DNA甲基化

DNA甲基化简介DNA甲基化相关的蛋白甲基化的发生机理基因表达调控作用发育调控作用基因组印记作用简介DNA甲基化是常见的表观遗传学现象，它是指在DNA甲基转移酶(DNMTs)的作用下，将甲基添加在DNA分子中的碱基上。DNA甲基化的主要形式:5-甲基胞嘧啶,N6-甲基腺嘌呤和7-甲基鸟嘌呤。哺乳动物基因组中约有5％一1O％是CpG位点，其中约有70％为mCpG。CpG岛CpG岛具有以下特征：1.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；2.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.CpGCpG表示核苷酸对，其中G在DNA链中紧随C后。基因组中60%～90%的CpG都被甲基化,未甲基化的CpG成簇地组成CpG岛,位于结构基因启动子的核心序列和转录起始点。突变热点：5-mC•胞嘧啶发生脱氨基作用,就可能被氧化成为U,被DNA修复系统所识别和切除,恢复成C.已经甲基化的胞嘧啶发生脱氨基作用,它就变为T,无法被区分.•可能导致基因置换突变,发生碱基错配:T-G,如果在细胞分裂过程中不被纠正,就会诱发遗传病或癌症。DNA甲基化的相关蛋白从头甲基化酶Dnmt3a在未分化的胚胎干细胞中高度表达，在体细胞中表达水平很低。主要作用是从头甲基化，负责重复序列的甲基化。Dnmt3b维持DNA甲基化转移酶Dnmt1／MET1与繁殖细胞核酸抗原(PCNA)、组蛋白脱乙酰酶2(HDAC2)和一个新的蛋白质DNAP1(DNMT1相关蛋白)组成复合体，维持CG序列的甲基化。CMT仅发现在植物中，其催化区l和Ⅳ包埋染色体的主区，并且特异性地维持CG序列的甲基化。去甲基化酶5一甲基胞嘧啶糖基化酶、MBD25一甲基胞嘧啶糖基化酶是体内候选去甲基化酶。DNA甲基化的机制1)DNMT1,持续性DNA甲基转移酶①使仅有一条链甲基化的DNA双链完全甲基化；②参与DNA复制双链中的新合成链的甲基化；③DNMT1可能直接与HDAC(组蛋白去乙酰基转移酶)联合作用阻断转录。2)DNMT3a、DNMT3b从头甲基转移酶①它们可甲基化CpG,使其半甲基化,继而全甲基化；②可能参与细胞生长分化调控,其中DNMT3b在肿瘤基因甲基化中起重要作用。DNA甲基化的机制DNA甲基化反应分为2种类型：一、从头甲基化：2条链均未甲基化的DNA被甲基化。二、保留甲基化：双链DNA的其中1条链已存在甲基化，另1条未甲基化的链被甲基化。DNA甲基化是怎样产生的仍是个迷由于Dnmt1和Dnmt3基因家族没有针对CpG二核苷酸序列特异性，人们因此提出了DNA甲基化转移酶发现靶位点的机制。第一：甲基化转移酶并不是同等地接近所有染色体区域。例如2个SNF2家族，ATRX和lsh，表明具有染色体重构和DNA螺旋酶活性的蛋白质能调节哺乳动物细胞内DNA甲基化。第二：附件因子(蛋白质、RNA等)召集DNA甲基化转移酶到特定基因组序列或染色体结构中。例如，PCNA、DMAP、HDAC1、HDAC2和pRB蛋白能够与Dnmtl作用，在S期晚期可能将它召集到高度甲基化的异染色体。甲基化起始机制相关研究进展•RNA介导的DNA甲基化路径（RdDM）在表观遗传学研究中，小分子RNAs（siRNAs）可以引导DNA甲基化、异染色质组蛋白修饰，导致序列特异性转录基因沉默。