表观遗传组学

表观遗传学的研究及应用随着科学技术的不断发展，人们对于生命的本质越来越感兴趣。

表观遗传学作为一门新兴的学科，在现代生物医学领域中起着非常重要的作用，其所涉及的范围与影响甚至超越了基因遗传学。

那么，什么是表观遗传学，它与遗传学又有何区别，又有哪些重大的研究和应用前景呢？一、什么是表观遗传学？表观遗传学（Epigenetics）是指在不改变 DNA 基序列的情况下，通过因外部环境而改变基因表达的方式来影响遗传物质的遗传信息，进而对细胞、个体特征及其它相关疾病等进行调控的一门学科。

它几乎涉及到生命的各个方面，比如胚胎发育、癌症、自闭症、精神疾病、老年痴呆症等。

它所涉及的遗传信息是保持不变的，但是因为环境和卫生状况的变化，这些基因信息需要产生不同的表现形式。

二、表观遗传学与基因遗传学的区别表观遗传学与基因遗传学的区别在于，前者关注基因表达的修改及其在不变 DNA 序列下的不同表达，后者则关注细胞的遗传物质的变化和传递。

当然，两者有时也有交叉点，但是它们的重心差异明显。

通过了解表观遗传学和基因遗传学之间的差异，我们可以更好地理解遗传现象及其对我们生命的作用，进而观察基础医疗和生命科学领域取得了一些空前的成果。

三、表观遗传学的研究进展与发展表观遗传学的研究主要涉及到 DNA 甲基化、组蛋白修饰及微小 RNA 的调控等方面。

DNA 甲基化是一种将甲基基团添加到DNA 分子的过程，它可以影响基因的表达，从而调节相应表现形式。

组蛋白修饰包括乙酰化、乙基化、甲基化等多种修饰方式，其中乙酰化过程是将乙酰亚基加在组蛋白分子上，使其从而调节基因的表达方式。

微小 RNA 对基因表达也有着很重要的作用，其主要功能是将 Messenger RNA （mRNA）的分解，从而减少mRNA 的生成量，影响相应基因的表达。

目前，表观遗传学的研究得到了广泛的关注和应用，特别是在癌症的治疗和预防中得到了广泛的应用。

研究表明，机体中某些组织会出现特定的 DNA 甲基化模式，这些模式具有很高的识别度，将来可以作为特定疾病的早期检测工具，对于表现出特异性 DNA 甲基化异质性的患者提供针对性治疗，可以甚至发展出个体治疗的方法。

1.表观遗传学概念表观遗传是与DNA 突变无关的可遗传的表型变化，且是染色质调节的基因转录水平的变化，这种变化不涉及DNA 序列的改变。

表观遗传学是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的一门遗传学分支学科。

表观遗传学内容包括DNA 甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑、遗传印记、随机染色体失活及非编码RNA 等调节。

研究表明，这些表观遗传学因素是对环境各种刺激因素变化的反映，且均为维持机体内环境稳定所必需。

它们通过相互作用以调节基因表达，调控细胞分化和表型，有助于机体正常生理功能的发挥，然而表观遗传学异常也是诸多疾病发生的诱因。

因此，进一步了解表观遗传学机制及其生理病理意义，是目前生物医学研究的关键切入点。

别名：实验胚胎学、拟遗传学、、外遗传学以及后遗传学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。

2.表观遗传学现象（1）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。

表观遗传学Epigenetics1.达尔文“自然选择”：过度繁殖、生存竞争、遗传和变异、适者生存2.表观遗传学：没有DNA序列的变化，可发生生物体表现型的可遗传的改变。

