1、Epigenetics in cancer肿肿 瘤瘤全球全球 (2010(2010年年)809 809 万人死亡万人死亡1303 1303 万新发病例万新发病例5肝癌1肺癌7食道癌3结肠癌2乳腺癌4胃癌6宫颈癌CancerCancer6宫颈癌5结肠癌8鼻咽癌1肺癌2肝癌7乳腺癌3胃癌4食道癌268 万新发病例万新发病例197 万人死亡万人死亡中国（中国（2010）Colleen A.Brady and Laura D.Attardi,p53 at a glance，Journal of Cell Science,2010,123:2527-2532Exposure to carcinogens
2、,failure of DNA repair,and progressive geneticinstability lead to accumulation of mutations that drive cancer development,growth,and metastases.Subclones with new mutations may become dominantwithin metastases or within persistent or recurrent cancer depositsthrough selective pressures exerted by cy
3、totoxic or targeted chemotherapies.遗传学 genetics 基因组印迹基因组印迹n源自双亲的两个等位源自双亲的两个等位基因中一个不表达或表基因中一个不表达或表达很弱。达很弱。n不遵循孟德尔定律不遵循孟德尔定律同卵双胞胎表观遗传Why Your DNA Isnt Your Destiny?The new field of epigenetics is showing how your environment and your choices can influence your genetic code and that of your kids表观遗传学(E
4、pigenetics)基因的基因的DNA序列不发生改变的情况下，基因的表达序列不发生改变的情况下，基因的表达水平与功能发生改变，并产生可遗传的表型水平与功能发生改变，并产生可遗传的表型遗传与表观遗传遗传与表观遗传表观遗传学的特点：l可遗传的，即这类改变通过有丝分可遗传的，即这类改变通过有丝分裂或减数分裂，能在细胞或个体世代裂或减数分裂，能在细胞或个体世代间遗传；间遗传；l可逆性的基因表达调节，也有较少可逆性的基因表达调节，也有较少的学者描述为基因活性或功能的改变；的学者描述为基因活性或功能的改变；l没有没有DNA序列的改变或不能用序列的改变或不能用DNA序列变化来解释。序列变化来解释。拉马克拉
5、马克1809年发表的动物哲学：用进废退这种后天获得的性状是可以遗传的表观遗传学变化具有可遗传性表观遗传学变化具有可遗传性Natt D,Rubin CJ,Wright D et al.Heritable genome-wide variation of gene expression and promoter methylation between wild and domesticated chickens.BMC genomics 2012;13:59.Conclusions Our results show that epigenetic variation is inherited in
6、 chickens,and we suggest that selection of favourable epigenomes,either by selection of genotypes affecting epigenetic states,or by selection of methylation states which are inherited independently of sequence differences,may have been an important aspect of chickendomestication.Dowen RH,Pelizzola M
7、,Schmitz RJ et al.Widespread dynamic DNA methylation in response to biotic stress.Proc Natl Acad Sci U S A 2012;109:E2183-2191.Ecker及其同事对DNA甲基化调控拟南芥免疫系统的机制进行了研究。甲基化参与抑制整合到基因组中的“跳跃基因”转座子的表达。研究人员在Illumina平台上进行了全基因组测序，发现在植物应对细菌感染的过程中，出现了大量甲基化修饰的改变。表观基因组可因环境而改变v DNA:DNA甲基化甲基化v蛋白质：组蛋白修饰蛋白质：组蛋白修饰v 染色质：染色质
8、重塑染色质：染色质重塑v RNA：非编码：非编码RNAl 基因转录后的调控基因转录后的调控u基因组中非编码RNAu微小RNA（miRNA）u反义RNAu内含子、核糖开关等l 基因选择性转录表达基因选择性转录表达的调控的调控uDNA甲基化u基因印记u组蛋白共价修饰u染色质重塑 1.概念：基因的DNA序列不发生改变的情况下，基因的表达水平与功能发生改变，并产生可遗传的表型。2.特征:(1)可遗传；(2)可逆性；(3)DNA不变 3.表观遗传学的现象：(1)组蛋白修饰(2)DNA甲基化(3)MicroRNA(4)Genomic imprinting 表观遗传学DNA甲基化DNA甲基化(DNA met
