第十章 计算表观遗传学

计算表观遗传学名词解释
计算表观遗传学 (Computational Epigenetics) 是一门利用计算机科学和机器学习方法研究表观遗传学的学科。

在该领域中，研究人员使用计算手段处理和分析表观遗传学数据，例如 DNA 甲基化、染色质修饰、RNA 表达等。

计算表观遗传学旨在探索表观遗传学机制，解释生物体内表观遗传学现象，并为疾病诊断和治疗提供新的思路和方法。

在计算表观遗传学中，常用的方法包括机器学习、深度学习、数据挖掘等。

这些方法被用于特征提取、模式识别、预测模型构建等方面。

例如，研究人员可以使用机器学习方法对表观遗传学数据进行分类和聚类，从而探索数据中的模式和规律。

深度学习方法则可以用于对表观遗传学数据进行可视化和三维建模，以揭示细胞内复杂的表观遗传学机制。

计算表观遗传学的研究对于理解生物体内表观遗传学机制、探索疾病诊断和治疗新方法具有重要意义。

随着计算技术和表观遗传学研究的不断发展，计算表观遗传学将成为未来生命科学研究中不可或缺的一部分。

什么是表观遗传学什么是表观遗传学，简述其研究进展表观遗传学（epige***ics）——主要研究任务是通过对生活习惯、饮食习惯等因素的研究，寻找在没有改变dna序列的前体下，环境如何影响我们的基因的答案。

比如说，空气中的污染物如何改变一个人的dna的表达，从而导致像肺气肿或肺癌之类的疾病。

在基因组中除了dna和rna序列以外，还有许多调控基因的资讯，它们虽然本身不改变基因的序列，但是可以通过基因修饰，蛋白质与蛋白质、dna和其它分子的相互作用，而影响和调节遗传的基因的功能和特性，并且通过细胞**和增殖周期影响遗传。

因此表观遗传学又称为实验遗传学、化学遗传学、特异性遗传学、后遗传学、表遗传学和基因外调节系统，它是生命科学中一个普遍而又十分重要的新的研究领域。

它不仅对基因表达、调控、遗传有重要作用，而且在肿瘤、免疫等许多疾病的发生和防治中亦具有十分重要的意义。

表观遗传学（epige***ics）研究转录前基因在染色质水平的结构修饰对基因功能的影响，这种修饰可通过细胞**和增值周期进行传递。

表观遗传学已成为生命科学中普遍关注的前沿，在功能基因组时代尤其如此。

免疫系统被认为是一个解析表观遗传学调控机制的良好模型，而且免疫细胞伯分化及功能表达和表观遗传学的联络甚密，无疑使这一交叉领域的发展一开始就置身于一片沃土之中。

为此，本文对表观遗传学的免疫学意义作一简介，侧面重于t细胞分化特别是th1、th2及相关细胞因子基因表达中的表观遗传学调控。

研究基因的核苷酸序列不发生改变的情况下，基因表达了可遗传的变化什么是表观遗传学，简述其研究进展表观遗传学，研究基因的核苷酸序列不发生改变的情况下，基因表达的可遗传的变化的一门遗传学分支学科。

发展一直以来人们都认为基因组dna决定着生物体的全部表型，但逐渐发现有些现象无法用经典遗传学理论解释，比如基因完全相同的同卵双生双胞胎在同样的环境中长大后，他们在性格、健康等方面会有较大的差异。

表观遗传学课件一、引言表观遗传学是研究基因表达调控机制的一门学科，它涉及到基因序列不发生变化，但基因表达却发生了可遗传的改变。

这种调控机制对于生物体的生长发育、细胞分化、疾病发生等过程具有重要作用。

本文将对表观遗传学的基本概念、调控机制及其在疾病中的应用进行详细阐述。

二、表观遗传学的基本概念1.基因表达调控：基因表达调控是指生物体通过一系列机制，控制基因在特定时间和空间的表达水平。

基因表达调控是生物体生长发育、细胞分化、环境适应等生命现象的基础。

2.表观遗传修饰：表观遗传修饰是指在基因的DNA序列不发生改变的情况下，通过DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑等机制调控基因表达的过程。

