1、表观遗传学Epigenetics 蛋白质磷酸化n克隆动物未老先衰n同卵双生的双胞胎虽然具有相同的DNA序列，却存在表型的差异和疾病易感性的差异n组织特异性基因的表达n复杂疾病的发生n单从DNA序列上寻找众多疾病的病因是片面的，往往事倍功半，对于某些疾病甚至可能永远找不到答案。n随着对实验动物特别是克隆动物生物学性状的了解以及人们对众多疾病的深入研究，科学家发现，除了基因组DNA外，还有基因组之外的大量遗传学信息调控着基因的表达，表观遗传学(epigenetics)应运而生。n表观遗传是指在没有DNA序列变化的基础上，基因表达状态的可遗传性的改变。n表观遗传学是研究基因组DNA序列未发生变化、而
2、基因表达及基因功能的诱导和维持却发生可遗传变化的科学。n表观遗传学的研究已成为基因组测序后的人类基因组重大研究方向之一。这一飞速发展的科学领域从分子水平揭示了复杂的生物学现象，为解开人类和其他生物的生命奥秘、造福人类健康带来了新希望。n从现在的研究情况来看，表观遗传学变化主要集中在三大方面：nDNA甲基化修饰n组蛋白修饰n非编码RNA的调控作用。DNA甲基化与基因表达甲基化与基因表达 DNA甲基化是最早发现的修饰途径之一，可能存在于所有高等生物中。DNA甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则诱导了基因的重新活化和表达。DNA甲基化nDNA甲基化是指在甲基化酶的作用下，将一个甲基添加在DNA分子
3、的碱基上。nDNA甲基化修饰决定基因表达的模式，即决定从亲代到子代可遗传的基因表达状态。nDNA甲基化的部位通常在CpG岛的胞嘧啶胞嘧啶甲基胞嘧啶甲基化反应化反应 DNMT1S-腺苷腺苷甲硫氨甲硫氨酸酸SAM胞嘧啶胞嘧啶5-5-甲基胞嘧啶甲基胞嘧啶 真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性：一种被称为日常型（mainte-nance）甲基转移酶，另一种是 从头合成（denovo synthesis）甲基转移酶。前者主要在甲基化母链（模板链）指导下使处于半甲基化的DNA双链分子上与甲基胞嘧啶相对应的胞嘧啶甲基化。日常型甲基转移酶常常与DNA内切酶活性相耦联，有3种类型:II类酶活性包括内切酶和甲基化酶
4、两种成分，而I类和III类都是双功能酶，既能将半甲基化DNA甲基化，又能降解外源无甲基化DNA。n在结构基因的调控区段，CpG二联核苷常常以成簇串联的形式排列。结构基因5端附近富含CpG二联核苷的区域称为CpG岛(CpG islands)。nCpG岛是CG二核苷酸含量大于50%的区域。CpG岛通常分布在基因的启动子区域。nCpG岛的甲基化会稳定核小体之间的紧密结合而抑制基因的表达。n当一个基因的启动子序列中的CpG岛被甲基化以后，尽管基因序列没有发生改变，但基因不能启动转录，也就不能发挥功能，导致生物表型的改变。nDNA甲基化抑制基因表达nDNA甲基化模式可以在DNA复制后被保持下来n肿瘤细胞
5、的甲基化特点n总体甲基化水平低n局部甲基化水平高，即抑癌基因的甲基化水平高HBXIP upregulates s100a4 via stat4 and pten to promote growth and migration of breast cancer cellsSP Liu and Ye,L et al.J B C.31;287(36):30228-39 2012.287(36):30228-39.n迄今已发现的印迹基因已有150余个，大多成簇排列，其中许多是疾病基因。虽多数印迹基因的作用机制尚不清楚，然而几乎都与DNA甲基化型的异常相关联。1956年Prader-Willi综合征(P
6、rader-Willi Syndrome,PWS)，患者肥胖、矮小、中度智力低下。染色体核型分析表明为 父源染色体15q11-13区段缺失。n1968年Angelman综合征(Angelman Syndrome，AS)，共济失调、智力低下和失语。母源染色体15q11-13区段缺失nPWS和AS综合症表明，父亲和母亲的基因组在个体发育中有着不同的影响，这种现象称为基因组印迹(genomic imprinting)。n有些基因的功能受到双亲基因组的影响，即来自父方和母方的等位基因在通过精子和卵子传递给子代时发生了修饰，打上了来源基因组的印记，使带有亲代印记的等位基因具有不同的表达特性。n涉及到不同
