內(nèi)容提綱
表觀(guān)基因組學(xué)（Epigenomics）
定義：在核苷酸序列不發(fā)生改變的情況下，研究基因組上的化學(xué)修飾和空間結(jié)構(gòu)變化如何影響基因功能和表達(dá)調(diào)控的一門(mén)學(xué)科
研究?jī)?nèi)容：
1）化學(xué)修飾：DNA、RNA、蛋白質(zhì)
2）空間結(jié)構(gòu)：核小體（Nucleosome）、染色質(zhì)（chromatin）、基因組
表觀(guān)特點(diǎn)：DNA序列不變、可逆、可遺傳、動(dòng)態(tài)變化
引起表觀(guān)基因組變化的因素：Lifestyle and enviroment factors
癌癥表觀(guān)基因組（Cancer Epigenome）:
1)cancers are caused by chanes in the epigenome as well as the genome. Changes in the epigenome can switch on or off genes involved in cell growth or the immune response. These changes can lead to uncontrolled growth, or to a failure of the immune system to detory tumors(腫瘤).
2) In a type of brain tumor called glioblastma, doctors have had some success in treating patients with the drug temozolomide, which kills cancer cells by adding methyl groups to DNA. Glioblastoma patients whose tumors have such methylated genes are far more likely to response to temozolomide than those with unmethylated genes.
3)Studies in the cancer genome atlas(TCGA) are comparing the genomes and epigenome of normal cells with those of cancer cells. Understanding all the changes that turn a normal cell into a cancer cell will speed efforts to develop new and better ways of diagnosing , treating and preventing cancer.
DNA修飾--甲基化（Methylation）： 給堿基戴帽子
甲基作為一個(gè)化學(xué)基團(tuán)（-CH3）能夠結(jié)合在DNA上某些特定部位。甲基和DNA結(jié)合的過(guò)程就加甲基化，甲基從DNA上脫落的過(guò)程就叫去甲基化。DNA甲基化能引起染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、DNA構(gòu)象、DNA穩(wěn)定性及DNA與蛋白質(zhì)相互作用方式的改變，從而控制基因表達(dá)。（目前研究的比較多的、定量比較成熟的DNA甲基化形式是N5-mC（胞嘧啶））
“第五堿基”學(xué)說(shuō)：5甲基胞嘧啶（5mC）是表觀(guān)遺傳最重要的一種修飾，由于與基因的表達(dá)調(diào)控密切相關(guān)，因此又被譽(yù)為“第五堿基”，但是我們要清楚的是甲基化修飾是不影響復(fù)制過(guò)程中堿基配對(duì)的，同樣的也不影響轉(zhuǎn)錄過(guò)程中的堿基配對(duì)，因此，DNA修飾不能被看作新堿基。
***DNA甲基化是可以遺傳的（2013年基因組所劉江老師發(fā)表的一篇cell得到的推論），但是在表觀(guān)層面暫時(shí)還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)
5mC測(cè)序：Bisulfite（重亞硫酸鹽）處理能夠?qū)⒒蚪M中未發(fā)生甲基化的C堿基轉(zhuǎn)換成U，進(jìn)行PCR擴(kuò)增后變成T，與原本具有甲基化修飾的C堿基區(qū)分開(kāi)來(lái)，再結(jié)合高通量測(cè)序技術(shù)，可以繪制單堿基分辨率的全基因組DNA甲基化圖譜。
DNA甲基化測(cè)序：芯片適合大規(guī)模測(cè)序、全基因組甲基化測(cè)序適合探索性研究
DNA甲基化的建立和維持：主要是與DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶（DNA methytransferase 簡(jiǎn)稱(chēng)DNMT）有關(guān)。DNMT3A和DNMT3B能夠使胞嘧啶（C）發(fā)生從頭甲基化。并且在DNA復(fù)制的過(guò)程中，DNMT1甲基化轉(zhuǎn)移酶會(huì)識(shí)別半甲基化的CpG，并催化形成5mC。