3.表观遗传学的研究内容：表观遗传学主要研究基因表达调控的分子机制，包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、非编码RNA调控等。

三、表观遗传学的调控机制1.DNA甲基化：DNA甲基化是指在DNA甲基转移酶的催化下，将甲基基团转移至DNA分子的过程。

DNA甲基化通常发生在基因的启动子区域，抑制基因表达。

2.组蛋白修饰：组蛋白修饰是指在组蛋白分子上发生的一系列化学修饰，如乙酰化、磷酸化、甲基化等。

这些修饰可以改变组蛋白与DNA的结合状态，从而调控基因表达。

3.染色质重塑：染色质重塑是指染色质结构发生变化，使基因的表达状态发生改变的过程。

染色质重塑可以通过改变核小体结构、DNA甲基化、组蛋白修饰等方式实现。

4.非编码RNA调控：非编码RNA是指不具有编码蛋白质功能的RNA分子，包括miRNA、lncRNA、circRNA等。

这些RNA分子可以通过与mRNA结合、调控转录因子活性等方式调控基因表达。

四、表观遗传学在疾病中的应用1.癌症：表观遗传学在癌症研究中的应用主要涉及肿瘤发生、发展和治疗。

研究发现，癌细胞的表观遗传修饰模式发生改变，导致肿瘤相关基因的表达异常。

通过研究这些表观遗传修饰，可以为癌症的早期诊断、预后评估和治疗提供新靶点。

表观遗传学是与遗传学(genetic)相对应的概念。

遗传学是指基于基因序列改变所致基因表达水平变化，如基因突变、基因杂合丢失和微卫星不稳定等；而表观遗传学则是指基于非基因序列改变所致基因表达水平变化，如DNA甲基化和染色质构象变化等；表观基因组学(epigenomics)则是在基因组水平上对表观遗传学改变的研究。

所谓DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶的作用下，在基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶5'碳位共价键结合一个甲基基团。

正常情况下，人类基因组“垃圾”序列的CpG二核苷酸相对稀少，并且总是处于甲基化状态，与之相反，人类基因组中大小为100—1000 bp左右且富含CpG二核苷酸的CpG岛则总是处于未甲基化状态，并且与56％的人类基因组编码基因相关。

人类基因组序列草图分析结果表明，人类基因组CpG岛约为28890个，大部分染色体每1 Mb就有5—15个CpG 岛，平均值为每Mb含10．5个CpG岛，CpG岛的数目与基因密度有良好的对应关系[9]。

由于DNA甲基化与人类发育和肿瘤疾病的密切关系，特别是CpG岛甲基化所致抑癌基因转录失活问题，DNA甲基化已经成为表观遗传学和表观基因组学的重要研究内容。

染色质重塑表观遗传学重塑依赖的染色质重塑与人类疾病染色质重塑复合物依靠水解A TP提供能量来完成染色质结构的改变，根据水解ATP的亚基不同，可将复合物分为SWI/SNF复合物、ISW复合物以及其它类型的复合物。

这些复合物及相关的蛋白均与转录的激活和抑制、DNA的甲基化、DNA修复以及细胞周期相关。

ATRX、ERCC6、SMARCAL1均编码与SWI/SNF复合物相关的ATP酶。

ATRX突变引起DNA甲基化异常导致数种遗传性的智力迟钝疾病如：X连锁α-地中海贫血综合征、Juberg-Marsidi综合征、Carpenter-Waziri综合征、Sutherland-Haan综合征和Smith-Fineman-Myers综合征，这些疾病与核小体重新定位的异常引起的基因表达抑制有关。

表观遗传学主要内容全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：表观遗传学是研究遗传物质之外对基因表达所产生影响的科学领域。

