1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘIKHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

STT Họ và Tên Mã Sinh Viên

1 Nguyễn Thị Ngân 540377

2 Ngô Thị Hạnh 540366

3 Nguyễn Bích Vượng 540400

4 Đàm Thị Phương Thảo 540382

5 Nguyễn Thị Minh Hằng 540368

6 Đàm Thị Lan 540372

7 LêThị Anh Thơ 540388

8 Nguyễn Văn Thưởng 540392

EPIGENETICGiảng viên: Th.S Trịnh Thu Thủy

Chủ đề 6: Epigenetic

VI. Epigenetic và môi trường

I. Giới thiệu epigenetic

2VII. Prion liên quan đến epigenetic

II. Cơ chế epigenetic

III. Quá trình được xem là epigenetic

IV. Epigenetic và khả năng di truyền

V. Epigenetic và sự tiến hóa

I. Đặt vấn đề

3

Bất kỳ sự thay đổi trong biểu hiện gen có khả năng ổn định và di

truyền xảy ra mà không có một sự thay đổi trong chuỗi DNA

EPIGENETIC

4

Vì vậy…. Epigenetic được mô tả là những hiện tượng mà

sự biểu hiện của các tế bào, các cơ quan, cá thể giống nhau về mặt di truyền trong các genome khác nhau, tạo ra các kiểu hình khác nhau.

5

EpigeneticEpigenetic

II. Cơ chế

DNA methyl hóa

Cải biến histon

Tái cấu trúc nucleosome

Noncoding RNA

6

Epigenetic

7

Methyl hóa là hiện tượng gắn thêm 1 nhóm –CH3 vào vị trí C5’ của Cytosin, đây là vị trí lộ ra ngoài rãnh lớn trên DNA

8

1. METHYL HÓA DNA

Methyl hóa tại Cytosine có tính di truyền, tính đặc hiệu mô và đặc hiệu loài.

70-85% các vị trí lặp CG của genome người bị methyl hóa

9

• Ở động vật có vú Methyl hóa xảy ra tại vị trí cytosine trong trình tự cặp nucleotide Cytoside- Phosphate-Guanine (CpG) dưới sự hoạt hóa của enzyme methylase hoặc methyltransferase.

• Methyl hóa thường tập trung tại vùng island CpG - vùng này thường nằm trong promoter

10

Tuy nhiên… Sự methyl hóa cũng xảy

ra tại các vị trí có CG thấp như exon, vùng không mã hóa, vị trí lặp lại DNA.

Vì vậy các gen ở trạng thái được hoạt hóa hay bất hoạt

Sự methyl hóa ở vùng trình tự lặp CG trong genome sẽ làm câm các vùng này

chức năng điều hòa

11

• Đuôi N của histon có cấu trúc dễ biến đổi và là phần dễ tiếp cận nhất

của nucleosome.

• Đuôi N không phải là vùng thiết yếu cho sự liên kết giữa AND lõi với

octamer histone.

• Vai trò của nó là tham gia điều hòa biểu hiện các gen qua sự biến đổi

cấu trúc nucleosome.

12

2. Cải biến histon

• Histon có thể được cải biến tại đuôi N như : acetyl hóa, methyl hóa, phosphoryl hóa, glycosyl hóa, sumoylation, abiquitiation và ADP ribosylation.

Phổ biến nhất là acetyl hóa và methyl hóa.

13

14

• Acetyl hóa và phosphoryl hóa làm giảm điện tích (+) tổng cộng của đuôi histone => giảm ái lực liên kết giữa đuôi N của histon với bộ khung đường-phosphate của DNA mang điện tích (-) => làm nucleosome trở nên lỏng lẻo => DNA được bộc lộ => sẵn sàng phiên mã

Ngược lại, deacetyl hóa và methyl hóa làm tăng điện tích (+) tổng công của protein histone => tăng ái lực liên kết => nucleosome kết chặt lại, phức hệ phiên mã không thể gắn vào DNA để phiên mã (DNA ko được bộc lộ).

