植物表观遗传学 讲义(2)
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植物生长和发育中的表观遗传学调控
植物生长和发育中的表观遗传学调控植物是地球上最重要的生物种类之一。
它们作为食物来源，为生态系统的平衡做贡献，并作为种子植物，不断进化着适应各种生态环境。
与此同时，植物生长和发育过程的表观遗传学调控也引起了人们的广泛关注。
表观遗传学是指基因外表现类型的遗传学，它不涉及DNA序列的改变，而只是通过基因表达的调控来影响基因表型。
植物表观遗传学调控的重要性已经得到了广泛的认可。
随着我们对植物表观遗传学调控的深入研究，我们对植物生长和发育过程的理解也在不断深入。
在植物的生长和发育过程中，表观遗传学调控是起着关键作用的。
这些调控机制包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和非编码RNA（ncRNA）的高级调控。
这些机制中的每一个都对植物的生长和发育过程产生了重要的影响。
DNA甲基化是植物表观遗传学调控中一个重要的机制。
这个过程通过在DNA 分子上添加甲基基团，影响基因表达。
DNA甲基化主要在CpG二核苷酸上进行，这是一种广泛存在于基因组中的核苷酸序列。
研究表明，DNA甲基化能够控制植物的发育和抗逆性，以及植物对环境因素的响应能力。
此外，许多研究还发现，许多转录因子（TF）在DNA甲基化调控中发挥了重要的作用。
这些转录因子可能能够与DNA甲基化区域相互作用，从而影响基因的表达。
组蛋白修饰是另一种影响植物表观遗传学调控的方式。
组蛋白是一种基本的蛋白质，它在DNA的包装过程中起着重要的作用。
组蛋白修饰包括各种化学修饰，例如甲基化和乙酰化，这些修饰会对组蛋白的结构和DNA包装状态产生影响。
植物中许多转录因子、组蛋白修改酶和其他调节蛋白可以通过与组蛋白相互作用，来影响染色质状态并调控基因表达。
染色质重塑是另一种影响植物表观遗传学调控的方式。
染色质重塑是指改变染色质结构的作用，以使基因在特定时期表达。
在植物中，这种机制可能涉及多种蛋白复合物，包括招募组蛋白重塑酶、催化DNA滑动、ATP酶和其他调节因子，共同影响染色质的构象和基因表达。
表观遗传学课件(2024)(2024)
02
RIP-seq
将RNA免疫共沉淀（RNA Immunoprecipitation, RIP）与高通 量测序技术结合，研究特定蛋白质与 非编码RNA的相互作用。
03
CRISPR/Cas9技术
利用CRISPR/Cas9技术对非编码RNA 进行基因编辑，研究非编码RNA在细 胞中的功能和调控机制。
2024/1/28
2024/1/28
11
03 表观遗传与基因表达调控
2024/1/28
12
基因印记与X染色体失活
基因印记
一种表观遗传现象，通过亲本来源的特定基因表达模式影响后代性状。涉及 DNA甲基化、组蛋白修饰等机制。
X染色体失活
女性细胞中两条X染色体之一随机失活的现象，以避免X染色体基因产物的过量 表达。失活通过X染色体上的Xist基因介导，导致染色体的紧密包装和基因沉默 。
要点二
组蛋白修饰与自身免 疫性疾病
组蛋白修饰在自身免疫性疾病中也发 挥着重要作用，异常的组蛋白修饰可 以影响免疫细胞的功能和分化。
要点三
非编码RNA与自身免 疫性疾病
非编码RNA在自身免疫性疾病中的研 究逐渐受到关注，它们可以通过调节 基因表达和蛋白质功能来影响疾病的 进程。此外，一些特定的非编码RNA 还可以作为疾病的生物标志物，用于 疾病的诊断和治疗。
20
癌症中的表观遗传异常
DNA甲基化异常
在癌症中，DNA甲基化模式的改变是一个常见的现象，它可以影响基因的表达和稳定
性。
组蛋白修饰异常
组蛋白修饰在癌症中也扮演着重要角色，异常的组蛋白修饰可以影响染色质的结构和功 能，从而影响基因的表达。
2024/1/28
非编码RNA的异常表达
表观遗传学(共49张PPT)
遗传信息的传递：中心法则
• 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。
21
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
20