表观遗传学主要关注的是通过不影响DNA序列的改变，而对DNA及其相关蛋白进行修饰，从而调控基因表达的方式。

表观遗传学被认为在细胞分化、发育、疾病进展等方面扮演着重要作用。

表观遗传学的主要内容包括DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA、噬菌体遗传等。

DNA甲基化是最为常见和重要的一种表观遗传学修饰方式。

DNA甲基化是指在DNA链上的胞嘧啶基团上添加甲基基团的修饰过程。

这种修饰可以抑制基因的转录，从而影响基因的表达。

组蛋白修饰是指组蛋白分子的赋予不同化学修饰，如乙酰化、甲基化等，以调节染色质的结构和功能，从而影响染色质的紧密程度和DNA的可读性。

非编码RNA也是表观遗传学研究的热点内容之一。

非编码RNA 是指不编码蛋白质的RNA分子，包括microRNA（miRNA）、长链非编码RNA（lncRNA）等，它们可以通过介导转录后调控基因的表达和功能，参与信号通路的调控等。

以及噬菌体遗传也是表观遗传学的一个新兴研究领域，噬菌体的遗传物质可以传递到宿主细胞中，从而影响宿主的表观遗传修饰状态。

表观遗传学是一门综合了分子生物学、生物化学、基因组学、生物信息学等多学科知识的学科。

通过研究表观遗传学，我们可以更好地理解基因表达调控的机制，揭示疾病发生发展的内在机理，为疾病的诊断和治疗提供新的思路和方法。

表观遗传学的研究也为基因编辑、干细胞治疗等前沿领域的发展提供了重要的理论支持。

随着技术的不断进步和研究的深入，表观遗传学必将为人类健康和生物学研究带来更多的突破和创新。

第二篇示例：表观遗传学是研究表观遗传现象的一门学科，其主要内容包括遗传变异、表观修饰、染色质结构和功能等方面。

表观遗传学是遗传学领域中一个新兴的研究方向，它研究的对象不是DNA序列本身，而是对DNA序列的修饰和调控。

表观遗传学的研究为我们更好地理解基因表达调控机制和疾病发生的机理提供了重要线索。

基因组学第⼗章计算表观遗传学第⼗章计算表观遗传学第⼀节表观遗传学是研究不涉及DNA序列改变的情况下，DNA甲基化谱、染⾊质结构状态和基因表达谱在细胞代间传递的遗传现象的⼀门科学。

计算表观遗传学：应⽤及开发⽣物信息学⽅法（统计分析，模式识别等）解决⽣物医学相关的表观遗传学问题。

第⼆节基因组的DNA甲基化⼀、CpG岛的DNA甲基化调控基因表达1、DNA甲基化与CpG岛DNA甲基化是⼀种发⽣在DNA序列上的化学修饰，可以在转录及细胞分裂前后被稳定地遗传。

DNA甲基化是重要的表观遗传代码。

参与酶：甲基化维持酶和从头甲基化酶CpG岛：见P78，下同2、DNA甲基化对转录的调控1. DNA甲基化阻碍转录因⼦的结合2. DNA甲基化识别染⾊质标记3. DNA甲基化募集其他蛋⽩引起染⾊质沉默4. DNA甲基化影响核⼩体定位3、DNA甲基化的意义：DNA甲基化与重复元件沉默DNA甲基化与染⾊体的选择性沉默DNA甲基化与基因的组织特异表达⼆、基因组CpG岛识别⽅法三、实验检测技术测定DNA甲基化状态DNA甲基化的检测⽅法见P791.限制性内切酶法2.重亚硫酸钠法3. 亲和纯化**预测⽅法基因组范围⾼通量的DNA甲基化检测⽅法⾼通量测序是最新发展起来的但却是最有前途的全基因组DNA甲基化分析⽅法。

⾼通量测序技术的出现，使得产⽣⼤量序列信息的时间和成本均要低于桑格法。

⽬前，两种⾼通量的测序平台最为流⾏：⼀种是454⽣命科学公司开发的焦磷酸测序⽅法，另外⼀种是Illumina前⾝的Solexa开发的基于荧光核苷酸的系统。

四、异常DNA甲基化特征识别第三节组蛋⽩修饰的表观基因组⼀、组蛋⽩密码是重要表观遗传标记之⼀（⼀）核⼩体与组蛋⽩修饰组蛋⽩⼄酰化主要促使基因表达和DNA复制，使组蛋⽩⼄酰化定位的基因得到动态的调控。

组蛋⽩去⼄酰化则使基因沉默。

组蛋⽩的磷酸化可以改变组蛋⽩的电荷，对基因转录、DNA修复和染⾊质凝聚等过程起调控作⽤。