表观遗传学创新实验ppt课件.ppt
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1、表观遗传学创新实验表观遗传学创新实验5-氮胞苷处理水稻幼苗对基因组氮胞苷处理水稻幼苗对基因组DNA甲基化的影响甲基化的影响 庞劲松庞劲松刘宝刘宝东北师范大学生物基础实验教学中心东北师范大学生物基础实验教学中心在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确v表观遗传学与表观遗传学与DNA甲基化甲基化vDNA甲基化作用甲基化作用DNA的甲基化及其方式的甲基化及其方式DNA甲基化的生物学意义甲基化的生物学意义DNA胞嘧啶甲基化的种类和形成胞嘧啶甲基化的种类和形成vDNA胞嘧啶甲基化检测胞嘧啶甲基化检测检测方法检测方法:MSAP,bisul
2、fitesequencingv5氮胞苷处理对水稻氮胞苷处理对水稻DNA甲基化的影响甲基化的影响实验目的实验目的实验材料实验材料仪器仪器试剂试剂实验方法实验方法v5-氮胞苷处理水稻幼苗氮胞苷处理水稻幼苗v植物基因组植物基因组DNA的提取与纯化的提取与纯化v基因组基因组DNA酶切酶切-连接接头连接接头vPCR扩增扩增:预扩增预扩增,选择性扩增选择性扩增vPAGE电泳电泳预期实验结果预期实验结果注意事项与建议注意事项与建议思考题思考题参考文献参考文献在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确v表观遗传学:表观遗传学:不需要基因序列改变
3、而产生的可遗传的基因表达改变;不需要基因序列改变而产生的可遗传的基因表达改变;主要包括主要包括DNA的甲基化修饰和组蛋白氨基酸的末端修的甲基化修饰和组蛋白氨基酸的末端修饰。饰。表观遗传变异包括表观遗传变异包括:X染色体失活、转基因沉默、核染色体失活、转基因沉默、核仁显性和基因组印记等方面。仁显性和基因组印记等方面。表观遗传变异的原因表观遗传变异的原因:是由于表观遗传密码的改变,如:是由于表观遗传密码的改变,如DNA甲基化、组蛋白的公家修饰改变等。甲基化、组蛋白的公家修饰改变等。DNA甲基化:甲基化:在在DNA复制后,经复制后,经DNA甲基转移酶(甲基转移酶(DMT)催化,)催化,将将S-腺苷酰
4、腺苷酰-L-甲硫氨酸甲硫氨酸(SAM)上的甲基基团连接到上的甲基基团连接到DNA分子腺嘌呤碱基或胞嘧啶碱基上,进行分子腺嘌呤碱基或胞嘧啶碱基上,进行DNA修修饰的过程。饰的过程。在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确vDNA甲基化的方式甲基化的方式胞嘧啶甲基化胞嘧啶甲基化腺嘌呤甲基化腺嘌呤甲基化DAM(DNA腺嘌呤甲基转移酶腺嘌呤甲基转移酶)识别回文序列识别回文序列GATC,在此位在此位置两条链的腺嘌呤置两条链的腺嘌呤N-6位置上位置上同时甲基化,同时同时甲基化,同时SAM转变为转变为SAH(S-腺苷高半胱氨酸腺苷高半胱氨酸
5、)在DMT(DNA甲基转移酶)的作用下,CpG(CNG,CCGG)位点胞嘧啶C5被甲基化 DNA甲基化作用甲基化作用图图1胞嘧啶甲基化过程胞嘧啶甲基化过程图图2腺嘌呤甲基化过程腺嘌呤甲基化过程在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确vDNA甲基化的生物学意义甲基化的生物学意义影响基因表达状态:通过该表基因调控区影响基因表达状态:通过该表基因调控区DNA甲基化程度调甲基化程度调控基因转录控基因转录图图3甲基化与基因沉默甲基化与基因沉默参与基因组防御:通过高度甲基化而使外源参与基因组防御:通过高度甲基化而使外源DNA(如转座子)(
6、如转座子)处于沉默状态处于沉默状态提高环境适应能力:在不改变基因型的情况下产生可遗传的新提高环境适应能力:在不改变基因型的情况下产生可遗传的新表型表型在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确vDNA胞嘧啶甲基化的种类和形成胞嘧啶甲基化的种类和形成从头甲基化从头甲基化(de novomethylation)vDNMT3a,DNMT3bv在完全没有甲基化的在完全没有甲基化的DNA上加上甲基。上加上甲基。维持甲基化维持甲基化(maintenancemethylation)vMet1,DNMT1v较特异地识别半甲基化状态的较特异地识别
