表觀遺傳學(xué)與疾病表觀遺傳學(xué)與疾病生物化學(xué)與分子生物學(xué)系生物化學(xué)與分子生物學(xué)系林德馨林德馨遺傳學(xué)遺傳學(xué)（Genetics）：）：研究生物的研究生物的遺傳遺傳與與變異變異的科學(xué)。的科學(xué)。即研究研究基因基因的結(jié)構(gòu)、功能及其變異、傳遞和的結(jié)構(gòu)、功能及其變異、傳遞和表達(dá)規(guī)律的表達(dá)規(guī)律的學(xué)科學(xué)科。遺傳的分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是核酸，堿基序列的改遺傳的分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是核酸，堿基序列的改變引起生物體表現(xiàn)型的改變，這種改變可以變引起生物體表現(xiàn)型的改變，這種改變可以從上一代傳遞到下一代。從上一代傳遞到下一代。不同表型不同表型相同的基因型相同的基因型Agouti基因基因甲基化甲基化/葉酸葉酸沒有沒有DNA序列的變化，可發(fā)生生物體表現(xiàn)序列的變化，可發(fā)生生物體表現(xiàn)型的可遺傳的改變型的可遺傳的改變表觀遺傳學(xué)表觀遺傳學(xué)表觀遺傳學(xué)概述表觀遺傳學(xué)概述表觀遺傳改變及其分子基礎(chǔ)表觀遺傳改變及其分子基礎(chǔ)表觀遺傳修飾與疾病關(guān)系表觀遺傳修飾與疾病關(guān)系概概述述1942年沃丁頓（年沃丁頓（Waddingtong）第）第1次提出次提出表觀遺傳學(xué)：表觀遺傳學(xué)：epigenetics表觀遺傳現(xiàn)象：表觀遺傳現(xiàn)象：基因型未發(fā)生變化，表型發(fā)生基因型未發(fā)生變化，表型發(fā)生可遺傳可遺傳的改變。的改變。DNA序列無變化，基因表達(dá)發(fā)生可遺傳改變。序列無變化，基因表達(dá)發(fā)生可遺傳改變。這種改變是由于細(xì)胞內(nèi)除遺傳信息以外的其他這種改變是由于細(xì)胞內(nèi)除遺傳信息以外的其他可遺傳物質(zhì)發(fā)生改變?？蛇z傳物質(zhì)發(fā)生改變。1987年霍利德年霍利德(Holliday)：2個層面研究基因個層面研究基因第一個層面：第一個層面：基因世代間傳遞的規(guī)律，基因世代間傳遞的規(guī)律，基因結(jié)基因結(jié)構(gòu)構(gòu)中遺傳信息的變化，即遺傳學(xué)。中遺傳信息的變化，即遺傳學(xué)。第二個層面：第二個層面：生物從受精卵到成體的個體發(fā)育生物從受精卵到成體的個體發(fā)育過程中過程中基因活性基因活性的變化，這是表觀遺傳學(xué)。的變化，這是表觀遺傳學(xué)?；蚪M印跡：基因組印跡：genomicimprintingX染色體失活：染色體失活：X-Chromosomeinactivation 表觀遺傳現(xiàn)象：表觀遺傳現(xiàn)象：基因組印跡：基因組印跡：兩個等位基因的差異性甲基兩個等位基因的差異性甲基化型造成一個等位基因沉默，另一個等位化型造成一個等位基因沉默，另一個等位基因保持單等位基因活性?；虮３謫蔚任换蚧钚?。X染色體失活：染色體失活：雌性哺乳動物體細(xì)胞的兩雌性哺乳動物體細(xì)胞的兩條條X染色體中會有一條發(fā)生隨機(jī)失活。染色體中會有一條發(fā)生隨機(jī)失活。1994年，年，Holliday第三層面：第三層面：基因表達(dá)活性的變化，發(fā)生在生基因表達(dá)活性的變化，發(fā)生在生物體已物體已分化的細(xì)胞分化的細(xì)胞中；基因表達(dá)的變化可通中；基因表達(dá)的變化可通過有絲分裂的細(xì)胞遺傳下去。過有絲分裂的細(xì)胞遺傳下去。表觀遺傳與表觀遺傳與疾病疾病相關(guān)。相關(guān)。1999年，年，Wollfe表觀遺傳學(xué)定義：表觀遺傳學(xué)定義：研究沒有研究沒有DNA序列變化序列變化的、可遺傳的基因表達(dá)的改變。