• 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
• 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(研究生课件)
染色质重塑的研究方法
• 研究染色质重塑的方法包括遗传学方法、生物化学方法以及显 微镜技术等。遗传学方法包括基因敲除和转基因技术等，可以 用于研究染色质重塑酶和组蛋白修饰酶的功能。生物化学方法 包括蛋白质纯化和结晶化技术、质谱分析和代谢组学技术等， 可以用于研究染色质重塑酶和组蛋白修饰酶的相互作用和生物 化学性质。显微镜技术则可以用于观察染色质结构和动态变化。
基因组学方法
通过基因组学技术，研究非编码RNA的基因组位置、 序列和结构等信息。
转录组学方法
通过转录组学技术，研究非编码RNA的表达水平和转 录本信息。
蛋白质组学方法
通过蛋白质组学技术，研究非编码RNA对蛋白质表达 和功能的影响。
05
表观遗传学与疾病
表观遗传学与肿瘤
肿瘤表观遗传学
研究肿瘤发生发展过程中表观遗传机 制的改变，包括DNA甲基化、组蛋白 修饰和非编码RNA等。
表观遗传学的研究内容
总结词
表观遗传学的研究内容包括表观遗传修饰的机制、表观遗传与疾病的关系以及表观遗传修饰的干预策 略。
详细描述
表观遗传学研究DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA调控等机制，探讨这些修饰如何影响基因表达 和细胞功能。同时，研究表观遗传学与各种疾病的关系，包括癌症、神经退行性疾病和代谢性疾病等 。此外，还研究如何通过干预表观遗传修饰来治疗疾病。
表观遗传学的重要性
总结词
表观遗传学在理解生物学过程、疾病机制和治疗策略方面具有重要意义。
详细描述ห้องสมุดไป่ตู้
表观遗传学在理解细胞分化、胚胎发育和衰老等生物学过程中发挥关键作用。同时，表观遗传学与许多疾病的发 生和发展密切相关，为疾病的诊断和治疗提供了新的视角。此外，表观遗传修饰的可逆性为疾病治疗提供了潜在 的干预策略，有助于开发新的治疗方法和药物。
表观遗传学简述ppt课件.pptx
总结
表观遗传学信息提供了何时、何地、以何种方式去 执行DNA遗传信息的指令，它通过有丝分裂和减数 分裂将遗传信息从上一代传递给下一代。
决定表观遗传学过程的主要因素为DNA的甲基化、 组蛋白修饰、染色质重塑和非编码RNA调控,这4个 因素的相互关系以及它们如何共同来调节染色质 结构还有待进一步研究。
甲基转移作用通常发生在 5′-胞嘧啶位置上, 具有调 节基因表达和保护DNA该 位点不受特定限制酶降解 的作用。
2、组蛋白修饰
组蛋白是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,有5种类型:H1、H2A、H2B、H3、 H4,它们富含带正电荷的碱性氨基酸,能够同DN中带 负电荷的磷酸基团相互作用。
小组成员及分工
谢吕欣：表观遗传学最新研究进展资料查找 陈绪：表观遗传学作用机制资料查找、PPT报告 庞锡泉：表观遗传学前沿方向资料查找 金丽菁：PPT制作、文献资料汇总整理
THANK YOU FOR WATCHING
染色质重塑是指 在能量驱动下核 小体的置换或重 新排列,它改变了 核小体在基因启 动子区的排列,增 加了基础转录装 置和启动子的可 接近性。染色质 重塑主要包括2 种类型:
依赖共 价结合 反应的 化学修
饰
利用ATP水解所产生的能量使核小体 结构发生如下4种突变：(1)核小体在 DNA上的滑动；（2）DNA和核小体的 解离；（3）将组蛋白八聚体从染色 质上去除；（4）组蛋白变异体和经 典组蛋白间的置换
表观遗传学的前沿研究与进展
1.非编码RNA的进展
随着复杂性的增加，非蛋白质编码序列日益成为多细 胞生物的基因组的主导者，其相反与蛋白质编码基因， 相当的稳定。它能够在大多数哺乳动物基因组，甚至 所有真核生物细胞和组织中表达，越来越多的证据表 明，非编码ＲＮＡ的表达涉及到基因表达的调控。
表观遗传学专业知识讲座课件
一种结论：个体在发育和 生长过程中获得的环境影 响，被遗传给了后代。 什么决定基因？大自然(环 境)如此丰富多彩、如此变 化不停，很难想象，对于 一个开放的复杂生命系统， 不会打上它的烙印。