7、半甲基化状态的DNA,负责,负责在细胞分裂过程中依据在细胞分裂过程中依据DNA母链的甲基化母链的甲基化状态给新合成的状态给新合成的DNA链上加上甲基。链上加上甲基。图图4两种胞嘧啶两种胞嘧啶甲基化方式甲基化方式在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确DNA胞嘧啶甲基化检测方法胞嘧啶甲基化检测方法使用对胞嘧啶使用对胞嘧啶5-甲基化状态敏感的限制性内切酶进甲基化状态敏感的限制性内切酶进行酶切处理,然后检测多态性:行酶切处理,然后检测多态性:v甲基化敏感扩增多态性甲基化敏感扩增多态性(MSAP,MethylationSensitiv
8、eAmplificationPolymorphism)胞嘧啶转化为其它碱基,然后对比测序:胞嘧啶转化为其它碱基,然后对比测序:v重亚硫酸盐测序重亚硫酸盐测序(Bisulfitesequencing)GCmTACT重亚硫酸钠重亚硫酸钠GCmTATT测序测序测序测序此外,还有单核苷酸法,甲基化接受力的检测法,此外,还有单核苷酸法,甲基化接受力的检测法,CpG岛分离法和基因活性测量法,基因芯片法等岛分离法和基因活性测量法,基因芯片法等 在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确vMSAP用途:用途:v最常用的大规模检测基因组甲基化变异
9、水平和位点的手段最常用的大规模检测基因组甲基化变异水平和位点的手段原理:原理:v利用对利用对DNA甲基化敏感性不同的同裂酶分别切割甲基化敏感性不同的同裂酶分别切割DNA,产生不同的酶切产,产生不同的酶切产物,同时将酶切产物添加接头,然后进行物,同时将酶切产物添加接头,然后进行PCR扩增、扩增、PAGE电泳、银染,产电泳、银染,产生可见的具有不同酶切型式的谱带,即可得知生可见的具有不同酶切型式的谱带,即可得知DNA甲基化信息。甲基化信息。甲基化状态分析:甲基化状态分析:v在不同泳道相对应的位置上,如果在不同泳道相对应的位置上,如果MspI酶切产物有扩增带、而酶切产物有扩增带、而HpaII酶切酶切
10、产物没有扩增带的,说明此处的序列是产物没有扩增带的,说明此处的序列是CCmGG;若都有扩增带,说明此;若都有扩增带,说明此处是处是CCGG。还可以进一步对差异条带进行切胶回收、克隆、测序,以便。还可以进一步对差异条带进行切胶回收、克隆、测序,以便得知发生甲基化变化的胞嘧啶的具体位置。得知发生甲基化变化的胞嘧啶的具体位置。v表表1甲基化敏感酶对不同甲基化状态甲基化敏感酶对不同甲基化状态DNA的切割结果的切割结果原始序列原始序列内切酶内切酶CCGGCCmGGCmCGGHpaIICCGG不切割不切割不切割不切割MspICCGGCCmGG不切割不切割在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而
11、问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确vMSAP流程:流程:提取基因组提取基因组DNA(注意发育时期和成长状态相同注意发育时期和成长状态相同)ATCCGGTGGCTTGCCmGGACTAGGCCACCGAACGGCCTGMspI酶切酶切+接头接头HapII酶切酶切+接头接头ATCCGGTGGCTTGCCmGGACATCCGGTGGCTTGCCmGGACTAGGCCACCGAACGGCCTGTAGGCCACCGAACGGCCTGPCRPCRPAGE电泳电泳PAGE电泳电泳MspI5CC(m)GG33GGC(m)C5HpaII5CCGG33GGCC3在整堂课的教学中,刘教师总是让
12、学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确v重亚硫酸盐测序重亚硫酸盐测序图图5重亚硫酸盐测序原理重亚硫酸盐测序原理在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确5氮胞苷处理对水稻氮胞苷处理对水稻DNA甲基化的影响甲基化的影响v实验目的实验目的使用不同浓度的使用不同浓度的5氮胞苷溶液,处理生长早期的水稻幼苗,使氮胞苷溶液,处理生长早期的水稻幼苗,使其基因组其基因组DNA胞嘧啶甲基化水平发生显著的可遗传改变,使用胞嘧啶甲基化水平发生显著的可遗传改变,使用MSAP方法检测方法检测DNA胞嘧啶甲基化水平的