7、亲本来源的印迹基因的DNA甲基化型都是在生殖细胞成熟过程中建立的。印迹基因的印迹基因的DNADNA甲基化型在生殖细胞成熟过程中的建立甲基化型在生殖细胞成熟过程中的建立原始性细胞原始性细胞（2n）合子合子（2n）配子配子（n）组蛋白修饰n基因正常表达除了需要相应转录因子的诱导和启动子区处于低甲基化状态外，还需要具备另外一个表观遗传学条件，即组蛋白修饰处于激活状态。n组蛋白对特定氨基酸的修饰可以间接提供某些蛋白的识别信息，然后通过蛋白质和染色质的相互作用改变染色质的结构，从而调控基因的表达。n组成核小体的组蛋白可以被多种化合物所修饰，如磷酸化、乙酰化和甲基化等，组蛋白的这类结构修饰可使染色质的构型
8、发生改变，称为染色质构型重塑。n组蛋白中不同氨基酸残基的乙酰化一般与活化的染色质构型常染色质(euchromatin)和有表达活性的基因相关联；而组蛋白的甲基化则与浓缩的异染色质(hetero-chromatin)和表达受抑的基因相关联。n组蛋白甲基化可以与基因抑制有关，也可以与基因的激活相关，这往往取决于被修饰的赖氨酸处于什么位置。n组蛋白修饰主要是氨基端的甲基化修饰和(或)乙酰化修饰，特定组蛋白的氨基酸残基被甲基化和(或)乙酰化可以最终激活基因的表达，反之则抑制基因的表达。n特定组蛋白羧基端的泛素化同样影响蛋白质的降解过程，从而也可调节基因的表达。n目前研究还发现组蛋白修饰与CpG岛的甲基
9、化密切相关。非编码RNA调节n无论是DNA修饰还是组蛋白修饰，都是基因活性调节的中间参与者，而真正诱导基因活性改变的最大可能者是功能性非编码RNA。n非编码RNA在调节基因表达、基因转录、调整染色质结构、表观遗传记忆、RNA选择性剪接以及蛋白质翻译中都发挥重要作用。n不仅如此，RNA在保护机体免受外来核酸的侵扰中也扮演着重要的角色，被认为是最古老的免疫体系。n非编码RNA可依据大小分为长链非编码RNA和短链非编码RNA，前者在基因簇以至整个染色体水平发挥顺式调节作用，甚至可以介导单条染色体的失活，后者主要是在转录后水平对基因的表达进行调控。Linking genome to proteome基
10、因表达的重新编程n已完全分化的细胞，其基因组在特定条件下经历表观遗传修饰重建而为胚胎发育中的基因表达重新编程(reprogramming)并赋予发育全能性，为胚胎发育和分化发出正确的指令。n胚胎发育中表观基因组重新编程的差误将会导致多种表观遗传缺陷性疾病。n诱导性多能干细胞 induced pluripotent stem cells,iPSnDNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA均参与基因表达重新编程的过程中。n真核细胞中存在着一个由RNA干扰、组蛋白结构修饰和DNA甲基化系统组成的一个表观遗传修饰网络，能动地调控着具有组织和细胞特异性的基因表达模式。机体的表观遗传模式的变化在整个发育过程中
11、是高度有序的，也是严格受控的。蛋白质磷酸化蛋白质磷酸化蛋白质磷酸化与非磷酸化蛋白质磷酸化与非磷酸化 非活性蛋白与活性蛋白的构象之间的转换是通过可逆共价修饰调节蛋白质的方式，蛋白激酶则是这一过程催化磷酸化的重要蛋白，而磷酸酯酶是去磷酸化的重要蛋白.已经发现在人体内有多达2000个左右的蛋白质激酶和1000个左右的蛋白质磷酸酶基因。蛋白质的磷酸化是指由蛋白质激酶催化的把ATP或GTP上位的磷酸基转移到底物蛋白质氨基酸残基上的过程，其逆转过程是由蛋白质磷酸酶催化的，称为蛋白质脱磷酸.根据是否有调节物来分又可分成两大类：根据是否有调节物来分又可分成两大类：信使依赖性蛋白质激酶信使依赖性蛋白质激酶（me
12、ssenger-dependent protein messenger-dependent protein kinasekinase），），包括胞内第二信使或调节因子依赖性蛋白激酶及激包括胞内第二信使或调节因子依赖性蛋白激酶及激素（生长因子）依赖性激酶两个亚类；非信使依赖型蛋白激酶。素（生长因子）依赖性激酶两个亚类；非信使依赖型蛋白激酶。蛋白激酶的催化作用：蛋白激酶的催化作用：使调节酶磷酸化 (1)磷酸化酶激酶P激活 (2)糖原合成酶P失活 使许多蛋白质磷酸化 (1)核中组蛋白磷酸化加速核酸的复制，转录。(2)核糖体蛋白质磷酸化加速蛋白质合成通性。(3)使膜蛋白磷酸化加速物质的转运。蛋白质磷酸
