24-第10章 基因组表观遗传-DNA甲基化
DNA甲基化和表观遗传调控
DNA甲基化和表观遗传调控随着生命科学的不断发展，我们对于基因调控机制的研究也越来越深入。
DNA甲基化和表观遗传调控是其中两个重要的方面。
本文将介绍DNA甲基化的概念和作用，以及表观遗传调控的机制和重要性。
DNA甲基化是一种通过在DNA分子中添加甲基基团来改变基因表达的化学修饰方式。
甲基基团一般会与DNA上的胞嘧啶碱基结合，形成5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine）。
这种化学修饰可以影响DNA的结构和功能，从而影响基因的转录过程。
DNA甲基化在生物体内起着重要的调控作用。
首先，DNA甲基化可以影响基因的表达。
一般来说，DNA区域的高度甲基化会导致基因的沉默，而低甲基化则会促进基因的表达。
这是因为甲基化可以阻止转录因子结合到DNA上，从而阻碍转录的进行。
其次，DNA甲基化在胚胎发育和细胞分化过程中扮演着重要的角色。
研究发现，在胚胎发育的早期阶段，基因组的大部分区域都是高度甲基化的。
随着胚胎的发育，一些基因会被逐渐去甲基化，从而启动其转录过程。
这种去甲基化的过程是非常精确和调控严格的，它决定了所分化细胞类型的基因表达模式。
除了DNA甲基化外，还有一些其他的表观遗传调控机制也对基因表达起着重要的调控作用。
其中包括组蛋白修饰、非编码RNA和染色质构象动态等。
组蛋白修饰是通过对染色质上的组蛋白进行特定的化学修饰，来改变染色质的结构和功能。
这些修饰可以影响DNA的可及性，从而调控基因的表达。
非编码RNA是一类不编码蛋白质的RNA分子，在调控基因表达过程中起着重要的作用。
染色质构象动态包括染色质的三维结构和染色体的可调性等方面，它可以影响基因的可及性和转录过程。
表观遗传调控对于生物体的发育和适应环境起着重要的作用。
通过表观遗传机制，生物体能够在遗传信息不变的情况下，通过调整基因的表达模式来适应外界环境的变化。
表观遗传调控也在许多疾病的发生和发展过程中起着重要的作用。
比如，DNA甲基化在肿瘤发生中的异常改变被认为是导致肿瘤发展的重要原因之一。
DNA甲基化和遗传表观遗传的研究
DNA甲基化和遗传表观遗传的研究DNA甲基化是指在DNA分子上添加甲基（-CH3）基团的一种化学修饰。
DNA分子主要由四种碱基组成，分别是腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、鸟嘌呤（G）和胞嘧啶（C）。
在DNA链的甲基化修饰中，通常指的是Cytosine（C）的甲基化。
DNA甲基化只会影响到胞嘧啶（C）碱基上的甲基化，但是这种甲基修饰对基因的表达和遗传特征具有非常特殊且复杂的影响。
DNA甲基化是一种具有负面影响的化学修饰。
当DNA分子上发生甲基化修饰，它将极大影响到基因的表达和遗传特征。
这种化学修饰通常会被通过DNA甲基转移酶反转，即将甲基基团移除或添加到不同的碱基上。
遗传表观遗传的研究在以前，科学家们认为基因是由DNA分子编写的，它们的顺序和组合方式有助于确定生物的遗传特征。
但是，随着时间的流逝，越来越多的证据表明，在基因的表达和遗传特征中，某些外部因素可能会影响这个过程，从而导致一些非遗传的遗传特征。
这些特征被称为表观遗传。
表观遗传在很大程度上由DNA甲基化决定。
它们是一种能够被外部环境所影响的遗传特征，而且它们可以在一代生物体中遗传到下一代。
这意味着，即使没有改变DNA分子的序列，这些特征也可能会发生变化，因此表观遗传和基因的遗传特征一样重要。
DNA甲基化的影响关于DNA甲基化的研究还在不断发展和探究中。
人们对于如何调节甲基化修饰，以及如何使其对应的传递到下一代的遗传特征得到更好的理解。
同时，人们还在研究如何尽可能减少与改变这种甲基化的负面副作用。
最近的一项研究揭示了DNA甲基化在多个疾病和一些行为特征中的作用。
例如，它可能会影响记忆和学习能力、情感调节和代谢疾病等方面。
遗传表观遗传的未来虽然DNA甲基化和遗传表观遗传的研究都还在不断探讨中，但是人们对它们的理解将会为人们解答一些很重要的科学问题，尤其是涉及到暴露于外部条件中的人类行为特征这方面的问题。
通过对这些表观遗传的研究，人们能够了解更多有关表观遗传的信息，将这些信息应用到临床实践中，并将为人们带来更好的应用前景。
DNA甲基化
DNA甲基化概述在哺乳动物基因组中，甲基化是一种表观遗传机制，包括将甲基转移到胞嘧啶的C5位置形成5-甲基胞嘧啶。
DNA甲基化通过招募参与基因抑制的蛋白或通过抑制转录因子与DNA的结合来调节基因表达。
在发育过程中，DNA甲基化的模式在基因组中发生变化，这是DNA从头甲基化和去甲基化的动态过程的结果。
DNA甲基化是被一个甲基转移酶家族所催化，转移S腺苷甲硫氨酸(SAM)的一个甲基到第五个碳胞嘧啶残基形成5mc , Dnmt3a和Dnmt3b可以建立一个新的DNA甲基化模式来去修饰DNA，被称为从头甲基化。