Như vậy sự sửa đổi đuôi histon ảnh hưởng đến khả năng sắp xếp các nucleosome

Sự biến đổi histon làm thay đổi điện tích tổng cộng của đuôi histon

15

Cải biến Histone được kiểm soát bởi các trạng thái NST:

Khi ở trạng thái mở thì hoạt hóa quá trình phiên mã

Khi ở trạng thái đóng thì dẫn đến bất hoạt phiên mã

16

Nếu các nucleosome mang các đuôi N được acetyl hóa xếp liền kề nhau sẽ không cuộn xoắn nên sợi nhiễm sắc 30nm

Cụ thể…

17

Sự cải biến histon diễn ra linh hoạt do một số enzyme chuyên hóa xúc tác.

• Enzyme histon methylase• HDAC (enzyme histon deacetylase): loại bỏ nhóm acetyl khỏi

lysine

• HAT ( Histon Acetylase): bổ sung nhóm acetyl cho lysine ở đuôi N của histone

18

Đơn vị cấu trúc cơ sở của chromatin

Gồm 145 – 146 cặp base quấn quanh 8 phân tử histone (2H2A, 2H2B, 2H3, 2H4),

Các nucleosome nối với nhau nhờ 1 đoạn DNA bám quanh 1 phân tử histone

Tính bền vững của liên kết histon-DNA chịu tác động của phức hệ protein gọi là phức hệ tái cấu trúc nucleosome.

19

3. TÁI CẤU TRÚC NUCLEOSOME

Sự cải biến kết hợp tái cấu trúc nucleosome làm thay đổi khả năng tiếp cận ADN

Phức hệ cải biến và tái cấu trúc nucleosome 20

Phức hệ này sử dụng năng lượng từ ATP để tương tác với DNA hoặc làm thay đổi vị trí của nucleosome.

Các phức hệ tái cấu trúc nucleosome và các enzyme cải biến histon kết hợp với nhau làm thay đổi cấu trúc nucleosme

21

Non_coding RNA

Long non-coding RNA

tRNA rRNA

Small non-coding RNA

PIWI interacting RNA

miRNA

siRNA

snRNA

snoRNAs

22

4. NON - CODING RNA

Vai trò của snRNA (small nuclear rRNA)

• snRNA liên quan đến quá trình loại bỏ intron khỏi các pre-miRNA , điều hòa phiên mã và duy trì các telomere

• Các snRNA thường kết hợp với các protein để tạo thành phức hợp snRNP (small nuclear ribonucleoprotein)

Có 5 loại snARN phổ biến: U1, U2, U4, U5 và U6. Mỗi loại liên kết với một số phân tử protein để hình thành nên snRNP

23

Vai trò miRNA• Phân tử miARN điển hình có chiều dài 21-22

nu, được hình thành từ các pre-miRNA kích thước 70-90 nu

• Mỗi loại miRNA có thể ức chế hoạt động của hàng trăm mRNA có trình tự tương đồng với nó

• miRNA có tính bảo thủ cao ở các sinh vật eukaryote, được cho là có vai liên quan đến quá trình điều hòa biểu hiện

24

25

26Cơ chế làm tắt gene bởi miRNA

27

Vai trò câm gene của siRNA

Bookmarking

Imprinting

Bất hoạt NST

Position effect varigation

Reprogramming

Paramutation

III. Các quá trình epigenetic

28

Gene silencing Infection agents

Transvection

Năm 1950, Paramutation được phát hiện và nghiên cứu trên ngô bởi RA Brink 

Paramutation là một sự tương tác giữa 2 alen cùng 1 locus , dẫn đến một sự thay đổi di truyền của một alen được gây ra bởi các alen khác.

Phá vỡ quy luật Mendel

1. Paramutation

Brink nhận thấy

29

30

Ảnh hưởng của alen paramutagenic có thể kéo dài nhiều thế hệ

30

2. Bookmarking

Bookmarking là một quá trình truyền tải “bộ nhớ” các mô hình biểu hiện gen trong một tế bào cho các tế bào con của nó, qua quá trình nguyên phân

31

Bookmarking có thể hoạt động như một cơ chế để đảm bảo rằng gen có thể được sao chép vào giai đoạn G1 sớm nếu chịu một áp lực ở thời điểm. 