DNA甲基化的去除：
1）主動(dòng)去甲基化：通過(guò)酶（TET）進(jìn)行去甲基化；通過(guò)DNA損傷修復(fù)去甲基化
2）被動(dòng)去甲基化：在復(fù)制過(guò)程中，DNMT1催化產(chǎn)生問(wèn)題，導(dǎo)致DNA甲基化不能被維持
DNA甲基化的功能：
1）調(diào)控表達(dá)：在大多數(shù)情況下啟動(dòng)子區(qū)域的甲基化與表達(dá)呈負(fù)相關(guān)
2）調(diào)控剪切：機(jī)制尚未明確，不同基因甲基化對(duì)剪切的影響也不同
3）抑制轉(zhuǎn)座：能抑制新轉(zhuǎn)座元件的額轉(zhuǎn)座，防止其對(duì)物種產(chǎn)生有害影響
***利用DNA甲基化能夠精準(zhǔn)預(yù)測(cè)實(shí)際年齡，總體誤差小于三年
DNA甲基化：基因組印記（基因表達(dá)具有親本特異性的表觀(guān)遺傳現(xiàn)象）
在生物學(xué)和疾病中是非常重要的，他會(huì)導(dǎo)致親本特異性表達(dá)就是通過(guò)DNA甲基化的獲得和丟失來(lái)產(chǎn)生的。Imprinted genes have major on development,growth and survival, as well as on adult phenotypes. Many imprinted genes are expressed in the brain and affect diverse aspects of behaviour from birth onwards, from infant feeding to sleep and adult social behaviour. Abnormal experssion of imprinted genes is a contributory factor in human diseases.
RNA修飾
主要有7種化學(xué)修飾，他們具有不同的分布偏好性。
mRNA修飾能夠參與基因表達(dá)調(diào)控；能夠影響重要生物學(xué)進(jìn)程
ncRNA修飾也有重要的生物學(xué)功能
RNA編輯：是一種轉(zhuǎn)錄后加工過(guò)程，通過(guò)堿基替換、插入和缺失等修改RNA序列
1）C - to - U：主要參與酶是APOBEC1
2）A - to - I(指的是腺嘌呤脫氨形成的次黃嘌呤核苷)：主要參與酶是ADAR2
蛋白質(zhì)修飾
翻譯后修飾（Post-Translational Modification, PTM）：是共價(jià)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，由蛋白酶水解或修飾基團(tuán)添加到一個(gè)氨基酸上。PTM的主要作用是改變氨基酸的化學(xué)性質(zhì)或結(jié)構(gòu)，擴(kuò)闊蛋白質(zhì)的功能，是細(xì)胞信號(hào)介導(dǎo)中的重要組成部分。蛋白質(zhì)修飾可以發(fā)生在翻譯過(guò)程中或翻譯后，但大部分發(fā)生在翻譯和折疊之后，因此統(tǒng)稱(chēng)為PTM。到目前為止已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了350多種PTMs，他們通過(guò)改變大多數(shù)真核生物蛋白質(zhì)的活性、定位、降解以及與其他蛋白質(zhì)的相互作用從而調(diào)節(jié)蛋白功能。PTM是增加蛋白質(zhì)多樣性的關(guān)鍵機(jī)制
翻譯后修飾的類(lèi)型
常見(jiàn)的修飾包括：磷酸化（最多）、甲基化、乙?；Ⅴ０坊?/b>
根據(jù)蛋白質(zhì)分子是否全部被修飾、同一個(gè)氨基酸的修飾種類(lèi)、修飾的穩(wěn)定新，制定了以下分類(lèi)和描述：
1）部分修飾(partial)：細(xì)胞中某一蛋白的部分分子被修飾
2）可變修飾(alternate)：同一個(gè)氨基酸位點(diǎn)含有多種修飾類(lèi)型
3）瞬時(shí)修飾(transient)：不穩(wěn)定的修飾狀態(tài)
磷酸化修飾
指的是磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到氨基酸上的過(guò)程，他是真核細(xì)胞和原核細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵機(jī)制。磷酸化可以發(fā)生在細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核內(nèi)。磷酸化可以發(fā)生在三界物種（真核和原核）。磷酸化修飾的主要功能是調(diào)控蛋白質(zhì)活性，影響多種重要生命過(guò)程，如細(xì)胞周期。
組蛋白修飾（蛋白質(zhì)上修飾研究最多的一種）