的、可遺傳的基因表達(dá)的改變。經(jīng)典遺傳學(xué)：經(jīng)典遺傳學(xué)：基因型的遺傳基因型的遺傳 遺傳的分子基礎(chǔ)是核酸，堿基序列的改變引遺傳的分子基礎(chǔ)是核酸，堿基序列的改變引起生物體表現(xiàn)型的改變，這種改變可以從上起生物體表現(xiàn)型的改變，這種改變可以從上一代傳遞到下一代。一代傳遞到下一代。表觀遺傳學(xué)：表觀遺傳學(xué)：表型的遺傳表型的遺傳研究基因序列沒有發(fā)生改變的情況下，基因研究基因序列沒有發(fā)生改變的情況下，基因表達(dá)過程發(fā)生可遺傳的變化，導(dǎo)致表型變化表達(dá)過程發(fā)生可遺傳的變化，導(dǎo)致表型變化的遺傳學(xué)分支學(xué)科。的遺傳學(xué)分支學(xué)科。表觀遺傳學(xué)是在以孟德爾式遺傳為理論基表觀遺傳學(xué)是在以孟德爾式遺傳為理論基石的經(jīng)典遺傳學(xué)和分子遺傳學(xué)母體中孕育的、石的經(jīng)典遺傳學(xué)和分子遺傳學(xué)母體中孕育的、專門研究基因功能實現(xiàn)的一種特殊機(jī)制的遺傳專門研究基因功能實現(xiàn)的一種特殊機(jī)制的遺傳學(xué)分支學(xué)科。學(xué)分支學(xué)科。表觀遺傳研究進(jìn)一步促進(jìn)了遺傳學(xué)和基因表觀遺傳研究進(jìn)一步促進(jìn)了遺傳學(xué)和基因組學(xué)的研究。組學(xué)的研究。表觀基因組學(xué)和人類表觀基因組計劃表觀基因組學(xué)和人類表觀基因組計劃 表觀基因組學(xué)表觀基因組學(xué)（epigenomics）：）：在基因組水平上，研究表觀遺傳學(xué)的變化。在基因組水平上，研究表觀遺傳學(xué)的變化。人類表觀基因組計劃人類表觀基因組計劃（1999年年12月）月）（HumanEpigenomeProject，HEP)：研究人類基因組中研究人類基因組中表觀遺傳信息及其與疾病的關(guān)系表觀遺傳信息及其與疾病的關(guān)系首先繪制不同組織類型和疾病狀態(tài)下的人類基因組首先繪制不同組織類型和疾病狀態(tài)下的人類基因組甲基化可變位點(diǎn)圖譜。甲基化可變位點(diǎn)圖譜。人類表觀基因組協(xié)會人類表觀基因組協(xié)會（2003年年10月成立）月成立）Epigenetics：常見譯成：常見譯成：表觀遺傳學(xué)表觀遺傳學(xué)、表現(xiàn)遺傳學(xué)、表現(xiàn)遺傳學(xué)、后生遺傳學(xué)、外因遺傳學(xué)、后生遺傳學(xué)、外因遺傳學(xué)、表遺傳學(xué)、表遺傳學(xué)、外區(qū)遺傳學(xué)外區(qū)遺傳學(xué)表觀遺傳改變及其分子基礎(chǔ)表觀遺傳改變及其分子基礎(chǔ)染色質(zhì)染色質(zhì)DNA或蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)的各種修飾的各種修飾（染色質(zhì)水平的基因表達(dá)調(diào)控）（染色質(zhì)水平的基因表達(dá)調(diào)控）DNA修飾：修飾：DNA甲基化甲基化組蛋白修飾：組蛋白修飾：甲基化、乙酰化甲基化、乙酰化RNA干擾：干擾：RNA識別結(jié)合同源互補(bǔ)核苷酸序列。識別結(jié)合同源互補(bǔ)核苷酸序列?；蚪M印跡：基因組印跡：X染色體失活：染色體失活：一、一、DNA甲基化甲基化（DNADNAmethylationmethylation）：最重要的表觀遺傳修飾形式，研究最清楚。最重要的表觀遺傳修飾形式，研究最清楚。甲基化位點(diǎn)：甲基化位點(diǎn)：CpG中胞嘧啶中胞嘧啶第第5位碳原子位碳原子DNA甲基轉(zhuǎn)移酶：甲基轉(zhuǎn)移酶：甲基來源：甲基來源：一碳單位；一碳單位；S-腺苷蛋氨酸；腺苷蛋氨酸；環(huán)境和飲食因素：葉酸、環(huán)境和飲食因素：葉酸、B12CH3DNMTdCMPdmCMP(mCG)(CG)45S-A-Met（一）甲基化位點(diǎn)：（一）甲基化位點(diǎn)：5-CpG-3中胞嘧啶中胞嘧啶第第5位碳原子位碳原子1.