DNA甲基化及其生物学功能

DNA甲基化及其生物学功能
沈秀平;林月霞;徐琪
【摘要】DNA methylation is a major epigenetic modification of genome and plays crucial role in regulation of gene expression. The mechanism, mode and characteristic of DNA methylation were introduced. And the role of DNA methylation in development and differentiation, X chromosome inactivation, gemomic imprinting and heterosis were discussed.%DNA甲基化是一种主要的表观遗传修饰,是调节基因表达的重要手段.作者在介绍了DNA甲基化机制、DNA甲基化的模式、DNA甲基化特点的基础上,重点论述了DNA甲基化发育分化、X染色体失活、基因组印记和杂种优势等方面的作用.
【期刊名称】《中国畜牧兽医》
【年(卷),期】2012(039)006
【总页数】4页(P83-86)
【关键词】DNA甲基化;甲基转移酶;基因组印记;杂种优势
【作者】沈秀平;林月霞;徐琪
【作者单位】上海交通大学农业与生物学院,上海200240;上海市农业科技服务中心,上海200335;上海市农业科学院,上海201106;江苏省动物遗传繁育与分子设计重点实验室,江苏扬州225009
【正文语种】中文
【中图分类】Q783
DNA甲基化是研究最清楚、也是最重要的表观遗传修饰形式，它是在DNA复制后，经DNA甲基转移酶（DMT）催化，将S－腺苷酰－L－甲硫氨酸（SAM）上的甲基基团连接到DNA分子腺嘌呤碱基或胞嘧啶碱基上，进行DNA修饰的过程。

DNA甲基化是正常发育、分化所必需的，具有重要的生物学意义。

DNA甲基化
通过模式和数量的改变，对生物遗传信息进行调节，在基因表达调控、发育调节、基因组印迹等方面发挥重要作用（Trygve，2004）。

DNA甲基化已日益成为分
子生物学研究的热点之一，笔者就DNA甲基化的研究现状作一综述。

1 DNA甲基化机制
DNA甲基化是一种酶促的化学修饰过程，甲基化模式建立于配子形成期，并在发
展过程中发生变化，任何特定细胞DNA甲基化模式的建立都是甲基化、去甲基化动态变化的过程。

来自双亲的配子受精后不久，配子DNA中的甲基化几乎全部消失，这种全部去甲基化状态维持到整个囊胚期阶段，约在植入期发生重新甲基化，大多数的CpG被重新修饰（Hsich，2000），但在占基因组1%的CpG岛仍保持非甲基化状态，其原因仍不明确。

现推测DNA甲基化酶可能不易催化富含C与G 的DNA序列甲基化，但这并不能解释CpG岛在特定情况下发生甲基化，如雌性
哺乳动物体细胞内处于失活状态的一条X染色体中，其CpG岛是甲基化的，另外印迹基因中的CpG岛也是甲基化的。

在组织特异性分化过程中，个别基因还发生了局部的去甲基化，使细胞特异性表达的基因在相应组织中处于非甲基化状态。

2 DNA甲基化的模式
DNA甲基化反应可以分成两种类型，一种是两条链均未甲基化的DNA被甲基化，称从头甲基化（Bird，1999）；另一种是双链DNA的其中一条链已存在甲基化，另一条未甲基化的链被甲基化，这种类型被称为保留或维持甲基化。

只有一条链甲基化的双螺旋DNA也称为半甲基化DNA，是甲基化DNA发生半保留复制后的
新产物（Szyf，2003）。

3 DNA甲基化的特点
脊椎动物DNA甲基化的模式不同于细菌，在细菌体内胞嘧啶和胸腺嘧啶都可以发生甲基化，而脊椎动物只有5mC一种形式，脊椎动物DNA的甲基化有以下4个特点:①基因组内甲基化多数发生在与鸟嘌呤相连的胞嘧啶上，形成mCpG（Szyf，2003）；②G＋C丰富区域的CpG（即CpG岛）是非甲基化的（Bird，1980）。

CpG岛位于转录起始点的上游，如持家基因的启动子都含CpG岛，且保持非甲基化状态；③启动子区的CpG被甲基化时转录受到抑制，基因下游即非岛区的CpG 甲基化不抑制基因的转录；④启动子区CpG甲基化的密度与转录的抑制程度有关（Bird，1992），弱的启动子能被密度较低的甲基化完全抑制，当启动子被增强
子增强时，恢复转录功能；如果甲基化的密度进一步增加，转录也进一步被完全抑制。

