DNA甲基化
DNA甲基化
DNA甲基化（DNA methylation)是最早发现的修饰途径之一，大量研究表明，DNA甲基化能引起染质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。
含义：
在甲基转移酶的催化下,DNA的CG两个核苷酸的胞嘧啶被选择性地添加甲基,形成5－甲基胞嘧啶,这常见于基因的5'—CG-3'序列。大多数脊椎动物基因组DNA都有少量的甲基化胞嘧啶，主要集中在基因5' 端的非编码区，并成簇存在。甲基化位点可随DNA的复制而遗传，因为DNA复制后，甲基化酶可将新合成的未甲基化的位点进行甲基化。DNA的甲基化可引起基因的失活，DNA甲基化导致某些区域DNA构象变化,从而影响了蛋白质与DNA的相互作用，甲基化达到一定程度时会发生从常规的B-DNA向Z—DNA的过渡,由于Z—DNA结构收缩，螺旋加深,使许多蛋白质因子赖以结合的原件缩入大沟而不利于转录的起始，导致基因失活。另外,序列特异性甲基化结合蛋白（MBD/MeCP）可与启动子区的甲基化CpG岛结合，阻止转录因子与启动子作用,从而阻抑基因转录过程。
DNA甲基化主要形成5－甲基胞嘧啶(5-mC）和少量的N6-甲基腺嘌呤(N6-mA）及7－甲基鸟嘌呤（7-mG）
结构基因：
含有很多CpG 结构，2CpG 和2GPC 中两个胞嘧啶的5 位碳原子通常被甲基化，且两个甲基集团在DNA 双链大沟中呈特定三维结构。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.有实验证明超甲基化阻遏转录的进行。DNA 甲基化可引起基因组中相应区域染质结构变化，使DNA 失去核酶＆ouml；限制性内切酶的切割位点,以及DNA 酶的敏感位点，使染质高度螺旋化,凝缩成团,失去转录活性。
复读生能报考军校吗5 位C 甲基化的胞嘧啶脱氨基生成胸腺嘧啶（C-T转换），由此可能导致基因置换突变，发生碱基错配，如果在细胞分裂过程中不被纠正，就会诱发遗传病或癌症.
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酶的分类：
动物中DNA 甲基转移酶有两种：
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1） DNM T1，持续性DNA 甲基转移酶—— 作用于仅有一条链甲基化的DNA 双链,使其完全甲基化，可参与DNA 复制双链中的新合成链的甲基化，DNM T1 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)DNM T3a、移酶可能参与细胞生长分化调控，其中DNM T3b在肿瘤基因甲基化中起重要作用。
去甲基化
有两种方式: 1） 被动途径: 由于核因子N F 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DNM T1 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。在DNA 甲基化阻遏基因表达的过程中,甲基化CpG 粘附蛋白起着重要作用。虽然甲基化DNA 可直接作用于甲基化敏感转录因子E2F、CREB、A P2、CM yc＆ouml；M yn、N F2KB、Cmyb、Ets，使它们失去结合DNA 的功能从而阻断转录，但是，甲基化CpG 粘附分子可作用于甲基化非敏感转录因子(SP1、CTF、YY1），使它们失活，从而阻断转录。人们已发现5 种带有恒定的甲基化DNA 结合域(MBD ) 的甲基化CpG 粘附蛋白。其中M ECP2、MBD1、MBD2、MBD3 参与甲基化有关的转录阻遏;MBD1 有糖基
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ie打开慢转移酶活性，可将T 从错配碱基对T＆ouml;G 中移去，MBD4 基因的突变还与线粒体不稳定的肿瘤发生有关。在MBD2 缺陷的小鼠细胞中，不含M ECP1 复合物,不能有效阻止甲基化基因的表达.这表明甲基化CpG 粘附蛋白在DNA 甲基化方式的选择，以及DNA 甲基化与组蛋白去乙酰化、染质重组相互联系中的有重要作用。
哺乳动物一生中DNA甲基化水平经历2次显著变化，第一次发生在受精卵最初几次卵裂中,去甲基化酶清除了DNA分子上几乎所有从亲代遗传来的甲基化标志；第二次发生在胚胎植入子宫时,一种新的甲基化遍布整个基因组,甲基化酶使DNA重新建立一个新的甲基化模式。细胞内新的甲基化模式一旦建成，即可通过甲基化以“甲基化维持”的形式将新的DNA甲基化传递给所有子细胞DNA分子.