另一方面，Dnmt1在DNA复制过程中起作用，将亲代DNA链上的甲基化模式复制到新合成的子链上。
这三种DNA都广泛参与胚胎的发育。
这三种DNA都广泛参与胚胎的发育。
当细胞到达终末分化时，Dnmt的表达大大降低。
这似乎表明有丝分裂后细胞的DNA甲基化模式是稳定的。
大部分DNA的甲基化发生在鸟嘌呤核苷酸或CpG位点之前的胞嘧啶上。
总的来说，哺乳动物基因组中CpG位点的减少可能是由于5 - mc可脱氨成胸腺嘧啶的诱变潜力。
剩余的CpG位点分布在整个基因组中，除了CpG岛外，它们都被严重甲基化。
DNA甲基化对沉默逆转录病毒分子、调节组织特异性基因表达、基因印记和X染色体失活至关重要。
不同基因组区域的DNA甲基化可能根据潜在的遗传序列对基因活动产生不同的影响。
一、DNA甲基化的位置1.1 基因间区大约45%的哺乳动物基因组由转座因子和病毒因子组成，这些因子被大量甲基化而沉默。
这些元素中的绝大多数是通过DNA甲基化或随着时间的推移由于5mC的破坏而产生的突变而失活的。
如果表达，这些元素是潜在的有害的，因为它们的复制和插入可以导致基因损坏和DNA突变。
胞内颗粒(IAP)是小鼠基因组中最具侵袭性的逆转录病毒之一。
在整个生命过程中，IAP在配子形成、发育和成年阶段都被高度甲基化。
甚至在胚胎内部，当基因组其余部分相对低甲基化时，Dnmtl维持对IAP元件的抑制。
DNA甲基化与表观遗传学
DNA甲基化与表观遗传学DNA甲基化是一种常见的表观遗传学调控方式, 通过甲基转移酶将甲基基团附加在DNA分子上, 影响DNA的解旋、螺旋结构和染色质构象, 进而调控基因表达。
DNA甲基化的作用和机制已经成为生命科学领域的研究热点, 在疾病和进化等方面的研究中发挥了至关重要的作用。
DNA甲基化的机制DNA甲基化是指在DNA分子上通过甲基转移酶添加甲基基团(-CH3), 形成甲基化序列。
DNMTs(甲基转移酶)是DNA甲基化的主要调节酶, 成功完成DNA甲基化需要DNMT1、DNMT3a和DNMT3b共同作用。
DNMT1是维持DNA甲基化的酶, 负责在DNA复制时维持DNA甲基化模式的稳定性。
DNMT3a和DNMT3b则是帮助甲基化酶作用于新DNA链和异常DNA区域的酶。
DNA甲基化的机制可以分为两种: 一种是“原位甲基化”, 即将甲基基团直接添加到已经存在的甲基化位点上; 另一种是“de novo甲基化”, 即在没有甲基化序列的基础上发生的甲基化反应。
实际上, 含有CG（甲基化位点常常位于CpG二核苷酸）的DNA序列往往是很高的DNA甲基化程度, 其他一些转录活性高的DNA序列也容易捕获甲基化反应, 一旦该序列甲基化, 就容易进行“原位甲基化”反应。
DNA甲基化的作用DNA甲基化虽然可以调节基因表达, 但是它并不是唯一的表观遗传学调控方式。
DNA甲基化对基因表达的影响是通过改变DNA的结构和染色质构象, 影响DNA高阶结构的形成来进行的。
1.阻止转录因子结合DNA甲基化可以阻止某些转录因子的定位, 阻止它们与DNA结合, 进而影响基因表达。
转录因子是一类重要的调控分子, 通过与DNA结构特异互补而与之靶向性地结合。
但是, 含有甲基化序列的DNA往往会阻止转录因子结合, 减少转录复合物(Transcriptional Machinery)的进入, 从而减少或停止基因的表达。
这样做可以帮助基因调控过程不太复杂, 只需控制在基因表达过程中产生的甲基化位点的数量即可。
DNA甲基化与表观遗传调控
DNA甲基化与表观遗传调控DNA甲基化是一种重要的表观遗传调控机制，通过在DNA链上加上一个甲基基团来影响基因的表达。
甲基化的主要作用是调控基因表达，并且在胚胎发育、细胞分化和疾病进程中起着重要的作用。
本文将详细探讨DNA甲基化对基因表达的影响以及其在表观遗传调控中的作用。
DNA甲基化是一种通过在DNA分子上加上甲基基团来改变基因表达的化学修饰过程。
甲基基团通常被加到DNA双链的胞嘧啶（Cytosine）碱基上，形成5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine）。
这个修饰过程是通过DNA甲基转移酶（DNMTs）催化的，DNMTs将甲基基团转移给目标DNA碱基，从而实现DNA甲基化。
DNA 甲基化主要发生在CpG二核苷酸（两个胞嘧啶碱基紧密相连的位置）的C碱基上，但也存在一定程度的非CpG甲基化，尤其在神经元中非常常见。
DNA甲基化的主要作用是通过直接或间接地影响基因表达来调控细胞的发育和功能。
最常见的是CpG岛的甲基化对基因启动子的甲基化状态影响。
CpG岛是DNA链上的一小段富含CpG二核苷酸的区域，位于基因启动子附近。
当CpG岛的甲基化水平较高时，会产生某种程度的基因沉默，即阻碍RNA聚合酶结合到启动子区域上进行基因表达。
相反，当CpG岛的甲基化水平较低时，基因启动子区域更容易被RNA聚合酶结合，从而促进基因表达。
这种方式可以让细胞对环境变化做出迅速反应，从而实现基因的表达和沉默调控。