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人类同卵双生的孪生子：具有完全相同的基因组，在同样的环境下成 长，俩人的气质和体质应该非常相似。 实际情形：一些孪生子的情况并不符合预期的理论。往往在长大成人 后出现性格、健康方面的很大差异。这种反常现象长期困扰着遗传学 家。 现在科学家们发现：可以在不影响DNA序列的情况下改变基因组的修 饰．这种改变不仅可以影响个体的发育，而且还可以遗传下去。
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表观遗传修饰
1. DNA甲基化(DNA methylation)
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) 。
• 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： 基因选择性转录、表达的调控。
1. 基因转录后调控。 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
基因表达的变 化（或性状的 变化）一定是 DNA序列变异 的结果吗？
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植物表观遗传学
在农业上的应用
抗逆性改良
通过研究植物在逆境条件下的表观遗 传变化，可以培育出抗旱、抗盐、抗 寒等抗逆性更强的新品种，提高农作 物的产量和适应性。
品质改良
利用表观遗传学手段调控植物的品质 性状，如蛋白质、脂肪、纤维等，可 以培育出更符合人类需求的新型农作 物。
在植物育种上的应用
基因型鉴定
通过检测植物的表观遗传标记，可以快速准确地鉴定植物的基因型，加速育种 进程。
在植物生态学上的应用
生态适应性研究
生物多样性保护
通过研究植物在不同生态环境下的表观遗传 变化，可以深入了解植物的生态适应性机制， 为生态修复和生态保护提供理论依据。
利用表观遗传学手段可以更深入地了解生物 多样性形成的机制，为生物多样性保护提供 新的思路和方法。
05
CHAPTER
植物表观遗传学的挑战与展 望
跨学科合作与整合：植物表观遗传学研究需要生 物学、遗传学、化学、农学等多学科的交叉合作 ，未来将有更多跨学科的研究团队致力于解决这 一领域的难题。
深入研究植物与环境互作中的表观遗传机制：随 着全球气候变化和环境压力的增加，未来研究将 更加关注植物如何通过表观遗传机制适应环境变 化，以及如何利用这些机制提高作物的抗逆性。
当前研究的挑战
技术手段的局限性
尽管表观遗传学研究已经取得了显著进展，但仍 面临技术手段的局限性。例如，高通量测序技术 虽然可以大规模分析基因组，但仍然存在测序成 本高、数据分析复杂等挑战。
环境因素对表观遗传的影响
植物表观遗传学研究的一个重要方向是探索环境 因素如何影响表观遗传修饰，但这一领域的研究 仍面临许多挑战，如环境因素的多变性和复杂性 。
植物发育过程中的复杂性
植物生长发育过程中涉及多种基因和表观遗传修 饰的相互作用，如何全面解析这些相互作用是当 前研究的难点。
表观遗传学课件(带目录)
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。
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Chandler et al, PMB, 2000
Chandler et al, PMB, 2000
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
With activating mutator
Chandler et al, PMB, 2000
Paramutation 是由基因控制的
mop1: mediator of
paramutation1，
Mette MF, Aufsatz W, van der Winden J, Matzke MA, Matzke AJ. Transcriptional silencing and promoter methylation triggered by double-stranded RNA. EMBO J. 2000 19: 5194-201.
