肿瘤的表观遗传调控幻灯片.ppt

肿瘤的表观遗传调控1第1页，共42页，编辑于2022年，星期二Chromatin packaging2第2页，共42页，编辑于2022年，星期二表观遗传学概念表观遗传学概念表观遗传表观遗传(epigenetics)的概念是在的概念是在19421942年由年由WaddingtonWaddington提出。指提出。指DNADNA序列不发生变化但是基因表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过程中能稳定地传递下去。在发育和细胞增殖过程中能稳定地传递下去。3第3页，共42页，编辑于2022年，星期二Cancer epigenetics In addition to having genetic causes,cancer can also be considered an epigenetic disease.Regulation by genetics involves a change in the DNA sequence,whereas epigenetic regulation involves alteration in chromatin structure and methylation of the promoter region4第4页，共42页，编辑于2022年，星期二5 5表观遗传学的特点：表观遗传学的特点：l可遗传的，即这类改变通过有丝分裂或减数分裂，能可遗传的，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；在细胞或个体世代间遗传；l可逆性的基因表达调节，也有较少的学者描述为基因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；活性或功能的改变；l没有没有DNADNA序列的改变或不能用序列的改变或不能用DNADNA序列变化来解释。序列变化来解释。l表观遗传修饰主要包括表观遗传修饰主要包括DNADNA以及一些与以及一些与DNADNA密切相关的密切相关的蛋白质蛋白质(例如组蛋白例如组蛋白)的化学修饰，另外某些非编码的的化学修饰，另外某些非编码的RNARNA也在表观遗传修饰中起着重要的作用。也在表观遗传修饰中起着重要的作用。5 55第5页，共42页，编辑于2022年，星期二Epigenetic Regulation of CancerSite SpecificHypermethylationGlobalHypomethylationHistone ModificationsRegulating FactorsDietaryHormonalGeneticVerma M,Srivastava S.Lancet Oncol.(2002)3:755-63.DNA MethyltransferasesHistone MethyltransferasesHistone Acetylases/DeacetylasesEpigenetics Regulates:Cell Cycle ControlDNA DamageApoptosisInvasionX-Chromosome InactivationImprintingAging6第6页，共42页，编辑于2022年，星期二表观遗传修饰从多个水平调控基因表达表观遗传修饰从多个水平调控基因表达 DNA:DNA甲基化甲基化蛋白质：组蛋白修饰蛋白质：组蛋白修饰 染色质：染色质重塑染色质：染色质重塑 RNA：非编码：非编码RNA7第7页，共42页，编辑于2022年，星期二DNADNA甲基化甲基化 DNA甲基化甲基化(DNA methylation)是研究得最清楚、是研究得最清楚、也是最重要的表观遗传修饰形式，通过将也是最重要的表观遗传修饰形式，通过将S一腺苷一腺苷甲硫氨酸作为甲基供体，并在甲硫氨酸作为甲基供体，并在DNA甲基转移酶甲基转移酶(DNA methyltransferase，DNMT)的催化下，的催化下，CpG二核苷酸中的胞嘧啶环上二核苷酸中的胞嘧啶环上5位置的氢被活性甲基位置的氢被活性甲基所取代，从而转变成为所取代，从而转变成为5甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5mC)。8第8页，共42页，编辑于2022年，星期二 Enzymatic methylation of the C5 position of cytosine residues can effect epigenetic inheritance by altering the expression of genes and by transmission of DNA methylation patterns through cell division.Thus,in addition to its wellknown role in deamination mutational hotspots in human DNA,DNA methylation may contribute to gene inactivation in cancer.9第9页，共42页，编辑于2022年，星期二10第10页，共42页，编辑于2022年，星期二哺乳动物基因组中哺乳动物基因组中5 5mCmC占胞嘧啶总量的占胞嘧啶总量的2%-7%2%-7%，约，约70%70%的的5 5mCmC存在于存在于CpGCpG二连核苷。二连核苷。在结构基因的在结构基因的55端调控区域端调控区域,CpG CpG二连核苷常常以成簇二连核苷常常以成簇串联形式排列，这种富含串联形式排列，这种富含CpGCpG二连核苷的区域称为二连核苷的区域称为CpGCpG岛岛(CpG islandsCpG islands)，其大小为，其大小为500-1000bp500-1000bp，约，约56%56%的编码的编码基因含该结构。基因含该结构。基因调控元件基因调控元件(如启动子如启动子)所含所含CpGCpG岛中的岛中的5mC5mC会阻碍转录会阻碍转录因子复合体与因子复合体与DNADNA的结合。的结合。lDNADNA甲基化一般与基因沉默相关联；甲基化一般与基因沉默相关联；l非甲基化一般与基因的活化相关联；非甲基化一般与基因的活化相关联；l而去甲基化往往与一个沉默基因的重新激活相关联而去甲基化往往与一个沉默基因的重新激活相关联。11第11页，共42页，编辑于2022年，星期二l癌细胞的整个基因组水平处于低甲基化状态，比癌细胞的整个基因组水平处于低甲基化状态，比正常低正常低20%20%60%60%，这种低甲基化大多发生于编码，这种低甲基化大多发生于编码区和内含子区域，以及约占人类基因组区和内含子区域，以及约占人类基因组20%20%30%30%的重复序列区的重复序列区l抑癌基因启动子区域抑癌基因启动子区域CpGCpG岛高度甲基化，且与岛高度甲基化，且与DNADNA结合的组蛋白广泛去乙酰化结合的组蛋白广泛去乙酰化 12第12页，共42页，编辑于2022年，星期二Esteller,and J.G.Herman.Cancer as an epigenetic disease:DNAmethylation and chromatin alterations in human tumors.J Pathol,2001.13第13页，共42页，编辑于2022年，星期二Gene silencingDNA methylation is a powerful mechanism for thesuppression of gene activity.There is reciprocal relationship between the density of methylated cytosine