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1、Epigenetics in cancer,肿 瘤,世界癌症现状,全球 (2010年),809 万人死亡,1303 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,Cancer,Cancer,6 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,中国癌症现状,197 万人死亡,中国（2010）,What causes cancer?,Carcinogenesis. Some factors to consider,Heredity Immunity Chemical Physical Viral
2、Bacterial Lifestyle,Heredity,Genes isolated for several classic familial cancer syndromes: RB1 (retinoblastoma) APC (familial polyposis) Human Non Polyposis Colon Cancer (HNPCC) BRCA 1&2 (breast cancer) p53 (many cancers),抑癌基因p53,Colleen A. Brady and Laura D. Attardi, p53 at a glance，Journal of Cell
3、 Science, 2010, 123: 2527-2532,Exposure to carcinogens, failure of DNA repair, and progressive genetic instability lead to accumulation of mutations that drive cancer development, growth, and metastases. Subclones with new mutations may become dominant within metastases or within persistent or recur
4、rent cancer deposits through selective pressures exerted by cytotoxic or targeted chemotherapies.,Cancer Epigenetics,Since the discovery of the fi rst recurrent mutations in oncogenes and tumor suppressor genes, it has been clear that cancer is, in large part, a genetic disease. Global changes in th
5、e epigenetic landscape are a hallmark of cancer.,What is Epigentics ?,遗传学 genetics,基因组印迹 源自双亲的两个等位基因中一个不表达或表达很弱。 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
6、传学(Epigenetics) 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,一门新兴的遗传学分支,遗传与表观遗传,表观遗传学的特点： 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间遗传； 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； 没有DNA序列的改变或不能用DNA序列变化来解释。,拉马克,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,Natt D, Rubin CJ, Wright D et al. Heritable genome-wide variation
7、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 chickens, and we suggest that selection of favourable epigenomes, either by selection of genotypes affecting epigenetic
8、states, or by selection of methylation states which are inherited independently of sequence differences, may have been an important aspect of chicken domestication.,Dowen RH, Pelizzola M, Schmitz RJ et al. Widespread dynamic DNA methylation in response to biotic stress. Proc Natl Acad Sci U S A 2012
9、;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,表观遗传修饰从多个水平调控基因表达,DNA: DNA甲基化,蛋白质：组蛋白修饰,染色质：染色质重塑,RNA：非编码RNA,表观遗传学的研究内容：,基因转录后的调控 基因组中非编码RNA 微小RNA（miRNA） 反义RNA 内含子、核糖开关等,基因选择性转录表达的调控 DNA甲基化 基因印记 组蛋白共
10、价修饰 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,肿瘤表观遗传学,研究没有DNA 序列变化、可遗传的基因表达（活性）调控方式的改变，主要涉及DNA 甲基化作用的改变和染色质组蛋白的修饰作用、染色质重塑及非编码RNA 等调控方式的变化，通过引起肿瘤遗传学途径中基因的失能与获能、增加基因组不稳定、印迹丢失等途径参与肿
