DNA甲基化研究综述

DNA甲基化研究综述

The summarize of the research on DNA

methylation

郭文媛

（生物技术 1353227）

摘要：DNA 甲基化是真核生物表观遗传学中一种重要的基因表达调控方式，是一种酶催化的修饰过程。其是在DNA 甲基转移酶催化下，将甲基基团转移到胞嘧啶的5 位碳原子上，使之转变成5-甲基胞嘧啶的化学修饰过程。在人类和其他哺乳动物中，此修饰过程通常发生在5'-CpG-'二核苷酸的胞嘧啶上。大量相关研究表明，DNA 甲基化与人类疾病密切相关。

Abstract:DNA methylation is an important epigenetic regulation of gene expression in eukaryotes．It is a kind of enzyme catalysis modification process: refers to the chemical modification process of DNA methyltransferase catalysis，the transfer of methyl groups onto cytosine carbon atom 5，making them into

5-methyl cytosine．In humans and other mammals，the modification process usually occurs in 5＇CpG -＇dinucleotide cytosine．A large number of relevant studies have shown that DNA methylation is closely related to human diseases．

关键词: DNA 甲基化; 甲基转移酶;表观遗传学; CpG 岛; Dnmt1; Dnmt3a; Dnmt3b; 基因沉默; DNA甲基化结合蛋白; 人类表观基因组计划

Key words:DNA methylation; Methyltransferase; Epigenetics; CpG island; Dnmt1; Dnmt3a; Dnmt3b ; Gene Silencing ;MBD; human epigenomeproject

表观遗传学研究的是不改变DNA 的一级结构而改变表型的一种基因表达调控机制，主要包括DNA 甲基化、组蛋白修饰、染色体重构、RNA 干扰等。

DNA甲基化是重要的表观遗传修饰之一，在大多数真核生物中广泛存在。DNA 甲基化水平受到环境、疾病、年龄和性别等因素的影响，处于动态的变化过程中。不同的细胞、组织或个体之间，甚至同一细胞或个体的不同发育时期，其DNA 甲基化状态和程度都可能存有差异。

2003 年10 月，人类表观基因组计划委员会正式宣布投资和启动人类表观基因组计划( human epigenomeproject，HEP) 。HEP 的主要目标是研究人类所有基因在主要组织以及200 多种细胞中正常和疾病状态下的甲基化模式，并在基因组水平绘制不同组织正常和疾病状态时的甲基化变异位点图谱[4]，本文结合2013年至今DNA甲基化研究文献，综述了DNA甲基化分布特点和与疾病关系等方面的研究情况。

1.DNA甲基化

1.1DNA甲基化与DNA去甲基化

DNA 甲基化是表观遗传( Epigenetic) 的一种重要表现方式，指在DNA 甲基转移酶( DNA methyltransferase，DMT) 的催化下，以s －腺苷甲硫氨酸( SAM) 为甲基供体，将甲基转移到特定碱基上的过程。

DNA 去甲基化也被称为DNA 甲基化丢失(lossof DNA methylation), 即甲基基团从胞嘧

啶上消失的过程。包含主动去甲基化与被动去甲基化2 种模式。

1.2DNA甲基化分布

DNA 甲基化在生物体内的分布并不是随机的，而是呈现一定的规律性。

除了一些转录沉默的基因5'端甲基化程度较高以外，大多数基因的5'和3'侧翼区，DNA 甲基化程度较低，而在基因内部的甲基化程度较高。在人类胚胎干细胞中，甲基化CpG 的密度在转录起始位点附近急剧的下降，从转录起始位点向下游增高至相对稳定的水平，基因内部的高甲基化可能会抑制转录的延伸，并抑制基因内部异常转录的起始。转座子是基因组不稳定性的主要来源，在脊椎动物和植物基因组中，转座子一般是高度甲基化的，转座子甲基化程度的降低会导致转座子表达水平的升高和转座活动的加强。[1]

1.3DNA甲基化的序列依赖性

D NA甲基化在不同序列组成中分布呈现一定的特点。

胞嘧啶的甲基化程度与其临近的核苷酸序列组成有关。ACGT 序列中的胞嘧啶甲基化程度最低，GCGG序列中的胞嘧啶发生甲基化的可能性比ACGT 高两倍。胞嘧啶碱基一般会出现在甲基化程度较低的CHG 位点下游而不是上游。在人类胚胎干细胞中，具体TACAG 序列特征的DNA 序列更容易发生CHG的甲基化修饰，并且这类甲基化修饰多位于剪切位点附近。【1】

1.4DNA甲基化的作用

以哺乳动物为代表。

1.4.1DNA 甲基化调控胚胎的发育

对哺乳动物来说，正确的DNA 甲基化模式对其生育能力和后代存活率是必不可少的。生殖细胞发育期间，基因组经历了一次几乎完全去甲基化和重新甲基化的过程。这个表观重编程事件发生在胚胎植入前的发育时期，与细胞全能性的重新建立以及印迹基因位点性别特异的甲基化模式的建立有关。精卵结合后，基因组即开始去甲基化，DNA甲基化水平在8细胞期时达到最低水平，在此之后甲基化被迅速重建，在胚泡期( 囊胚期) 达到体细胞水平。

1.4.2DNA 甲基化维持遗传物质的稳定

研究显示基因本身甲基化可能对剪接有影响。重复区域诸如着丝粒的甲基化对染色体稳定具有重要作用，并且很有可能抑制转座子的表达，因此具有维持基因组稳定性的作用。[5]

2.CpG岛与DNA甲基化

2.1CpG 岛的发现

CpG 岛最早是由Tykocinski 和Max[16]发现并定义的。指包含限制性内切酶HpaⅡ结合位点的小区域，因此也被称为HpaⅡ小片段岛。由于上述定义包含了许多短的重复序列，Takai 和Jones[18]将CpG 岛进行了重新的定义: 长度不小于500 bp、GC 含量不小于55%、CpG 实际含量与期望含量之比不小于0.65。[2]

2.2CpG 岛甲基化与基因表达的转录起始

毫无疑问，位于转录起始位点上的甲基化的CpG 岛在DNA 组装成核小体后不能启动转录。但是基因沉默和甲基化哪个先发生，这是一直在探讨的问题。Lock 等早期的实验清晰地展示了在失活的X 染色体上的Hprt 基因的甲基化发生在这条染色体失活之后。也就是说，甲基化似乎充当了一把“锁”的功能来强化X 相关基因之前的沉默状态。他们认为甲基化转移酶对一种相当短暂的细胞类型的分化是必需的，甲基化在启动沉默而不是加强沉默上似乎具有更大的作用。

在癌细胞全基因组范围内的研究表明，被多梳蛋白复合体沉默且含有CpG 岛启动子的基因相比其它基因在癌症中更有可能发生甲基化，也就是说，沉默的状态先于甲基化发生。因此，基因沉默先于甲基化看起来好像是一种普遍的机制，但是数据不足以证明。除了CpG 岛自身改变之外，组织特异性变化也在他们周围发生。不管怎样，这些变化的意义尚未理解。有证据认为DNA 甲基化的时间与甲基化作用能够为表观遗传状态添加额外稳定的水平，出