基因組基因組DNACpG：7080甲基化狀態(tài)甲基化狀態(tài)CpG甲基化與基因組穩(wěn)定性相關(guān)。甲基化與基因組穩(wěn)定性相關(guān)。2.CpG島島CpG：CpG島：島：CpG雙核苷酸局部聚集，形成雙核苷酸局部聚集，形成GC含量較高、含量較高、CpG雙核苷酸相對集中的區(qū)域。雙核苷酸相對集中的區(qū)域。CpG島島CpG多為非甲基化狀態(tài)多為非甲基化狀態(tài)CpG島島CpG甲基化與基因表達(dá)抑制相關(guān)。甲基化與基因表達(dá)抑制相關(guān)。轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)附近的轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)附近的CpG島（島（TSSCGIs）：）：（CpGislandsproximaltothetranscriptionstartsiteofgenes）正常組織：正常組織：TSSCGIs是非甲基化的，是非甲基化的，腫瘤組織：腫瘤組織：TSSCGIs發(fā)生甲基化，與轉(zhuǎn)錄抑制相關(guān)。發(fā)生甲基化，與轉(zhuǎn)錄抑制相關(guān)。轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)外的轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)外的CpG島（島（non-TSSCpG）:non-TSSCGIs多數(shù)位于高度重復(fù)序列的附近。多數(shù)位于高度重復(fù)序列的附近。正常組織：通常呈高度的甲基化。正常組織：通常呈高度的甲基化。腫瘤組織：甲基化程度降低，腫瘤組織：甲基化程度降低，降低程度與癌癥的嚴(yán)重程度相關(guān)。降低程度與癌癥的嚴(yán)重程度相關(guān)。DNA穩(wěn)定性降低，發(fā)生斷裂等。穩(wěn)定性降低，發(fā)生斷裂等。CpG島分類島分類CpG島的分析島的分析Gardiner-Gardenandfrommer定義定義（http:/www.bio- DNADNA復(fù)制酶復(fù)制酶CHCH3 3CHCH3 3CHCH3 3CHCH3 3DNADNA甲基甲基轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)移酶1 1CHCH3 3CHCH3 3CHCH3 3CHCH3 3DNADNA復(fù)制后甲基化的維持復(fù)制后甲基化的維持 DNA甲基化催化子鏈催化子鏈DNA半甲基化位點(diǎn)甲基化半甲基化位點(diǎn)甲基化DNAmethylationreactionsCH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3MaintenanceDNA methyltransferaseDNA replicationCH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3CH3De novo methyltransferase 3DemethylaseCH3CH3CH(DNMT1)新甲基化新甲基化位點(diǎn)形成位點(diǎn)形成飲食、激素以及藥物等外界環(huán)境因素飲食、激素以及藥物等外界環(huán)境因素腺苷蛋氨酸：腺苷蛋氨酸：胞嘧啶甲基化供體。胞嘧啶甲基化供體。蛋氨酸是必需氨基酸蛋氨酸是必需氨基酸葉酸：葉酸：參與一碳單位代謝，間接提供甲基參與一碳單位代謝，間接提供甲基補(bǔ)充腺苷蛋氨酸。補(bǔ)充腺苷蛋氨酸。葉酸攝入不足時可導(dǎo)致葉酸攝入不足時可導(dǎo)致DNA低甲基化。低甲基化。