甲基化——一顶神奇的DNA帽子

2017-05-11 16:47:34

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DNA甲基化是在DNA甲基转移酶(DNA methyltransferase,DNMTs)的催化下,以S-腺苷甲硫氨酸(SAM)为甲基供体,将甲基转移到特定的碱基上的过程。


1. DNA甲基化特点

(1) DNA甲基化主要形成5-甲基胞嘧啶(5-mC)和少量的N6-甲基腺嘌呤(N6-mA)及7-甲基鸟嘌呤(7-mG);

(2)在真核生物DNA中,5-mC是唯一存在的化学性修饰碱基;

(3) DNA甲基化修饰并没有改变基因序列,但它调控了基因的表达;

(4)结构基因中广泛存在着相邻的两个CG,其中胞嘧啶的5位碳原子通常被甲基化且两个甲基基团在DNA双链大沟中呈特定三维结构CpG;

(5)CpG序列在哺乳动物基因组中出现的频率仅有1%,远低于基因组中的其它双核苷酸序列。但在基因组的某些区域中,CpG序列密度很高,可达均值的5倍以上,成为鸟嘌呤和胞嘧啶的富集区,即所谓的CpG岛;

(6) 结构基因组中70-90%的独立CpG都被甲基化,未甲基化的CpG成簇地聚集形成CpG岛;

(7) CpG岛主要位于结构基因的启动子和第一外显子区域,通过甲基化与去甲基化,调控下游基因的表达;



2. DNA甲基化生物学作用

(1)DNA甲基化与基因表达调控

在真核生物基因组中,基因仅仅占一小部分(例如在人类基因组中基因的编码序列还不到2%),在大量非编码DNA存在的情况下,实现精确控制基因的表达,降低周围的转录噪音对生物体至关重要。DNA甲基化作为一种可遗传的修饰方式,为非编码DNA(内含子、重复元件以及潜在的具有活性的转座子)的长期沉默提供了一种有效的抑制机制。DNA复制后胞嘧啶的甲基化会改变DNA的构象,使DNA的大沟无法与DNA结合蛋白正常结合,从而使这些非编码区长期保持无表达活性的状态。而有转录活性的基因可利用非甲基化的启动子来进行转录表达,即使在相邻的非转录区是高度甲基化的,其启动子仍然可以起始转录并被调控。

(2)DNA甲基化与表观遗传学

过去人们一直以为遗传和环境两大因素共同决定生物体的性状,然而人们无法合理解释马和驴的正反交后代及同卵双胞胎的差别以及x染色体失活等现象。1942年Waddington首次提出了表观遗传学(epigenetics)的概念,它针对研究基因型与表型的关系,使经典的孟德尔核内遗传规律无法解释的现象得到了合理而完美的解释。基因组表观遗传修饰主要包括DNA甲基化修饰与核小体中组蛋白的修饰等,使得被修饰DNA的空间结构发生改变或使染色体结构发生改变,导致基因的沉默或过度表达。这两种修饰都是在不改变DNA碱基种类与数量的前提下使生物体表型呈现出多样化。DNA甲基化对基因表达模式以及基因组稳定性均起着至关重要的作用,并在印迹基因与X染色体失活等典型的表观遗传现象中起重要作用。



(3)DNA甲基化与胚胎发育

DNA甲基化作为一种可遗传的表观遗传修饰,在体细胞增殖过程中通过依赖于DNA复制的DNA甲基转移酶DNMTl稳定地传递给子细胞。但在胚胎发育的不同时期,基因组范围内的DNA甲基化水平会发生剧烈的改变,改变最剧烈的阶段为配子形成期与早期胚胎发育阶段,甲基化模式在配子形成时已经建立。DNA甲基化对胚胎正常发育和等位基因的选择表达至关重要。错误甲基化模式的建立将引起人类的疾病,如Prader-Willi综合征、Angelman综合征和脆性X染色体综合征等。

(4)甲基化与肿瘤

近年来的大量研究表明,DNA异常甲基化与肿瘤的发生、发展、细胞癌变有着密切的联系。DNA甲基化在肿瘤中的作用主要表现在以下四个方面:一是甲基化的CpG岛二核苷酸中的胞嘧啶以较高的频率脱氨基变成胸腺嘧啶,造成基因突变;二是抑癌基因和DNA修复基因由于超甲基化而沉默;三是癌基因甲基化水平降低而活化;四是基因组总体甲基化水平降低使转座子、重复序列活化导致染色体稳定性下降。这些因素是导致肿瘤发展、转移、恶化最终导致患者死亡的重要原因。DNA总体甲基化水平(即甲基化谱)和特定基因甲基化程度改变可作为肿瘤诊断指标。



目前肿瘤甲基化的研究主要集中在抑癌基因。这是因为人们发现肿瘤的发生可能与抑癌基因启动子区的CpG岛甲基化造成抑癌基因关闭有关。 由于CpG岛的局部高度甲基化早于细胞的恶性增生,因此甲基化的诊断可以用于肿瘤发生的早期预测,而且全基因组的低甲基化也随着肿瘤发生而出现,并且其随着肿瘤恶性度的增加而显著,因此甲基化的检测可用于肿瘤的分级。

综上所述,虽然DNA甲基化刚被发现时被定义为第五种碱基,实际上它是一种重要的表观遗传学标记,在调控基因表达、维持染色质结构、基因印记、X染色体失活以及胚胎发育等生物学过程中发挥着重大的作用。

参考文献:

[1] Suzuki MM, Bird A. DNA methylation landscapes: provocative insights from epigenomics[J]. Nat Rev Genet, 2008, 9 (6):465-476.
[2] Kumar S, Cheng X, Klimasauskas S, et al. The DNA (cytosine-5) methyltransferases[J]. Nucleic Acids Res,1994,22(1): 1-10.
[3] Ballestar E, Wolffe AP. Methyl-CpG-binding proteins Targeting specific gene repression[J]. Eur J Biochem, 2001,268(1): 1-6.
[4] Holliday R, Pugh JE. DNA modification mechanisms and gene activity during development. Science, 1975, 187(4173):226–232.
[5] Riggs AD. X inactivation, differentiation, and DNA methylation. Cytogenet Cell Genet, 1975, 14(1): 9–25.
[6] Cokus SJ, Feng SH, Zhang XY, Chen ZG, Merriman B, Haudenschild CD, Pradhan S, Nelson SF, Pellegrini M, Jacobsen SE. Shotgun bisulphite sequencing of the Arabidopsis genome reveals DNA methylation patterning. Nature, 2008, 452(7184): 215–219.
[7] Bestor TH. The DNA methyltransferases of mammals. Hum Mol Genet, 2000, 9(16): 2395–2402.
[8] Jones PA. Functions of DNA methylation: islands, start sites, gene bodies and beyond. Nat Rev Genet, 2012, 13(7):484–492.



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