Nếu promoter gen đã được chặt, nó sẽ mất thời gian co xoắn trong G1, trong thời gian các tế bào sẽ không thể ghi lại những đoạn gen này cytoprotective, nó dễ bị tổn thương và gây chết tế bào. 

Trong trường hợp này Bookmarking dường như là quan trọng cho sự sống còn của tế bào.

Vi dụ…

32

Gen cảm ứng stress  - hsp70

Genomic imprinting là hiện tượng di truyền mà trong đó sự biểu hiện của một hay một số gen nào đó sẽ phụ thuộc vào nguồn gốc nó bắt nguồn từ allele của bố hay của mẹ

Ví dụ: - gen IGF-2 mã hóa insulin chỉ biểu hiện khi nó là alen có nguồn gốc từ bố - gen CDKN1C, H19 chỉ biểu hiện khi là alen có nguồn gốc từ mẹ

III. Các quá trình của epigenetic III.3. Imprinting

33

Được duy trì nhờ một loại enzyme, nó methyl hóa C,G của mạch DNA thế hệ con và không hoạt động phiên mã trong những tế bào soma. Nhưng chúng sẽ được giải methyl hóa trong tế bào mầm phôi

Hơn 100 gen có liên quan hiện tượng imprinting ở người đã được phát hiện. Các gen này thường tập trung tại một số vùng nhất định.

III.3. ImprintingIII.3.1. Đặc

Điểm

34

Imprinting trải qua 4 bước Bước 1: chromosome được in dấugiống hệt cha mẹ.

Bước 2: Dấu in có nguồn gốc từ cha mẹ phải được duy trì ổn định khi tế bào phân chia và biệt hóa

Bước 3: Dấu in có nguồn gốc cha mẹ được bộ máy phiên mã nhận diện

Bước 4: Trong quá trình tạo các tế bào sinh dục, các dấu in này phải được xóa và in dấu lại

III.3. ImprintingIII.3.1. Đặc

Điểm

35

Genomic

imprinting

III. Các quá trình của epigenetic III.3. Imprinting

36

Thực vật hạt kín

Nội nhũ hình thành từ sự hợp nhất hai tế bào nhân tâm của mẹ với một giao tử đực, tạo ra bộ gen tam bội.

Trong đó, tìm thấy 1 số gen được biểu hiện từ cả 2 hệ gen của bố và mẹ, trong khi những gen khác chỉ được biểu hiện từ bản sao của bố.

37

Động vật có vú Gregg và cs, đã nghiên cứu ở mức

độ genome trên bộ não chuột trưởng thành và chuột đang ở giai đoạn phôi thai để xác định mô hình imprinting của các gen ở não chuột

Sự biểu hiện của gen ở giai đoạn phôi thai bị chi phối bởi sự biểu hiện của các allele có nguồn gốc từ mẹ, còn với não trưởng thành thì bị chi phối bởi sự biểu hiện allele nguồn gốc từ bố .

Sự biểu hiện gen được thông qua sự chọn lọc allele có nguồn gốc từ bố hay mẹ, đây là cơ chế chính trong sự điều hòa epigenetic ở não 38

Hội chứng Liên quan Vị trí trên NST

Hội chứng Beckwith-Wiedemann, BWS 11p15

Hội chứng Prader-Willi, PWS 15q11.2-Q12

Hội chứng Angelman, AS Angelman, AS 15q11.2-Q12

Hội chứngRussell-Silver, RSS 7p11 p13, 7q31-qter

Bệnh tiểu đường ở trẻ sơ sinh, TNDM 6q24

Hội chứng McCune-Albright, PHP1b 20q13

Hội chứng UPD14 14

III. Các quá trình

của epigeneti

c

III.3. Imprinting

III.2. Inprinting và bệnh

di truyền

39

Hội chứng Angelman Do bác sĩ Harry Angelman phát hiện

năm 1965

Dấu hiệu bao gồm: cười một cách ngờ nghệch, không kiềm chế được; đi đứng kì dị và bị động kinh.

