DNA甲基化

DNA甲基化ConradWaddington1905-1975“Theinteractionsofgeneswiththeirenvironment，whichbringthephenotypeintobeing”1942Theterm‘epigenetics’wasfirstcoinedinthe1940sbyBritishembryologistandgeneticistConradWaddington表观遗传学表观遗传学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。但事实上在F2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B'对B-I为显性？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副突变等位基因骡和駃騠前者又称马骡，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。基因印记Hinny駃騠Mule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。类胰岛素生长因子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。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McGhee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agoutiviableyellow(Avy)小鼠模型研究发现的。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。IPALTRLTRPhenotypediversitycontributedbydynamicsofepigenotypeWTIPALTRLTRAgouti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。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)。DNA甲基化的分子机理哺乳动物基因组中约有5%-10%是CpG位点，其中约有70%为mCpG。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。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。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。Dnmts3a3b1?DenovoDNAmethylationActivedemethylationMaintenancemethylationXPassivedemethylationHowmethlgroupadded甲基化酶一般按甲基化的方式将甲基化酶（DNAmethytransferase，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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(DNAsynthesome)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。甲基化酶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。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。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(histonedeacetylase,HDAC)在细胞中可存在于同一个复合物中。ActivegenesInactivegenes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。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)。目前研究表明：Argonautes蛋白家族（AGO1及AGO2），DNMT3a，组蛋白去乙酰化酶（Histonedeacetylase-1，HDAC-1）和Polycomb蛋白家族（Polycombgroup，PcG）的EZH2（Enhancerofzestehomolog2）参与了siRNA诱导的转录水平基因沉默（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Piwi-interactingRNAs。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。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。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。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。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。Memoryatthecellularlevel甲基化与发育性成熟个体配子母细胞成熟配子早期胚胎成体模式的胚胎体细胞生殖细胞原始生殖细胞甲基化清洗印记保持印记部分保持印记保持印记保持印记甲基化清洗重塑X染色体失活，基因的时空特异性表达甲基化异常导致的疾病，衰老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。甲基化异常与疾病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锌指结构的转录因子结合以后则可以阻止甲基化向CpG岛的蔓延，因此在这种阻止与蔓延的作用达到动态平衡以后，就形成了比较稳定的甲基化模式。当细胞所在的环境发生变化时，这种平衡可能会被打破，阻止功能的增强或者侵入能力的提高则可能使DNA甲基化往CpG岛外或者往内移动，从而建立新的平衡。比如，如果某些顺式元件发生突变，则本可以结合并阻碍DNA甲基化蔓延的特定转录因子可能因为结合能力的减弱使其阻碍功能变弱甚至消失，这种情况下，其附近的CpG岛可能会被甲基化。因此，发生癌变的组织中抑癌基因的异常甲基化以及与老化过程相关的甲基化可能是由于这种保护机制的减弱造成的Bibikova等对结肠癌、乳腺癌、肺癌和前列腺癌细胞系以及正常细胞中371个基因中的1536个位点的甲基化状态进行聚类分析，发现