腫瘤的表觀遺傳調控1第1頁，課件共42頁，創作于2023年2月Chromatinpackaging2第2頁，課件共42頁，創作于2023年2月表觀遺傳學概念表觀遺傳(epigenetics)的概念是在1942年由Waddington提出。指DNA序列不發生變化但是基因表達卻發生了可遺傳的改變，也就是說基因型未變化而表型卻發生了改變，這種變化是細胞內除了遺傳信息以外的其他可遺傳物質的改變，并且這種改變在發育和細胞增殖過程中能穩定地傳遞下去。3第3頁，課件共42頁，創作于2023年2月CancerepigeneticsInadditiontohavinggeneticcauses,cancercanalsobeconsideredanepigeneticdisease.

RegulationbygeneticsinvolvesachangeintheDNAsequence,whereasepigeneticregulationinvolvesalterationinchromatinstructureandmethylationofthepromoterregion4第4頁，課件共42頁，創作于2023年2月5表觀遺傳學的特點：可遺傳的，即這類改變通過有絲分裂或減數分裂，能在細胞或個體世代間遺傳；可逆性的基因表達調節，也有較少的學者描述為基因活性或功能的改變；沒有DNA序列的改變或不能用DNA序列變化來解釋。表觀遺傳修飾主要包括DNA以及一些與DNA密切相關的蛋白質(例如組蛋白)的化學修飾，另外某些非編碼的RNA也在表觀遺傳修飾中起著重要的作用。55第5頁，課件共42頁，創作于2023年2月EpigeneticRegulationofCancerSiteSpecificHypermethylationGlobalHypomethylationHistoneModificationsRegulatingFactorsDietaryHormonalGeneticVermaM,SrivastavaS.LancetOncol.(2002)3:755-63.DNAMethyltransferasesHistoneMethyltransferasesHistoneAcetylases/DeacetylasesEpigeneticsRegulates:CellCycleControlDNADamageApoptosisInvasionX-ChromosomeInactivationImprintingAging6第6頁，課件共42頁，創作于2023年2月表觀遺傳修飾從多個水平調控基因表達

