绪章绪论

基因组含有两类遗传信息：一种为遗传编码信息，主要提供生命必须蛋白质的模板。另一种为表观遗传学信息，解决基因何时、何地、以何种方式去应用遗传信息。表观遗传学”这一概念是1939年由Waddington首次提出的，经过几十年的发展，直到2003年，人类表观基因组计划开始启动，2010年，全球最大的表观遗传学项目Epitwin启动。本章将围绕遗传学与表观遗传学的区别和联系，重点阐述表观遗传修饰研究的重要性。

●0.1表观遗传概述

基因组含有两类遗传信息：一种为遗传编码信息，主要提供生命必须蛋白质的模板。另一种为表观遗传学信息，解决基因何时、何地、以何种方式去应用遗传信息。表观遗传学”这一概念是1939年由Waddington首次提出的，经过几十年的发展，直到2003年，人类表观基因组计划开始启动，2010年，全球最大的表观遗传学项目Epitwin启动。本节将围绕遗传学与表观遗传学的区别和联系，重点阐述表观遗传修饰研究的重要性。

第一章染色质的结构与功能

介绍染色质、染色体、核小体、基因、基因组的概念；重点阐述染色体的结构模型及其形成过程中DNA与组蛋白的相互作用；染色质和染色体主要由DNA、蛋白质和少量的RNA组成，其在遗传信息的贮存、传递及蛋白质合成中起重要作用；重点介绍核小体的结构与基因表达调控的关系。

●1.1细胞核结构与功能

表观遗传修饰与染色质的结构密切相关，染色质储存于细胞核中，因此，了解细胞核的结构和功能至关重要。真核生物的细胞核与原核生物不同，具有几个重要的结构，包括核膜、核仁、核孔复合体、染色质，每个结构都有其特殊的功能，其中，核孔与胞质间的物质运输有关。

●1.2染色质结构

了解染色质与染色体的区别，二者是遗传物质在不同时期的不同展示形式。真核生物的染色质由DNA和蛋白质组成，其中，蛋白质包含组蛋白和非组蛋白。染色质的基本结构单位是核小体，串联成念珠状。经四级螺旋形成染色体。除正常染色体外，还存在有特化染色体。例如：X染色体、多线染色体和灯刷染色体等。

●1.3核小体的结构与基因表达调控

真核生物的基因表达调控与染色质的结构密切相关。染色质的激活是一个染色质重塑的过程，染色质重塑是由染色质重塑复合体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。染色质重塑复合体可以通过两种机制调控基因的表达。

第二章甲基化修饰

DNA甲基化是最重要的表观遗传学修饰形式，也是目前研究最清楚的修饰类型；甲基化所涉及的CpG岛在转录起始点上游和下游均有分布，但多数分布在调控区；甲基化在正常组织和肿瘤组织中的修饰存在显著差异；介绍CpG岛的分析方法及其特征；DNA甲基化转移酶及去甲基化转移酶的概念；重点阐述常用的几种DNA甲基化检测方法。

●2.1DNA甲基化概述

DNA甲基化是目前研究最清楚的表观遗传修饰类型之一。DNA甲基化是唯一发生在哺乳动物细胞内DNA合成后的修饰作用，是调节基因表达的机制之一，本节首先介绍DNA甲基化及CpG岛的定义，然后列举了几种DNA甲基化影响遗传物质稳定性的生物学过程。

●2.2DNA甲基化与基因表达调控

DNA甲基化参与了机体的各种生理病理过程，那么DNA甲基化是如何发挥作用的呢？DNA甲基化主要是通过影响基因的表达水平，进而参与各种发育和代谢过程。本节重点介绍了DNA甲基化通过直接或间接地方式调控基因表达的机制。

●2.3DNA甲基化的检测方法

DNA甲基化研究的首要步骤就是DNA甲基化的检测，目前，DNA甲基化的检测有很多，根据检测位点的范围和特征，主要分为三大类，全基因组DNA甲基化检测、原位DNA甲基化检测以及位点特异的DNA甲基化检测。本节主要介绍几种常用的DNA甲基化检测方法及其原理。

●2.4RNA甲基化（m6A修饰）

RNA甲基化是近几年表观遗传学领域的研究热点。m6A修饰是较为常见的一种RNA甲基化修饰类型，在调控基因表达、剪接、RNA 编辑、RNA 稳定性、控制mRNA寿命和降解、介导环状RNA翻译等方面扮演了重要角色，具有重要的研究意义。越来越多的研究证明，m6A修饰在癌症的发生发展中发挥了重要作用，本节主要围绕m6A的定义、修饰特点、检测方法等方面进行全面介绍。

第三章组蛋白修饰

组蛋白修饰主要包括乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化、ADP核糖基化、羰基化等。其中，乙酰化是最早发现与转录有关的组蛋白修饰方式。重点介绍组蛋白修饰调控基因转录的内在机制；介绍研究组蛋白修饰的技术、方法，如染色质免疫共沉淀-芯片/测序技术。