residues and the transcriptional activity of a gene.The methyl groups do not affect base pairing but can influence proteinDNA interactions by protruding into the major groove.14第14页，共42页，编辑于2022年，星期二The strong effect of 5methylcytosine(5mC)in mammalian promoter regions suggests that DNA methylation inhibits transcription by interfering with transcription initiation.DNA methylation reduces the binding affinity of sequencespecific transcription factors.Methylationdependent,sequencespecific DNAbinding proteins,such as MDBP may act as transcriptional repressors.15第15页，共42页，编辑于2022年，星期二组蛋白修饰组蛋白修饰组蛋白修饰组蛋白修饰(histone modification)(histone modification)是表观遗传研究的重是表观遗传研究的重要内容。要内容。组蛋白的组蛋白的 N N端是不稳定的、无一定组织的亚单位端是不稳定的、无一定组织的亚单位，其延伸，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。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，使其与白的修饰状态，使其与DNADNA的结合由紧变松，这样靶的结合由紧变松，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重要的染色体结构维持单元和基因表达的负控制因子。子。16第16页，共42页，编辑于2022年，星期二 Histone modifications including acetylation,methylation and phosphorylation are important in transcriptional regulation and many are stably maintained during cell division,although the mechanism for this epigenetic inheritance is not yet well understood.Proteins that mediate these modifications are often associated within the same complexes as those that regulate DNA methylation.17第17页，共42页，编辑于2022年，星期二Covalent modification of histones:Acetylation of lysinesMethylation of lysines and argininesPhosphorylations of serines and threonines Histone Modifications18第18页，共42页，编辑于2022年，星期二Histones5 types:H2A,H2B(slightly lys rich),H3,H4(arg rich)H1(lys rich).All relatively small proteins.Per 200 bp of DNA:2 molecules each of H2A,H2B,H3,H4 and one molecule of H1.19第19页，共42页，编辑于2022年，星期二Histone AcetylationAcetylation of the lysine residues at the N terminus of histone proteins removes positive charges,thereby reducing the affinity between Histones and DNA.This makes RNA polymerase and transcription factors easier to access the promoter region.Therefore,in most cases,histone acetylation enhances transcription while histone deacetylation represses transcription20第20页，共42页，编辑于2022年，星期二Transcription process and its regulation by histone modification21第21页，共42页，编辑于2022年，星期二Histone acetylation and cancerIn acute promyelocytic leukaemia:The oncoprotein produced by the fusion of the PML(promyelocytic leukaemia)gene and the retinoic acid receptor a gene appears to suppress the transcription of specific genes through the recruitment of HDACs.Thus the cancer cell is unable to undergo differentiation,leading to excessive proliferation.Similar phenomena:retinoic acid receptor aPLZF(promyelocytic leukaemia zinc finger protein)fusion,AML1(acute myelocytic leukaemia protein 1)ETO fusion,and also in theMyc/Mad/Max signalling pathway involved in solid malignancies.22第22页，共42页，编辑于2022年，星期二It is clear that HDAC enzymes seldom operate alone.Many proteins,with various functions such as recruitment,co-repression or chromatin remodelling,are involved in forming a complex that results in the repressor complex.23第23页，共42页，编辑于2022年，星期二There are two protein families with HDAC activity:the recently discoveredSIR2 family of NAD+-dependent HDACs and the classical HDAC family.Members of the classical HDAC family fall into two different