DNA:DNA甲基化蛋白質：組蛋白修飾

染色質：染色質重塑

RNA：非編碼RNA7第7頁，課件共42頁，創作于2023年2月DNA甲基化

DNA甲基化(DNAmethylation)是研究得最清楚、也是最重要的表觀遺傳修飾形式，通過將S一腺苷甲硫氨酸作為甲基供體，并在DNA甲基轉移酶(DNAmethyltransferase，DNMT)的催化下，CpG二核苷酸中的胞嘧啶環上5′位置的氫被活性甲基所取代，從而轉變成為5甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5mC)。8第8頁，課件共42頁，創作于2023年2月EnzymaticmethylationoftheC–5positionofcytosineresiduescaneffectepigeneticinheritancebyalteringtheexpressionofgenesandbytransmissionofDNAmethylationpatternsthroughcelldivision.Thus,inadditiontoitswell–knownroleindeaminationmutationalhotspotsinhumanDNA,DNAmethylationmaycontributetogeneinactivationincancer.9第9頁，課件共42頁，創作于2023年2月10第10頁，課件共42頁，創作于2023年2月哺乳動物基因組中5mC占胞嘧啶總量的2%-7%，約70%的5mC存在于CpG二連核苷。在結構基因的5’端調控區域,CpG二連核苷常常以成簇串聯形式排列，這種富含CpG二連核苷的區域稱為CpG島(CpGislands)，其大小為500-1000bp，約56%的編碼基因含該結構。基因調控元件(如啟動子)所含CpG島中的5mC會阻礙轉錄因子復合體與DNA的結合。DNA甲基化一般與基因沉默相關聯；非甲基化一般與基因的活化相關聯；而去甲基化往往與一個沉默基因的重新激活相關聯。11第11頁，課件共42頁，創作于2023年2月癌細胞的整個基因組水平處于低甲基化狀態，比正常低20%～60%，這種低甲基化大多發生于編碼區和內含子區域，以及約占人類基因組20%～30%的重復序列區抑癌基因啟動子區域CpG島高度甲基化，且與DNA結合的組蛋白廣泛去乙酰化12第12頁，課件共42頁，創作于2023年2月Esteller,andJ.G.Herman.Cancerasanepigeneticdisease:DNAmethylationandchromatinalterationsinhumantumors.JPathol,2001.13第13頁，課件共42頁，創作于2023年2月GenesilencingDNAmethylationisapowerfulmechanismforthesuppressionofgeneactivity.Thereisreciprocalrelationshipbetweenthedensityofmethylatedcytosineresiduesandthetranscriptionalactivityofagene.Themethylgroupsdonotaffectbasepairingbutcaninfluenceprotein–DNAinteractionsbyprotrudingintothemajorgroove.14第14頁，課件共42頁，創作于2023年2月●Thestrongeffectof5–methylcytosine(5mC)inmammalianpromoterregionssuggeststhatDNAmethylationinhibitstranscriptionbyinterferingwithtranscriptioninitiation.●DNAmethylationreducesthebindingaffinityofsequence–specifictranscriptionfactors.●Methylation–dependent,sequence–specificDNA–bindingproteins,suchasMDBPmayactastranscriptionalrepressors.15第15頁，課件共42頁，創作于2023年2月組蛋白修飾組蛋白修飾(histonemodification)是表觀遺傳研究的重要內容。組蛋白的N端是不穩定的、無一定組織的亞單位，其延伸至核小體以外，會受到不同的化學修飾，這種修飾往往與基因的表達調控密切相關。被組蛋白覆蓋的基因如果要表達，首先要改變組蛋白的修飾狀態，使其與DNA的結合由緊變松，這樣靶基因才能與轉錄復合物相互作用。因此，組蛋白是重要的染色體結構維持單元和基因表達的負控制因子。16第16頁，課件共42頁，創作于2023年2月Histonemodifications—includingacetylation,methylationandphosphorylation—areimportantintranscriptionalregulationandmanyarestablymaintainedduringcelldivision,althoughthemechanismforthisepigeneticinheritanceisnotyetwellunderstood.ProteinsthatmediatethesemodificationsareoftenassociatedwithinthesamecomplexesasthosethatregulateDNAmethylation.17第17頁，課件共42頁，創作于2023年2月Covalentmodificationofhistones:AcetylationoflysinesMethylationoflysinesandargininesPhosphorylationsofserinesandthreoninesHistoneModifications18第18頁，課件共42頁，創作于2023年2月Histones?5types:H2A,H2B(slightlylysrich),H3,H4(argrich)H1(lysrich).Allrelativelysmallproteins.?Per200bpofDNA:2moleculeseachofH2A,H2B,H3,H4andonemoleculeofH1.19第19頁，課件共42頁，創作于2023年2月HistoneAcetylationAcetylationofthelysineresiduesattheNterminusofhistoneproteinsremovespositivecharges,therebyreducingtheaffinitybetweenHistonesandDNA.ThismakesRNApolymeraseandtranscriptionfactorseasiertoaccessthepromoterregion.Therefore,inmostcases,histoneacetylationenhancestranscriptionwhilehistonedeacetylationrepressestranscription20第20頁，課件共42頁，創作于2023年2月Transcriptionprocessanditsregulationbyhistonemodification21第21頁，課件共42頁，創作于2023年2月HistoneacetylationandcancerInacutepromyelocyticleukaemia:TheoncoproteinproducedbythefusionofthePML(promyelocyticleukaemia)geneandtheretinoicacidreceptorageneappearstosuppressthetranscriptionofspecificgenesthroughtherecruitmentofHDACs.Thusthecancercellisunabletoundergodifferentiation,leadingtoexcessiveproliferation.Similarphenomena:retinoicacidreceptora–PLZF(promyelocyticleukaemiazincfingerprotein)fusion,AML1(acutemyelocyticleukaemiaprotein1)–ETOfusion,andalsointheMyc/Mad/Maxsignallingpathwayinvolvedinsolidmalignancies.22第22頁，課件共42頁，創作于2023年2月ItisclearthatHDACenzymesseldomoperatealone.