13、化在细胞信号转导中的作用蛋白质磷酸化在细胞信号转导中的作用(1).在胞内介导胞外信号时具有专一应答特点专一应答特点。与信号传递有关的蛋白激酶类主要受控于 胞内信使，如cAMP，Ca2+，DG（二酰甘油，diacyl glycerol）等，这种共价修饰调节方式显然比变构调节较少受胞内代谢产物的影响。(2).蛋白质的磷酸化与脱磷酸化控制了细胞内已有的酶活性。与酶的重新合成及分解相比，这种方式能对外界刺激做出更迅速更迅速的反应。(3).对外界信号具有级联放大级联放大作用；(4).蛋白质的磷酸化与脱磷酸化保证了细胞对外界信号的持续反应持续反应。被磷酸化的主要氨基酸残基：丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸。组氨酸和
14、赖氨酸残基也可能被磷酸化。1 1、Ser/ThrSer/Thr蛋白激酶蛋白激酶 蛋白磷酸化是蛋白激酶将磷酸基因转移到特定底物蛋白上的共价修饰过蛋白磷酸化是蛋白激酶将磷酸基因转移到特定底物蛋白上的共价修饰过程，调控蛋白质的酶学活性或生物学功能，分为程，调控蛋白质的酶学活性或生物学功能，分为:cAMPcAMP依赖的依赖的PKPK CaCa2+2+/磷脂依赖的磷脂依赖的PKPK Ca Ca2+2+/（CaMCaM）钙调蛋白依赖的）钙调蛋白依赖的PKPK cGMPcGMP依赖的依赖的PKPK 近年发现新成员近年发现新成员DNADNA依赖的依赖的PKPKcAMPcAMP依赖的蛋白激酶（依赖的蛋白激酶（c
15、AMP dependent protein kinase.PKAcAMP dependent protein kinase.PKA）cAMPcAMP-依赖蛋白激酶是一种四聚蛋白酶，含有两个调控亚基和两个催化依赖蛋白激酶是一种四聚蛋白酶，含有两个调控亚基和两个催化亚基。当亚基。当cAMPcAMP-依赖蛋白激酶的调控亚基结合时，激酶解离成两个具有催化依赖蛋白激酶的调控亚基结合时，激酶解离成两个具有催化活性的蛋白激酶（由催化亚基形成）和一个二聚的调控亚基。活性的蛋白激酶（由催化亚基形成）和一个二聚的调控亚基。cAMPcAMP-依赖蛋白激酶被活化后，它解离出来的活性蛋白酶能够催化依赖蛋白激酶被活化后，
16、它解离出来的活性蛋白酶能够催化ATPATP分分子与目标代谢酶分子的磷酸化反应。一般是代谢酶的子与目标代谢酶分子的磷酸化反应。一般是代谢酶的SerSer或或ThrThr残基的羟基被残基的羟基被ATPATP磷酸化，其结果是代谢酶被抑制或激活。磷酸化，其结果是代谢酶被抑制或激活。cAMPcAMP即是通过上述机制实现对即是通过上述机制实现对代谢酶活性的调控。代谢酶活性的调控。结构与功能结构与功能n2个调节亚基（个调节亚基（R）+2个催化亚基（个催化亚基（C）PKAPKA全酶复合体全酶复合体（R R2 2C C2 2）（无）（无cAMPcAMP时，无活性）时，无活性）ncAMPcAMP与特异与特异R R
17、亚基结合亚基结合构象变化构象变化成为成为R R亚基二聚体亚基二聚体+2+2个有活个有活性性C C亚基亚基,各种哺乳动物细胞可不同水平表达各种哺乳动物细胞可不同水平表达3 3种种C C亚基亚型亚基亚型(C(CC CC C)和和4 4种种R R亚基亚型亚基亚型(R(R R R R R R R )结结合成全酶合成全酶PKA PKA 型和型和 型型.2)2)CaCa2+2+/磷脂依赖的蛋白激酶（磷脂依赖的蛋白激酶（Ca2+/phospholipid dependent protein kinase）经第二信使经第二信使Ca2+、甘油二酯、甘油二酯DG或磷脂酰丝氨酸刺激而激活的蛋白激酶称为或磷脂酰丝氨酸
18、刺激而激活的蛋白激酶称为Ca2+/Ca2+/磷脂依赖的蛋白激酶磷脂依赖的蛋白激酶，是肌醇磷脂信号传导通路的关键环节。，是肌醇磷脂信号传导通路的关键环节。多种激活剂与质膜上特异受体结合多种激活剂与质膜上特异受体结合磷脂酶磷脂酶C C 肌醇磷脂（肌醇磷脂（PIP2）水解水解 三磷酸肌醇（三磷酸肌醇（IP3）+甘油二酯（甘油二酯（DAG）生物效应生物效应 蛋白磷酸化蛋白磷酸化CaMPKPKCaCa2+2+胞内胞内Ca2+池池 一系列细胞蛋白磷酸化一系列细胞蛋白磷酸化 PKCPKC 磷酸肌醇级联放大的细胞内信使是磷脂酰肌醇磷酸肌醇级联放大的细胞内信使是磷脂酰肌醇-4-4，5-5-二磷酸（二磷酸（PIP
