基因组DNA甲基化及组蛋白甲基化_王瑞娴

Abstract: DNA methylation is an important epigenetic marker in eukaryotes, and could affect chromatin structure and gene expression. With the development of genome-wide methylation sequencing technology, DNA methylation level in the whole genome can be evaluated. In this review, we summarize the research progress of DNA methylation on promoter, gene body, enhancer, silencer and transposon, as well as the relationship between DNA methylation and gene expression. DNA methylation of gene promoter suppresses gene expression, while the relationship between DNA methylation of gene body and gene expression depends on species and cell types. The gene activity is inversely related with the DNA methylation level of enhancer, but positively correlated to the DNA methylation of silencer. Transposon hypermethylation restricts its transposition activity to maintain the genome stability. Furthermore, we discuss the interaction between DNA methylation and histone methylation, its roles in regulation of gene expression, alternative splicing and transcription, and directions for future studies in this field.
图1
CG 和 CHH 的甲基化机制 [8]
A：含对称 CG 位点的 DNA 复制后 , 子链都是半甲基化的 , 其 CG 的甲基化由 MET1 /Dnmt1 类甲基转移酶来维持 ; B：在非对称 的 C 位点 , 甲基化的维持可能需要相应的 RNA 信号的参与。
(图 1)。
DNA 甲基化相对稳定, 并且可稳定存在于 DNA 复制期间 , 这一特性在由转座子引起的突变以 及染色体畸变等的植物防御过程中起到极为重要的 作用。随着全基因组甲基化测序技术的发展 , 可以 在全基因组范围内确定 DNA 甲基化的位置及其与 基因调控间的关系。对拟南芥全基因组分析表明 , 着丝粒周围的异染色质、重复序列以及产生 siRNA 区域的 DNA 都高度甲基化 [9]。通常认为 , 启动子的 DNA 甲基化可以抑制基因的表达 , 而基因本体的甲 基化对基因表达影响不大。也有人认为基因内的 DNA 甲基化能影响染色质结构, 并影响转录效率[10], 但越来越多的研究证明基因本体的甲基化与基因表 达水平及选择性剪切有关。在脊椎动物如人 ( Homo sapiens)、 小鼠 (Mus musculus)中 , DNA 甲基化对维持 正常的胚胎发育是必须的 [11], 甲基化异常常常引起
着全基因组甲基化测序的发展 , 全基因组范围内的 DNA 甲基化水平得以了解。文章概述了基因组中启动子、 基因本体、增强子、沉默子和转座子等不同元件的 DNA 甲基化的研究进展 , 以及 DNA 甲基化与基因表达调控 间的关系。 启动子的 DNA 甲基化对基因的表达有抑制作用 , 而基因本体的 DNA 甲基化与基因的表达关系因物 种或细胞类型不同而异。增强子的 DNA 甲基化状态与基因活性呈反比关系 , 沉默子则相反呈正相关。转座子 的 DNA 高度甲基化抑制其转座活性 , 从而维持基因组的稳定性。 文章还探讨了 DNA 甲基化与组蛋白甲基化间 的相互作用及其对基因表达、可变剪切、转录的调控作用 , 以及本领域的未来研究方向。
第3期
王瑞娴等 : 基因组 DNA 甲基化及组蛋白甲基化
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起到抑制基因转录的作用 [22]。研究表明 , DNA 甲 基化可抑制印记基因的表达以及引起 X 染色体失 活
[23]
( 图 2) 。 Bernstein 等 [30] 分析了酵母 (Saccharomyces cerevisiae)启动子区域核小体的分布 , 发现启动子上 核小体越多 , 下游基因的转录速率越小。有证据表 明当 DNA 组装到核小体上之后 , TSS 上甲基化的 CpG 岛就不能启动转录 [32], 然而究竟是转录沉默在 先还是甲基化在先 , 目前还存在争议。 与含有 CpG 岛的启动子甲基化程度低不同 , 多 数高甲基化的启动子缺少 CpG 岛。研究发现水稻 (Oryza sativa)胚乳特异性表达的基因 , 其 TSS 附近 的 CG 甲基化水平较低 [33], 而有些组织特异性的基 因仅在他们表达的特异性组织中发生去甲基化 [34]。 对人类全基因组的研究表明 , 体细胞中不含 CpG 岛 的启动子高度甲基化 , 但这并不妨碍他们的启动子 活性 [35]。 虽然对 CpG 岛甲基化问题已经有较长时间 的研究 , 但非 CpG 岛转录起始位点的甲基化及其对 转录的调控作用尚不明确。
甲基化涉及到遗传物质稳定、 基因表达调控、 X 染色体失活、转座子沉默、组蛋白修饰等多个方面。 本文概述了基因组结构中 DNA 甲基化的作用及甲 基化与转录之间的关系 , 探讨了 DNA 甲基化与组蛋 白甲基化间的相互作用。