Manyproteins,withvariousfunctionssuchasrecruitment,co-repressionorchromatinremodelling,areinvolvedinformingacomplexthatresultsintherepressorcomplex.23第23頁，課件共42頁，創作于2023年2月TherearetwoproteinfamilieswithHDACactivity:therecentlydiscoveredSIR2familyofNAD+-dependentHDACsandtheclassicalHDACfamily.MembersoftheclassicalHDACfamilyfallintotwodifferentphylogeneticclasses-classIandclassIITheclassIHDACs(HDAC1,2,3and8)aremostcloselyrelatedtotheyeast(Saccharomycescerevisiae)transcriptionalregulatorRPD3.ClassIIHDACs(HDAC4,5,6,7,9and10)sharedomainswithsimilaritytoHDA1,anotherdeacetylasefoundinyeast.RecentlyanewmemberoftheHDACfamilyhasbeenidentified,HDAC1124第24頁，課件共42頁，創作于2023年2月

AwidevarietyofprocessesareassociatedwiththeinhibitionofHDACs,suchasapoptosis,necrosis,differentiation,inhibitionofproliferationandcytostasis.Currently,manyeffortsarebeingmadetoexpandourknowledgeoftheHDACsandtodeveloppotentandstableHDACi.

25第25頁，課件共42頁，創作于2023年2月RESPONSIVEGENES

BystudyingtheeffectsofHDACiontheexpressionofvariousgenesandtheirregulatorypathways,amoredetailedpicturewillemergeofhowtheinhibitionofHDACs,combinedwiththeHDACexpressionprofileofthatcell,ultimatelydeterminesthefateofthecell.26第26頁，課件共42頁，創作于2023年2月組蛋白修飾的種類27第27頁，課件共42頁，創作于2023年2月染色質重塑染色質重塑（chromatinremodeling）是一個重要的表觀遺傳學機制。染色質重塑是由染色質重塑復合物介導的一系列以染色質上核小體變化為基本特征的生物學過程。組蛋白尾巴的化學修飾（乙酰化、甲基化及磷酸化等）可以改變染色質結構，從而影響鄰近基因的活性。28第28頁，課件共42頁，創作于2023年2月

Johnstone2002

EpigeneticMechanisms29第29頁，課件共42頁，創作于2023年2月Chromatin-LevelRegulationofGeneExpressionGarfinkelandRudenNutrition:20:56-62,200430第30頁，課件共42頁，創作于2023年2月染色質修飾與重塑（共價修飾型與ATP依賴型）31第31頁，課件共42頁，創作于2023年2月MicroRNAmiRNA是近年來生命科學領域的研究熱點，是一組生物體基因組編碼的內源性非編碼小RNA。miRNA主要采用降解靶mRNA和抑制靶mRNA的翻譯兩種作用方式在轉錄后水平調控基因表達。降解靶mRNA的方式與siRNA的作用方式相似，直接作用于靶mRNA，直接導致mRNA表達水平下降。但絕大多數哺乳動物細胞中的miRNAs并不導致靶mRNA的降解，而是通過與靶mRNA的3’端非翻譯區（UTR）不完全匹配結合，抑制mRNA翻譯成蛋白質，使靶基因的蛋白質表達水平下降。32第32頁，課件共42頁，創作于2023年2月

Aprimarytranscript(pri-miRNA)isfirstprocessedintoastem-loopstructureabout60–80nt(pre-miRNA)bytheRNaseendonucleaseDrosha.pre-miRNAsareexportedtothecytoplasmbyExportin-5.Dicercleavesthehairpin,releasingamiRNA:-miRNAduplex,whichhasatwobaseoverhangatboth30