DNA甲基化在胚胎发育和细胞分化过程中起着至关重要的作用。
在胚胎发育初期，zygote（受精卵）中的大部分基因都是甲基化的，这有助于维持细胞无差异状态，从而保证干细胞的生成。
随着胚胎发育的进行，一些基因会逐渐被去甲基化并转而表达。
这种动态的调控过程对于细胞的分化非常重要，因为不同细胞类型具有不同的基因表达模式，而这些模式的产生正是由于DNA甲基化的差别造成的。
除了胚胎发育和细胞分化，DNA甲基化还在成年组织中扮演着重要的角色。
DNA甲基化与表观遗传学
DNA甲基化与表观遗传学DNA甲基化和表观遗传学是近年来备受研究者关注的热门领域，它们在生物体发育、细胞功能调控以及疾病发生等方面起到重要作用。
本文将从DNA甲基化的机制、表观遗传学的定义和功能以及两者之间的相互关系等几个方面进行论述。
一、DNA甲基化的机制DNA甲基化是指在DNA分子中，通过将一个或多个甲基（CH3）基团添加到胞嘧啶（C）碱基上，形成甲基化胞嘧啶。
DNA甲基化主要发生在CpG二核苷酸上，即脱氧鸟嘌呤和脱氧胞嘧啶之间的磷酸二酯键连接的C和G上。
DNA甲基化的过程主要依赖于DNA甲基转移酶，它能够将甲基基团从S-腺苷甲硫氨酸（SAM）转移到DNA分子中的胞嘧啶上。
DNA甲基化通常发生在基因的启动子区域，通过甲基化可以影响基因的转录和表达。
甲基化的胞嘧啶在原则上是通过DNA复制和维持过程传递给子代细胞的。
二、表观遗传学的定义和功能表观遗传学是研究细胞在不改变DNA序列的情况下，通过DNA甲基化、组蛋白修饰和非编码RNA等方式对基因表达进行调控的一门学科。
与经典的遗传学研究不同，表观遗传学关注的是基因表达的多样性和可塑性。
表观遗传学在生物体发育、细胞分化以及环境适应等过程中起到重要作用。
通过改变DNA甲基化水平和特定蛋白质修饰模式，细胞可以调控基因的转录和表达，从而实现细胞命运的选择和功能的发挥。
表观遗传学的异常调控常常与多种疾病的发生和发展密切相关。
三、DNA甲基化与表观遗传学的相互关系DNA甲基化是表观遗传学研究的一个重要内容，两者密切相关。
首先，DNA甲基化是表观遗传学的一种主要机制之一。
通过改变DNA 甲基化水平和模式，细胞可以实现基因的正常表达和细胞功能的调控。
其次，表观遗传学的研究也揭示了DNA甲基化的调控机制。
例如，组蛋白修饰可以影响DNA甲基化酶的结合能力，从而影响DNA甲基化的发生和维持。
此外，非编码RNA通过与DNA甲基化酶相互作用，也能够影响DNA甲基化的过程。
最后，异常的DNA甲基化与表观遗传学的紊乱常常与疾病的发生和发展密切相关。
DNA甲基化与表观遗传
DNA甲基化与表观遗传随着遗传学研究的不断深入，人们对于DNA的认识越来越深刻。
DNA是构成基因的重要成分，而表观遗传则是影响DNA表达的重要模式之一。
而DNA甲基化作为表观遗传的一种形式，也成为了研究的重要方向之一。
什么是DNA甲基化？DNA甲基化是指在DNA分子中加入甲基基团，将少数脱氧核糖骨架上的位点（CpG岛）上的C被甲基基团取代，成为5-甲基脱氧胞嘧啶（5mC）的过程。
这一甲基化反应主要由DNA甲基转移酶（DNMT）催化完成。
DNA甲基化是如何影响遗传？在人体内，人类的基因组拥有大量的CpG岛分布在不同的基因区域中。
而在这些CpG岛上的甲基化作为表观遗传的一种形式，具有重要的调节基因表达的作用。
早期研究发现，在胚胎发育阶段，人体对于一些重要的发育基因，如Nanog、Oct4、Sox2等调控基因在胚胎干细胞中的表达需要保持在一个特殊的状态。
这些基因在正常细胞中会被甲基化，表达水平很低，而在干细胞中这些基因是非常活跃的。
这就说明，DNA甲基化是一个至关重要的调控机制，与基因的表达和人体的发育密切相关。
除了影响胚胎发育外，DNA甲基化还能影响人体的健康。
例如乳腺癌、结肠癌等肿瘤在甲基化的调节过程中，会受到大量基因表达的条件所影响。
DNA甲基化与表观遗传有何关系？表观遗传是指非基因所注明的对于遗传信息的传递方式。
与相对稳定的基因遗传不同，表观遗传则是一种相对动态的调节，其调控范围涵盖了进化、发育、各种环境变化等。
DNA甲基化作为表观遗传的一种形式，可以通过改变基因表达调节模式，影响某些行为表现，包括许多方面的特征和潜在的疾病状态。
最近的研究发现，一项大量基因组研究中，40%的差异主要是由于DNA甲基化产生，而不是来自DNA序列变异。
这证明了DNA甲基化在表观遗传上的重要作用。
此外，DNA甲基化还可以在基因组不稳定性、转录因子结合能力、组蛋白修饰等方面起到一定的作用，从而参与了许多生物过程，如DNA修复、细胞周期调节、免疫系统反应等。
DNA甲基化与表观遗传调控的分子机制
DNA甲基化与表观遗传调控的分子机制DNA甲基化是一种重要的表观遗传修饰方式，具有广泛的功能和影响。
通过对DNA分子上的甲基化修饰，细胞可以稳定地调节基因表达，从而在个体发育和生命过程中起到重要的作用。
本文将探讨DNA 甲基化与表观遗传调控的分子机制，并介绍其在生物学研究和医学领域的应用。
