dna甲基化與表觀遺傳

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1、DNA甲基化與表觀遺傳（綜述）多年來(lái)人們一直都很關(guān)注經(jīng)典的遺傳物質(zhì)損傷，主要有基因結(jié)構(gòu)改變(如突變、缺失、插入、倒位、易位及擴(kuò)增等)及染色體數(shù)目的變化等等，但是近年來(lái)，另一種與各種疾病和穩(wěn)態(tài)失衡密切相關(guān)的機(jī)制-表觀遺傳機(jī)制(Epigeneticmechanism)引起人們的高度關(guān)注。表觀遺傳學(xué)研究基因表達(dá)的變化，這種變化可以通過(guò)減數(shù)分裂/有絲分裂遺傳，并導(dǎo)致基因表達(dá)異常，但不涉及有關(guān)DNA序列的改變。DNA甲基化是表觀遺傳學(xué)中研究最為深入的一種形式，它具有多方面的生物學(xué)意義，DNA甲基化與胚胎正常發(fā)育、基因表達(dá)調(diào)控、雌性個(gè)體X染色體失活、寄生

2、DNA序列的抑制、印跡基因及基因組的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等密切相關(guān)。特別是近幾年來(lái)，在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶、DNA甲基化機(jī)制、甲基化的轉(zhuǎn)錄抑制機(jī)理、甲基化與腫瘤的關(guān)系及檢測(cè)方法研究等方面取得了顯著進(jìn)展，DNA甲基化研究正成為腫瘤研究中的一個(gè)重要的前沿領(lǐng)域。1.DNA甲基化與CpG島包括人類(lèi)的所有脊椎動(dòng)物，其基因組DNA除包含常見(jiàn)的4種脫氧核苷酸外，還可檢測(cè)到第五種脫氧核苷酸，即5-甲基胞嘧啶脫氧核苷酸(5mC)，在真菌和無(wú)脊椎動(dòng)物中含量很少。5mC是在DNA復(fù)制后由DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(或稱(chēng)甲基化酶)催化，以S-腺苷甲硫氨酸為甲基供體，將甲基轉(zhuǎn)移到5’-CG-3

3、’序列的胞嘧啶環(huán)5位C上而形成的。甲基化是哺乳動(dòng)物基因組中最常見(jiàn)的一種DNA結(jié)構(gòu)修飾，也是表觀遺傳的一種重要機(jī)制。哺乳動(dòng)物基因組中5甲基胞嘧啶的含量約占總胞嘧啶(C)的2-7%，并集中在二核苷酸胞嘧啶(CpG)結(jié)構(gòu)中。CpG位點(diǎn)以兩種形式存在，一種為分散于DNA中，CpG二核苷酸每50-100bp出現(xiàn)一個(gè)，其中約70％的CpG位點(diǎn)中的胞嘧啶是甲基化的；另一種是CpG結(jié)構(gòu)高度聚集在一起。由于正常胞嘧啶的甲基化產(chǎn)物5-甲基胞嘧啶(5mC)可以脫氨基轉(zhuǎn)換成胸腺嘧啶(T)，于是甲基化的CG序列被TG所取代，這種轉(zhuǎn)換是導(dǎo)致DNA突變的主要原因。因此在進(jìn)

4、化過(guò)程中，隨著整個(gè)基因組廣泛甲基化的出現(xiàn)，DNA序列表現(xiàn)出CG的頻率逐漸減少，只占平均幾率的20％左右。與此不同，有一小部分序列不發(fā)生甲基化修飾，因而也逃避了高發(fā)突變的可能性，其CG出現(xiàn)的頻率仍保留與平均機(jī)率一致，在這樣的序列中，胞嘧啶(C)與鳥(niǎo)嘌呤(G)的總和超過(guò)四種堿基總和的50％。在這種富含CG的DNA片段中CpG結(jié)構(gòu)高度聚集，被稱(chēng)為CpG島，通常情況下CpG島不發(fā)生甲基化修飾，其原因目前尚不清楚。CpG島僅僅占總DNA的1％左右，每一個(gè)CpG島長(zhǎng)度約為1-2Kb，位于基因的5’端，覆蓋基因啟動(dòng)子及第一外顯子。CpG島在分析基因組結(jié)構(gòu)中

5、占有重要地位。在人類(lèi)基因組中大約存在著29000-45000個(gè)CpG島，從已知的DNA序列統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的管家基因(House-keepinggene)及約占40％的組織特異性基因的5’末端含有CpG島。若CpG島發(fā)生甲基化，則啟動(dòng)子也被甲基化，稱(chēng)為啟動(dòng)子異常甲基化。CpG島發(fā)生過(guò)度甲基化的同時(shí)往往伴隨著基因組整體的低甲基化(Hypomethylation)。通常情況下，CpG島不被甲基化，而基因組的其他區(qū)域廣泛被甲基化修飾，但DNA甲基化及去甲基化是一動(dòng)態(tài)過(guò)程，有的CpG島可以被甲基化，非CpG島區(qū)也可在特定情況下不發(fā)生甲基化或發(fā)生去甲

6、基化。2.DNA甲基化機(jī)制DNA甲基化是一種酶促的化學(xué)修飾過(guò)程，甲基化模式建立于配子形成期，并在發(fā)展過(guò)程中發(fā)生變化，任何特定細(xì)胞DNA甲基化模式的建立都是甲基化、去甲基化動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程。來(lái)自雙親的配子受精后不久，配子DNA中的甲基化幾乎全部消失，這種全部去甲基化狀態(tài)維持到整個(gè)囊胚期階段（Fig.2），大約在植入期發(fā)生重新甲基化，大多數(shù)的CpG被重新修飾[6]，但在占基因組1％的CpG島仍保持非甲基化狀態(tài)，其原因仍不明確。最簡(jiǎn)單的推測(cè)是DNA甲基化酶可能不易催化富含C與G的DNA序列發(fā)生甲基化，但這并不能解釋為什么CpG島在特定情況下可以發(fā)生甲

7、基化，如雌性哺乳動(dòng)物體細(xì)胞內(nèi)處于失活狀態(tài)的一條X染色體中，其CpG島是甲基化的；另外印跡基因中的CpG島也是甲基化的。在組織特異性分化過(guò)程中，個(gè)別基因還發(fā)生了局部的去甲基化，使細(xì)胞特異性表達(dá)的基因在相應(yīng)組織中處于非甲基化狀態(tài)。2.1DNA甲基化的模式DNA甲基化反應(yīng)可以分成兩種類(lèi)型(Fig.3)，一種是兩條鏈均未甲基化的DNA被甲基化，稱(chēng)為從頭甲基化[7]。另一種是雙鏈DNA的其中一條鏈已存在甲基化，另一條未甲基化的鏈被甲基化，這種類(lèi)型被稱(chēng)為保留或維持甲基化。只有一條鏈甲基化的雙螺旋DNA也稱(chēng)為半甲基化DNA，是甲基化DNA發(fā)生半保留復(fù)制后的

8、新產(chǎn)物[8]。2.2DNA甲基轉(zhuǎn)移酶將甲基轉(zhuǎn)移到胞嘧啶環(huán)的5位的酶稱(chēng)為DNA甲基轉(zhuǎn)移酶，或稱(chēng)為DNA甲基化酶(DNA-MTase)[9]。在許多真核生物體內(nèi)都已分離