11、瘤的发生发展。,肿瘤表观遗传修饰机制,对基因表达控制的方式： （1）DNA 甲基化； （2）组蛋白修饰； （3）染色质重塑； （4）非编码RNA。 等 种调控来。,DNA甲基化,DNA甲基化,DNA甲基化(DNA methylation)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)。,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)。 CpG岛是CG二核苷酸含量大于
12、50%的区域。CpG岛通常分布在基因的启动子区域。,CpG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。,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。 DNA甲基化抑制基因表达,DNA甲基化与去甲基化,人类表观基因组计划,Human Epigenome Project（HEP）： 2003 年10月由人类表观基因组协会(Human Epigenome Consortium, HEC)正式投资和实施。 目标：确认、分类和解释人类主要组织中所有基因在基因组水平的DNA 甲基化模式，确认DNA 甲基化位点
13、在人类基因组的分布和频率，在人类基因组水平绘制不同组织类型和疾病状态的甲基化可变位点（methylaiton ariable positions ，MVPs）图谱。,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因调控表达中发挥了重要作用。,
14、双生子表观基因组研究,同卵双胞胎之间，新生儿出生时的表观遗传学图谱也存在着广泛的差异。,Genome Res. 2012 Aug;22(8):1395-406.,发育早期甲基化,大多数基因在我们的一生中都保持活性，不过有些基因只在胚胎发育早期激活，一旦这些基因完成了自己的使命它们就会被永远关闭。,Cell reports 2012;2:766-773.,表观遗传与癌症,低甲基化： 诱导原瘤基因和转座子成分活化、基因的印迹丢失以及增加染色体的不稳定性，最终诱发肿瘤。 如肺癌和结肠癌。 高甲基化（启动子区域CpG 岛）： 抑瘤基因转录沉默。 如肾癌和视网膜母细胞瘤：VHL 基因的沉默、 前列腺癌：
15、DNA 损伤修复有关的GSTP基因的沉默。,DNA低甲基化 vs. 癌症,1. DNA低甲基化/去甲基化对癌症细胞发育的作用： A. 产生染色体的不稳定性 B. 激活转座元件 C. 印记的缺失 2. 甲基化水平较低的DNA区域在有丝分裂过程中容易发生重组，从而产生删除或者移位，或者染色体重排 3. DNA低甲基化损坏基因组印记,DNA低甲基化促进染色体不稳定性与癌症发生,A. DNA低甲基化降低小鼠的生存率； B. DNA低甲基化的细胞中染色体不稳定性升高(2.2倍) C. 染色体不稳定性,Dnmt敲除：染色体不稳定性,Dnmts敲除的细胞中出现染色体的非整倍现象,肿瘤细胞DNA 甲基化修饰：
16、 印迹丢失： 是一个表观遗传事件，是一种在基因组DNA 水平对双亲等位基因特异性的基因外遗传学修饰。 基因组印迹是指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，使带有亲代印迹的等位基因具有不同的表达特性。,基因组印记,Genomic Imprinting: 两条染色体需要随机沉默其一 Beckwith-Wiedemann Syndrome: 1/15,000 BWS：20%的致死率 BWS: embryonic tumor,遗 传 印 迹,概念： 或称亲本印迹（parent imprinting） 是指基因组在传递遗传信息的过程中，通过基因组的化学修饰（DNA的甲基化；组蛋
17、白的甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等）而使基因或DNA片段被标识的过程。 特点： 基因组印迹依靠单亲传递某种性状的遗传信息，被印迹的基因会随着其来自父源或母源而表现不同，即源自双亲的两个等位基因中一个不表达或表达很弱。 不遵循孟德尔定律，是一种典型的非孟德尔遗传，正反交结果不同。,遗 传 印 迹,由正反交实验可以看出： 印迹基因的正反交结果不一致、不符合孟德尔定律。 小鼠 Igf-2 基因总是母本来源的等位基因被印迹，父本来源的等位基因表达，因此是母本印迹。 基因印迹使基因的表达受到抑制，导致被印迹的基因的生物功能的丧失。,遗 传 印 迹,基因印迹过程 印迹的形成 印迹形成于成熟配子，并持续到
18、出生后。 印记的维持 印记的去除 印记的去除过程是发生在原始生殖细胞的早期阶段。 基因组印迹的机制 配子在形成过程中，DNA产生的甲基化、核组蛋白产生的乙酰化、磷酸化和泛素化等修饰，使基因的表达模式发生了改变。,基因印迹 的建立,组蛋白修饰,65,Chromatin packaging,组蛋白修饰,Adapted from Lund and Lohuizen Genes Dev 2004,组蛋白修饰种类 乙酰化- 一般与活化的染色质构型相关联，乙酰化修饰大多发生在H3、H4的 Lys 残基上。 甲基化- 发生在H3、H4的 Lys 和 Asp 残基上，可以与基因抑制有关，也可以与基因的激活相关
19、，这往往取决于被修饰的位置和程度。 磷酸化- 发生与 Ser 残基，一般与基因活化相关。 泛素化- 一般是C端Lys修饰，启动基因表达。 SUMO（一种类泛素蛋白）化- 可稳定异染色质。 其他修饰,组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型被称为组蛋白密码（histone code），遗传密码的表观遗传学延伸，决定了基因表达调控的状态，并且可遗传。,组蛋白密码,A. 修饰结合蛋白质：组蛋白密码的阅读器 B. 组蛋白密码的组合方式 C. 不同组蛋白的修饰组合起来发挥功能,染色质重塑,染色质重塑（chromatin remodeling）是一个重要的表观遗传学机制。 染色质重塑是由染色质重塑复合物
