DNA甲基化与表观遗传.docVIP

DNA 甲基化与表观遗传（综述） 多年来人们一直都很关注经典的遗传物质损伤，主要有基因结构改变(如突变、缺失、 插入、倒位、易位及扩增等)及染色体数目的变化等等，但是近年来，另一种与各种疾病和 稳态失衡密切相关的机制-表观遗传机制(Epigenetic mechanism)引起人们的高度关注。表观 遗传学研究基因表达的变化，这种变化可以通过减数分裂/有丝分裂遗传，并导致基因表达 异常，但不涉及有关 DNA 序列的改变。DNA 甲基化是表观遗传学中研究最为深入的一种形式，它具有多方面的生物学意义，DNA 甲基化与胚胎正常发育、基因表达调控、雌性个体X染色体失活、寄生 DNA 序列的抑制、印迹基因及基因组的结构稳定等密切相关。特别是近几年来，在 DNA 甲基转移酶、DNA 甲基化机制、甲基化的转录抑制机理、甲基化与肿瘤的关系及检测方法研究等方面取得了显著进展，DNA 甲基化研究正成为肿瘤研究中的一个重要的前沿领域。 1. DNA 甲基化与 CpG 岛包括人类的所有脊椎动物，其基因组 DNA 除包含常见的 4 种脱氧核苷酸外，还可检测到第五种脱氧核苷酸，即 5-甲基胞嘧啶脱氧核苷酸(5mC)，在真菌和无脊椎动物中含量很少。5mC 是在 DNA 复制后由 DNA 甲基转移酶(或称甲基化酶)催化，以 S-腺苷甲硫氨酸为甲基供体，将甲基转移到 5’-CG-3’序列的胞嘧啶环5位C 上而形成的。甲基化是哺乳动物基因组中最常见的一种 DNA 结构修饰，也是表观遗传的一种重要机制。哺乳动物基因组中 5 甲基胞嘧啶的含量约占总胞嘧啶(C)的 2-7%，并集中在二核苷酸胞嘧啶(CpG)结构中。CpG 位点以两种形式存在，一种为分散于 DNA 中，CpG 二核苷酸每50-100bp 出现一个，其中约 70％的 CpG 位点中的胞嘧啶是甲基化的；另一种是 CpG 结构高度聚集在一起。由于正常胞嘧啶的甲基化产物 5-甲基胞嘧啶(5mC)可以脱氨基转换成胸腺嘧啶(T)，于是甲基化的 CG 序列被 TG 所取代，这种转换是导致 DNA 突变的主要原因。因此在进化过程中，随着整个基因组广泛甲基化的出现，DNA 序列表现出 CG 的频率逐渐减少，只占平均几率的 20％左右。与此不同，有一小部分序列不发生甲基化修饰，因而也逃避了高发突变的可能性，其 CG 出现的频率仍保留与平均机率一致，在这样的序列中，胞嘧啶(C)与鸟嘌呤(G)的总和超过四种碱基总和的 50％。在这种富含 CG 的 DNA 片段中 CpG 结构高度聚集，被称为 CpG 岛，通常情况下 CpG 岛不发生甲基化修饰，其原因目前尚不清楚。CpG 岛仅仅占总 DNA 的 1％左右，每一个 CpG 岛长度约为 1-2Kb，位于基因的 5’ 2. 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（Fig.2），大约在植入期发生重新甲基化，大多数的 CpG 被重新修饰[6]，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。最简单的推测是 DNA 甲基化酶可能不易催化富含 C 与 G 的 DNA 序列发生甲基化，但这并不能解释为什么CpG 岛在特定情况下可以发生甲基化，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。 2.1 DNA 甲基化的模式 DNA 甲基化反应可以分成两种类型(Fig.3)，一种是两条链均未甲基化的 DNA 被甲基化， 称为从头甲基化[7]。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[8]。 2.2 DNA 甲基转移酶 将甲基转移到胞嘧啶环的 5 位的酶称为 DNA 甲基转移酶，或称为 DNA 甲基化酶(DNA-MTase)[9]。在许多真核生物体内都已分离到了 DNA 甲基转移酶，它的作用位点是 CG二核苷酸中的胞嘧啶环的5位。第一个真核生物DNA甲基转移酶的cDNA是1988年由Bester等从小鼠体内克隆的，称为 Dnmt1。该序列在真核生物中是高度保守的，其催化活性位于羧基末端，约占全长的 l/3，与原核细胞 DNA 甲基化酶有同源结构。1992 年 Yen RW 等在克隆出了人类