此外，DNA甲基化分布有组织和发育阶段特异性。

4 DNA甲基转移酶
将甲基转移酶胞嘧啶环的5位的酶称为DNA甲基转移酶，或称为DNA甲基化酶（DNA－MTase）（Bestor等，1994）。

根据催化反应的类型，可以将DNA甲基转移酶分为3类:第1类将腺嘌呤转化成N6－甲基腺嘌呤；第2类将胞嘧啶转
化成N4－甲基胞嘧啶；第3类将胞嘧啶转化成C5－甲基胞嘧啶。

这3种类型的DNA甲基转移酶在原核生物中均可见到，但在高等真核生物中只发现了第3种类型的酶，即DNA C5胞嘧啶甲基转移酶。

DNA C5胞嘧啶甲基转移酶以S－腺苷L －甲硫氨酸（SAM）为甲基供体，将甲基转移到胞嘧啶的第5位碳原子上。

哺乳
动物体内有两种甲基转移酶:一种称为维持甲基化酶（maintenance methylase，Dnmt1），是在DNA进行半保留复制时在模板链上发生甲基化的CpG二核苷酸的相应位置进行甲基化修饰，这样通过连续的复制使甲基化的模式保持不变；另一种称为de novo甲基化酶（de novo methyltransferase），它将甲基加到DNA
的特定位点，这种酶催化在发育过程中去甲基化的CpG位点重新甲基化，有Dnmt3a和Dnmt3b两种形式。

5 DNA甲基化调控基因表达的机制
DNA甲基化主要在转录水平上调控基因的表达，其调控作用与启动子附近的CpG 岛浓度和启动子强弱有关。

分布较少的CpG岛的甲基化可以关闭弱启动子所控制的基因，但不能关闭强启动子所控制的基因，而如果高密度的CpG岛被甲基化则强启动子也不能使基因表达。

DNA甲基化调节基因的表达有几种可能的机制:①由于胞嘧啶甲基化改变了DNA分子的空间结构，直接干扰了特异转录因子与各自启动子识别位置的结合。

几种转录因子如Ap－2、cMyc／Myn、cREB和E2F，能
识别含CpG残基的序列，当CpG二核苷酸的C被甲基化后，结合作用被抑制。

相反，其他一些转录因子与甲基化和非甲基化DNA结合位点都能结合，DNA甲
基化对这些转录因子基本不起抑制作用。

②序列特异的甲基化DNA结合蛋白与甲基化的启动子序列特异性结合从而抑制转录因子与靶序列的结合。

③甲基化CpG
结合蛋白（MeCP1和MeCP2）与甲基化的二核苷酸CpG结合，类似转录抑制蛋白的作用，MeCP1与甲基化DNA结合需要多个甲基化的CpG，MeCP2在细胞
中比MeCP1丰富的多，可与一个mCpG结合（Ngetal等，2000）。

④甲基化
通过影响染色质结构抑制基因表达。

在各种不同的系统中都已发现DNA的高甲基化、转录沉默和致密结构的染色质间有较密切的关系。

最近，在了解DNA甲基化、组氨酸低乙酞化和基因沉默之间的联系上又取得了突破性的进展。

试验证明，己知涉及甲基化DNA转录抑制的甲基结合蛋白MeCP2，通过蛋白质Sin3的桥梁作用，结合了一个组氨酸去乙酸酶，结果使染色质结构紧缩，抑制转录（Walsh等，1999）。

6 DNA甲基化的功能
6.1 DNA甲基化与发育分化研究结果发现，DNA甲基化可以调控真核生物的转
录，从而影响基因的表达水平。

在动物和植物的发育分化过程中DNA序列没有改变，但在不同的发育阶段及不同的组织中，基因的表达都具有特定的模式，DNA 甲基化与这些发育相关基因的时空表达特性具有非常密切的关系。

一般认为DNA 甲基化与基因表达呈负相关，启动子区低甲基化可以促进转录活性的增加，而基因本身的甲基化水平增加也可以降低基因的表达水平（Reik等，2003）。

脊椎动物在发育过程中，同一种类不同个体之间相同类型的细胞存在高度保守的甲基化模式，而在同一个体不同类型的组织中甲基化模式是不同的。

研究结果表明，这种发育阶段及组织特异的甲基化模式是与个体发育过程中甲基化水平的动态变化有关的。

在胚胎发育中基因组DNA甲基化发生了完全去甲基化和重新甲基化变化形成个体特异的甲基化发育编程，在以后的发育阶段，组织特异性基因又会按照编好的程序，发生选择性的甲基化或去甲基化变化，形成组织特异的表达类型，使不同的组织行使不同的功能。