Nguyên nhân: - do bị mất 1 nhánh NST 15 (ở vị trí 15q11.2-Q12)

- hiện tượng methyl hóa bất thường trên alen có nguồn gốc từ mẹ, dẫn đến mất gen UBE3A - mã hóa cho protein ubiquitin ligase E3.

- do phôi thừa hưởng cả 2 bản sao của NST 15 từ bố, không có bản sao từ NST 15 của mẹ

40

Hội chứng Prader-Willi

Do 3 vị bác sĩ Prader, Labhar và Willi phát hiện năm 1956.

Tỉ lệ mắc bệnh này là 1:10,000 - 1:25,000 trẻ em được sinh ra

Dấu hiệu bao gồm: khuôn mặt lép, béo phì trầm trọng, trí tuệ chậm phát triển

Nguyên nhân do mất một nhóm gen di truyền từ bố của NST 15, ở vị trí 15q11.2-Q12 (gồm gen necdin, gen N polypeptide…) hoặc do phôi thừa hưởng cả 2 bản sao của NST 15 từ mẹ

41

42

Hội chứng Beckwith-Wiedemann Năm 1960, Ts. J.Bruce Beckwith và

Ts. Hans-Rudolf Wiedemann đã độc lập tìm ra hội chứng EMG (Beckwith-Wiedemann)

Dấu hiệu: sự phình to các cơ quan của bào thai, lưỡi lớn – kích thước cơ thể lớn bất thường, một số bộ phận của cơ thể lớn ở một bên; có nếp gấp tai hoặc tai hố, khuyết tật thành bụng, bị hạ đường huyết ở trẻ sơ sinh…

Nguyên nhân: do thay đổi quá trình methyl hóa ở khu vực ICR1 nằm trên cánh tay ngắn nhiễm sắc thể 11-11p15 43

Ung thư Imprinting có liên quan đến một số bệnh ung thư như khối u Wilm’s là một loại ung thư phôi thai

Bệnh này liên quan đến 2 locus trên NST11 là IGF2 và H19

Mô hình mất imprinting IGF2,H19 và methyl hóa của promoter H19 trong khối u wilms44

X chromosome inactivation là hiện tượng một NST X ở giới cái bị bất hoạt một cách ngẫu nhiên trong giai đoạn phôi sớm và được truyền trong tất cả các tế bào con cháu (Mary Lyon)

4. X CHROMOSOME INACTIVATION

45

Ở giới cái có 2 NST X cho nên sẽ tạo sản phẩm nhiều so với mức cần thiết

Để ngăn chặn các tế bào giới cái có hai lần sản phẩm gen từ nhiễm sắc thể X vậy nên một bản sao của nhiễm sắc thể X trong mỗi tế bào giới cái được bất hoạt

46

X chromosome inactivation47

Quá trình bất hoạt NST X hay lyonization là một quá trình bất hoạt một trong hai bản sao của NST X ở giới cái của động vật có vú

NST X bị bất hoạt được bao bọc thành chất nhiễm sắc transcriptionally không hoạt động 

Nhưng một khi một nhiễm sắc thể X bị bất hoạt thì nó và các tế bào con cháu sẽ không hoạt động trong suốt cuộc đời

48

Trong động vật có vú có nhau thai, sự lựa chọn NST X bị bất hoạt là ngẫu nhiên

Trong khi ở loài thú túi (động vật có vú không có nhau thai) thì NST X có nguồn gốc từ bố luôn luôn bị bất hoạt  

49

Mèo tortoiseshellMàu sắc lông mèo được quy định bởi 3 gen:

Gen quy định màu tuyềnGen quy định màu đốmGen quy định màu vàng cam

Trong đó gen quy định lông màu vàng cam nắm trên NST X

Mèo Calico

Các giống mèo đặc biệt50

51

Epigenetic win over genetic

52

• Tính di truyền của epigenome vẫn còn gây rất nhiều tranh cãi vì biểu hiện di truyền của epigenome thường bị lẫn với thường biến

Epigenome Thường biến

Những biến đổi kiểu hình của cùng một kiểu gen.Dưới ảnh hưởng của môi trường.