組蛋白（Histone）：是包裝DNA的一類(lèi)蛋白質(zhì)，能夠改變DNA的結(jié)構(gòu)；真核生物細(xì)胞染色質(zhì)與原核生物細(xì)胞中的堿性蛋白質(zhì)，和DNA共同組成核小體（Nucleosome ：是染色質(zhì)基本結(jié)構(gòu)單位）結(jié)構(gòu)。存在五個(gè)主要的組蛋白家族：H1/H5、H2A、H2B、H3和H4，其中H2A、H2B、H3和H4被稱(chēng)為核心組蛋白（Core histone），H1/H5被稱(chēng)為連接組織蛋白（Linker histone）
組蛋白修飾：是組蛋白翻譯后發(fā)生的共價(jià)修飾，包括甲基化、磷酸化、乙酰化、泛素化、類(lèi)泛素化等。組蛋白與DNA是染色質(zhì)的穩(wěn)定成分，非組蛋白與RNA的含量則隨細(xì)胞生理狀態(tài)的不同而發(fā)生變化。組蛋白修飾的作用主要包括改變與DNA及其他核蛋白的相互作用、改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)和活性、調(diào)控基因表達(dá)。
組蛋白修飾及其命名規(guī)則
組蛋白甲基化：在細(xì)胞核內(nèi)，組蛋白甲基化將影響DNA的轉(zhuǎn)錄活性，激活或抑制基因的表達(dá)。
三維基因組學(xué)（3D genomics）
為什么要研究三維基因組？
答：科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，調(diào)控元件在空間結(jié)構(gòu)上并不是在染色體上呈線(xiàn)性的一字依次排開(kāi)，這些離散的調(diào)控元件并不能有效的解釋很多基因的調(diào)控結(jié)果和機(jī)制，由此猜測(cè)其與基因組的三維空間結(jié)構(gòu)相關(guān)。
三維基因組基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)：
1）熒光顯微實(shí)驗(yàn)方法：熒光原位雜交技術(shù)（FISH），后續(xù)又發(fā)展出了2D-FISH、3D-FISH
2）染色質(zhì)構(gòu)想捕獲：通過(guò)消化和重連空間上接近的染色體片段來(lái)確定不同位點(diǎn)之間的空間交互
Chromosome Conformation Capture(3C)
Chromosome Conformation Capture on Chip(4C)
Chromosome Conformation Capture Carbon Copy(5C)
High-throughput Chromosome Conformation Capture(Hi-C)
Chromatin Interaction Analysis by Paired-End Tag sequence(ChIA-PET)：加入了免疫共沉淀技術(shù)，鑒定特定蛋白介導(dǎo)的染色質(zhì)交互和空間結(jié)構(gòu)
染色質(zhì)三維空間結(jié)構(gòu)
從大到小依次為染色體疆域、區(qū)室、拓?fù)潢P(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域和染色質(zhì)環(huán)
染色體疆域（Chromosome Territories）：指每條染色體都占據(jù)著一個(gè)獨(dú)特的區(qū)域，同一染色體上的交互頻率高于不同染色體之間的交互頻率。交互頻率隨著基因座之間的線(xiàn)性距離增加而呈指數(shù)級(jí)下降
區(qū)室（Compartments A/B）：根據(jù)互作圖譜，能夠?qū)⒒蚪M近似分為A（常染色質(zhì)-轉(zhuǎn)錄活躍區(qū)域），B（異染色質(zhì)-轉(zhuǎn)錄非活性區(qū)）。A/B區(qū)室在染色體上相間分布，并且在不同細(xì)胞狀態(tài)下可以相互轉(zhuǎn)變
拓?fù)潢P(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)域（Topologically Associating Domains ，TAD）：是區(qū)室下的亞結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為300kb-1Mb，具有TAD內(nèi)部互作頻率高，TAD間互作頻率低的特定。其邊界富集CTCF、持家基因、tRNAs、SINE反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子等DNA元件。
染色質(zhì)環(huán)（chromatin loop）：也可以稱(chēng)為交互峰（interaction peaks），由染色體上相距較遠(yuǎn)的兩個(gè)片段構(gòu)成，其在線(xiàn)性空間中雖相距較遠(yuǎn)，但在三維空間結(jié)構(gòu)中卻具有顯著的近距交互作用。調(diào)控元件（如增強(qiáng)子）便可以通過(guò)這種結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)距離調(diào)控基因的表達(dá)。