•组蛋白H3N端尾部作用酿酒酵母研究系统，在本身不存在甲基化的酵母基因组上建立DNA甲基化谱式，组蛋白H3N端尾部对于DNA甲基化起着不可或缺的作用。进一步研究发现，辅助因子Dnmt3能通过其PHD结构域与第四位赖氨酸未甲基化的组蛋白H3发生相互作用，进而招募DNA甲基转移酶Dnmt3a到靶位点发生起始性DNA甲基化。DNA去甲基化•1)被动途径:由于核因子NF粘附甲基化的DNA,使粘附点附近的DNA不能被完全甲基化,从而阻断DNMT1的作用。•2)主动途径:是由去甲基酶的作用,将甲基基团移去的过程。去甲基化起始机制依然是一个谜•DNA的去甲基化由基因内部的片段及与其结合的因子所调控•DNA去甲基化的分子机制假说：1：与DNA半保留复制联系在一起，为被动去甲基化。如果甲基化的DNA经半保留复制后不被甲基化，其DNA则处于半甲基化状态，半甲基化的DNA如再次发生DNA半保留复制，而DNA甲基化活性仍被抑制，则可预计略有50%细胞处于半甲基化状态。2：与半保留复制无关，为主动过程。DNA去甲基化由“DNA去甲基化酶”催化。DNA去甲基化实际上是在DNA糖苷酶的作用下，脱掉甲基化碱基的反应等同于损伤DNA在糖苷酶及无碱基核酸酶酶切偶联催化下的修复反应。曾有报道认为，RNA参与DNA的去甲基化反应。DNA甲基化与基因表达调控一般说来，DNA甲基化与基因表达呈负相关，不仅启动子区高甲基化与基因表达呈负相关，基因内部的甲基化与基因表达也存在着弱的负相关，而启动子区低甲基化与转录活性正相关。在体外，已甲基化的序列转入细胞后可抑制表达，相反，许多内源基因在经甲基化抑制剂——5一叠氮胞嘧啶处理后被激活。DNA甲基化与基因表达调控DNA甲基化是通过影响基因的转录和染色体的构型而调控基因的功能。目前主要有两种假说。•一、直接模型，即转录因子因不能识别含C的序列而不能与相应的转录元件结合。这是因为甲基化的双链在构成三维空间结构时，突出在DNA双链的大沟中口。阻止了转录因子与基因的相互作用。已知许多转录因子都对其同源结合位点的甲基化敏感，如E2F、CRP、MITP、AP2等。另DNA甲基化还可能直接抑制RNA聚合酶活性而抑制基因的表达。•二、间接模型，即细胞内存在一些专门与甲基化序列结合的蛋白质，如果甲基化的转录元件被这样的蛋白质结合就抑制了转录因子的正常结合。DNA甲基化与基因表达调控•甲基化与肿瘤肿瘤组织中存在着基因组普遍的低甲基化和局部区域的过甲基化现象，导致这种现象的原因还不清楚，但已经发现肿瘤相关基因的异常甲基化在肿瘤形成上起着重要的作用。肿瘤抑制基因(p161NK4A)、肿瘤转移抑制基因(E—cadherin)、激素受体基因(雌激素受体基因、视黄酸受体基围)、DNA修复基因(错配修复基因hMLHI、谷胱甘肽S转移酶基因GST3)和血管生成抑制基因(血小板反应蛋白基因)等启动子区的过甲基化都可使相应基因表达降低或不表达，进而促进肿瘤的形成。DNA甲基化与发育调控•基因组的甲基化模式在分化的体细胞中通常是稳定且可以遗传的，但哺乳动物中的生殖细胞发育期和移人前胚胎期，甲基化模式通过大规模的去甲基化和再甲基化形成新的甲基化模式，并产生有发育潜能的细胞。DNA甲基化与发育调控•哺乳动物原始生殖细胞基因组是高度甲基化的，在胚胎发育早期原始生殖细胞发育中，雌、雄生殖细胞DNA去甲基化到l3．5d胚胎期已完成，雄性生殖细胞再甲基化的开始在15d胚胎，一直持续到出生后；而雌性生殖细胞再甲基化发生在出生后的卵生长期这么一个滞后的发育过程。