Có khả năng di truyền. Không có khả năng di truyền.

Xuất hiện riêng lẻ, không định hướng, có thể có lợi cho sinh vật.

Xuất hiện đồng loạt, định hướng, có lợi cho sinh vật.

53

Ví dụ thỏ Hymalaya

Nhiệt độ cơ thể đã ảnh hưởng đến

các sắc tố trên da

Nhiệt độ đã ảnh hưởng tới sự biểu hiện của gen thể hiện ở kiểu hình

54

Ví dụ về khả năng di truyền epigenetic

Chế độ ăn uống ảnh hưởng tới các Epigenetic (nghiên cứu , Jirtle )

Ông nghiên cứu một số con chuột Augoti. Chuột Augoti mang một gen bệnh tên augotien, làm chúng tham ăn, mập phì, có bộ long màu vàng và dễ mắc bệnh, đặc biệt là bệnh tiểu đường.

Con cái của chúng sinh ra cũng như vậy và đây là một bệnh di truyền.

55

Nếu…

Mẹ uống đúng lúc vừa mang thai những thức ăn có nhiều methyl(methyl donor food) như tỏi, hành củ cải và mốt số thuốc cho các bà bầu uống

Thì…

Đa số chuột con tuy vẫn mang gen augoti, lại màu nâu, không tham ăn quá độ, không mập, không bị tiểu đường và sống đến tuổi già.

56

Khảo cứu về dịch học ở một ngôi làng nhỏ ở Thụy điển

1.   Nếu một người đàn ông bị nạn đói lúc ông ta khoảng dưới 10 tuổi thì cháu nội trai của ông ta sẽ có hy vọng mạnh khỏe và sống lâu hơn nhiều so với người trung bình.

2.   Nếu người đàn ông ăn uống dư thừa (năm được mùa) trong lứa tuổi đó, cháu nội trai của ông ta sẽ có cơ nguy bị bệnh tiểu đường (diabetes) gấp bốn lần so với người trung bình.

3.    Đối với người đàn bà thì khác nếu thời người đó còn trong bụng mẹ làng bị đói kém, thì mấy chục năm sau đó, mặc dù chính họ không bị đói kém, cháu nội gái (paternal granddaughters) của người đàn bà đó sẽ có cơ nguy chết sớm hơn so với người trung bình. 57

KẾT LUẬN

Những yếu tố tác động đến epigenome có khả năng di truyền:

• Thức ăn giàu Methyl trong thời kỳ đầu mang thai có tác động tốt tới biểu hiện của epigenome trong quá trình sinh trưởng, phát triển.

• Những biến đổi của Epigenome sẽ được di truyền qua nhiều thế hệ nếu các đặc điểm môi trường được duy trì.

58

• Epigenetic đóng một vai trò không thể thiếu trong quá trình tiến hóa thích nghi “Belyaev”

• Khi môi trường thay đổi epigenetic có thể làm tăng tỷ lệ tiến hóa thích nghi bằng việc hoạt hóa gen hay câm gen và di truyền cho các tế bào con cháu

V. EPIGENETIC VÀ SỰ TIẾN HÓA

59

Mối quan hệ giữa epigenetic và tiến hóa

• Epigenetic là nguồn nguyên liệu quan trọng cho tiến hóa

• Chọn lọc biến thể epigenetic đã định hướng trong sự thay đổi của tiến hóa

• Biến thể epigenetic và tác động của nó đến epigenome có ảnh hưởng trực tiếp tới những thay đổi của tiến hóa

• Di truyền epigenetic quy định khả năng và hạn chế của tiến hóa

• Thay đổi trong tiến hóa dẫn đến hình thành phương thức mới trong di truyền epigenetic

