（本科）24第10章 基因组表观遗传DNA甲基化ppt课件.pptx

课程主讲人：（本科）24-第10章 基因组表观遗传-DNA甲基化ppt课件5-氮脱氧胞嘧啶是胞嘧啶的类似物氮脱氧胞嘧啶是胞嘧啶的类似物, 当加入的当加入的5-氮脱氧胞嘧啶添加到培养氮脱氧胞嘧啶添加到培养的小鼠细胞中，在的小鼠细胞中，在DNA进入复制时进入复制时, 5-氮脱氧胞嘧啶可取代胞嘧啶。在下氮脱氧胞嘧啶可取代胞嘧啶。在下一轮复制时可消除原有的一轮复制时可消除原有的DNA甲基化甲基化, 促使基因表达。促使基因表达。 Hpa II是一个可是一个可以识别以识别-CCGG-的的DNA限制性内切酶，但对甲基化的限制性内切酶，但对甲基化的-C5mCGG-敏感，可敏感，可从从HpaII的酶切条带的变化可以探知基因组的酶切条带的变化可以探知基因组DNA甲基化的状态。培养的小甲基化的状态。培养的小鼠鼠 细胞在细胞在5-氮脱氧胞嘧啶处理后可检测到氮脱氧胞嘧啶处理后可检测到HpaII酶切带型的改变。酶切带型的改变。 甲基化位点甲基化位点 比例（比例（%） 哺乳动物哺乳动物 CpG 70-80 拟南芥拟南芥 CpG 24 CpHpG 6.7 CpHpH 1.7 DNA甲基化是指生甲基化是指生物体在物体在DNA甲基甲基转移酶的催化下转移酶的催化下，以，以S-腺苷甲硫腺苷甲硫氨酸氨酸(SAM)为甲为甲基供体，将甲基基供体，将甲基转移到特定的碱转移到特定的碱基上的过程。基上的过程。哺乳动物细胞哺乳动物细胞DNA甲基化发生在双甲基化发生在双甲基甲基CpG对称的对称的胞嘧啶胞嘧啶C-5位置位置。甲基基团由。甲基基团由S-腺苷甲硫氨酸提腺苷甲硫氨酸提供。供。不同物种之间基因组不同物种之间基因组DNADNA的甲基化比例差别很大，的甲基化比例差别很大，质谱分析定量检测质谱分析定量检测DNADNA甲基化结果显示：甲基化结果显示：1 1）植物拟南芥基因组）植物拟南芥基因组DNADNA胞嘧啶胞嘧啶甲基化为甲基化为14%14% ；2 2）小鼠基因组）小鼠基因组DNADNA胞嘧啶胞嘧啶甲基化为甲基化为8%8% ；3 3）大肠杆菌基因组）大肠杆菌基因组腺嘌呤和胞嘧啶腺嘌呤和胞嘧啶甲基化为甲基化为2.3%2.3%4 4）果蝇基因组）果蝇基因组DNADNA胞嘧啶胞嘧啶甲基化为甲基化为0.03%0.03% ；5) 5) 线虫基因组缺少甲基化；线虫基因组缺少甲基化；5 5）酵母基因组）酵母基因组DNADNA甲基化小于甲基化小于0.0002%0.0002%。，20142014基因组中许多基因的上游调控区含有基因组中许多基因的上游调控区含有CpGCpG岛岛，双碱基，双碱基- -CpG-CpG-的胞嘧啶（的胞嘧啶（C C）可被可被甲基化甲基化。被甲基化修饰的。被甲基化修饰的-CpG-CpG-是是基基因沉默因沉默的标记，可阻止转录因子与调控元件结合。的标记，可阻止转录因子与调控元件结合。MeCPMeCP (mCpG(mCpG结合蛋白）结合蛋白）与与mCpGmCpG结合结合后，可后，可招募组蛋白去乙酰化招募组蛋白去乙酰化酶酶促使染色质收缩，促使染色质收缩，抑制基因抑制基因表达。表达。1）DNA甲基化决定基因表达的模式；甲基化决定基因表达的模式；2）DNA甲基化模式可以在上下代细胞之间传递；甲基化模式可以在上下代细胞之间传递；3）DNA甲基化只限于碱基的修饰，并不改变甲基化只限于碱基的修饰，并不改变 DNA的顺序组成。的顺序组成。