表观遗传学(研究生课件)

２０１４　ＮＯ　０８　Ｃｈｉｎａ　ＥｄｕｏａｔＩｏｎ　ｌｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ　科教论坛　研究生　表观遗传学　课程的教学改革与探索①　张红胜　（北京工业大学生命科学与生物工程学院　北京　１　０Ｏ　１　２４）　摘要：在研究生表观遗传学课程教学中，在教师业务素质的提高，充实教学内容，改革教学方法，优化课堂教学结构，改革考核方法，注重　学生创新能力的培养，以达到培养学生能力和适应社会发展需要的目的。　关键词：表观遗传学　教学　研究生　中图分类号：Ｇ　６　４　文献标识码：Ａ　文章编号：Ｉ　６７３—９７９　５（２０１４）０３（ｂ）－Ｏ１　０６—０２　研究生教育是高等教育的重要组成部　分，是培养高素质、高层次人才的重要手　段。今天的社会对研究生的全面素质和创　新能力提出更高的要求，而专业课教学是　研究生教育的最基本部分，是提高研究生　专业素质和创新能力的直接途径，因此，　提高专业课教学水平对研究生的培养具　有十分重要的意义“１。随着生物技术和医　学科学技术的迅速发展，知识更新速度加　快，学科之间相互交叉、相互渗透，边缘学　科和新兴学科不断涌现。表观遗传学是近　几年来生命科学迅速发展的前沿学科之　一，其理论与技术已经广泛渗透至生物　学、基础医学、临床医学及预防医学的各　个学科。表观遗传学是我们学院学术型硕　士研究生专业课程和专业学位硕士研究　生专业知识模块的主干课程。如何适应新　形势下研究生培养的需要，笔者主要针对　研究生表观遗传学教学谈一些自己的看　法及建议。　１教师业务素质的提高　生物医学模式的转变对教师的业务素　质和能力提出了相应的更高要求。不仅要求　教师有生命科学、基础医学和临床医学的专　业知识，而且还要有生物医学理论方面的知　识，同时要求教师的技术知识层次能跟上生　物医学实验技术推广周期不断缩短的趋势。　我们在研究生的表观遗传学教学中，随时进　行文献调研，密切关注最新高水平期刊和学　术会议的相关信息，不断补充传达的最新知　识。引导学生关注当前研究活跃的肿瘤、衰　老、心血管疾病、感染性疾病与表观遗传学　的最新研究进展情况，着重介绍营养、环境、　应激、细胞代谢在表现遗传变化中的重要作　用机制。这些新知识非常受研究生的欢迎，　引起他们浓厚的兴趣。通过这些新知识的学　习，不仅开阔了研究生的学习视野，启发了　他们的创新思维，同时使他们形成良好的文　献调研和学术研讨的习惯，逐步形成和掌握　正确的科研方法，为即将开展的课题研究工　作奠定了坚实的基础。在教学过程中反过来　能进一步促进教师知识结构的不断更新，达　到教学相长的目的。　２改革教学内容，形成完整的表观遗　传学知识结构体系　与经典遗传学以研究基因序列决定　生物学功能为核心相比，表观遗传学主　要研究基于染色质事件对于这些“表观　遗传密码”的建立和维持的机制，及其如　何决定细胞的表型和个体的发育。在表　观遗传学研究生课堂教学过程中必须具　有一定的前瞻性，引导研究生关注表观　遗传学学科的发展动态，密切注意学科　的交叉和延伸，紧跟表观遗传学的发展　方向和学科发展的突破点。课堂教学过　程中把最主要的精力放在表观遗传学学　科领域发展最活跃最富潜力的研究方向　上，例如表观遗传机制在癌症等疾病中　的作用机制，细胞代谢与表观遗传变化　的关系等。表观遗传学是生命科学中一　个普遍而又十分重要的新研究领域。它　不仅对基因表达、调控、遗传有重要作　用，而且在肿瘤、免疫、病毒感染复制等　许多疾病的发生和防治中亦具有十分重　要的意义。在教学过程中主要内容包括：　表观遗传学概论，ＤＮＡ甲基化，组蛋白修　饰，染色质重塑，基因组印记，ｘ染色体失　活，ｓｉＲＮＡ与ｍｉＲＮＡ介导的调控，表观遗　传学与疾病，表观遗传学与癌症，天然产　物及中草药的发展对表观遗传学的展　望，表现遗传学的治疗进展。上述内容形　成完整的表观遗传学知识结构体系。在　教学过程中，通过有选择地插入一些小　型专题讲座及相关的研究历史背景资料　的方式，介绍和强调学习和掌握表观遗　传学的重要性，既活跃了课堂，又把课程　从枯燥的理论讲解中解放出来，同时激　发了研究生的学习积极性，拓宽相关的　①资助项目：北京市教委青年拔尖人才培育计划（ＣＩＴ＆ＴＣＤ２０ｌ３０４０５４）；　北京工业大学研究生课程建设资助项目（Ｎｏ．ＣＲ２０１０一Ｂ一０２２）。　０６　中国科教创新导刊Ｃｈｉｎａ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ　知识面　。同时在教学过程中注重前沿进　展内容的加入，如代谢、营养、环境等影　响因素与表观遗传学的相关进展。　３改革教学方法，培养研究生的创新　能力　本课程所授课的对象是已具备一定自学　能力和学习主动性的研究生，最重要的是培　养他们科学地发现并解决问题的能力、准确　表达个人思想见解的能力以及科研创新能　力。本课堂选课人数一般在十人左右，因此　课堂教学的特点在于小班授课。由于是小班　教学，增加了教学的灵活性和增强了师生之　间互动的可能性，师生之间的交流与沟通增　多。因此在教学过程中采用教师课堂授课、　学生参与研讨、学生讲授等多种教学方式，　强调讲授、研论、文献调研、学术讲座、论文报　告、文献综述等多种方式并重的原则。在教　学过程中，合理安排时间，让研究生充分参与　到教学的研讨，结合自己的研究方向发表自　己独特的见解，阐述自己的学术观点，这种教　学方式为研究生迅速进入科研工作的角色　奠定了坚实的基础，增强了研究生创新能力　的培养。发挥现代多媒体技术在教学中的重　要作用，电子课件与板书相结合，同时采用图　片、视频播放、动画等多种方式的应用。倡导　启发式教育，摒弃灌输式教学方法，讲授基本　理论知识的同时注意结合科研最新进展情　况拓宽学生知识面，加强学生创新能力的培　养，使学生的理论基础和实践应用能力同步　得到提高，取得了较好的教学效果。对由于　受学时限制而不能在课堂上详细介绍的前　沿内容可使用讨论法，安排学生课后自学，启　发学生提出问题，通过课堂讨论得到解决。　还可以在部分单元结束后，要求研究生根据　自己的专业方向，结合查阅最新的文献资　料，撰写小专题报告，组织交流讨论，以便巩　固学生所学知识，并进一步拓宽知识面。研　究生不同于本科生，他们有强烈的求知欲　（下转１　０８页）