60

Epigenetic là nguồn nguyên liệu quan trọng cho tiến hóa

• Chọn lọc các epigenetic alen có thể di truyền mà không làm thay đổi genetic là nhân tố quan trọng đối với quần thể nhỏ thiếu đa dạng di truyền

• Môi trường thay đổi nhanh chóng thì tích lũy epigenetic càng nhanh, càng nhiều

• Một số những biến thể epigenetic đang được quan tâm như tính kháng kháng sinh ở vi khuẩn,…

61

Chọn lọc biến thể epigenetic đã định hướng trong sự thay đổi của tiến hóa

• Vị trí điều khiển sự di truyền epigenetic trong tiến hóa NST

• Những biến thể epigenetic di truyền cũng đóng một vai trò quan trọng trong sự tiến hóa của cấu trúc chromosome như tâm động

62

• Tín hiệu môi trường có thể làm thay đổi các con đường nội bào mà trực tiếp tái cấu trúc “epigenome”.

• Mỗi tế bào có một tín hiệu epigenetic, tín hiệu này phản ánh ảnh hưởng của kiểu gen và môi trường, và cuối cùng phản ánh kiểu hình của tế bào và của sinh vật.

VI. EPIGENETIC VÀ MÔI TRƯỜNG

63

NGHIÊN CỨU TRÊN CÁC CẶP SONG SINH

64

Kết luận

• Mô hình EPIGENETIC của các cặp đôi càng khác nhau khi có tuổi là do lối sống của họ trở nên khác biệt,phản ánh tích lũy do tiếp xúc với 1 loạt các yếu tố bên trong và bên ngoài,bao gồm cả yếu tố môi trường

65

VII. PRION LIÊN QUAN ĐẾN

EPIGENETIC

66

Prion là dạng bất thường của protein

Là một dây protein gồm 263 acid amin

nằm ở NST thứ 20

Protein loại prion không có sự thay đổi giữa các loài động vật khác nhau

Protein này đóng  một vai trò rất quan trọng cho tất cả mọi loài

Khái niệm Prion

67

Công dụng của Prion• Động vật cần prion để bảo vệ sự hô hấp khí

oxygen• Mọi sinh vật đều cần oxygen để sinh tồn và kết

quả là cơ thể lại tạo thêm ra chất superoxyd làm hư hại các tế bào

• Các prion bảo vệ cơ thể sinh vật nhờ chúng có khả năng chống lại các superoxyd

68

• Trong cơ thể bình thường có thể có sẵn prion nhưng chúng không gây bệnh.

• Trong một điều kiện nào đó prion có thể thay đổi cấu trúc và gây bệnh.

• Chúng có thể lan truyền kiểu hình này đến những thế hệ tiếp theo. Do đó chúng cũng được coi là một loại Epigenetic

• Prion gây nhiều bệnh nguy hiểm ở động vật và người, gây thoái hóa hệ thần kinh trung ương và giảm sút trí tuệ như bệnh bò điên, bệnh kuru ở người

69

• Prion là một tác nhân duy nhất lan truyền được mà không cần bất kỳ một loại vật chất di truyền nào (DNA hoặc RNA)

• Prion nhân lên bằng cách lan truyền trạng thái cuộn gấp sai của protein

• Prion cũng có thể nhân lên theo cấp số nhân

2. Cơ chế nhân lên của prion

70

• Prion làm thay đổi kiểu hình do chúng làm thay đổi cấu trúc protein, và chúng có thể lan truyền kiểu hình này đến những thế hệ tiếp theo.

Do đó chúng cũng được coi là một loại Epigenetic

3.Prion liên quan đến Epigenetic

71

TÀI LIỆU THAM KHẢO

• Giáo trình sinh học phân tử - Phan Hữu Tôn (2010)• Di truyền học – Phạm Thành Hồ (2001)• Sinh học phân tử - Hồ Huỳnh Thùy Dương (2003)• Công nghệ sinh học trên người và động vật – Phan Kim

Ngọc, sPhạm Văn Phúc

72

Cảm ơn sự chú ý lắng nghe của Thầy Cô và các bạn!

My class