DNA甲基化与去甲基化的机制-2024-2025学年高一下学期生物人教版必修2.docxVIP

DNA甲基化与去甲基化的机制

DNA甲基化是指在胞嘧啶的第五位共价添加一个甲基(形成5-甲基胞嘧啶，5MC??)，是最常见的DNA修饰形式，在染色质结构和基因表达调控中发挥重要作用。DNA甲基化存在于包括许多动物、植物和真菌在内的各种生物体中。在哺乳动物中，DNA甲基化大多发生在?CPG?二核苷酸的环境中，基因组中?60%--80%?的CpG位点会发生甲基化，不过非CpG(即CpA、CpT或CpC)甲基化在特定组织和细胞类型中很丰富，包括胚胎干细胞(ESC)、卵母细胞和脑组织。DNA甲基化对哺乳动物的发育至关重要，并且在多个生物学过程中发挥关键作用，如基因表达、基因组印记、X染色体失活和转座子沉默。与它的多效性作用一致，DNA甲基化模式在病理条件下会发生改变。例如，癌细胞通常表现出整体低甲基化和局部高甲基化，分别导致基因组不稳定和肿瘤抑制基因沉默。

5MC?在基因组中并非随机分布。一般来说，重复DNA序列，包括转座元件以及着丝粒和近着丝粒卫星DNA，都高度甲基化。相反，基因启动子中存在的CpG岛(CGI，富含GC的1-2千碱基区域)通常缺乏DNA甲基化，但也有一些例外。例如，雌性细胞中失活的X染色体上的CpG位点会发生高甲基化，印记控制区(ICR)中的CpG位点表现出等位基因特异性甲基化。另一方面，基因体，尤其是外显子，通常高度甲基化。与启动子甲基化与基因沉默相关不同，基因体甲基化通常与转录活性相关。???

DNA甲基化模式和水平由甲基化和去甲基化机制的相反作用决定。甲基化机制包括DNA甲基转移酶(DNMT)，它催化甲基从甲基供体?S?-腺苷-L-甲硫氨酸(AdoMet或SAM)转移到胞嘧啶的C-5位。哺乳动物中有三种活性DNMT；DNMT1主要负责在DNA复制过程中维持DNA甲基化模式，而DNMT3A和DNMT3B主要作为从头甲基转移酶来建立DNA甲基化模式。DNMT2是一种具有保守DNMT催化基序的蛋白质，结果发现它是一种天冬氨酸tRNA甲基转移酶，并已更名为tRNA天冬氨酸(D)甲基转移酶1(TRDM1)。从化学角度来看，DNA甲基化被认为是一种相对稳定的修饰。然而，在植入前胚胎和原始生殖细胞(PGC)中会发生整体去甲基化，在细胞分化过程中会发生位点特异性去甲基化。DNA去甲基化可以通过依赖复制的“被动”稀释?5MC?和不依赖复制的“主动”过程来实现。在过去几年里，由于发现TET家族蛋白——TET1、TET2和TET3——作为?5MC?双加氧酶，能将?5MC?转化为5-羟甲基胞嘧啶(5hmC)、5-甲酰基胞嘧啶(5fC)和5-羧基胞嘧啶(5caC)[8-11]，在理解去甲基化机制方面取得了重大进展。有令人信服的证据表明?5HMC,5FC?和?5SAC?是DNA去甲基化的中间产物。

DNA甲基化???

1975年，霍利迪(Holliday)、普格(Pugh)和里格斯(Riggs)提出，DNA甲基化可作为一种在细胞分裂过程中可遗传的表观遗传标记，对细胞记忆具有重要意义。基于CpG/??二联体的互补性，他们推断在DNA复制过程中，甲基化的??位点可以进行半保留复制[12,13]。该理论预测存在两种DNA甲基转移酶活性；从头甲基转移酶可使未修饰的DNA甲基化，从而建立DNA甲基化模式，而维持甲基转移酶则在DNA复制过程中使新形成的半甲基化CpG位点甲基化，以维持这些模式(图2.1A)。随后，通过鉴定出具有不同表达模式、生化特性和生物学功能的DNA甲基转移酶，这一假设在很大程度上得到了验证。

DNA甲基化的维持???

一旦DNA甲基化模式在胚胎发育早期建立，它们就会以细胞类型特异性的方式在体细胞中得以维持。在每一轮DNA复制过程中，DNA会变成半甲基化状态，因为只有亲代链上的CpG仍保持甲基化，而新复制的子代链上的CpG则未甲基化。为了重新建立??甲基化的对称性并保持特异性，维持性DNA甲基转移酶活性会识别半甲基化的CpG，并使子代链上相应的CpG甲基化。生化、细胞和遗传学证据表明，DNMT1是主要的维持性甲基转移酶[4]。此外，一种多结构域蛋白UHRF1(含植物同源结构域(PHD)和环指结构域(RING)的泛素样蛋白1)对于将DNMT1引导至DNA复制位点??至关重要。???

DNA甲基化和去甲基化机制概述。

(A)在发育早期，从头甲基化会将甲基基团添加到两条DNA链上的特定CpG位点(导致对称的CpG甲基化)，并建立DNA甲基化模式。每一轮DNA复制后，甲基化的CpG位点会变成半甲基化状态，因为新复制的子代DNA链未甲基化。维持性甲基化会识别半甲基化的CpG位点，并将亲代链的DNA甲基化模式“复制”到子代链上。

(B)维持性甲基化失败会导致依赖于复制的DNA甲基化丢失，这一过程称为被动去甲