表观遗传学：营养之间的新桥梁与健康

摘要：营养成分能逆转或改变表观遗传现象，如DNA甲基化和组蛋白修饰，从而改变表达与生理和病理过程，包括胚胎发育，衰老，和致癌作用有关的关键基因。它出现营养成分和生物活性食物成分能影响表观遗传现象，无论是催化DNA直接抑制酶甲基化或组蛋白修饰，或通过改变所必需的那些酶反应底物的可用性。在这方面，营养表观遗传学一直被看作是一个有吸引力的工具，以预防儿科发育疾病和癌症以及延迟衰老相关的过程。在最近几年，表观遗传学已成为广泛的疾病，例如2型糖尿病的新出现的问题糖尿病，肥胖，炎症，和神经认知障碍等。虽然开发治疗或预防发现的可能性这些疾病的措施是令人兴奋的，在营养表观遗传学当前的知识是有限的，还需要进一步的研究来扩大可利用的资源，更好地了解使用营养素或生物活性食品成分对保持我们的健康和预防疾病经过修改的表观遗传机制。

介绍：

表观遗传学可以被定义为基因的体细胞遗传状态，从不改变染色质结构产生的表达改变的DNA序列中，包括DNA甲基化，组蛋白修饰和染色质重塑。在过去的几十年里，表观遗传学的研究主要都集中在胚胎发育，衰老和癌症。目前，表观遗传学在许多其它领域，如炎症，肥胖，胰岛素突出抵抗，2型糖尿病，心血管疾病，神经变性疾病和免疫疾病。由于后生修饰可以通过外部或内部环境的改变因素和必须改变基因表达的能力，表观遗传学是现在被认为是在不明病因的重要机制的许多疾病。这种诱导表观遗传变化可以继承在细胞分裂，造成永久的保养所获得的表型。因此，表观遗传学可以提供一个新的框架为寻求病因在环境相关疾病，以及胚胎发育和衰老，这也是已知受许多环境因素的影响。

在营养领域，表观遗传学是格外重要的，因为营养物质和生物活性食物成分可以修改后生现象和改变的基因的表达在转录水平。叶酸，维生素B-12，甲硫氨酸，胆碱，和甜菜碱可以影响通过改变DNA甲基化和组蛋白甲基化1 - 碳代谢。两个代谢物的1-碳代谢可以影响DNA和组蛋白的甲基化：S-腺苷甲硫氨酸（的AdoMet）5，这是一个甲基供体为甲基化反应，并S-腺苷高半胱氨酸（的AdoHcy），这是一种产物抑制剂的甲基化。因此，理论上，任何营养素，生物活性组件或条件可影响的AdoMet或的AdoHcy水平在组织中可以改变DNA和组蛋白的甲基化。其他水溶性维生素B像生物素，烟酸和泛酸也发挥组蛋白修饰重要的作用。生物素是组蛋白生物素化的底物。烟酸参与组蛋白ADPribosylation如聚（ADP-核糖）的基板聚合酶作为以及组蛋白乙酰为底物Sirt1的，其功能作为组蛋白乙酰化酶（HDAC）（1）。泛酸是的一部分辅酶A以形成乙酰CoA，这是乙酰基的中组蛋白乙酰化的源。生物活性食物成分直接影响酶参与表观遗传机制。例如，染料木黄酮和茶儿茶素会影响DNA甲基（转移酶）。白藜芦醇，丁酸盐，萝卜硫素，和二烯丙基硫化物抑制HDAC和姜黄素抑制组蛋白乙酰转移酶（HAT）。改变酶activit这些化合物可能我们的有生之年通过改变基因表达过程中影响到生理和病理过程。