一、DNA甲基化的原理和机制DNA甲基化是指DNA分子上的碱基（通常为胞嘧啶）上发生甲基基团的添加。
这一修饰过程由甲基转移酶（DNA甲基转移酶）催化完成，其中最常见的是DNA甲基转移酶1（DNMT1）、DNA甲基转移酶3A（DNMT3A）和DNA甲基转移酶3B（DNMT3B）。
这些酶能够将甲基基团从甲基供体S-腺苷甲硫氨酸（SAM）转移到DNA分子上的胞嘧啶碱基。
DNA甲基化主要发生在CpG二核苷酸位点，也可以在非CpG位点发生，尽管非CpG甲基化的频率较低。
DNA甲基化是一个动态平衡的过程。
细胞中同样存在DNA甲基化的去甲基化修饰过程，由去甲基化酶（TET酶）负责。
TET酶可以将甲基化的胞嘧啶转化为羟甲基化和甲酰化胞嘧啶，为DNA修饰的逆过程提供了催化活性。
通过DNA甲基化和去甲基化的动态平衡，细胞可以在基因表达上实现动态调控。
二、DNA甲基化对基因表达的调控DNA甲基化在基因表达调控中起到重要的作用。
一般情况下，DNA甲基化的发生会导致基因的沉默和抑制。
这是因为DNA甲基化可以阻止转录因子与DNA结合，进而影响基因的启动子活性和转录的进行。
此外，DNA甲基化还可以通过招募甲基化结合蛋白（MBD蛋白）和组蛋白去乙酰化酶等介导染色质结构的改变，从而影响基因的表达状态。
然而，并非所有DNA甲基化都会导致基因的沉默。
在一些特定的基因和基因座上，DNA甲基化可能与基因的激活相关。
这种现象被称为“激活型甲基化”。
激活型甲基化通常发生在基因启动子区域的远端增强子上，通过亲和性调控转录因子的结合，促进基因的启动子活性。
三、DNA甲基化在生物学和医学中的应用DNA甲基化在生物学和医学领域具有广泛的应用价值。
DNA甲基化与表观遗传
DNA甲基化与表观遗传DNA甲基化是一种重要的表观遗传调控机制，它对基因表达的调控具有重要意义。
本文将从DNA甲基化的定义、机制和功能等方面进行探讨，并探讨DNA甲基化在个体发育、疾病发生和转化医学中的应用。
DNA甲基化是指DNA分子中甲基基团（CH3）与胞嘧啶基对应的C5位点共价结合的修饰过程。
DNA甲基化主要通过DNA甲基转移酶催化，将甲基基团从S-腺苷甲硫氨酸（SAM）转移至DNA链。
DNA甲基转移酶家族主要包括DNMT1、DNMT3A和DNMT3B。
DNA甲基化主要发生在CpG二核苷酸（CpG岛）的CG区域，其中CpG岛是指DNA链上一段长度大于200bp、GC含量高于其周围背景的区域，通常位于基因的启动子附近。
DNA甲基化在基因表达调控中起到重要的作用。
一方面，DNA甲基化可以抑制基因的转录，通过直接阻断转录因子与DNA结合的方式，阻碍启动子的开放和RNA聚合酶的结合。
另一方面，DNA甲基化还可以通过与甲基化序列特异性的蛋白质结合，招募染色质重塑因子、去乙酰化酶等辅助蛋白，进一步改变染色质结构和组装，从而实现对基因表达的调控。
DNA甲基化不仅在个体发育过程中起到重要作用，还在疾病的发生中发挥着重要的调控作用。
以癌症为例，DNA甲基化的异常通常伴随着大量的基因甲基化失活，在肿瘤的发生和进展中发挥着重要作用。
DNA甲基化的异常还可导致染色体重塑、串联重复序列稳定性和基因错配修复等基因组不稳定性的改变，进而促进疾病的发生。
近年来，DNA甲基化在转化医学研究中逐渐得到了重视。
通过对DNA甲基化的测序、分析和调控机制的深入研究，可以实现对疾病的早期诊断、疗效判断和治疗靶点的发现。
DNA甲基化标记物的检测已广泛应用于肿瘤早期筛查和疗效预测中。
此外，基于DNA甲基化的转录组和组蛋白修饰修饰谱的整合分析，有助于揭示基因的表达调控网络和分子机制。
综上所述，DNA甲基化作为一种重要的表观遗传调控机制，在个体发育、疾病发生和转化医学中都发挥着重要作用。
25-第10章 基因组表观遗传-组蛋白甲基化
组蛋白甲基化密码
修饰位点
功 能 含义
--------------------------------------------------------------------
修饰状态 单甲基化 双甲基化 三甲基化
-------------------------------------------------------------------------------
蛋
酸（K）的乙酰化；
白 3）磷酸化，主要是丝氨酸(S)的磷酸化； 4）泛素化，主要是H2A和H2B的赖氨酸(K)泛素化；
修 5） SUMO(Small Ubiquitin-like Modifier, SUMO)
饰
是一种类似泛素的小蛋白质，可修饰赖氨酸
（K）。
组蛋 白修 饰位 点及 专一 性修 饰酶
H3K4
激活
激活
H3K9
激活
抑制
抑制
H3K27
激活
抑制
抑制
H3K79
激活
激活
激活
H4K20
激活
H2BK5
激活
抑制
Wikipedia Histone
赖氨酸甲基化的表观遗传
1）组蛋白3赖氨酸4单甲基化（H3K4me）是真核生物进化 中一个十分保守的表观遗传标记，与转录激活状态关联 Mol. Cell. Biol. 30：2933-2946 ，2010
