确地指出：“种质必须由某种独立的要素组成，正是这些要素我们叫做遗传因子，或者更简单地叫做基因”。
尽管由于摩尔根及其学派的广大科学工作者的努力，使基因学说得到了学术界的普遍的承认，然而当时人们对基因本质的认识还相当肤浅，并不知道基因与蛋白质及表型之间究竟存在着什么样的内在联系。
虽然说早在1909年，英国的医生兼生物化学家加罗德（A.Garrod）就己指出，特定酶的表达是由野生型基因控制的假说。
而且这个假说在二十世纪30年代，经过众多遗传学家的努力已经获得了很大的发展与充实。
遗憾的是，由于当时人们掌握的酶分子结构的知识相当贫乏，没有认识到大部份基因的编码产物都是蛋白质，也不知道是否所有的蛋白质都是由基因编码的。
在这样的知识背景下，要进一步研究分析基因与蛋白质之间的内在联系，显然是难以做到的。
值得庆幸的是到了二十世纪40年代初期，孟德尔-摩尔根学派的遗传学家便已经清醒地认识到，如果继续沿用经典遗传学的研究方法和实验体系，是难以有效地揭示基因控制蛋白质合成及表型特征的遗传机理。
因此他们便广泛地转而使用诸如红色面包霉（Neurospora crassa）和肺炎链球菌（Streptococcus pneumpniae）等微生物为研究材料，并着力从生物化学的角度，探索基因与蛋白质及表型之间内在联系的分子本质。
所以人们称这个阶段的遗传学为生化遗传学（biochemical genetics），或微生物遗传学（microbial genetics）。
由于微生物具有个体小、细胞结构简单、繁殖速度快、世代时间短和容易培养、便于操作等许多优点，因此便极大地加速了生化遗传学的研究，在短短的二三十年间就取得了丰硕的成果，主要的有如下三项。
第一，1941年两位美国科学家比德尔（G.Beadle）和塔特姆（E.Tatum），通过对红色面包霉营养突变体的研究，提出了“一种基因一种酶”（后来修改为“一种基因一种多肽”）的假说。
分子遗传学和表观遗传学关系解析
分子遗传学和表观遗传学关系解析遗传学是研究遗传现象及其变异的科学。
在遗传学的领域中，分子遗传学和表观遗传学是两个重要的研究分支，它们都关注遗传信息在生物体内的传递和表达。
本文将深入探讨分子遗传学和表观遗传学之间的关系及其在生物学中的意义。
首先，分子遗传学是研究遗传信息传递和变异的过程。
它主要涉及到基因的结构和功能，研究基因如何通过DNA和RNA的转录和翻译来编码蛋白质，并且如何通过基因突变产生不同的遗传变异。
分子遗传学通常使用分子生物学和基因工程技术，如PCR、DNA测序和基因编辑等方法来研究基因的功能和调控机制。
通过分子遗传学的研究，我们可以更好地理解基因的编码和传递机制，揭示遗传变异对生物体结构和功能的影响。
与此同时，表观遗传学是研究不依赖于DNA序列的遗传信息传递的学科。
与传统遗传学所关注的基因序列不同，表观遗传学关注的是表观修饰如何在细胞和个体水平上调控基因的表达和功能。
这些表观修饰包括DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA调控等。
表观遗传学研究的重点是揭示这些表观修饰在细胞命运、发育和疾病过程中的作用。
通过表观遗传学的研究，我们可以了解环境和生活方式如何通过调控基因表达模式来影响个体的可塑性和适应性。
虽然分子遗传学和表观遗传学是独立的研究领域，但它们在遗传学中有着密切的关系。
首先，在遗传信息传递的过程中，DNA序列是一个重要的媒介，而不同的分子遗传学技术可以帮助我们更好地理解和分析DNA序列的结构和功能。
这些技术包括DNA测序、基因编辑和基因表达分析等。
通过这些技术，我们可以通过分析基因的突变和变异来揭示基因的功能和遗传变异对个体的影响。
此外，分子遗传学还可以通过转基因技术和基因治疗方法来改变或修复个体的遗传信息，为遗传疾病的治疗提供新的途径。
同时，表观遗传学也与分子遗传学密切相关。
在细胞内，基因的表达和功能往往受到表观修饰的调控。
例如，DNA甲基化可以阻止转录因子结合到基因启动子上，从而抑制基因的转录和表达。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
siRNA
siRNA结构：21-23nt的双链结构，序列与靶 mRNA有同源性，双链两端各有2个突出非配对的 3’碱基。 siRNA功能：是RNAi 作用的重要组分，是RNAi 发生的中介分子。内源性siRNA是细胞能够抵御 转座子、转基因和病毒的侵略。
siRNA介导的RNAi
RNA干扰 RNA as drug
• 组蛋白尾巴的化学修饰（乙酰化、甲基化及磷酸 化等）可以改变染色质结构，从而影响邻近基因 的活性。
核小体
RNA调控
1995，RNAi现象首次在线虫中发现。
1998，RNAi概念的首次提出。
1999，RNAi作用机制模型的提出。在线虫、果 蝇、拟南芥及斑马鱼等多种生物内发现RNAi现象。 2001，RNAi技术成功诱导培养的哺乳动物细胞 基因沉默现象。RNAi 技术被《Science》评为 2001年度的十大科技进展之一。 至今，蓬勃发展，成为分子生物学领域最为热门 的方向之一。
• 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。
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 相录后的调控
基因组中非编码RNA 微小RNA（miRNA） 反义RNA 内含子、核糖开关等
1 2 3
DNA 甲基化 组蛋白修饰
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 (non-
组蛋白修饰 Histone modification
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。
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。
磷酸化-- 发生与 Ser 残基，一般与基因活化相关。
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。
DEC_RNAi
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 的调控
DNA甲基化 基因印记 组蛋白共价修饰 染色质重塑
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CpG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。
泛素化-- 一般是C端Lys修饰，启动基因表达。
SUMO（一种类泛素蛋白）化-- 可稳定异染色质。
其他修饰
染色质重塑Chromatin remodeling
• 染色质重塑（chromatin remodeling）是一个重 要的表观遗传学机制。 • 染色质重塑是由染色质重塑复合物介导的一系列 以染色质上核小体变化为基本特征的生物学过程 。
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。 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。
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) 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.
methylation)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
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。
RNA干扰（RNAi）作用是生物体内的一种通过 双链RNA分子在mRNA水平上诱导特异性序列基 因沉默的过程。
由于RNAi发生在转录后水平，所以又称为转录 后基因沉默（post-transcriptional gene silencing, PTGS ）。
RNA干扰是一种重要而普遍表观遗传的现象。