DNA甲基化

表观遗传学
从根本上讲，表观遗传是环境因素和细胞内 的遗传物质之间发生交互作用的结果。
与中心法则不同，表观遗传学认为遗传信息 并非单方向传递，环境因素也能改变遗传物质。
目前表观遗传学研究主要集中在甲基化、组 蛋白修饰、小RNA 和 染色质重塑等方面。
玉米中有一个编码花青素合成途径中一种关键酶的基因B-I， 存在于各种组织中。通常其无效等位基因b 导致花青素缺乏 ，对B-I 完全隐性。另一个等位基因B ’则使叶片只产生少量 色素。
指在 DNA 甲基转移酶 (DNMTs)的作用下， 以 S -腺苷甲硫氨酸 ( SAM )为甲基供体，将 甲基添加在 DNA分子中的碱基上。
常见的 DNA 甲基化发生在 DNA 链上的胞 嘧啶第 5位碳原子和甲基间的共价结合，胞 嘧啶由此被修饰为5甲基胞嘧啶 ( 5mC) 。
哺乳动物基因组中约有 5%- 10%是 CpG位点 ，其中约有 70%为 mCpG。
Hinny 駃騠
Mule
类胰岛素生长因子
类胰岛素生长因子-2 基因Igf2( 位于7 号染色体 ) 在小鼠身体里是否表达，要看它是否是受之于父 亲，因为来自母亲的基因拷贝是处于失活性状态 的。这就是说，该基因是被母亲所印记的。
相反，17 号染色体上的Igf2r是被父亲所印记的 ，被特别关注。因为来自父亲的Igf2r是处于失活 性状态的，它只有受之于母亲才在体内表达。
印记基因
哺乳动物配子形成晚期，绝大多数顺序按程序 去甲基化。这一阶段遗传印记基因以性别专一 性方式确定甲基化模式。
从受精卵到胚泡阶段，基因组范围的甲基化均 被抹去，但某些印记基因保持甲基化。
当胚胎发育进入原肠胚期，细胞开始分化，重 新设定基因组范围的甲基化模式，以决定细胞 的命运。
精子和卵子的原核在受精后仍有一段时间的分离 状态，可以在显微操作下进行原核去除或移植。
此后的胚胎植入期间，组织特异性基因经历 选择性的特异性甲基化。
因此，成体基因组通常呈现 2 种 DNA 甲基 化形式，奢侈基因呈现高密度甲基化，而含有 丰富 CpG 岛的管家基因则呈非甲基化。 当细 胞内新的甲基化模式形成后，即可通过甲基化 酶以“甲基化维持”的形式 将新的 DNA甲基 化传递给所有子细胞。
亲代印记的结果是，被印记的基因所表现的形 式好像半合子的情况，尽管在每一个细胞中这种 体细胞基因均成对存在。
分子水平的分析发现，DNA 序列并没有发生 改变。那么，功能与性状的变化因何而起?
X染色体失活
X 连锁的O基因控 制黄色毛性状，其 等位基因o控制黑 色毛性状，另有常 染色体基因S 控 制白色性状。在杂 合子猫XOXo，一 些细胞团产生黄毛 、一些细胞团产生 黑毛，在白色背景 下构成3 色皮毛。
CpG 位点不是均匀分布，而是呈现局部聚集 倾向，形成一些 GC 含量较高、CpG 双核苷酸 相对聚集的区域，即 CpG 岛。
CpG岛
CpG岛主要位于基因的启动子区，少量位于基因 的第一个外显子区；其甲基化状态直接影响基因表 达。
甲基化的 CpG 双核苷酸通过募集转录抑制因子或 者阻碍转录激活因子的结合抑制基因的表达。
B'对B-I为显性？
但事实上在F 2及相继的后代中，仅有B ’的表现型效应出现 ，即所有植株均为微量色素类型
副突变等位基因
B-I 仅与B'共处于同一基因型中一个世代，便 彻底地 “ 败落了 ”——发生了永久的活性蜕变。 基因一定受到了某种修饰，以至于这种修饰效 应能够代代相传
骡和駃騠
基因印记
前者又称马骡，是公驴与母马杂交的后代，体大、耳小而尾 部蓬松; 后者又叫驴骡，是公马与母驴杂交的后代，相对来说 体小、耳大而尾毛较少。这个现象表明，来源于不同性别亲 本的遗传物质在后代表达的功能可以有差别。这就是基因印 记。
CpG岛一般是非甲基化的，而在失活 X染色体、 印记基因和非表达的组织特异基因中则是甲基化的 。
成体基因组通常中，奢侈基因呈现高密度甲基化 ，而含有丰富 CpG 岛的管家基因则呈非甲基化。
基因组甲基化的特点：
可逆性——许多甲基化位点可以根据细胞活性 的要求重新甲基化或去甲基化；