KMT: lysine methyltransferase，赖氨酸甲基转移酶; KDM: lysine demethyltransferase，赖氨酸脱甲基化酶
组蛋白甲 基转移酶
1) 组蛋白甲基转移酶(Histone methyltransferases , HMT): 包 括组蛋白赖氨酸(K)和组蛋白精氨酸(R)甲基转移酶, 催化 组蛋白赖氨酸和精氨酸的单甲基化(me1),双甲基化(me2) 和三甲基化(me3)。
DNA甲基化和表观遗传调控的关系
DNA甲基化和表观遗传调控的关系生命可以视为从父母遗传下来的一种机器，它依赖于遗传物质DNA来存储和传递信息。
然而，随着时间的推移，DNA可能会应变或者受到环境因素的影响而发生变化。
DNA甲基化是这些变化之一，它是一种重要的表观遗传标记，影响了基因表达和细胞命运。
本文将深入探讨DNA甲基化和表观遗传调控的关系。
DNA甲基化是什么？DNA甲基化是一种通过将甲基基团（-CH3）添加到CpG位点上缔合DNA的过程。
CpG位点指的是存在于基因组特定位置上的一段含有顺式氢键的核苷酸序列。
甲基化作用在多种生物体中广泛存在，可以调控基因表达和基因组稳定性等生命关键过程。
除了CpG甲基化，还有CHH甲基化和CHG甲基化，它们是通过将甲基基团添加到DNA碱基上而产生的。
尽管这两种甲基化机制比CpG甲基化复杂，但它们与基因表达和生长调控之间的关系也得到了广泛的研究。
DNA甲基化如何影响基因表达？DNA甲基化有可能阻止细胞中的转录因子（TF）与DNA结合而影响基因表达。
这是因为，甲基化的CpG位点可以影响TF的结合特异性、招募和调控下游基因表达等作用。
此外，DNA甲基化还可以通过干扰启动子区域的磷酸化、辅助因子和TF的活性来影响基因表达。
甲基化还可以诱导基因的沉默，阻碍转录后调控网络的建立。
作用于一条CpG岛上的大量甲基化可导致基因催化剂在该区域内失效，从而抑制基因表达。
由于CpG岛通常与启动子区域有关，因此DNA甲基化机制也提供了细胞调节某些基因的表达水平的方法。
例如，一些肿瘤细胞会在CpG岛区域过度甲基化，造成TSGs的失活，从而导致肿瘤的侵袭、转移以及治疗效果的抵抗。
DNA甲基化与表观遗传调控之间的联系“表观遗传学”是一种研究生物体如何通过基因表达来响应环境变化的领域。
表观遗传学与传统的遗传学不同，前者通常不涉及DNA序列上的改变，而是研究影响基因表达水平的机制。
DNA甲基化被视为表观遗传调控的一个重要组成部分，它能够为这种调控提供分子机制和基于观察的现象解释。
DNA甲基化的遗传和表观遗传调控
DNA甲基化的遗传和表观遗传调控DNA甲基化是一种表观遗传修饰，可以通过改变基因启动子区的化学结构来影响基因表达。
具体来说，DNA甲基化是指在DNA链上与腺嘌呤碱基相连的一种甲基化修饰，可通过DNA甲基转移酶的作用来实现。
它是一种经常发生的生物化学反应，同时也是一个非常重要的机制，以调节细胞分化、发育和功能。
甲基化是指DNA链上的CpG位点上甲基基团的加成。
从化学角度来看，甲基基团非常小，但是它对DNA的功能产生了重大的影响。
例如，在一个基因启动子上进行甲基化通常会导致该基因失活。
这是因为甲基化可以阻止转录因子的结合，从而减少RNA聚合酶的招募和基因表达的激活。
因此，DNA甲基化通常被认为是一个抑制性的表观遗传修饰机制。
甲基化是一种非常普遍的表观遗传修饰方式，被广泛存在于生物系统中。
在哺乳动物中，大约70%的CpG位点是甲基化的。
然而，并非所有的CpG位点都容易被甲基化。
实际上，CpG位点通常会聚集在DNA上形成甲基化岛屿，而其他的区域则很少被甲基化。
DNA甲基化也具有遗传性。
因为DNA甲基化可以被维持在细胞分裂和胚胎发育中，所以它可以在细胞分裂后传递给后代细胞，从而作为一种遗传修饰方式。
大多数情况下，DNA甲基化被认为是一种不可逆的修饰，因为它不会在DNA复制中被修复酶复制，而是通过维持或转化的方式来维护。
除了遗传外，DNA甲基化还可以通过环境和代谢因素调节。
例如，烟草使用、饮食和锌摄入等因素都已经被证明与DNA甲基化有关。
这些因素可以增加或减少DNA甲基化的发生率，从而影响基因表达和疾病风险。
由于DNA甲基化的遗传和可塑性，它已经成为研究表观遗传与环境交互作用的热门领域。
总之，DNA甲基化是一种常见的表观遗传修饰方式，通过改变基因启动子区的化学结构影响基因表达。
它具有遗传性和调节性，是一个非常重要的调控机制。
未来，我们可以期待更多的发现来揭示DNA甲基化在基因表达和疾病风险方面的作用。
24-第10章 基因组表观遗传-DNA甲基化
受精胚与体细胞胚的发育差异
哺乳动物体细胞
胚胎与受精卵胚
胎发育存在许多
差异. 这些差异主 要表现在体细胞
胚与受精胚基因
组的程序化. 受精 卵的雄核与雌核
基因组DNA在去 甲化的程序上存
在时间差. 雄核 基因组DNA去甲 基化先于雌核基
因组DNA.基因组 DNA甲基化程序 的差异会导致胎
发育异常.
谢谢!
