第10章基因组表观遗传精.ppt
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1、第10章基因组表观遗传第1页,本讲稿共62页l多细胞生物通常由许多形态和功能不同的组织和多细胞生物通常由许多形态和功能不同的组织和细胞组成细胞组成,虽然具有相同的基因型虽然具有相同的基因型,但不同细胞的基因表但不同细胞的基因表达模式却各不相同达模式却各不相同.多细胞生物个体不同组织细胞如何维多细胞生物个体不同组织细胞如何维持不同表达模式呢持不同表达模式呢?l已分化的同一类型细胞其表达模式是一致的,保留着相已分化的同一类型细胞其表达模式是一致的,保留着相同的遗传同的遗传“记忆记忆”,这种遗传,这种遗传“记忆记忆”是通过是通过“表观遗表观遗传传”(epigenetic)的方式实现的,表观遗传也是基
2、)的方式实现的,表观遗传也是基因组程序化的主要表现形式。因组程序化的主要表现形式。10.1 什么是表观遗传第2页,本讲稿共62页表观遗传学(epigenetics):研究在研究在不改变不改变DNA顺序顺序的情况下基因表达的情况下基因表达出现出现可遗传变化可遗传变化的学科的学科.这种表达模式的改这种表达模式的改变可通过有丝分裂和减数分裂传递给子代变可通过有丝分裂和减数分裂传递给子代.表观遗传学是功能基因组学研究的重要领表观遗传学是功能基因组学研究的重要领域域,是基因表达调控的重要方式之一是基因表达调控的重要方式之一.10.2 表观遗传的定义第3页,本讲稿共62页10.1.2 表观遗传现象表观遗传
3、现象广义的表观遗传广义的表观遗传(epigenetic)包括以下内容包括以下内容:1)DNA的甲基化的甲基化2)位置效应位置效应3)核小体和组蛋白的修饰核小体和组蛋白的修饰(乙酰基化和甲基化乙酰基化和甲基化)4)RNAi(siRNA和和miRNA)5)染色质的动态异染色质化染色质的动态异染色质化(如如X-染色体的失活染色体的失活)6)基因组印记基因组印记(genomicgenomicimprintingimprinting)7)等位基因的副突变及同源抑制,颠换效应等位基因的副突变及同源抑制,颠换效应8)朊蛋白朊蛋白(Prion)第4页,本讲稿共62页10.1.3 表观遗传机制l虽然表观遗传现象
4、不涉及基因或DNA序列的改变,但表观遗传仍然具有物质基础,它们同DNA的序列组成、序列组成、基因的空间位置、染色体的构型变化和基因的空间位置、染色体的构型变化和DNA的碱基修的碱基修饰饰有关。第5页,本讲稿共62页染色质重建:染色质重建:染色质状态的改变染色质状态的改变SNF/SWIHistone ModificationAcetylationUbiquitinationSumoylationMethylationPhosphorylationDNA MethylationCpG dinucleotidesMeCP2Histone SubstitutionH2AZH2AxH3.3Transcr
5、iption FactorModificationAcetylationPhosphorylation 染色质修饰染色质修饰第6页,本讲稿共62页DNA去甲基化与肌肉细胞分化第7页,本讲稿共62页基因的三维调控第8页,本讲稿共62页10.2 位 置 效 应与表观遗传 位置效应位置效应:由于基因变换了在染色体上的位置而引由于基因变换了在染色体上的位置而引起表现型改变的现象。起表现型改变的现象。位置效应表明基因的功能以及基因对生物表现型的位置效应表明基因的功能以及基因对生物表现型的影响可以在不改变遗传物质本身的情况下仅仅由影响可以在不改变遗传物质本身的情况下仅仅由于遗传物质在染色体上的位置差别而发
6、生变化。于遗传物质在染色体上的位置差别而发生变化。位置效应实际上反映了基因组不同区域的特定位置效应实际上反映了基因组不同区域的特定 的染色质结构。的染色质结构。第9页,本讲稿共62页两种位置效应美国学者美国学者E.B.E.B.刘易斯把位置效应分为两大刘易斯把位置效应分为两大类型:类型:稳定型和花斑型稳定型和花斑型。稳定型位置效应稳定型位置效应 简称简称S S型位置效应,表型型位置效应,表型 改变是稳定的。改变是稳定的。花斑型位置效应花斑型位置效应 简称简称V V型效应,其表型改型效应,其表型改 变是不稳定的,从而导致显性和隐性变是不稳定的,从而导致显性和隐性 性状嵌合的花斑现象。性状嵌合的花斑