小鼠ES细胞的DNA甲基转移酶基因被敲除后，甲基转移酶活性显著降低，虽然细胞形态和生长速率正常，但是纯合突变小鼠的基因组DNA甲基化水平大大降低，胚胎生长发育迟滞，通常在妊娠中期夭折。

而来自克隆动物异常的研究也说明了DNA甲基化对胚胎发育的重要意义。

DNA甲基化并未参与生物发育分化中所有基因表达的调控，Song等（2005）发现有些组织特异表达的基因和甲基化有关，另一些则没有。

6.2 DNA甲基化与X染色体失活mLynarczyk等（2000）发现了染色体失活中心（XIC），并发现了Xist是失活中心的一个候选基因。

通过对失活和有活性的X染色体DNA甲基化状态的研究结果表明，在失活的X染色体上，大部分基因的CpG是甲基化的，而在活化的染色体是非甲基化的（Lee，2002）。

Xist基因5′端在活化X染色体上是完全甲基化的，而在失活的X染色体上是非甲基化的（Surralles等，1998）。

活化染色体与失活染色体甲基化状态的不同代表着甲基化在X染色体失活中的一种晚发现象，它对失活状态的维持具有重要的意义。

研
究结果还发现，450kb的XIC序列具有选择、启动和保持X染色体失活的功能（Clerc等，2003）。

6.3 DNA甲基化与基因组印记在哺乳动物的配子或合子的发生期间，来自亲本的等位基因在发育过程中产生一种专一性的加工修饰，导致后代体细胞中两个亲本来源的等位基因有不同的表达活性，称为基因组印记（gemomic imprinting）；它是一种非孟德尔遗传型式，可遗传给子代，并不包括DNA序列的改变，基因印记是可以逆转的。

哺乳动物体内印记基因很少单独存在，约有80%呈簇排列。

每个
基因簇上都存在着特异的印记盒（imprint box），能顺式调节印记基因的亲本特异性表达，这些位点上表现出亲本特异性色甲基化模式。

雄性和雌性配子中印记盒发生的甲基化是不同的，如胰岛素生长因子受体（Igf2r）基因和位于期下游紧密
连锁的H19基因来源于母系染色体，而胰岛素生长因子（Igf2）基因来源于父系
染色体。

H19基因被印记的父系等位基因启动子区呈甲基化状态，而来源于母系
等位基因呈非甲基化状态。

相反，Igf2基因的母系等位基因被印记。

这表明Igf2
和Igf2r基因存在与抑制因子结合的特异位点，在活性等位基因中是甲基化的，使之不能与抑制因子结合，而活性等位基因5′端位点是非甲基化的（Reik等，2000）。

Li等（1993）研究证实了DNA甲基化对控制印记基因中的父系和母系
等位基因的不同表达具有重要作用，甲基化传递等位基因特异表达的信号，维持印记基因中父系和母系等位基因特异的表达水平。

6.4 DNA甲基化与杂种优势 DNA甲基化被认为在发育过程中发挥重要的基因调
节功能，同时在杂合子形成过程中发挥了重要作用；这促使认识从DNA甲基化水平去探索杂种优势产生的分子遗传机理。

Jiang等（2004）对梅山猪和大白猪品
种猪杂交种及亲本进行甲基化差异研究，结果表明基因启动子区域CpG岛甲基化在亲子代出现差异，不同甲基化位点对杂种生产性状的作用方向不同，说明杂种优势的表现既与某些基因的表达有关，也与某些基因的表达抑制有关。

Xu等（2007）
研究结果发现，不同的组织基因组的甲基化状态是不同的；DNA甲基化和基因表达之间的关系比较复杂，但是可以确定部分组织特异基因的表达受到DNA甲基化的调控。

研究结果还发现，白洛克肉鸡（♂）和白莱航蛋鸡（♀）杂种F1基因组比纯种更趋于甲基化水平降低的变化；表明杂种通过较大的改变与调整，以协调来源于双亲的异质基因的协同表达。

7 小结
近年来，DNA甲基化的研究虽取得了较大的发展，但实际上目前对DNA甲基化调节基因表达的复杂性及细节了解仍然有限，因此，进一步探讨DNA甲基化与DNA修复、基因组稳定性和染色质结构等的关系，了解DNA甲基化建立和维持的机制，将有助于加深对基因表达调控机制的研究。

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