phylogeneticclasses-class I and class II The class I HDACs(HDAC1,2,3 and 8)are most closely related to the yeast(Saccharomyces cerevisiae)transcriptional regulator RPD3.Class II HDACs(HDAC4,5,6,7,9 and 10)share domains with similarity to HDA1,another deacetylase found in yeast.Recently a new member of the HDAC family has been identified,HDAC1124第24页，共42页，编辑于2022年，星期二 A wide variety of processes are associated with the inhibition of HDACs,such as apoptosis,necrosis,differentiation,inhibition of proliferation and cytostasis.Currently,many efforts are being made to expand our knowledge of the HDACs and to develop potent and stable HDACi.25第25页，共42页，编辑于2022年，星期二RESPONSIVE GENES By studying the effects of HDACi on the expression of various genes and their regulatory pathways,a more detailed picture will emerge of how the inhibition of HDACs,combined with the HDAC expression profile of that cell,ultimately determines the fate of the cell.26第26页，共42页，编辑于2022年，星期二组蛋白修饰的种类组蛋白修饰的种类27第27页，共42页，编辑于2022年，星期二染色质重塑染色质重塑染色质重塑（染色质重塑（chromatin remodelingchromatin remodeling）是一个重要）是一个重要的表观遗传学机制。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。染色质上核小体变化为基本特征的生物学过程。组蛋白尾巴的化学修饰（乙酰化、甲基化及磷酸化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等）可以改变染色质结构，从而影响邻近基因的活性。性。28第28页，共42页，编辑于2022年，星期二Johnstone 2002Epigenetic Mechanisms29第29页，共42页，编辑于2022年，星期二Chromatin-Level Regulation of Gene ExpressionGarfinkel and Ruden Nutrition:20:56-62,200430第30页，共42页，编辑于2022年，星期二染色质修饰与重塑（共价修饰型与染色质修饰与重塑（共价修饰型与ATPATP依赖型）依赖型）31第31页，共42页，编辑于2022年，星期二MicroRNAMicroRNAmiRNAmiRNA是近年来生命科学领域的研究热点，是一组生物是近年来生命科学领域的研究热点，是一组生物体基因组编码的内源性非编码小体基因组编码的内源性非编码小RNARNA。miRNAmiRNA主要采用降解靶主要采用降解靶mRNAmRNA和抑制靶和抑制靶mRNAmRNA的翻译两种作的翻译两种作用方式在转录后水平调控基因表达。用方式在转录后水平调控基因表达。降解靶降解靶mRNAmRNA的方式与的方式与siRNAsiRNA的作用方式相似，直接作用的作用方式相似，直接作用于靶于靶mRNAmRNA，直接导致，直接导致mRNAmRNA表达水平下降。表达水平下降。但绝大多数哺乳动物细胞中的但绝大多数哺乳动物细胞中的miRNAs miRNAs 并不导致靶并不导致靶mRNAmRNA的降解，而是通过与靶的降解，而是通过与靶mRNAmRNA的的3 3端非翻译区（端非翻译区（UTRUTR）不）不完全匹配结合，抑制完全匹配结合，抑制mRNAmRNA翻译成蛋白质，使靶基因的蛋翻译成蛋白质，使靶基因的蛋白质表达水平下降。白质表达水平下降。32第32页，共42页，编辑于2022年，星期二 A primary transcript(pri-miRNA)is first processed into a stem-loop structure about 6080 nt(pre-miRNA)by the RNase endonuclease Drosha.pre-miRNAs are exported to the cytoplasm by Exportin-5.Dicer cleaves the hairpin,releasing a miRNA:-miRNA duplex,which has a two base overhang at both 30 ends.The strands of this duplex separate and release a 2125 nt mature miRNA.33第33页，共42页，编辑于2022年，星期二http:/microrna.sanger.ac.uk/sequences/search.shtml利用公共数据库寻找某个利用公共数据库寻找某个miRNAmiRNA的的targettarget基因基因34第34页，共42页，编辑于2022年，星期二http:/cbio.mskcc.org/cgi-bin/mirnaviewer/mirnaviewer.pl利用公共数据库还能找被几个利用公共数据库还能找被几个miRNAmiRNA的共同调节的的共同调节的targettarget基因基因35第35页，共42页，编辑于2022年，星期二36第36页，共42页，编辑于2022年，星期二 miRNA与肿瘤发生的关系存在两种可能的模式 Caldas,et al.（Nature Medicine 2005）：1、若miRNA表达上调，其对应抑癌基因表达下调时，则可能导致肿 瘤发生；2、若miRNA表达下调，其对应癌基因表达上调时，同样可能导致肿 瘤发生。37第37页，共42页，编辑于2022年，星期二 许多瘤基因和肿瘤抑制基因都受到miRNAsmiRNAs分子的调控，此时的miRNAs可能起到癌基因或是肿瘤抑制基因的作用。miRNAmiRNA癌基因的活化和miRNA抑癌基因失活导致肿瘤抑瘤基因表达下调以及这些miRNAmiRNA基因与蛋白编码癌基因、抑癌基因协同作用导致肿瘤发生.38第38页，共42页，编辑于2022年，星期二 miRNA miRNA的的甲基化修饰甲基化修饰39第39页，共42页，编辑于2022年，星期二miRNAmiRNA芯片是目前筛选和研究芯片是目前筛选和研究miRNAmiRNA调控的高通量手段调控的高通量手段40第40页，共42页，编辑于2022年，星期二思考题：思考题：1.1.何谓表观遗传学？何谓表观遗传学？2.2.表观遗传学的主要研究内容是什么？表观遗传学的主要研究内容是什么？3.3.如何运用表观遗传策略对肿瘤进行诊断如何运用表观遗传策略对肿瘤进行诊断与治疗？与治疗？41第41页，共42页，编辑于2022年，星期二Thanks42第42页，共42页，编辑于2022年，星期二