表观遗传学的基础和研究方向

表观遗传学（epigenetics）是指通过化学改变细胞DNA（脱甲基化、甲基化等）或染色质蛋白质（如乙酰化、磷酸化等）的状况，从而影响基因表达的一种遗传现象。虽然传统的遗传学主要关注DNA序列的遗传信息，但表观遗传信息在生物进化和疾病发生等方面发挥了重要作用。本文将从表观遗传学的基础、调控机制和研究进展三个方面介绍该领域的相关知识。

一、表观遗传学的基础

表观遗传学的基础在于细胞内的染色质结构和遗传信息的传递。染色质是由DNA和组蛋白组成的复合物，它能够紧密或松散地包裹DNA分子，从而调控基因表达的紧密程度。染色质状态的改变一般来自于DNA序列上的化学改变（如甲基化）或染色质内部的化学修饰（如乙酰化、磷酸化等）。这些改变能够影响基因的可访问性和转录速率，从而调控基因表达的量和类型。

无论是许多基础的细胞功能（如细胞分化、信号转导和代谢调节）还是复杂的生命现象（如衰老和疾病），表观遗传信息的传递都至关重要。该领域的研究在发育生物学、遗传学、神经科学和疾病研究等方面均发挥着重要作用。

二、表观遗传学的调控机制

表观遗传学有多种调控机制，其中最为重要的是DNA甲基化和组蛋白修饰。DNA甲基化是指DNA分子上甲基基团的添加和去除，这种化学改变在哺乳动物的基因组中广泛存在。组蛋白修饰则是指通过添加、去除或转移某些化学基团（如乙酰基、甲基和磷酸基等）来改变染色质的状态，这种化学改变在基因转录和DNA复制过程中都起到了重要的作用。

除此之外，表观遗传学还有其他调控方式，例如：miRNA、lncRNA、组蛋白的错位、3D染色质结构和DNA远程调控等。这些机制虽然不同，但它们都通过改变DNA的编码或染色质的状态来调节基因表达和特定细胞的功能。

三、表观遗传学的研究进展

近年来，表观遗传学的研究进展引起了科学家们的广泛关注。该领域提供了新的思路和技术手段，有助于我们更加深入地探究生物进化、分化和疾病的发生机制。以下是一些最近的研究进展：

表观遗传学研究的新进展

随着科技的不断发展，人们对遗传学的研究越来越深入。在以往，传统的遗传研究主要关注DNA序列的变异和遗传方式，但是这种方式无法解释同一种基因造成的不同表现方式。表观遗传学的出现填补了这一空白，可以解释这些不同表现方式的产生。而表观遗传学在最近几年也取得了许多新进展。

什么是表观遗传学？

表观遗传学指的是基因表达态度的遗传调控方式。它不涉及DNA序列的变化，而是利用各种因素（如DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA等）对基因表达进行控制，从而影响细胞和个体的发育、代谢、免疫应答等。与传统的遗传学研究相比，表观遗传学更能说明基因的复杂性和多样性。

表观遗传学的新进展

1. 表观遗传学在肿瘤治疗中的应用

近年来，表观遗传学在肿瘤治疗中的应用得到了越来越广泛的关注。基于对肿瘤细胞表观遗传学异常的认识，科学家们已经成功地开发了多种针对表观遗传学调控基因治疗的方法，如DNA甲基转移酶抑制剂、组蛋白去乙酰酶抑制剂等。这些新型药物不仅可以引起肿瘤细胞的凋亡，还能够增强肿瘤细胞对传统治疗的敏感性。目前，这些药物在进行临床试验，并有望成为新一代的抗癌药物。

2. 非编码RNA的发现

非编码RNA（ncRNA）是指不编码蛋白质的RNA分子。在表观遗传学调控中，ncRNA发挥着重要的作用。近年来，科学家们发现了大量的ncRNA分子，并验证了它们在复杂生命系统中的重要作用。比如，人类胚胎干细胞中发现的长链非编码RNA（lncRNA）XIST，通过辅助蛋白的作用，在两个X染色体中选择一个进行沉默，从而保证女性的基因组仅有一个X染色体进行表达。此外，ncRNA还能够调节潜在病理状态下基因的表达，如心脏疾病、神经精神疾病等。

3. 表观遗传学在生物技术领域的应用

表观遗传学不仅在癌症治疗中有着广泛的应用，还有着重要的生物技术应用。比如，在转基因作物的培育中，常常需要选择适合的表观遗传标记进行筛选。此外，表观遗传学也可以推动基因编辑技术的发展，如CRISPR/Cas9技术的应用。通过使用CRISPR/Cas9技术，科学家们可以针对具有特定表观遗传标记的DNA区域进行精确定位修饰。