4）DNA甲基化涉及甲基化涉及3个独立而又相关的过程：个独立而又相关的过程： 书写书写(writing): DNA甲基化酶甲基化酶 阅读阅读(reading): 甲基化甲基化DNA结合蛋白结合蛋白 清除清除(erasing): 主动与被动去甲基化主动与被动去甲基化 Neuropsychopharmacology REVIEWS 38, 2338, 2013 1）重新甲基化重新甲基化（ de novomethylation）是指在）是指在 非甲基化胞嘧啶的非甲基化胞嘧啶的5-C位共价连接甲基；位共价连接甲基； 2）维持甲基化维持甲基化（maintenancemethylation）是）是 指在指在DNA复制后，以原甲基化复制后，以原甲基化DNA单链为单链为 模板，在新链对应的胞嘧啶位置添加甲基模板，在新链对应的胞嘧啶位置添加甲基, 保持原有甲基化模式。保持原有甲基化模式。图中所示为图中所示为3个个DNA甲基化酶的结构图甲基化酶的结构图: 图中罗马数字表示具有催化功图中罗马数字表示具有催化功能的结构域。能的结构域。NLS, 核定位信号核定位信号; RFT, 复制场靶向结构域（复制场靶向结构域（replication foci-targeting domain）; BAH, 近邻近邻bromo同源结构域（同源结构域（bromo-adjacent homology domain）; PWWP, 保守的脯氨酸保守的脯氨酸-色氨色氨酸酸-色氨酸色氨酸-脯氨酸结构域脯氨酸结构域; PHD, 非典型植物同源异型富光氨酸区（非典型植物同源异型富光氨酸区（a cysteine-rich region containing an atypical plant homeodomain）; aa, amino acids.重新甲基化重新甲基化是是将甲基基团在将甲基基团在DNMT3A/BDNMT3A/B的作的作用下用下直接连接直接连接到胞嘧啶到胞嘧啶5-C5-C位置。位置。DNADNA维维持甲基化持甲基化是指是指DNADNA复制后以复制后以母链中保持的母链中保持的甲基化胞嘧啶甲基化胞嘧啶为模板，将为模板，将新新链链中中对称的胞对称的胞嘧啶甲基化嘧啶甲基化。DNA维持甲基化维持甲基化模式模式：在：在DNA复复制时，通过和制时，通过和专专一性识别半甲基一性识别半甲基化化DNA的的UHRF1（SET或或RING结结构域蛋白，构域蛋白，SRA）和和PCNA互作，互作，DNA甲基转移酶甲基转移酶(DNMT1)被被招募招募到复制场所到复制场所。在。在进入复制场之后，进入复制场之后，DNA甲基转移酶甲基转移酶以甲基化以甲基化DNA单单链为模板链为模板，将新，将新合成合成DNA单链甲单链甲基化。基化。Nat Rev Genet .11:204-220，2010抑制基因表达抑制基因表达 DnmtsDnmts（DNADNA甲基化酶）打靶甲基化酶）打靶CpGCpG位点甲基化位点甲基化DNADNA的胞嘧啶。的胞嘧啶。甲基化甲基化DNA被甲基化结合蛋白被甲基化结合蛋白MBD识别，然后招募组蛋白修饰酶如组蛋识别，然后招募组蛋白修饰酶如组蛋白脱乙酰化酶（白脱乙酰化酶（histone deacetylases ，HDAC)使组蛋白去乙酰基化，同使组蛋白去乙酰基化，同时也可招募组蛋白甲基转移酶（时也可招募组蛋白甲基转移酶（ histone methyltrans ferases ，HMT)使使组蛋白甲基化。组蛋白甲基化。 随后招募染色质重建复合物随后招募染色质重建复合物SUV39H1，促使染色质收缩，促使染色质收缩沉默。