●3.1组蛋白修饰概述

组蛋白翻译后修饰是一种多样的表观遗传标记，不仅参与细胞的动态过程，如转录和DNA修复，而且还参与染色质稳定性的调节。本节主要围绕三个方面进行介绍，包括组蛋白修饰简介、组蛋白修饰异常与癌症、表观遗传药物的研究现状。

●3.2组蛋白乙酰化

组蛋白乙酰化是最早发现的与转录有关的组蛋白修饰方式。组蛋白乙酰化修饰作为一个重要分子开关，能够通过影响染色质的结构，进而调控转录过程。本节主要围绕两个方面进行介绍，包括组蛋白乙酰化与基因转录，以及组蛋白乙酰化相关修饰酶。

●3.3组蛋白甲基化

组蛋白甲基化是一种非常精细的组蛋白修饰类型，组蛋白甲基化修饰酶通常是转录复合体的一部分，能够通过甲基化及去甲基化的方式调控机体的正常生理和病理过程。本节重点讲授组蛋白赖氨酸甲基化和精氨酸甲基化两种主要类型。

●3.4组蛋白修饰的检测方法

组蛋白的修饰类型多种多样，包括甲基化、乙酰化、磷酸化、泛素化等。本节将介绍组蛋白修饰的检测方法，主要涉及组蛋白修饰相关结合因子的表征研究、以及组蛋白修饰基因组定位研究，重点阐述了染色质免疫共沉淀技术的原理及应用。

第四章表观遗传学的研究现状

表观遗传修饰不仅在机体正常的生长发育过程中发挥重要作用，而且还参与疾病的发生发展，其中X染色体失活和基因组印记现象也涉及多种表观遗传学修饰。本章介绍X染色体失活和基因组印记的研究现状，此外，讲授表观遗传修饰与疾病的关系，最后介绍几个常用的表观遗传修饰数据库。

●4.1X染色体失活

X染色体失活是指雌性哺乳动物细胞中两条X染色体的其中之一失去活性的现象。本节课围绕发展历程、特征和调控机制几个方面介绍了X染色体失活。

●4.2基因组印记的发现及其特征

基因组印记是指在配子或合子发生期间，来自亲本的等位基因或染色体在发育过程中产生专一性的加工修饰，导致后代体细胞中的两个亲本来源的等位基因有不同的表达活性。首先分别介绍了父系印记基因与母系印记基因的区别，然后展开讲授了基因组印记的发现及其特征。

●4.3基因组印记的机制及生物学功能

基因组印记涉及多种复杂的调控机制，本节课以IGF2和H19两个典型的基因组印记为例，介绍了几种常见的基因组基因的形成机制，此外，介绍了基因组印记的重要生物学功能。

●4.4表观遗传修饰与疾病

研究表明，表观遗传修饰异常与疾病发生发展密切相关，比如，原癌基因启动子区CpG岛去甲基化将激活被抑制的基因重新表达。本节主要围绕三个方面进行介绍，包括异常表观遗传修饰与疾病，表观遗传修饰与疾病早期诊断、以及表观遗传修饰与疾病治疗。

●4.5表观遗传学相关数据库

随着表观遗传学研究的逐渐深入，越来越多的在线数据库被开发出来。了解并学会使用这些数据库，能够大大提高科学研究的效率，达到事半功倍的效果。本节将重点介绍几种DNA甲基化和组蛋白修饰相关的数据库，包括数据库的特征、包含的信息及检索方法。

第五章siRNA

随着人类基因组计划的完成和后基因组时代的开启，掀起了从非编码RNA角度解读遗传信息的新组成及其表达调控的高潮。在基因组中，蛋白质编码基因在信息含量上相当单一，如同盖楼所需要的砖块；而真正的信息和功能复杂性却在于基因组非编码部分。基因组非编码部分直接指导何时将编码蛋白质的砖块放于何处，对所盖楼的整体结构和最终用途起到决定性作用。

●5.1非编码RNA的研究历程

非编码RNA是如何从一个不被重视的“生物垃圾”演变成广受关注的明星分子的，并多次被《science》杂志评为最耀眼的“明星”。

●5.2RNA干扰定义及其发现

RNA干扰是生物体内通过双链分子在mRNA水平上诱导具有特异性序列的基因沉默，产生相应的功能表型缺失的过程，属于转录后的基因沉默机制。RNAi在牵牛花以及线虫中的研究对其机制的研究提供了重要的指引方向。

●5.3siRNA的作用机制

siRNA是RNAi现象中的重要成分，由一段长度为21-23个核苷酸组成的双链RNA分子，同时这段序列与所作用的靶mRNA具有同源性。其末端的悬臂结构是细胞用于区分真正的siRNA和其他dsRNA的结构基础，同时也在siRNA特异性识别靶点的过程中起到了一定的作用。