表观遗传学是在以孟德尔式遗传为理论基石的经典遗传学和分子遗传学母体中孕育的、专门研究基因功能实现的一种特殊机制的遗传学分支学科。

表观遗传研究进一步促进了遗传学和基因组学的研究。

3.染色质DNA或蛋白质的各种修饰（染色质水平的基因表达调控）DNA修饰；组蛋白修饰；RNA干扰；基因组印迹；X染色体失活。

4.DNA甲基化（DNA methylation）甲基化位点：CpG中胞嘧啶第5位碳原子。

DNA甲基转移酶。

甲基来源：一碳单位；S-腺苷蛋氨酸；环境和饮食因素：叶酸、B121)基因组DNA CpG：70％～80％甲基化状态，CpG甲基化与基因组稳定性相关。

2)CpG岛：CpG双核苷酸局部聚集，形成GC含量较高、CpG双核苷酸相对集中的区域。

CpG岛CpG多为非甲基化状态；CpG岛CpG甲基化与基因表达抑制相关。

3)CpG岛分类：转录起始点附近的CpG岛（TSS–CGIs），正常组织是非甲基化的，肿瘤组织发生甲基化，与转录抑制相关。

转录起始点外的CpG岛（non-TSS CpG），正常组织：通常呈高度的甲基化。

肿瘤组织：甲基化程度降低，程度与患病程度相关。

4)CpG岛的分析：长度大于200 bp、GC含量大于50％、CpG含量与期望含量之比大于0.6的区域。

5)DNA甲基化转移酶DNMT：DNMT1：催化子链DNA半甲基化位点甲基化，维持复制过程中甲基化位点的遗传稳定性．DNMT3a和DNMT3b：催化从头甲基化，以非甲基化的DNA为模板，催化新的甲基化位点形成．6)甲基来源：S-腺苷蛋氨酸（胞嘧啶甲基化供体、蛋氨酸是必需氨基酸），一碳单位叶酸：参与一碳单位代谢，间接提供甲基。

补充Ｓ－腺苷蛋氨酸。

叶酸摄入不足时可导致DNA低甲基化。

7)DNA甲基化抑制基因转录的机制①直接抑制基因表达：启动子区CpG序列甲基化，影响转录激活因子与启动子识别结合。

一、表观遗传学的基本概念表观遗传学（Epigenetics）一词最早由英国生物学家康韦·里德（ConradWaddington）于1942年提出，意为“基因表达调控的研究”。

表观遗传学关注的是基因表达的可遗传变化，这种变化不涉及DNA序列的改变，而是通过染色质重塑、DNA甲基化、组蛋白修饰等机制实现。

二、表观遗传学的调控机制1.染色质重塑：染色质重塑是指染色质结构发生变化，使DNA 暴露或隐藏于核小体中，从而影响基因表达。

染色质重塑主要通过ATP依赖的染色质重塑复合体实现。

2.DNA甲基化：DNA甲基化是指在DNA甲基转移酶的作用下，将甲基基团转移至DNA上的过程。

DNA甲基化通常发生在CpG岛上，高甲基化状态往往与基因沉默相关，而低甲基化状态与基因活化相关。

3.组蛋白修饰：组蛋白修饰是指组蛋白上的氨基酸残基发生甲基化、乙酰化、磷酸化等修饰。

这些修饰可以改变组蛋白与DNA的相互作用，进而影响基因表达。

4.非编码RNA：非编码RNA包括微小RNA（miRNA）、长链非编码RNA（lncRNA）等，它们在基因表达调控中发挥重要作用。

例如，miRNA可以通过与目标mRNA结合，抑制其翻译过程。

三、表观遗传学与疾病表观遗传学异常与多种疾病的发生密切相关。

例如，肿瘤的发生往往伴随着表观遗传学调控机制的紊乱，如DNA甲基化异常、组蛋白修饰异常等。

表观遗传学还与心血管疾病、神经系统疾病、代谢性疾病等密切相关。

四、表观遗传学的应用1.肿瘤诊断与治疗：表观遗传学在肿瘤诊断和治疗方面具有重要应用价值。

例如，通过检测肿瘤相关基因的DNA甲基化状态，可以早期发现肿瘤；同时，针对表观遗传学调控机制的药物研发，为肿瘤治疗提供了新策略。

2.农业育种：表观遗传学在农业育种领域也具有广泛应用。

通过改变植物表观遗传状态，可以提高作物产量、抗病性和适应环境能力。

3.神经科学与心理学：表观遗传学研究为揭示神经系统疾病和心理学问题的发生机制提供了新视角。

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。

表观遗传学分类和生物学功能一、表观遗传学概述表观遗传学是一门研究基因表达变化的科学，这些变化并非由DNA序列的改变所引起，而是通过DNA甲基化、组蛋白修饰等机制实现。