（三）（三）甲基來源：甲基來源：S-腺苷蛋氨酸，一碳單位腺苷蛋氨酸，一碳單位荷蘭的一項隊列研究表明，荷蘭的一項隊列研究表明，葉酸攝入過低葉酸攝入過低可導(dǎo)致甲基化狀態(tài)紊亂可導(dǎo)致甲基化狀態(tài)紊亂，導(dǎo)致神經(jīng)管畸形、癌導(dǎo)致神經(jīng)管畸形、癌癥和動脈硬化。癥和動脈硬化。這種變化可被過量飲酒加劇。這種變化可被過量飲酒加劇。WaterlandRA等發(fā)現(xiàn)斷奶后的飲食，影響等發(fā)現(xiàn)斷奶后的飲食，影響IGF2基因的甲基化狀態(tài)，當(dāng)飲食中缺乏基因的甲基化狀態(tài)，當(dāng)飲食中缺乏葉酸、葉酸、維生素維生素12等甲基供體時可導(dǎo)致成年后等甲基供體時可導(dǎo)致成年后IGF2的的印記丟失。印記丟失。非甲基化非甲基化(non-methylated)：與基因活化與基因活化(geneactivation)相關(guān)聯(lián)。相關(guān)聯(lián)。DNA甲基化：甲基化：與基因沉默與基因沉默(genesilence)相關(guān)聯(lián)。相關(guān)聯(lián)。去甲基化去甲基化(demethylation)：與沉默基因重新激活與沉默基因重新激活(reactivation)相關(guān)聯(lián)。相關(guān)聯(lián)。（四）（四）DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)制甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)制Prevent the binding of transcription factorsTF1.直接抑制基因表達(dá)：直接抑制基因表達(dá)：啟動子區(qū)啟動子區(qū)CpG序列甲基化，序列甲基化，影響轉(zhuǎn)錄激活因子與啟動子識別結(jié)合。影響轉(zhuǎn)錄激活因子與啟動子識別結(jié)合。2.間接抑制基因表達(dá)：間接抑制基因表達(dá)：非啟動子區(qū)非啟動子區(qū)CpG序列甲基化，被序列甲基化，被甲基結(jié)合蛋甲基結(jié)合蛋白家族白家族（MBD）識別結(jié)合，影響組蛋白修飾）識別結(jié)合，影響組蛋白修飾后者募集：后者募集：組蛋白去乙?；附M蛋白去乙?；福℉DAC）和）和組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶（HMT）等，）等，修飾組蛋白改變?nèi)旧|(zhì)活性。修飾組蛋白改變?nèi)旧|(zhì)活性。Methylatedcytosinesarerecognizedbymethyl-CpG-bindingproteins(MBDs),whichinturnrecruithistonedeacetylases(HDACs)tothesiteofmethylation,convertingthechromatinintoaclosedstructurethatcannolongerbeaccessedbythetranscriptionalmachinery.Modelformethylation-dependentgenesilencing（五）（五）DNA甲基化的檢測方法甲基化的檢測方法1.概述概述分離甲基化的分離甲基化的DNA：甲基化敏感的限制性內(nèi)切酶法甲基化敏感的限制性內(nèi)切酶法亞硫酸氫鹽修飾的方法亞硫酸氫鹽修飾的方法基于甲基化基于甲基化DNA的特異性抗體免疫沉淀法的特異性抗體免疫沉淀法甲基化位點(diǎn)的定位和定量測定：甲基化位點(diǎn)的定位和定量測定：PCR、基因測序、基因芯片、基因測序、基因芯片、MassArry、高壓液相等。高壓液相等。檢測方法組合檢測方法組合亞硫酸氫鈉亞硫酸氫鈉+測序測序亞硫酸氫鈉亞硫酸氫鈉+基因芯片基因芯片酶切酶切+基因芯片基因芯片甲基化抗體甲基化抗體+基因芯片基因芯片基因組整體水基因組整體水平甲基化分析平甲