●5.4RNAi的基本特征

RNA干扰是双链RNA诱导同源mRNA降解从而导致基因表达抑制的现象。其基本特征主要体现在六个方面。

●5.5RNAi的生物学功能意义及其应用

RNA干扰是一种古老、保守而有及其重要的遗传学行为，是生物体在长期的进化过程中对异常基因活动的监控和防御，在探索基因功能以及基因治疗领域都有着广泛的应用。

●5.6siRNA的设计

确保高度同源于靶基因而绝无与其他基因同源的siRNA序列，是决定RNAi特异性的关键所在，也是siRNA设计的基本原则。在siRNA设计过程中要结合多个方面的因素。

●5.7siRNA的合成

根据实验的要求，在siRNA合成过程中可以采用化学合成、体外转录、RNaseIII消化等多种方式制备siRNA。

第六章miRNA

miRNA 是广泛存在于真核生物中的一组短小的、不编码蛋白质的RNA家族；由19-25个核苷酸组成的单链RNA。通过碱基互补配对的方式与靶基因的3’UTR区部分或完全互补，剪切靶基因的转录产物或者抑制转录产物的翻译，从而起到转录后调控靶基因的表达。

●6.1认识miRNA

miRNA 是由19-25个核苷酸组成的单链RNA。在其产生过程中，由长的内源性转录本pri-miRNA生成约70nt的miRNA前体pre-miRNA；然后在Exportin-5以及Ran-GTPase的作用下被运送出核，通过 Dicer的切割，生成成熟的miRNA

●6.2miRNA的作用模式

miRNA在表达的过程中具有时间和空间特异性两个特点。其在与靶mRNA作用中主要有以下三种模式：不完全互补、完全互补以及两种模式均具备。

●6.3miRNA与siRNA的异同点

miRNA与siRNA存在着很多的相似点以及差异点。通过对该章节的学习有利于更准确的掌握其相关知识。

第七章IncRNA

长链非编码RNA是 2002年由日本学者Okazaki在对小鼠cDNA文库的大规模测序过程中首次发现的一类新转录物。lncRNA是指一类长度超过200nt的功能性 RNA 分子，主要分布于细胞核或者细胞胞浆中，它们缺乏编码蛋白的能力，可以通过多种层面上调控基因的表达水平。

●7.1认识lncRNA

lncRNA是一类长度超过200nt的功能性 RNA 分子。它们缺乏编码蛋白的能力，主要分布于细胞核或者细胞胞浆中，主要通过表观遗传学水平、转录水平以及转录后水平等多种层面调控基因的表达。根据lncRNA在基因组上相对于编码基因的位置，可大致将其分为五类：正义lncRNA、反义lncRNA、双向lncRNA、内含子lncRNA和基因间lncRNA。

●7.2lncRNA的作用方式

lncRNA可以通过多种途径来参与生物学进程的调控，主要体现在八个方面。

●7.3lncRNA与疾病

在分化和发育过程中，由于非编码RNA功能的异常往往导致一些疾病的发生，比如心血管疾病，肿瘤、神经退行性疾病等等，其中大约有40%左右的lncRNA与人类癌症相关。

第八章circRNA

circRNA是一类不具有5`末端帽子和3`末端poly（A）尾巴，并以共价键形成环形结构的非编码RNA分子，具有一定的组织、时序和疾病特异性。环状ＲＮＡ在真核细胞的ＲＮＡ分子中占有不可替代的重要地位，并非为剪切的副产物。

●8.1认识环状RNA(circRNA)

circRNA（circular RNAs， 环形RNA分子）是一类不具有5`末端帽子和3`末端poly（A）尾巴，并以共价键形成环形结构的非编码RNA分子。与传统的线性RNA不同，circRNA分子不易被核酸外切酶RNaseR降解，比线性RNA更稳定。circRNA生成模式主要有以下四种：依赖于剪切体的索尾插接环化、内含子配对驱动的环化、套索驱动的环化以及通过RNA结合蛋白调控形成circRNA。

●8.2竞争内源性RNA（CeRNA）

ceRNA是由美国哈佛大学医学院的研究小组于2011年在《细胞》杂志上提出的一项假说。它并不是新的RNA分子，只是新发现的一种RNA间相互作用的调节机制，相比miRNA调控网络，ceRNA调控网络更为精细和复杂，它为科研工作者提供一个全新的视角，有助于更全面、深入地解释一些生物学现象。

●8.3circRNA的生物功能

circRNA与生物的生长发育、胁迫应答、疾病发生和发展等方面密切相关，并在疾病诊断标记物等方面的具有良好的应用前景。circRNA生物学功能主要包括以下四个方面：作为miRNA海绵吸附体，调控下游靶基因表达；参与调控mRNA前体影响蛋白质合成；调节其宿主基因的表达；可以翻译表达有效蛋白。