什么是DNA甲基化?

表观遗传学(Epigenetics)是指DNA序列不发生变化,但基因表达却发生可遗传的改变,包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色体重塑和非编码RNA调控等。DNA甲基化(DNA methylation)为DNA化学修饰的一种形式,即在DNA甲基化转移酶的作用下,基因组CpG二核苷酸的胞嘧啶5'碳位共价键结合一个甲基基团。 

*DNA甲基化有哪些类型?

DNA甲基化反应分为2种类型。一种是2条链均未甲基化的DNA被甲基化,称为从头甲基化(denovo methylation);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,这种类型称为保留甲基化(maintenance methylation)。

*CpG岛的概念、特征及功能

    某些区域CpG序列的密度比平均密度高10~20倍,GC含量大于50%,长度大于200bp的区域,称为CpG岛。正常细胞中,CpG二核苷酸在人类基因组中占10%,包括散CpG和CpG 岛。其中,70-90%的散在CpG呈高甲基化状态,而大部分CpG 岛中的CpG呈低甲基化状态。CpG岛主要位于结构基因的启子和第一外显子区域,约有60%以上基因的启动子含有CpG岛。人类基因组序列草图分析结果表明,人类基因组CpG岛约为28890个,大部分染色体每1Mb就有5-15个CpG岛,平均值为每Mb含10.5个CpG岛,CpG岛的数目与基因密度有良好的对应关系。CpG岛通过甲基化与去甲基化,从而调控下游基因的表达

*DNA甲基化的生物学功能

DNA甲基化是最早发现的基因表观修饰方式之一,在维持正常细胞功能、染色体结构、X染色体失活、基因印记、胚胎发育过程、衰老以及疾病的发生中起着重要的作用。了解DNA甲基化的机制和功能以及在不同组织或不同个体中的差异将对人类健康与疾病研究产生深远的影响。

① DNA甲基化与遗传物质的稳定性

研究证明,细菌DNA复制起始与DNA甲基化及DNA与细菌质膜的相互作用有关,DNA甲基化作为一种标签决定了复制起始点,控制了复制起始,使得DNA复制与细胞分裂保持一致;DNA错配修复是细胞增殖过程中纠正DNA复制错误的重要手段。复制后双链DNA在短期内(数分钟)保持半甲基化状态,错配修复系统从而能够区分旧链与新链,为新链中掺入的错误碱基提供了分子标记。

② DNA甲基化与基因表达调控

DNA甲基化为非编码区(如内含子等)的长期沉默提供了一种有效的抑制机制。基因启动区域内CpG位点的甲基化通过三种方式影响基因转录活性:DNA序列甲基化直接阻碍转录因子的结合;甲基CpG结合蛋白结合到甲基化CpG位点与其他转录抑制因子相互作用;染色质结构的凝集阻碍了转录因子与其调控序列的结合。

③ DNA甲基化与胚胎发育

在胚胎发育的过程中,基因组范围内的DNA甲基化水平会发生剧烈的改变,其中,改变尤为剧烈的是配子形成期与早期胚胎发育阶段。错误甲基化模式的建立可能会引起人类疾病,如脆性X染色体综合征。

④ DNA甲基化与肿瘤发生

肿瘤中普遍存在DNA甲基化状态的改变,其特点是总体甲基化水平的降低与局部甲基化水平的升高。在肿瘤细胞中,癌基因处于低甲基化状态而被激活,抑癌基因处于高甲基化状态而被抑制。

*DNA甲基化的检测方法及应用

在目前有关甲基化的研究中, 以亚硫酸氢钠预处理法应用最为广泛,其检测方法和比较见下表:

深入研究甲基化,将有助于提高相关疾病的临床诊断和治疗水平。