去甲基化酶清除DNA上几乎所有的来自亲代的甲基化标记。再甲基化程度在胚性细胞中高于非胚性细胞。•近年研究发现，后生遗传修饰还发包括组蛋白次乙酰化作用对组蛋白H3-Iys9的甲基化，组蛋白的这种翻译后修饰是一种重要的调节机制，它可以诱发染色质结构的改变，从而引起遗传外基因调控以及染色体特殊亚结构的形成，H3-Iys9的甲基化可能为雌性哺乳动物X染色体的失活提供一种后生印记。DNA甲基化与发育调控•甲基化与X染色体失活•在雌性哺乳动物，剂量补偿是通过一条X染色体的失活来实现的，由X染色体失活中心(Xic)控制。Xic区域有两个与X染色体失活相关的基因Xist和Tsix，两者的动态表达在X染色体失活中起着重要作用，X染色体失活前，Xist和Tsix是共同表达的，X染色体失活开始后，Tsit停止表达。•哺乳动物中，这种反义调节可能代表着较为普遍的长距离转录调控机制，但调节Xist和Tsix的表达的详细机制仍不清楚。通过对失活和有活性的X染色体DNA甲基化状态的研究发现，在失活的染色体上，大部分基因的CpG是甲基化的，在活化的染色体是非甲基化的。活化染色体与非活化染色体甲基化状态的不同只代表着甲基化在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作用，但没有始动作用。DNA甲基化与基因印记•基因组印记(genomicimprinting)–一种新发现的非孟德尔遗传现象，指控制某一表型的基因其成对的等位基因依亲缘(父源或母源)的不同而呈现差异性表达。此种差异性表达，称为亲缘性差异性表达。–来自父方的等位基因(父源等位基因)不表达即无转录活性而处于沉默状态者称为父系印记(pa—ternalimprinting)；若母源等位基因不表达，则称为母系印记(maternalimprinting)。–呈现上述现象的基因称为印记基因(imprintedgene)，它又可分为父系印记基因(父源印记，母源表达)和母系印记基因(母源印记，父源表达)。DNA甲基化与基因印记•印记基因发生的机制尚待深人研究，但一般认为主要由于来自双亲等位基因被甲基化而导致沉默，即DNACpG岛的胞嘧啶5’位置上被加上甲基。•例如，小鼠的印记基因H19表现为CpG岛亲源特异性的、组织非依赖性的甲基化，但是DNA甲基化转移酶缺乏的基因剔除小鼠基因组广泛的低甲基化，不出现H19特异等位基因CpG岛的甲基化，结果H19双等位基因表达；•再如，母源Igf2r基因第一个内含子上的CpG岛也有相似的亲源特异性甲基化现象。甲基化转移酶缺陷的基因剔除小鼠表现为Igf2r甲基化和后天沉默。DNA甲基化与基因印记H3K9甲基化与转录基因沉默在组蛋白尾部众多的赖氨酸残基甲基化中，H3K9甲基化是基因转录沉默的标志。最近Weinberg等发现针对EF1A启动子siRNA双链和反义链均能通过组蛋白H3K9甲基化介导基因沉默。甲基化的H3K9可募集HP1到染色质，HP1与多种转录抑制因子结合，抑制基因转录。另外，Stewart等研究发现H3K9甲基化也可抑制组蛋白H3和H4乙酰化，组蛋白H3和H4发生去乙酰化使染色质凝结，进而抑制基因转录。H3K9募集HP1至异染色质的机制的研究中发现：甲基化的H3K9结合HP1时，还需要与SUV39H1发生蛋白一蛋白相互作用，才能把HP1募集到染色质，HP1也需要与HDAC共同作用使组蛋白去乙酰化，引起基因沉默。!