这些变化在细胞分裂和增殖过程中可以被传递，从而影响基因的表达模式。

表观遗传学在理解生物发育、疾病发生以及药物反应等方面具有重要意义。

二、表观遗传学分类1.DNA甲基化：DNA甲基化是指在DNA分子中，胞嘧啶残基的5位碳原子上共价结合一个甲基基团。

这种修饰可以关闭某些基因的表达，影响基因的表达模式。

DNA甲基化通常在胚胎发育过程中建立，并在整个生命过程中维持。

2.组蛋白修饰：组蛋白是DNA的主要伴侣蛋白，它们可以发生多种化学修饰，如乙酰化、甲基化、磷酸化等。

这些修饰可以改变组蛋白与DNA的相互作用，从而影响基因的表达。

不同的组蛋白修饰有不同的生物学效应，如激活或抑制基因表达。

3.非编码RNA：非编码RNA是指不直接编码蛋白质的RNA分子，它们通过多种机制影响基因表达，包括与mRNA竞争性结合、调控转录等。

非编码RNA在生物发育、细胞周期调控等方面具有重要作用。

4.染色质重塑：染色质重塑是指通过改变染色质的结构和组成来影响基因表达的过程。

染色质重塑涉及多种蛋白质复合物和酶类，它们可以改变染色质的可及性和活性，从而影响基因的表达。

三、表观遗传学的生物学功能1.细胞分化：表观遗传变化在细胞分化过程中起到关键作用。

在胚胎发育过程中，一系列的表观遗传修饰帮助将全能性的干细胞分化成具有特定功能的成熟细胞。

这些表观遗传变化不仅确定了细胞的类型，也维持了该类型的特征性表达模式。

2.基因沉默与激活：DNA甲基化和组蛋白修饰等表观遗传机制能够沉默或激活特定基因的表达。

例如，DNA甲基化通常与基因沉默相关，而组蛋白乙酰化则与基因激活相关。

这些调控机制对于维持细胞的正常功能和发育至关重要。

3.肿瘤发生与发展：表观遗传变化在肿瘤的发生和发展过程中发挥重要作用。

生命科学中的表观遗传学表观遗传学是研究基因表达调控和细胞命运决定的一门学科。

它通常被定义为基因表达模型传递给下一代细胞和生物，但不包括DNA序列的改变。

这个学科领域正在扩大，研究者越来越多地将其应用于癌症和其他疾病的研究中。

表观遗传学是一个复杂的学科，它涉及到DNA序列上的化学修饰、遗传调控以及体内环境等多个因素。

表观遗传学是研究细胞分化的重要组成部分。

表观遗传学的研究可以精确的区分细胞类型，通过确定某些基因在特定细胞类型中是否表达来表征该细胞类型。

同样在癌症研究中，研究人员利用表观遗传学的研究深入探索细胞信号传导通路，以期发掘出更有效的癌症治疗手段。

表观遗传学可以促进我们对基因组的理解。

基因组序列是信息的存储库，但它并不足以解释我们为什么不会在每个细胞中表达每个基因，在某些细胞中，一些基因会特别活跃，而在其他细胞中则不是那样。

表观遗传学的研究解释了这种差异，从而使我们理解了细胞如何根据基因组序列来决定命运。

基因表达调控是表观遗传学的关键方面。

细胞对外界信号的感知和传递，导致某些基因的活性增加或减少，这是由于某些区域中DNA上化学修饰的改变。

比如在染色质水平上，组蛋白标记的修饰程度是基因表达调控的一个关键因素。

在转录水平上，非编码RNA（ncRNA）的表达使得RNA通常比蛋白质更加稳定，并且可能起到调节RNA的相互作用或干涉RNA翻译的作用。

表观遗传学对于人类健康及其疾病的理解有着重要的意义。

多种表观遗传修饰异常与许多疾病相关，从而可以为疾病的早期诊断和治疗提供指导。

例如，DNA甲基化异常已经在多种癌症中得到了广泛的研究，并且在癌症的早期诊断中有很大的潜力。

大量研究表明表观遗传学在所谓的成年病（包括糖尿病、肥胖和心血管疾病）中也存在异常，这为更好地理解疾病的起因和新的药物治疗策略提供了可能。

总而言之，表观遗传学研究对人类生命科学和健康具有重要意义。

它的研究可以帮助我们更好地理解基因通路和细胞命运，并为癌症和其他疾病的治疗提供新的思路和方法。