7、现象。第10页,本讲稿共62页花斑型位置效应花斑型位置效应当某一基因由当某一基因由于染色体重排于染色体重排从原来的常染从原来的常染色质区移到异色质区移到异染色质区附近染色质区附近,因异染色质的因异染色质的扩散效应扩散效应,造造成基因表达的成基因表达的改变改变.这种抑这种抑制效应的差别制效应的差别使基因表达受使基因表达受抑程度不同抑程度不同,由此产生嵌合由此产生嵌合.第11页,本讲稿共62页10.2.1 座位控制区l在基因本身的调控序列之外还有其他的位于5上游区域的DNA序列对下游一组基因的表达进行调控,这些调控序列称之为座位控制区(locus control region,LCR).lLCR与
8、其下游的一个或一组基因共同组成独立的功能域.lLCR的DNase超敏位点随发育状态而改变,因此LCR区的染色质结构模式是动态的.第12页,本讲稿共62页-球蛋白质基因座位控制区球蛋白质基因座位控制区第13页,本讲稿共62页-球蛋球蛋白质白质基因基因座位座位控制控制区区第14页,本讲稿共62页10.2.2 绝缘子1 1)19851985年,年,UdvardyUdvardy等在果蝇染色体等在果蝇染色体87A787A7条带热激蛋白基因座的条带热激蛋白基因座的两侧发现了两段取名为两侧发现了两段取名为scs scs 和和scsscs(specialized chronatin (specialized
9、chronatin structures,structures,特化染色质区特化染色质区)的顺序。的顺序。scsscs和和scs scs 长分别为长分别为350 350 bp bp 和和 200 bp200 bp,对,对DNAase I DNAase I 有高度抗性。这两个序列的两侧均有高度抗性。这两个序列的两侧均有有DNaseIDNaseI超敏位点,各为超敏位点,各为100 bp100 bp。2 2)将将scsscs置置于于控控制制眼眼睛睛颜颜色色的的基基因因两两侧侧然然后后导导入入果果蝇蝇,转转化化的的果果蝇蝇品品系系不不管管转转基基因因位位于于何何处处,均均可可产产生生类类似似的的表表型
10、型,说说明明scsscs可使转基因免受内源染色质的可使转基因免受内源染色质的“位置影响位置影响”。这这种种可可以以阻阻止止邻邻近近位位置置激激活活或或失失活活效效应应的的顺顺序序现现在在称称之之为为绝缘子绝缘子(insulatorinsulator)。第15页,本讲稿共62页 果蝇绝缘子(insulator)第16页,本讲稿共62页 果蝇多线染色体横纹区果蝇多线染色体横纹区SCSSCS专一性结合蛋白质专一性结合蛋白质InterbandScs,BEAF-32第17页,本讲稿共62页绝缘子可阻止相邻基因之间绝缘子可阻止相邻基因之间增强子的彼此干扰增强子的彼此干扰1)真核生物增强子具有双向作用真核生
11、物增强子具有双向作用,超长距离功超长距离功 能能,从而带来位置相邻基因之间的彼此干扰从而带来位置相邻基因之间的彼此干扰 问题问题.2)有些基因位与异染色质邻近有些基因位与异染色质邻近,会受到抑制效应的干会受到抑制效应的干扰扰.绝缘子可以阻止上述因位置原因产生的对基因表绝缘子可以阻止上述因位置原因产生的对基因表达的抑制达的抑制.第18页,本讲稿共62页绝缘子的普遍性第19页,本讲稿共62页绝缘子结合蛋白(CTCF)(1)第20页,本讲稿共62页 绝缘子DNA结合蛋白一种一种DNA-结合蛋白结合蛋白CTCF(CCCTC-binding factor,CCCTC结合因子结合因子)可专一性与该可专一性
12、与该42 bp顺序结合。顺序结合。CTCF已在其它实已在其它实验中被证明参与基因的转录激活与沉默,是一个含有验中被证明参与基因的转录激活与沉默,是一个含有11个个锌指的分子量为锌指的分子量为82 ku的蛋白质。人体的蛋白质。人体T细胞受体细胞受体/座位座位及爪蟾(及爪蟾(Xenopus)RO(repeat organizer,重复顺序组织者重复顺序组织者)rRNA基因调控区绝缘子均有保守的基因调控区绝缘子均有保守的CTCF结合位点结合位点(Bell,2001)。这些在进化上处于不同地位的物种中广泛存在绝缘。这些在进化上处于不同地位的物种中广泛存在绝缘子的现象表明,子的现象表明,以绝缘子界定增强