13、改变;水稻幼苗因胞嘧啶甲基化水平的改变;水稻幼苗因DNA甲基化水平改变而影响基因表达水平,产生明显的表观遗甲基化水平改变而影响基因表达水平,产生明显的表观遗传表型。传表型。v实验材料实验材料水稻:日本晴水稻:日本晴(Oryza sativavarjaponica,nipponbare)5氮胞苷如何影响基因组氮胞苷如何影响基因组DNA甲基化水平甲基化水平:5氮胞苷可以与氮胞苷可以与DNA甲基转移酶(甲基转移酶(DMT)结合从而抑制其活性,在)结合从而抑制其活性,在DNA复制复制过程中抑制维持甲基化作用,使复制后的过程中抑制维持甲基化作用,使复制后的DNA甲基化水平降低。甲基化水平降低。在整堂课的
14、教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确所需仪器所需仪器v离心机离心机PCR仪仪气浴摇床气浴摇床水浴摇床水浴摇床植物生长箱植物生长箱v电泳仪电泳仪电泳槽电泳槽微量移液器微量移液器紫外分析仪紫外分析仪分析天平分析天平 图图6所需主要仪器所需主要仪器在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确v试剂试剂植物基因组植物基因组DNA改良改良CTAB提取液:提取液:vbufferA:0.35mol/LSorbitol,0.1mol/LTris-HClpH7.5,0.5mmol/LED
15、TA;vbufferB:0.2mol/LTris-HClpH7.5,0.05mol/LEDTA,2mol/LNaCl,2%CTAB;vbufferC:5%N-lauroylsarcosinePCR试剂:试剂:TakararTaq,10XPCRbuffer,ddH2O,vPCR引物引物预扩增引物:预扩增引物:H/M+0:(5-GACTGCGTACCAATTCA-3)EcoRI+0:(5-ATCATGAGTCCTGCTCGG-3)选择性扩增引物:选择性扩增引物:H/M+AN:5-GACTGCGTACCAATTCAA(T,C,G)-3EcoRI+AN:5-ATCATGAGTCCTGCTCGGA(T,
16、C,G)-3。酶切酶切-连接试剂:连接试剂:EcoRI(NEB),HapII(NEB),MspI(NEB),T4DNAligase,T410 xreactionbuffer接头:接头:EcoRIadapter:5-CTCGTAGACTGCGTACC-3CATCTGACGCATGGTTAAHapII/MspIadapter:5-GATCATGAGTCCTGCT-3AGTACTCAGGACGAGCPAGE试剂:聚丙烯酰胺,尿素,试剂:聚丙烯酰胺,尿素,AgNO3,Na2CO3,溴酚蓝,溴酚蓝,银染固定银染固定/终止液终止液(10%冰乙酸冰乙酸),染色液,染色液(2升双蒸水预冷,用时加升双蒸水预冷,
17、用时加2克硝酸银,克硝酸银,3ml37%甲甲醛醛),显影液,显影液(2升双蒸水中溶解升双蒸水中溶解60克碳酸钠,冷却至克碳酸钠,冷却至10-12C,用时,加入,用时,加入3ml37%甲醛,甲醛,400ul硫代硫酸钠(硫代硫酸钠(10mg/ml))。其它试剂:其它试剂:5-氮胞苷氮胞苷(100mg/mL),蒸馏水,蒸馏水,PVP(20%),氯仿,氯仿:异戊醇异戊醇(24:1),异丙醇,异丙醇,70%乙醇,乙醇,RNA酶酶A(DNase-free),TE,TAE,琼脂糖,琼脂糖,EB,未酶切的,未酶切的DNA,1xTBE(0.089MTris-borate,0.089MBoricAcid,0.00
18、2MEDTA),3xloadingbuffer(300mMNaOH,97%formamide,0.2%bromophenolblue)。在整堂课的教学中,刘教师总是让学生带着问题来学习,而问题的设置具有一定的梯度,由浅入深,所提出的问题也很明确实验方法实验方法v5-氮胞苷处理水稻幼苗:氮胞苷处理水稻幼苗:26,暗培养,暗培养(1)取水稻取水稻Nipponbare种子种子10粒粒X4组,分别置于组,分别置于90mm培养皿内培养皿内的双层滤纸上,加入的双层滤纸上,加入15mL蒸馏水浸种蒸馏水浸种24h;(第一天);(第一天)(2)分为三个实验组和一个对照组,实验组分别用分为三个实验组和一个对照组,
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