第十章：表观基因组

第十章：表观基因组

表观基因组学·DNA修饰·RNA修饰·蛋白质修饰·三维基因组·单细胞表观基因组学

一套基因组，存在多套表观基因组

1. 表观基因组学的定义、研究内容和特点

黄鳝、牡蛎、小丑鱼，生物中的“雌雄同体”

• 表观基因组学的概念是什么？
  • 答：表观基因组学是指，在核苷酸序列不发生改变的情况下，研究基因组上的化学修饰和空间结构变化如何影响基因功能和表达调控的一门学科。
• 表观基因组学的研究内容：
  • 基因的化学修饰的变化：DNA、RNA和蛋白质方面的变化
  • 空间结构的变化：核小体，染色质、基因组的变化
• 表观基因组的特点：
  • DNA序列不变，可逆，可遗传、动态变化。
• 引起表观基因组变化的因素：
  • 生物方式和环境因素
  • 表观修饰是表型环境和行为的纽带，影响个体健康。
• 癌症表观基因组

2. DNA修饰：DNA甲基化，DNAmage，基因组印记

• DNA的甲基化修饰：

  • 什么是DNA的甲基化？

    • 答： 甲基是一个化学基团，能够结合DNA某些特定部位。甲基与DNA的结合过程叫甲基化，甲基从DNA上脱落的过程叫做去甲基化。

  • DNA甲基化会影响染色体结构、DNA构象、DNA稳定性以及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。

  • DNA甲基化的发现，有助于发现新的疾病治疗方法

  • DNA甲基化能够遗传

  • DNA甲基化测序技术：

    • DNA甲基化芯片：快，便宜，个别位点测，深度较深
    • 全基因组甲基化测序：慢，费钱，全基因组测，深度较浅

  • DNA甲基化与基因表达、发育及疾病密切相关

    • 基因启动子区域无甲基化，基因正常表达
    • 基因启动子区域出现甲基化，基因开始不表达（沉默）
    • 基因启动子部分DNA甲基化，基因表达减弱
    • 大多数情况下，启动子区域的加几句话与表达呈现负相关
    • DNA甲基化能够调控剪切
    • DNA甲基化能抑制转座
    • DNA甲基化影响衰老

  • DNA甲基化与基因组印记

    • 什么是基因组印记？答：基因组印记是指基因表达具有亲本特异性的表观遗传现象。
    • 基因组印记的功能：控制两性发育

3. RNA修饰：mRNA修饰，m6A，RNA编辑

• RNA和蛋白质修饰在生命过程中发挥重要作用
  • mRNA修饰很重要，但角色尚未可知
  • 非编码RNA修饰也很重要
• RNA 编辑
  • 什么是RNA编辑：
    • 答：RNA标记是一种转录后加工的过程，通过碱基替换，核苷酸插入和缺失修改RNA序列。
    • RNA编辑：C to U，A to I

4. 蛋白质修饰（具体包含甲基化，磷酸化，乙酰化，酰胺化）：

• 翻译后修饰（PTM）
  • 什么是翻译后修饰（简称PTM）：
    • 答：翻译后修饰是指RNA翻译形成氨基酸后，将氨基酸的蛋白酶水解或在氨基酸上新加修饰基团
  • PTM 能够改变氨基酸的化学性质或结构；
  • PTM 能增加蛋白质的多样性；
• 组蛋白修饰

  • 什么是组蛋白：

    • 答：组蛋白是一种包装DNA的蛋白质，能够改变DNA的结构；
    • 组蛋白家族有五类。
    • 组蛋白+DNA就能组成核小体

  • 组蛋白修饰的作用：

    • 改变与DNA或其他和蛋白的相互作用
    • 改变热色之结构和活性
    • 调控基因表达

5. 空间变化

• 基因组与三维基因组
  • DNA分子一共被压缩8400倍，才能形成复杂的三维结构（染色体）
• 三维基因组学：基因的三维空间结构与功能的研究简称三维基因组学。
• 为什么要研究三维基因组？
  • 答：基因的调控结果和机制与基因组的三维空间结构有潜在关系。
• 三维基因组的基本实验技术：
  • 荧光染色技术到染色体构象捕获技术
• 基因组三维空间结构从大到小依次为：
  • 染色质疆域：
    • 指每条染色体都占据一个独特的区域
    • 
  • 区室：
  • 拓扑关联结构域（简称TAD）：是区室下的亚结构，研究TAD有助于理解疾病机制
  • 染色质环：
• 4D基因组学：加入了时间维度

6. 单细胞表观基因组学

单细胞水平上的表观组学研究