20、介导的一系列以染色质上核小体变化为基本特征的生物学过程。 组蛋白尾巴的化学修饰（乙酰化、甲基化及磷酸化等）可以改变染色质结构，从而影响邻近基因的活性。,X-inactive-specific transcript,1. XIST: X-inactive-specific transcript 2. XIST: 产生一个17kb的非编码的RNA分子 3. 将150MB的X染色体包裹起来-顺式作用， 4. LINE (Long INterspersed Elements)：协 助信号的传播,Science-lncRNA Xist与X染色体三维结构,Fig. 6A model for how Xis
21、t 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,组蛋白修饰：正常细胞 vs. 癌症,癌症细胞中的组蛋白修饰,1. 肿瘤细胞中，H4缺失单乙酰化和三甲基化修饰 2. 在肿瘤发育
22、的过程中，该修饰水平的降低将持续积累 3. 单乙酰化的缺失：Lys16，三甲基化的缺失：Lys20；两种修饰的缺失与DNA重复片段的低甲基化伴随出现 4. H4的修饰缺失至少在乳腺癌和肝癌中发生 5. 在前列腺癌中，H3K4的去甲基化与H3K18的乙酰化是该癌症发生的分子标记,非编码RNA 的表观遗传学修饰 非编码小RNA（no-coding small RNA）不仅能在转录后水平抑制基因的表达，进行转录后调控（post-transcriptional regulation），而且也能通过诱导DNA 甲基化达到转录水平的基因调控，是表观遗传修饰中的一种新的基因表达调控机制。,Non-Codin
23、g RNA: Formerly known as “JUNK”,Non-Coding RNA: A Key to Eukaryotic Complexity?,Biogenesis,-Primary-miRNA 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). -Transporte
24、d to the cytoplasm by Exportin 5 through nuclear pores. -Cleaved by Dicer enzyme (RNase III enzyme) into 19-22nt 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
25、6, p. 263,siRNA mediated degradation of mRNA versus miRNA mediated inhibition of mRNA translation,Filipowicz, Curr. Op. Structural Biology 15: 331-341 (2005),siRNA and miRNA,83,http:/microrna.sanger.ac.uk/sequences/search.shtml,利用公共数据库寻找某个 miRNA的target基因,84,http:/cbio.mskcc.org/cgi-bin/mirnaviewer/m
26、irnaviewer.pl,利用公共数据库还能找被几个 miRNA的共同调节的target基因,Roles in cancer,Recent studies show that some microRNAs regulate cell proliferation and apoptosis, processes that are important in cancer formation. In addition, some miRNAs may function as oncogenes or tumor suppressors. More than 50% of miRNA genes a
27、re located in cancer associated genomic regions or in fragile sites.,86,miRNA与肿瘤发生的关系存在两种可能的模式 Caldas, et al.（Nature Medicine 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miRNAs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。miRNA癌基因的活化和miRNA抑癌基因失活导致肿瘤抑瘤基因表
28、达下调以及这些miRNA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的 甲基化修饰,在肿瘤中，miRNA分子表达常常发生异常改变。 miR-125b-1（11q24脆性位点）：乳腺癌、肺癌、卵巢癌、子宫癌患者中存在缺失； miR-143和mir-145在结肠癌、乳腺癌、前列腺癌、子宫癌、淋巴癌等细胞系中其表达量也明显下调； miR-15-92基因簇在人类恶性淋巴瘤中表达上调。,siRNA 诱导的DNA 甲基化与肿瘤发生 siRNA 是RNAi 途径中的中间产物，是RNAi发挥效应所必需的因子； 在细胞质中siRNA 诱导的转录后水平特异性基因沉默是依靠RNA-RNA 的序列
29、识别的； siRNA 指导的基因组修饰和诱导转录水平的基因沉默则是RNA-DNA 序列相互识别产生的生物学效应。,siRNA诱导的DNA甲基化与肿瘤发生 已经在人类乳腺癌细胞和非转化的乳腺上皮细胞证实了siRNA通过RdDM诱导转录水平的基因沉默。 用人工合成的靶向E-cadherin 启动子CpG 岛的siRNA，在MCF-7乳腺癌细胞和正常的乳腺上皮细胞中诱导出了有意义的DNA甲基化和H3K9的甲基化。,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
30、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),生物学功能,许多lncRNA都具有保守的二级结构，剪切形式以及亚细胞定位，这种保守性和特异性表明它们是具有功能的。但lncRNA的功能相对于microRNA和蛋白质的功能来说更加难以确定，因为目前并不能仅根据序列或者结构来推测它们的功能。,