siRNA
介 导
DNA
甲基化
植物染色质沉默的调控机制 siRNA介导的转座子和重复 序 列甲基化的可能模式。由Pol IV和Pol V产生的siRNA 转 移到AGO4。AGO4然后与DNA甲基化酶等因子互作在靶 DNA位置甲基化。DRM2：DOMAINSREARRANGED METHYLTRANSFERASE 2，重新甲基化酶。 Nat Rev Genet .11:204-220，2010
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
分化
5-氮脱氧胞嘧啶是胞嘧啶的类似物, 当加入的5-氮脱氧胞嘧啶添加到培养 的小鼠细胞中，在DNA进入复制时, 5-氮脱氧胞嘧啶可取代胞嘧啶。在下 一轮复制时可消除原有的DNA甲基化, 促使基因表达。 Hpa II是一个可 以识别-CCGG-的DNA限制性内切酶，但对甲基化的-C5mCGG-敏感，可 从HpaII的酶切条带的变化可以探知基因组DNA甲基化的状态。培养的小 鼠 细胞在5-氮脱氧胞嘧啶处理后可检测到HpaII酶切带型的改变。
表观遗传中的DNA甲基化
表观遗传中的DNA甲基化表观遗传是高中生物学新增内容。
新人教版高中生物学必修二中两个实例我“穿柳鱼花”和“鼠体色”表观遗传均与基因中DNA甲基化相关。
一、表观遗传表观遗传（Epigenetic）是指DNA序列不发生变化但基因表达却发生了可遗传的改变，即基因型未发生变化而表型性状却发生了改变。
特点就是：遗传信息DNA序列未发生改变，表型性状改变，且可遗传。
就像一对同卵双胞胎，也有存在表型差异的情况，他们的基因型几乎是相同的，但是为什么会有表型上的差异呢？其中一个原因就是发生了表观遗传。
即基因不发生改变，但是表观性状改变了。
那么基因不改变，性状却改变了，这中间有什么联系呢？总得有什么东西发生了变化才会导致性状改变是吧？经过科学家的研究，发现表观差异的基因型相同的个体，发生了DNA甲基化，RNA甲基化，组蛋白修饰，X染色体失活，非编码RNA调控等，最后导致了表观性状的改变。
二、DNA甲基化DNA甲基化：DNA甲基化是通过DNA甲基转移酶在胞嘧啶环的第5个碳原子上共价加成甲基而产生的，从而产生5-甲基胞嘧啶（5-mC），在体细胞中，几乎仅在二核苷酸CpG的对称甲基化配对中发现了5-mC，而在胚胎干（ES）细胞中，在非CpG中也观察到了大量的5-mC。
5-mC 作为表型和基因表达的主要表观遗传修饰的生物学重要性已得到广泛认可。
此外在人和小鼠组织以及胚胎干细胞中已经检测到一些新的修饰核苷酸：5-羟甲基胞嘧啶（5-hmC），5-甲酰基胞嘧啶（5-fC）和5-羧胞嘧啶（5-caC）。
在哺乳动物中，这些修饰的核苷酸可能是由5-甲基胞嘧啶的迭代氧化产生的，该酶是由TET酶家族介导的。
DNA甲基化在正常生物发育和高等生物的细胞分化中起着重要作用，大量研究表明，DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA 稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而调控基因性状的表达。
基因表达以及几乎所有类型的癌症的发展也与DNA甲基化有关，例如，由于各种环境影响，甲基缺乏可能导致5-甲基胞嘧啶含量的总体下降（DNA低甲基化），并且已被提议作为多种生物过程（例如癌症）的分子标记。
表观遗传学和DNA甲基化
表观遗传学和DNA甲基化
随着科技的发展，人们对于细胞基因调控机制的研究也日益深入。
表观遗传学
就是研究基因表达调节的一门学科。
它探究了基因表达水平与某些环境因素、生活方式等之间的关系，其中DNA甲基化被认为是一个非常重要的调节方式之一。
DNA是人体基因的媒介。
DNA序列发生变异或突变，会直接导致遗传病的发生。
但是，基因本身并不是静态的，人们发现还有机制可以影响DNA表述、转录等。
这就是表观遗传学。
DNA甲基化是其中最为常见、易于研究的一种。
简单地说，就是通过在DNA分子上附加一个甲基基团，改变DNA序列的化学性质，从
而影响转录因子的结合，进一步调整基因的表述水平。
对于这种DNA甲基化机制，研究人员已经明确了一些影响因素。
其中最为常
见和重要的有年龄、生活方式、营养、环境等。
例如，一些研究表明高脂肪饮食会导致DNA甲基化的改变，进而影响相关基因的表达，对身体健康产生负面影响。
另外，在一些人类疾病中，DNA甲基化也被发现与之相关。
这些疾病包括心
血管疾病、糖尿病、癌症等。
一些研究还表明，人类精子和卵子中的DNA甲基化
也会影响子代基因表达，这就说明，人类的生殖细胞DNA甲基化状态也会影响子
代的健康。
总的来说，DNA甲基化是基因表达控制的一个重要机制，它不仅受人类生活
方式等环境因素的影响，还与一些人类疾病密切相关。
基于对DNA甲基化的探究，研究人员可以进一步研究人类基因调控机制，为人类健康提供更为深层次的解答。
基因组学中DNA甲基化与表观遗传学关系的研究
基因组学中DNA甲基化与表观遗传学关系的研究近年来，随着基因组学研究的不断发展，DNA甲基化与表观遗传学关系的研究也日趋深入。
DNA甲基化是指DNA分子上的Cytosine被甲基化修饰，从而影响基因转录和表达。
表观遗传学则是研究细胞因为环境和其他外界因素而引发的遗传修改。
本文将介绍DNA甲基化和表观遗传学的基本知识，并探究二者之间的密切关系和应用前景。
一、DNA甲基化的基本概念和机制DNA甲基化是指将Cytosine（C）的5位碳原子与甲基基团结合，形成5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine，5mC），从而影响DNA及其相互作用蛋白的亲和性和结构的改变。
DNA甲基化的作用是调节基因表达、细胞分化和基因组稳定性等，不仅发生于典型的CpG岛上，而且在非岛区亦有所存在。
DNA甲基化是通过DNA甲基转移酶（DNA methyltransferase，DNMT）这一酶催化进行的。