组织特异性——不同的组织细胞具有不同的甲 基化模式，为基因表达设定程序。
现象与猜想——
基因一定受到了某种修饰，这种修饰效 应能够通过有丝分裂和减数分裂实现代 间传递。
甲基化的发现——
1979 年 Mc Ghee 等发现与鸡β珠蛋白 基因比邻的胞嘧啶核苷酸甲基化后，该 基因转录受抑制的现象。
胞嘧啶的 嘧啶环上 第5位碳原子 加上一个甲基
DNA 甲基化的可遗传特性是通过agouti viable yellow(Avy )小鼠模型研究发现的。
甲基化与发育
DNA甲基化与配子形成、胚胎发育的关系
哺乳动物生殖细胞在形成受精卵后的最初几 次卵裂中，发生 DNA 的去甲基化，即在去甲基 化酶的作用下，去除 DNA 分子上几乎所有从亲 代遗传来的甲基化标记。 此过程包括非特异性 去甲基化和特异性去甲基化。
胚胎早期的植入期前，整个基因组发生了普 遍的非特异性去甲基化，非甲基化状态保持到 细胞的桑葚期前。
CpG岛的形成
虽然人类基因组上有的 CpG 岛处于甲基化状态，但是大 部分 CpG 岛是不易被甲基化的，这同基因组上约 80% 的 CpG 双核苷酸处于甲基化状态的现象形成鲜明对比。 该现象促使人们思考为什么CpG 岛不易被甲基化。
去甲基化酶
哺乳动物体内可能存在去甲基化的酶，这种酶 可能为一种糖基化酶、核酸内切酶或真正的去 甲基化酶。
甲基化酶
哺乳动物细胞中已知有活性的 DNMT 有 3 种 ， 它们是 DNMT1 、DNMT3a 、DNMT3b 。
DNMT1 的主要功能是作为 DNA 复制复合物 (DNA synthesome) 中的组分 ，催化子链 DNA 半 甲基化位点甲基化 ，维持复制过程中甲基化位点 的遗传稳定性；
DNMT3a 和 DNMT3b 主要催化从头甲基化 ，以 非甲基化的 DNA 为模板 ，催化新的甲基化位点 形成 ，在胚胎发育中起重要作用。
基因组里跳来跳去，把基因组搞得一团糟，会引起很 多问题，如肿瘤、精神疾病等。
酵母与果蝇基因组中未能检测到任何甲基化 CpG，这两种生物并不依赖DNA甲基化的方 式来控制基因活性，它们采用其它的机制来 达到同一目的。
脊椎动物与高等植物普遍利用DNA甲基化作 为重要的调控机制。
DNA甲基化的分子机理
DNA甲基化
表观遗传学
The term ‘epigenetics’ was first coined in the 1940s by British embryologist and geneticist Conrad Waddington
Conrad Waddington
1905-1975
“The interactions of genes with their environment， which bring the phenotype into being” 1942
Alu 序列是重新甲基化过程中的甲基化中心，在甲基 化转移酶的作用下，DNA 甲基化从 Alu 序列出发往外 延伸，当CpG 岛周围富集的转录因子结合位点同具有
序列特异性甲基化结合蛋白（MBD/MeCP）与 启动子区甲基化 CpG岛结合，阻止转录因子与启 动子靶序列的结合，从而影响基因的转录。
1998年,英国爱丁堡大学的Nan和美国马 里兰州的Johes等各自独立发现，选择 性地结合于甲基化DNA上的特异的转录 抑制因子MeCP2与组蛋白脱乙酰化酶 (histone deacetylase,HDAC)在细胞中 可存在于同一个复合物中。
Phenotype diversity contributed by dynamics of epigenotype
WT
Agouti
LTR
LTR
IPA
LTR
LTR
IPA
别小看一个小小的修饰，却给 DNA增加了额外的信息，使得 有限的基因组遗传信息的表现 呈现出丰富的多样性和可塑性 。
简单地把DNA甲基化理解为“一把锁”，凡是被DNA甲 基化标记的部分，大都是需要被“尘封”“监禁”的基因， 比如基因组的“捣蛋鬼”—转座子，就是被甲基化这把“ 锁”管制着，失去管制或管制不严，这些“捣蛋鬼”会在