19、PIP2 2）的两个）的两个酶解酶解 产物：肌醇产物：肌醇1 1，4 4，5-5-三磷酸（三磷酸（IPIP3 3）和二酰基甘油（）和二酰基甘油（DAGDAG）。）。C C激酶（激酶（PKCPKC）是）是依赖于依赖于CaCa2+2+的蛋白质激酶。由于的蛋白质激酶。由于IPIP3 3所引起的细胞质所引起的细胞质CaCa2+2+浓度升高，导致浓度升高，导致C C激酶从胞激酶从胞质转运到靠原生质膜内侧处，并被质转运到靠原生质膜内侧处，并被DAGDAG和和CaCa2+2+的双重影响所激活。的双重影响所激活。C C激酶的活性也受磷脂酰丝氨酸的影响，原因是后者大大提高了激酶的活性也受磷脂酰丝氨酸的影响，原因
20、是后者大大提高了C C激酶对于激酶对于CaCa2+2+的亲和力，从而使得的亲和力，从而使得C C激酶能被生理水平的激酶能被生理水平的CaCa2+2+离子所活化。离子所活化。C C激酶主要实施对激酶主要实施对丝氨酸、苏氨酸的磷酸化，它具有一个催化结构域和一个调节结域。丝氨酸、苏氨酸的磷酸化，它具有一个催化结构域和一个调节结域。1 1、IP3IP3作用：作用：IP3与与IP3受结合后，变构，钙通道打开，贮于内质网的受结合后，变构，钙通道打开，贮于内质网的Ca2+释放释放入细胞质内，使胞质入细胞质内，使胞质Ca2+浓度升高浓度升高，引起一系列效应。如，引起一系列效应。如:平滑肌收缩等平滑肌收缩等.2
21、、DAGDAG作用作用：激活蛋白激酶C,将存在于靶蛋白质中得丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化，改变靶蛋白质的活性。如:糖原合成酶磷酸化后，停止合成糖原。3 3、DAGDAG与与IP3IP3的协调作用的协调作用IP3 细胞质中Ca2+糖原合成酶活性蛋白激酶C 使IP3 诱导增高糖原磷酸化酶活性的过程终止。4 4、DAGDAG的激活机理的激活机理 DAG 增加蛋白激酶C对Ca2+的亲合性在Ca2+生理水平上被活化。蛋白激酶C为 77kd,催化区抑制调节区,当DAG结合到蛋白激酶C上，解除酶的调节区的抑制作用，使酶发挥催化活性。4 4）cGMPcGMP依赖的蛋白激酶依赖的蛋白激酶 (cGMP depende
22、nt protein kinase,GPK(cGMP dependent protein kinase,GPK)1963 1963年从肾脏首次发现年从肾脏首次发现cGMPcGMP5 5）DNADNA依赖的蛋白激酶依赖的蛋白激酶(DNA dependent protein kinase,DNA(DNA dependent protein kinase,DNA-PK)-PK)是一类存在于细胞核内，能被是一类存在于细胞核内，能被DNADNA激活的特异的激活的特异的Ser/ThrSer/Thr PK PK，可引起多种，可引起多种核结合蛋白磷酸化。核结合蛋白磷酸化。第二类、第二类、酪氨酸蛋白激酶酪氨酸蛋
23、白激酶 对于许多生长因子受体的研究表明，跨膜的酪氨酸蛋白激酶在信息传递过程中起着重要作用。具有受体功能的酪氨酸 蛋白激酶(receptor protein tyrosine kinase,RPTK)。包括三个结构域：胞外的配体结合区，细胞内部具有酪氨酸蛋白激酶活性的区域和连接这两个区域的跨膜结构。胞外配体结合区：RPTK的N端大约500-850个氨基酸组成亲水性胞外配体结合区域，氨基酸序列变化较大，是不同RPTK与相应配体特异性结合的结构基础。跨膜结构区：是连接受体细胞内、外两部分，镶嵌在细胞膜中的结构，在靠近膜内侧C端常常是由碱性氨基酸形成簇状结构。胞内活性区：保守性较高，由三个不同的部分组成。与跨膜区相连的近膜区包括41-50个氨基酸，可能是RPTK活性的功能的调节部位。第二部分为活性位点所在的催化区，其氨基酸组成具有很高的保守性。该区含有ATP结合位点和底物结合位点，可能是不同类型RPTK底物特异性的决定区域。第三部分是多变的C末端，包括70-200个氨基酸，主要是由小分子量氨基酸组成的亲水性结构，具有高度可塑性。