13、子的作用范围是真核基以绝缘子界定增强子的作用范围是真核基因组一种普遍的控制基因活性的机制因组一种普遍的控制基因活性的机制.第21页,本讲稿共62页绝缘子的定向控制第22页,本讲稿共62页 绝缘子效应方向性的说明绝缘子的效应具有方向性绝缘子的效应具有方向性 果蝇的果蝇的yellow(y)座位有)座位有4个个增强子元件,增强子元件,2个位于启动子上游,另个位于启动子上游,另2个位于外显子个位于外显子1和和2之间,它们分别负责不同组织特异性的之间,它们分别负责不同组织特异性的yellow基因的表基因的表达。将含有绝缘子的果蝇逆转录转座子达。将含有绝缘子的果蝇逆转录转座子gypsy依次分别插依次分别插
14、入每个增强子元件的附近,绝缘子对增强子的阻隔效应入每个增强子元件的附近,绝缘子对增强子的阻隔效应依位置不同而异依位置不同而异:1)如果插入位置在启动子的如果插入位置在启动子的5方向,将影响绝缘子上游方向,将影响绝缘子上游 增强子元件的作用。增强子元件的作用。2)如果插入位置在启动子的如果插入位置在启动子的3方向,只影响下游增强子方向,只影响下游增强子 元件的功能。元件的功能。3)如果插入位置不在增强子与启动子之间,绝缘子对增如果插入位置不在增强子与启动子之间,绝缘子对增 强子无阻隔效应。强子无阻隔效应。第23页,本讲稿共62页 绝缘子的两种工作模型第24页,本讲稿共62页10.2.3 副突变l
15、副突变(paramutation):在杂合子中某一等位基因影响同一座位上另一等位基因的表型,副突变在转基因表现型中也已发现,称为同源抑制.产生原因:两个同源的等位基因之间存在反式互作,使其中一个等位基因的DNA甲基化状态发生改变从而导致染色质结构的变化,并进一步影响到基因的表达.第25页,本讲稿共62页副突变副突变副突变:最初在玉米最初在玉米中发现的中发现的.副突变不涉副突变不涉及基因结构及基因结构的改变的改变,只是只是等位基因的等位基因的表达模式不表达模式不同于原来的同于原来的同源基因同源基因.第26页,本讲稿共62页副突变遗传效应第27页,本讲稿共62页10.3 DNA甲基化与表观遗传 基
16、因组的甲基化模式可影响表型并能通过体细胞遗传,但不改变细胞的基因型.A甲基转移酶主要存在于低等真核生物 C甲基转移酶主要存在于高等真核生物 两者都以SAM(S腺苷甲硫氨酸)为底物.第28页,本讲稿共62页高等生物基因组普遍存在甲基化 1)DNA分子的化学修饰主要是甲基化,分子的化学修饰主要是甲基化,脊椎动物基因脊椎动物基因 组中约组中约60-80%双核苷酸双核苷酸CpG的胞嘧啶(的胞嘧啶(C)被甲基)被甲基 化。化。被子植物基因组被子植物基因组中,甲基化位置主要出现在中,甲基化位置主要出现在 CpG和和CpNpG回文对称顺序,大约回文对称顺序,大约20-30%的胞嘧啶的胞嘧啶 (C)被甲基化。
17、被甲基化。DNA的甲基化在基因的表达调控中的甲基化在基因的表达调控中 起重要作用。起重要作用。2)基因组的甲基化模式可影响表型并能通过体细胞遗)基因组的甲基化模式可影响表型并能通过体细胞遗 传,但不改变细胞的基因型,传,但不改变细胞的基因型,基因组的甲基化是表观基因组的甲基化是表观 遗传的重要内容之一遗传的重要内容之一.第29页,本讲稿共62页真核生物胞嘧啶DNA甲基化酶的结构第30页,本讲稿共62页10.3.2 甲基化与基因调控甲基化与基因调控 DNA甲基甲基化主要通化主要通过影响染过影响染色质的结色质的结构阻止转构阻止转录因子与录因子与启动子或启动子或增强子的增强子的结合控制结合控制基因表
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- 10 基因组 表观 遗传
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