全套染色体均来自雄亲的小鼠或均来自雌亲的小 鼠均在发育过程中夭折。
甲基化与发育
Memory at the cellular level
性成熟个体
甲基化 清洗
配子母细胞
印记
成熟配子
保持印记
甲基化异常 导致的疾病， 衰老
体细胞
X染色体失活， 基因的时空 特异性表达
保持印记
生殖细胞
保持印记
成体模式的胚胎
异常的甲基化可分为高甲基化和低甲基化 ，前 者指正常组织中不发生甲基化的位点被甲基化 ，后者是指在正常组织中发生甲基化的位点去 甲基化。
How methl group added
Active demethylation
De novo DNA methylation
3a 3b
?1
Dnmts
X
Maintenance methylation
Avy 小鼠毛色控制基因agouti 的第一外显子前插 入了一段逆转座子(IAP)序列。agouti 基因的表达 间接地受到IAP 的启动子调控，因而IAP 启动子的 甲基化状态可以通过小鼠的毛色鉴定出来。
通过给孕期的母鼠补充富含甲基的食物可以改变 后代中三种毛色小鼠的比例，IAP 启动子被甲基 化的小鼠，即棕色小鼠的比例增加了。
原始生殖细胞
甲基化清 洗重塑
部分保wk.baidu.com印记
早期胚胎
甲基化异常与疾病
DNA 甲基化同众多疾病的发生与发展密切相关， 比如Ⅱ型糖尿病、自身免疫疾病以及各种癌症。
特别是癌症，其发生过程中癌细胞基因组整体的欠 甲基化和局部区域的超甲基化是其典型特征。
超甲基化体现在抑癌基因的启动子区被异常甲基化 ，整体的欠甲基化同重复序列(如转座子)以及癌基 因的启动子区的甲基化程度减小、基因组遗传不稳 定性的增加密切相关。
组蛋白H3 、H4的N 端尾部的赖氨酸发生去乙 酰化 ，从而导致组蛋白上正电荷增加 ，与带 负电荷的 DNA 相互作用 ，使染色体结构压 缩 ，进一步限制转录因子的结合 ，引起转录 抑制。
Active genes
Inactive genes
组 蛋 白 密 码
DNA甲基化与小RNA的关系
近年研究表明， siRNA 和miRNA 能在哺乳动物 细胞中介导 DNA 甲基化（RdDM）、组蛋白修 饰及异染色质的形成， 从而导致转录基因沉默 (TGS)。
组蛋白甲基化酶、甲基化 CpG 结合蛋白、染色质域蛋白及组蛋白 去乙酰化酶等基因均是 miRNA 潜在 的作用靶标。
piRNA是真核生物中主要控制转座子 活性的一类24∼31nt 的RNA 分子，这类小 分子RNA与Argonaute蛋白家族中的Piwi亚 家族蛋白相互结合，故命名为 Piwiinteracting RNAs。 Piwi 为一表观遗传学 调控因子， 能与 PcG 蛋白共同结合于基 因组 PcG 应答元件上， 协助 PcG 沉默同 源异型基因。
目前研究表明：Argonautes 蛋白家族 （AGO1 及AGO2），DNMT3a， 组蛋白 去乙酰化 酶 （Histone deacetylase-1， HDAC-1）和Polycomb 蛋白家族 （Polycomb group，PcG）的 EZH2 （Enhancer of zeste homolog 2）参与了 siRNA 诱导的转录水平基因沉默（TGS）
近2年来，对去甲基化酶的研究有所突破。
一般认为，DNA 甲基化有两种方式：一种是主 动去甲基化 ；另一种是复制相关的 DNA 去甲基 化
DNA甲基化抑制转录的机制
DNA 轴的主沟是许多蛋白因子与 DNA结合的 部位，当胞嘧啶被甲基化后，5mC则突出至主沟 中，从而干扰了转录因子与 DNA 结合。体外研 究发现，某些特异转录因子与甲基化靶序列的亲 和力明显降低。
Passive demethylation
甲基化酶
一般按甲基化的方式将甲基化酶（DNA methytransferase，DNMT）分为2类：
一种是维持型甲基转移酶，需以半甲基化的双链 DNA 为模板，指导新合成的链甲基化；
一种是全新甲基化酶，不依赖半甲基化 DNA 分 子中的甲基化模板而从新开始合成5mC