DNMT基本上有DNMT1、DNMT2、DNMT3A和DNMT3B四种，其中DNMT1主要为维护DNA甲基化状态的保护性甲基化酶，DNMT3A和B作为新型基因启动子和信号转导通路中的关键因子，而DNMT2则与DNA序列的变异有关。
除了上述四种外，还有个别的辅助甲基转移酶，如DNMT3L等。
二、表观遗传学的基本概念和机制表观遗传学是研究在基因组中，不涉及DNA序列改变而引起基因表达和遗传性状改变的信息传递过程。
表观遗传学研究的基本单位是染色质，它包括DNA序列、组蛋白的修饰、非编码RNA、DNA 甲基化和去甲基化等。
表观遗传学的主要研究内容有DNA脱甲基化、组蛋白乙酰化和磷酸化、蛋白质甲基化、非编码RNA 和小分子干扰等多个方向。
表观遗传学的主要机制包括：1.组蛋白修饰：组蛋白是染色体的主要构成蛋白，组蛋白的乙酰化、磷酸化、甲基化等修饰方式可以影响基因的转录活性。
2.核小体位置与翻译后修饰：细胞核内的核小体排列和组合方式可以影响某些区域基因的可读性。
表观遗传学中的DNA甲基化机制研究
表观遗传学中的DNA甲基化机制研究随着科技的飞速发展，人们对基因的研究也越来越深入。
作为一个涉及基因表达调控的领域，表观遗传学备受瞩目。
其中，DNA甲基化是表观遗传学研究中最为重要也最为常见的机制之一。
一、DNA甲基化的定义与机制DNA甲基化是指在DNA分子上发生的具有化学修饰性质的反应，即将甲基基团(C-H3)结合到DNA的胞嘧啶核苷酸上，形成5-甲基胞嘧啶(5-mC)。
这项化学反应一般由DNA甲基转移酶(DNMTs)来催化完成。
在细胞内，5-mC所在的胞嘧啶碱基常常被直接识别，并引导了一些特定的蛋白质结合到该位置，从而实现了基因表达的调控。
DNA甲基化作为一种广泛存在于生物体内的基因表达调控机制，其作用机理也被广泛研究。
然而，就现有的研究结果而言，DNA甲基化具体如何实现对基因表达的调控，仍然是一个较为复杂的问题。
其中一些最新的研究结果表明，DNA甲基化机制与染色质的空间构象、核小体复合物的组成、以及RNA的介入等多种因素密切相关。
二、DNA甲基化与表观遗传的关系DNA甲基化作为一种基因表达调控机制，在表观遗传调控中扮演了十分重要的角色。
这是因为在细胞发育、分化等过程中，DNA甲基化会发生变化，并进一步影响基因表达的专一性和数量。
例如，在普通细胞中表达的基因，往往与其相应的组织细胞中的表达方法存在差异。
这是由于组织细胞中的DNA甲基化模式与普通细胞存在差异，导致同样的基因表现出了不同的表达特征。
在现代医学中，DNA甲基化作为一种表观遗传调控机制，已经被广泛应用于疾病诊断与治疗方面。
例如，在癌症早期诊断中，检查样本中DNA甲基化的变化模式可以帮助医生早期发现患病迹象，从而采取相应的治疗措施，提高治疗成功的几率。
而在药物研发领域，通过模拟操作细胞中DNA甲基化的变化，可以推断出一些特定合成的化学物质对基因表达的具体调控机制，从而为合成更加精准的药物提供理论支持。
三、DNA甲基化的研究进展DNA甲基化作为表观遗传学中最为重要的机制之一，近年来也受到了广泛的研究。
DNA甲基化与表观遗传调控的关系
DNA甲基化与表观遗传调控的关系DNA甲基化是一种重要的表观遗传修饰方式，它在生物体内广泛存在并对基因表达起着重要的调控作用。
本文将探讨DNA甲基化与表观遗传调控的关系，并分析其在细胞发育、疾病发生等方面的重要作用。
一、DNA甲基化的基本原理DNA甲基化是指通过在DNA分子中加入甲基基团，而使某些碱基的化学性质发生改变。
在DNA双链的胞嘧啶环上，5号碳原子通过共价键结合一个甲基基团，形成5-甲基胞嘧啶。
DNA甲基化的主要作用是通过改变DNA序列的物理性质来影响基因的活性和稳定性。
二、DNA甲基化与基因调控的关系1. DNA甲基化与基因沉默DNA甲基化通常会导致基因的沉默，这是因为甲基化的DNA序列可以被转录因子和其他调控蛋白结合，从而阻碍基因启动子的结合和转录的发生。
这种沉默作用在胚胎发育、组织分化和维持细胞命运等过程中起着重要的作用。
2. DNA甲基化与剪接调控在剪接调控过程中，DNA甲基化可以通过改变甲基化位点周围的组蛋白修饰状态来影响剪接因子的结合和剪接位点的选择，从而调控基因的可变剪接。
这种调控机制对于细胞功能的多样化和复杂性起着重要作用。
3. DNA甲基化与染色质重塑DNA甲基化还参与了染色质的三维结构形成与重塑，影响着染色质的可及性和基因座的互作。
具体来说，甲基化的DNA可以直接或间接地与组蛋白、非编码RNA等染色质蛋白相互作用，从而影响染色质的紧密程度和空间结构。
三、DNA甲基化在细胞发育中的作用1. 胚胎早期发育在胚胎早期发育过程中，DNA甲基化水平会发生显著的变化。
这些变化对于胚胎发育的正常进行至关重要。
研究发现，细胞发育过程中的DNA甲基化动态变化与基因启动子活性的调控密切相关。
2. 组织分化和细胞命运决定DNA甲基化的变化在组织分化和细胞命运决定中起着重要的作用。
通过调控特定的基因表达，DNA甲基化可影响细胞命运以及组织的形成与功能。
四、DNA甲基化与疾病发生的关系近年来的研究表明，DNA甲基化异常与多种疾病的发生密切相关。
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DNA维持甲基化 模式：在DNA复 制时，通过和专
一性识别半甲基
化DNA的UHRF1 （SET或RING结 构域蛋白，SRA） 和PCNA互作， DNA甲基转移酶 (DNMT1)被招募 到复制场所。在
进入复制场之后，
DNA甲基转移酶 以甲基化DNA单 链为模板，将新
合成DNA单链甲 基化。
DNA 甲基化 与染色 质沉默
DNA甲基化
基因表达调控的重要方式
1 DNA甲基化决定基因表达的模式； 2 DNA甲基化模式可以在上下代细胞之间传递； 3 DNA甲基化只限于碱基的修饰，并不改变
DNA的顺序组成。 4 DNA甲基化涉及3个独立而又相关的过程：
书写(writing): DNA甲基化酶 阅读(reading): 甲基化DNA结合蛋白 清除(erasing): 主动与被动去甲基化
不同物种基因组的DNA甲基化