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启动子的甲基化
脊椎动物中约有半数的基因在启动子上存在
富含 CpG 的序列 , 即 CpG 岛。含 CpG 岛的启动 子的活性受到多种因素的影响, 如多梳蛋白[19~21]。 这类启动子的 DNA 甲基化水平常与基因的转录 活性密切相关。 一般认为 CpG 岛上胞嘧啶 C 的甲 基化能通过与转录因子结合或改变染色质结构等
Hereditas (Beijing) www.chinagene.cn
2014 年 3 月 , 36(3): 191― 199
综
述
基因组 DNA 甲基化及组蛋白甲基化
王瑞娴 , 徐建红
浙江大学农业与生物技术学院 , 杭州 310058
摘要: 在真核生物中 , DNA 甲基化是一种非常重要的表观遗传学标记 , 能影响染色质的结构和基因的表达。随
Keywords: methylation; CpG island; gene body; histone
收稿日期 : 20131028; 修回日期 : 20131205 基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( 编号： 31171165)和人事厅留学回国基金 ( 编号： J20120581)资助 作者简介 : 王瑞娴 , 博士研究生 , 研究方向：作物栽培学与耕作学。 E-mail: wangrx001@126.com 通讯作者 : 徐建红 , 博士 , 研究员 , 研究方向：基因组学与分子生物学。 E-mail: jhxu@zju.edu.cn DOI: 10.3724/SP.J.1005.2014.0191 网络出版时间 : http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1913.R.20140106.1147.001.html URL: 2014-1-6 11:47:13
[7, 8]
疾病的发生 [12~14]。在植物发育过程中 , DNA 甲基化 也起着重要作用。 甜瓜 (Cucumis melo L.)中转录因子 启动子区域的 DNA 甲基化变化能引起花性别的转 换 [15]; 拟南芥中 DNA 甲基化和组蛋白的修饰可以 此外 , 在调 控制生长素水平 , 进而调节芽的再生 [16]。 节组织特异性基因的表达或发育阶段依赖性基因的 表达中 , 甲基化也起着重要的作用 [17] 。转座子通常 是高度甲基化的 , 而甲基化的缺失会激活其转录并 发生转座 [8, 18]。
关键词: 甲基化 ; CpG 岛 ; 基因本体 ; 组蛋白
Genomic DNA methylation and histone methylation
Ruixian Wang, Jianhong Xu
College of Agriculture and Biotechnology, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
。例如小鼠生殖细胞中特异性表达的基因 ,
其启动子的 DNA 甲基化水平与正常体细胞中不 同 , 表明 DNA 甲基化是基因组织特异性表达的调 节机制之一 [24], 而有的基因启动子的 DNA 甲基 化表现出物种特异性
[25, 26]
。癌细胞中抑癌基因
[27]
SLC5A8 的启动子高甲基化抑制了该基因的表达
。
而对癌细胞的研究表明 , 甲基化水平的改变不仅 发生在 CpG 岛本身 , 也发生在 CpG 岛的周围 , 并 且这种甲基化的变化是保守的 , 与基因表达存在 密切联系 [28]。
在体细胞中大多数常染色体基因的 CpG 岛保持 非甲基化状态 , 只有一小部分在正常组织和细胞中 当启动子上含 CpG 岛的基因有活性时, 发生甲基化[29]。 他们的转录起始位点(Transcription start site,TSS)附近 经常缺少核小体, 即形成核小体缺乏区(Nucleosomedepleted regions, NDRs)[30], 而在 NDRs 的两侧常常存 在组蛋白 H2A 的变体 H2A.Z, 能使转录更易进行
192源自文库
Hereditas (Beijing)
2014
第 36 卷
早在 1975 年 , Holliday 和 Riggs 等 [1, 2]发现在脊 椎动物中 , 胞嘧啶在 CpG 位点的甲基化可做为遗传 学的标记 , 这种甲基化能通过体细胞的分裂进行遗 传。在植物和哺乳动物中胞嘧啶残基第 5 位碳原子 上的甲基化现象是研究最广泛的表观遗传修饰。在 哺乳动物中 , 胞嘧啶甲基化大多存在于 CG 序列上 ; 而植物中除了 CG 甲基化外 , 还有 CHG 和 CHH 的 甲基化 (H = A, C 或 T), 拟南芥 (Arabidopsis thaliana) 中 CG、 CHG 和 CHH 的甲基化程度分别为 24%、 6.7% 和 1.7%[3]。 DNA 甲基化功能的本质是甲基化机制的建立、 维持和去除甲基。 DNA 甲基转移酶 (DNA methyltransferase, DNMT) 在调节基因甲基化过程中起着 重要作用。 在哺乳动物中 DNMT 有 DNMT1、 DNMT2 和 DNMT3 三种 [4], 其中 DNMT3 分为 DNMT3a 和 DNMT3b, 参与 DNA 的重新甲基化过程[5], 是发育早 期 DNA 甲基化必不可少的。 目前, 普遍认为 DNMT3a 对 DNA 甲基化的保持是必需的 [6]。在拟南芥中 , 存 在两种从头开始的 DNA 甲基化酶 METHYLTRANSFERASE(MET1)和 CHROMOMETHYLASE(CMT3), MET1 是 DNMT1 甲基化酶的同系物 , 催化 CG 位点 甲基化 , 而 CMT3 是一个植物特异性的甲基化酶 , 催化 CHG 位点的甲基化。不对称的 CHH 位点的甲 基 化 则 由 CMT3 和 DOMAINS REARRANGED METHYLTRANSFERASE 2 (DRM2)共同催化 , 在这 个过程中可能涉及到一些 siRNA(Small interfering RNAs)或信号分子的作用