沉默。植物染色质沉默的调控机制植物染色质沉默的调控机制 siRNAsiRNA介导的转座子和重复介导的转座子和重复序列甲基化的可能模式。由序列甲基化的可能模式。由Pol IVPol IV和和Pol VPol V产生的产生的siRNAsiRNA转移到转移到AGO4AGO4。AGO4AGO4然后与然后与DNADNA甲基化酶等因子互作在靶甲基化酶等因子互作在靶DNADNA位置甲基化。位置甲基化。DRM2DRM2：DOMAINS REARRANGED DOMAINS REARRANGED METHYLTRANSFERASE 2METHYLTRANSFERASE 2，重新甲基化酶。，重新甲基化酶。 Nat Rev Genet .11:204-220 Nat Rev Genet .11:204-220，20102010玉米中存在副突变等位基因玉米中存在副突变等位基因B-1/BB-1/B对。自然状态下基因型对。自然状态下基因型B-1B-1等位基因等位基因可发生可发生10%10%的启动子区的启动子区DNADNA甲基化，造成甲基化，造成B-1B-1基因沉默基因沉默, ,转变为副突变基因转变为副突变基因BB。将副突变基因型。将副突变基因型BB与野生型与野生型B-1B-1杂交，杂合子中已副突变的杂交，杂合子中已副突变的BB等等位基因可将其启动子位基因可将其启动子DNADNA甲基化状态甲基化状态“拷贝拷贝”（或传染）给野生型等位（或传染）给野生型等位基因基因B-1B-1，使之转变为，使之转变为BB副突变等位基因。副突变等位基因。Nature 447Nature 447：418418，20072007DNADNA去甲基化有两种方式，主动去甲基化与被动去甲基化有两种方式，主动去甲基化与被动去甲基化去甲基化: :主动去甲基化主动去甲基化 为间接脱甲基，通过错配切除为间接脱甲基，通过错配切除修复路线更换非甲基化胞嘧啶。修复路线更换非甲基化胞嘧啶。被动去甲基化被动去甲基化 不需酶参于，只涉及维持不需酶参于，只涉及维持 甲基甲基化酶的表达量。随着细胞的不断分裂，维化酶的表达量。随着细胞的不断分裂，维持甲基化酶被逐渐稀释，最终导致新合成持甲基化酶被逐渐稀释，最终导致新合成的的DNA不再甲基化。不再甲基化。 Cell145(3):42334，2011哺乳动物全生育期有一个周期性的甲基化和去甲基化循环。受精后直到胚哺乳动物全生育期有一个周期性的甲基化和去甲基化循环。受精后直到胚胎植入子宫前，基因组经历全面去甲基化。胚胎植入子宫后，开始重新甲胎植入子宫前，基因组经历全面去甲基化。胚胎植入子宫后，开始重新甲基化。当胚胎原生殖细胞基化。当胚胎原生殖细胞(primordialgermcells，PGCs)形成时（约在胚胎形成时（约在胚胎形成的期），全基因组去甲基化。待配子形成后，又开始重新甲形成的期），全基因组去甲基化。待配子形成后，又开始重新甲基化基化, 一直持续到受精后。一直持续到受精后。哺乳动物体细胞哺乳动物体细胞胚胎与受精卵胚胚胎与受精卵胚胎发育存在许多胎发育存在许多差异差异. 这些差异主这些差异主要表现在体细胞要表现在体细胞胚与受精胚基因胚与受精胚基因组的程序化组的程序化. 受精受精卵的雄核与雌核卵的雄核与雌核基因组基因组DNA在去在去甲化的程序上存甲化的程序上存在时间差在时间差. 雄核雄核基因组基因组DNA去甲去甲基化先于雌核基基化先于雌核基因组因组DNA.基因组基因组DNA甲基化程序甲基化程序的差异会导致胎的差异会导致胎发育异常发育异常.