不同物种之间基因组DNA的甲基化比例差别很大， 质谱分析定量检测DNA甲基化结果显示： 1）植物拟南芥基因组DNA胞嘧啶甲基化为14% ； 2）小鼠基因组DNA胞嘧啶甲基化为8% ； 3）大肠杆菌基因组腺嘌呤和胞嘧啶甲基化为2.3% 4）果蝇基因组DNA胞嘧啶甲基化为0.03% ； 5 ) 线虫基因组缺少甲基化； 6）酵母基因组DNA甲基化小于0.0002%。
第10章 基因组表观遗传-
DNA甲基化
DNA
去甲基 化与肌 肉细胞
分化
5-氮脱氧胞嘧啶是胞嘧啶的类似物, 当加入的5-氮脱氧胞嘧啶添加到培养 的小鼠细胞中，在DNA进入复制时, 5-氮脱氧胞嘧啶可取代胞嘧啶。在下 一轮复制时可消除原有的DNA甲基化, 促使基因表达。 Hpa II是一个可 以识别-CCGG-的DNA限制性内切酶，但对甲基化的-C5mCGG-敏感，可 从HpaII的酶切条带的变化可以探知基因组DNA甲基化的状态。培养的小 鼠 细胞在5-氮脱氧胞嘧啶处理后可检测到HpaII酶切带型的改变。
哺乳动物与高等植物 DNA甲基化位点
哺乳动物 拟南芥
甲基化位点 CpG CpG
CpHpG CpHpH
比例（%） 70-80 24 6.7 1.7
DNA甲基化反应
DNA甲基化是指生 物体在DNA甲基 转移酶的催化下
，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。
哺乳动物细胞DNA 甲基化发生在双 甲基CpG对称的 胞嘧啶C-5位置 。甲基基团由S腺苷甲硫氨酸提 供。
siRNA
介 导
DNA
甲基化
植物染色质沉默的调控机制 siRNA介导的转座子和重复 序 列甲基化的可能模式。由Pol IV和Pol V产生的siRNA 转 移到AGO4。AGO4然后与DNA甲基化酶等因子互作在靶 DNA位置甲基化。DRM2：DOMAINSREARRANGED METHYLTRANSFERASE 2，重新甲基化酶。 Nat Rev Genet .11:204-220，2010
Cell 145 (3): 423–34，2011
DNA甲基化与基因组程序化
genome programming
哺乳 动物 基因 组程 序化 周期
哺乳动物全生育期有一个周期性的甲基化和去甲基化循环。受精后直到胚 胎植入子宫前，基因组经历全面去甲基化。胚胎植入子宫后，开始重新甲 基化。当胚胎原生殖细胞(primordial germ cells，PGCs)形成时（约在胚胎 形成的E8.5-11.5期），全基因组去甲基化。待配子形成后，又开始重新甲 基化, 一直持续到受精后。
Neuropsychopharmacology REVIEWS 38, 23–38, 2013
DNA重新甲基化 与维持甲基化
1）重新甲基化（ de novo methylation）是指在 非甲基化胞嘧啶的5-C位共价连接甲基；
2）维持甲基化（ maintenance methylation ）是 指在DNA复制后，以原甲基化DNA单链为 模板，在新链对应的胞嘧啶位置添加甲基, 保持原有甲基化模式。
等位基因DNA甲基化“拷贝”
玉米中存在副突变等位基因B-1/B’对。自然状态下基因型B-1等位基因 可发生10%的启动子区DNA甲基化，造成B-1基因沉默, 转变为副突变基因 B’。将副突变基因型B’与野生型B-1杂交，杂合子中已副突变的B’等 位基因可将其启动子DNA甲基化状态“拷贝”（或传染）给野生型等位 基因B-1，使之转变为B’副突变等位基因。Nature 447：418，2007
DNA甲基化酶的结构
图中所示为3个DNA甲基化酶的结构图: 图中罗马数字表示具有催化 功能的结构域。NLS, 核定位信号; RFT, 复制场靶向结构域（ replication foci-targeting domain）; BAH, 近邻bromo同源结构域（ bromo-adjacent homology domain）; PWWP, 保守的脯氨酸-色氨 酸-色氨酸-脯氨酸结构域; PHD, 非典型植物同源异型富光氨酸区（ a cysteine-rich region containing an atypical plant homeodomain）; aa, amino acids.
Analytical Chemistry 86 (8):140318143747008，2014
DNA 甲基 化的 生物 学功 能
基因组中许多基因的上游调控区含有CpG岛，双碱基-CpG的胞嘧啶（C）可被甲基化。被甲基化修饰的-CpG-是基 因沉默的标记，可阻止转录因子与调控元件结合。MeCP (mCpG结合蛋白）与mCpG结合后，可招募组蛋白去乙酰化 酶促使染色质收缩，抑制基因表达。
DNA重新甲基化与维持甲基化
重新甲基化是 将甲基基团在 DNMT3A/B的作 用下直接连接 到胞嘧啶5-C 位置。DNA维 持甲基化是指 DNA复制后以 母链中保持的 甲基化胞嘧啶 为模板，将新 链中对称的胞
嘧啶甲基化。
维持DNA甲基化酶
Nat Rev Genet .11:204-甲基化酶）打靶CpG位点甲基化DNA的胞嘧啶。 甲基化DNA被甲基化结合蛋白MBD识别，然后招募组蛋白修饰酶如组蛋 白脱乙酰化酶（histone deacetylases ，HDAC)使组蛋白去乙酰基化，同 时 也可招募组蛋白甲基转移酶（ histone methyltrans –ferases ，HMT)使 组 蛋白甲基化。 随后招募染色质重建复合物SUV39H1，促使染色质收缩 沉默。
受精胚与体细胞胚的发育差异
哺乳动物体细胞
胚胎与受精卵胚
胎发育存在许多
差异. 这些差异主 要表现在体细胞
胚与受精胚基因
组的程序化. 受精 卵的雄核与雌核
基因组DNA在去 甲化的程序上存
在时间差. 雄核 基因组DNA去甲 基化先于雌核基
因组DNA.基因组 DNA甲基化程序 的差异会导致胎
发育异常.
谢谢!
DNA如何去甲基化
DNA去甲基化有两种方式，主动去甲基化与被动 去甲基化: 主动去甲基化 为间接脱甲基，通过错配切除
修复路线更换非甲基化胞嘧啶。 被动去甲基化 不需酶参于，只涉及维持 甲基
化酶的表达量。随着细胞的不断分裂，维 持甲基化酶被逐渐稀释，最终导致新合成 的DNA不再甲基化。
DNA主动脱甲基化