Wassenegger M, Heimes S, Riedel L, Sänger HL. RNA-directed de novo methylation of genomic sequences in plants Cell. 1994 Feb 11;76(3):567-76
Max-Planck-Institut für Biochemie, Abteilung Viroidforschung, Martinsried,
In B-P: less methylation, more dense chromatin structure
High expression
Low expression
Stam et al., 2002, Gene & Dev
Henderson IR, Jacobsen SE. Nature, 2007447:418-24
精品
植物表观遗传学 (2)
Epigenetics（表观遗传学）:是指以不涉及到 DNA序列的改变、但可以通过有丝分裂和减数分 裂进行遗传的生物现象。
自然界中的表观遗传学现象： Paramutation
最早的例子来自果蝇的变化。
Muller, H.J. (1930). Types of visible variations induced by x-rays in Drosophila.
目前表观遗传学研究概况
拟南芥作为模式植物的优点: 1.个体小，易于管理 2.生长周期短，种子量大 3.易于转化，进行基因功能研究 4.基因组小，重复序列少，完成测序
表观遗传学的分子生物学机制包括： •DNA甲基化 •组蛋白修饰 •染色质重组 •RNA干扰
植物DNA甲基化的分子机制
A DNA molecule consists of two strands, each strand = polynucleotide. Strands held together by hydrogen bonds between complementary nucleotide pairs: Adenine with Thymine, Cytosine with Guanine.
植物甲基化DNA分子机制研究的 遗传学方法
1. 利用DNA甲基化敏感的酶，酶切基因 组DNA，检测甲基化程度的变化 （centromeric repetitive DNA ）
CH3
double-helix structure
植物DNA甲基化的形式
CH3 动植物共有
CG
CH3 CNG
CH3 CHH (C/A/T)
DNA甲基化的生物学意义： 1.调控转座子的活性，保护基因组DNA 2.调控基因的表达
如何研究植物的DNA甲基化
1. DNA甲基化敏感的限制性内切酶 2. 亚硫酸氢钠测序：重亚硫酸盐使DNA中未发
Paramutation has been extensively characterized at three maize loci: r1,b1
（helixloop-helix (bHLH) factors）, and
pl1(myb)
Brink (1956, 1958) 首先描述了r1基因的 Paramutation 现象
Mette MF, van der Winden J, Matzke MA, Matzke AJ. Production of aberrant promoter transcripts contributes to methylation and silencing of unlinked homologous promoters in trans. EMBO J. 1999 18:241-8.
. Federal Republic of Germany
One monomeric and three oligomeric potato spindle tuber viroid (PSTVd) cDNA units were introduced into the tobacco genome via the Agrobacterium-mediated leaf-disc transformation.
RNA dependent RNA Pol IV
Dorweiler et al, Plant cell, 2000 Alleman et al., Nature, 2006, 442:295-8.
853-bp repeats
In B-I: more methylation, but more open chromatin structure
J Genet. 22, 299–334.
Hinton, T., and Goodsmith, W. (1950). An analysis of phenotypic reversions at the brown locus in Drosophila. J. Exp. Zool. 114, 103–114.
生甲基化的胞嘧啶脱氨基转变成尿嘧啶,而甲 基化的胞嘧啶保持不变，PCR扩增所需片段, 则尿嘧啶全部转化成胸腺嘧啶，最后,对PCR 产物进行测序 3. HPLC：整体基因组甲基化水平, 4. 免疫化学法：利用特异的5mC抗体，结合整 体基因组芯片，测定DNA甲基化区域
RNA介导的DNA甲基化最初发现