9、hylation)是研究得最清楚、也是最重要的表观遗传修饰形式，主要是基因组 DNA上的胞嘧啶第5位碳原子和甲基间的共价结合，胞嘧啶由此被修饰为5甲基胞嘧啶(5-methylcytosine，5mC)。Mol Cell 2011;44:17-28.甲基化影响造血干细胞命运的机制研究经典的理论普遍认为DNA甲基化是一种稳定的表观遗传学标记，且在细胞分化过程中呈单向性变化，即甲基化程度不断增高。在新研究中，研究人员认为在分化的过程中应该并非仅存在单向的DNA甲基化变化，而是应该呈甲基化和去甲基化双向动态变化。大量的低甲基化区域富集在一些特异的调控因子的结合区域附近，表明其有可能在染色质构型及某些基
10、因调控表达中发挥了重要作用。Genome Res.2012 Aug;22(8):1395-406.Cell reports 2012;2:766-773.Dnmts敲除的细胞中出现染色体的非整倍现象基因印迹 的建立65Adapted from Lund and Lohuizen Genes Dev 2004v组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型被组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型被称为称为组蛋白密码（组蛋白密码（histone codehistone code），遗传密码的，遗传密码的表观遗传学延伸，决定了基因表达调控的状态，并表观遗传学延伸，决定了基因表达调控的状态，并且可遗传
11、。且可遗传。Science-lncRNA Xist与与X染色体三维结构染色体三维结构Fig.6A model for how Xist exploits and alters three-dimensional genome architecture to spread across the X chromosome.Science.2013 Aug 16;341(6147):1237973.doi:10.1126/science.1237973.常染色质 vs.异染色质Ac:乙酰基Me:甲基P：磷酸基组蛋白的乙酰转移酶的结合活化相应区域去凝聚状态的染色质活性染色质的产生-Primary-mi
12、RNA is transcribed in the nucleus,and is usually several kilobases long;posses 5 cap and a poly-A tail.-Cleaved in the nucleus by Drocha enzyme to 70nt hairpin transcript(pre-miRNA).-Transported to the cytoplasm by Exportin 5 through nuclear pores.-Cleaved by Dicer enzyme(RNase III enzyme)into 19-22
13、nt ds-transcripts.-700 Human genes,490 mouse genes.1400 possible human sequences but 733 cloned or detected.Only 120 tested.Esquela-Kerscher,A.,and Slack,F.J.(2006).Nature Reviews 6,p.263siRNA mediated degradation of mRNA versusmiRNA mediated inhibition of mRNA translationFilipowicz,Curr.Op.Structur
14、al Biology 15:331-341(2005)83http:/microrna.sanger.ac.uk/sequences/search.shtml利用公共数据库寻找某个利用公共数据库寻找某个miRNAmiRNA的的targettarget基因基因84http:/cbio.mskcc.org/cgi-bin/mirnaviewer/mirnaviewer.pl利用公共数据库还能找被几个利用公共数据库还能找被几个miRNAmiRNA的共同调节的的共同调节的targettarget基因基因86 miRNA与肿瘤发生的关系存在两种可能的模式 Caldas,et al.（Nature Med
15、icine 2005）：1、若miRNA表达上调，其对应抑癌基因表达下调时，则可能导致肿 瘤发生；2、若miRNA表达下调，其对应癌基因表达上调时，同样可能导致肿 瘤发生。88 许多瘤基因和肿瘤抑制基因都受到miRNAsmiRNAs分子的调控，此时的miRNAs可能起到癌基因或是肿瘤抑制基因的作用。miRNAmiRNA癌基因的活化和miRNA抑癌基因失活导致肿瘤抑瘤基因表达下调以及这些miRNAmiRNA基因与蛋白编码癌基因、抑癌基因协同作用导致肿瘤发生.miRNA miRNA的的甲基化修饰甲基化修饰是一类转录本长度超过200nt的RNA分子，它们并不编码蛋白，而是以RNA的形式在多种层面上（表观遗传调控、转录调控以及转录后调控等）调控基因的表达水平。lncRNA起初被认为是基因组转录的“噪音”，是RNA聚合酶II转录的副产物，不具有生物学功能。然而，近年来的研究表明，lncRNA参与了X染色体沉默，基因组印记以及染色质修饰，转录激活，转录干扰，核内运输等多种重要的调控过程，lncRNA的这些调控作用也开始引起人们广泛的关注。哺乳动物基因组序列中4%9%的序列产生的转录本是lncRNA（相应的蛋白编码RNA的比例是1%），虽然近年来关于lncRNA的研究进展迅猛，但是绝大部分的lncRNA的功能仍然是不清楚的。长链非编码RNA(lncRNA)