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1 概述
    DNA中碱基的化学修饰近年来一直是生命科学领域研究的热点之一.其中，胞嘧啶第5位碳原子上的甲基化动态修饰研究得较为深入。早在上世纪中叶,科学家就发现DNA胞嘧啶可以被甲基化修饰,修饰之后的碱基称为“5—甲基胞嘧啶(5—methylcytosine）”，简称为5mC.后来，又陆续发现了发生在同一个碳原子上的其它修饰，并且这些修饰之间可以相互转化（如图 1所示）。
图 1 （本图取自Wu， H。 and Y. Zhang， Reversing DNA methylation: mechanisms, genomics, and biological functions。 Cell， 2014。 156(1-2): p。 45—68）
    如上图所示，C可以被DNMT(DNA甲基转移酶）转化为5mC，5mC可以被TET（一种DNA去甲基化酶)依次转化为5hmC、5fC、5caC,最后由TDG/BER介导的碱基修复机制重新生成C，完成整个循环。
    首先讲一下甲基化的过程，也就是在胞嘧啶的5‘ 碳原子上面加上一个甲基的过程。甲基化的过程主要是由DNA methyltransferase也就是DNMT来承担的。在真核生物细胞内，不同的物种之间DNMT的数目和结构稍有不同，但大体上具有一定的同源性（图 2)。
图 2 DNMT（图 2摘自Goll， M.G. and T.H. Bestor， Eukaryotic cytosine methyltransferases。 Annu Rev Biochem, 2005。 74: p。 481—514。）
    人类细胞中的情况和老鼠（Mus musculus）中的情况差不多,也是DNMT1、DNMT2、DNMT3A/B和DNMT3L等构成.其中，DNMT1的功能主要是在DNA复制的时候维持DNA的甲基化，DNMT3A、DNMT3B的功能主要是DNA的从头甲基化，而DNMT3L不具有甲基化功能，它对 DNMT3A 和DNMT3B的催化活性具有调节作用。
      在哺乳动物体细胞染体当中，有一种序列中CG含量比较高，并且CG成对出现，我们把这种CG成对密集出现的序列叫做CpG岛.哺乳动物体细胞的DNA胞嘧啶甲基化主要发生在CpG岛当中（这种规律在植物细胞当中不存在，下文讲的主要是动物细胞DNA甲基化）。在动物的某些较为特殊的细胞当中，如卵母细胞、胚胎肝细胞和成熟的神经细胞当中，CpG岛以外的甲基化现象同样非常显著.不同的细胞甲基化水平千差万别，功能多种多样。
如图3所示：
图 3（图3摘自Lister, R.， et al。, Human DNA methylomes at base resolution show widespread epigenomic differences。 Nature， 2009. 462(7271）: p。 315—322。）
    H1细胞为胚胎干细胞，IMR90细胞为人胚肺成纤维细胞.左图中的上下两个饼图可以看出，在干细胞里面非CpG区域的甲基化水平相对较高。左边的b图可以看出,在OCT4基因附近，CG原件甲基化水平比IMR90低，而CHG和CHH序列的甲基化水平较高。右图可以看出，总体上来说,干性较强的细胞中，非CG甲基化水平较高。
下图(图 4）说明了mCG和mCH与神经细胞生长发育的关系。
图 4（图 4摘自Lister, R。, et al。， Global Epigenomic Reconfiguration During Mammalian Brain Development。 Science， 2013。 341(6146)： p. 1237905—1237905.)
    在神经元细胞当中，mCH的含量比非神经元细胞的含量高很多,在人的神经元当中更甚，mCH的占比甚至超过了mCG。左图可以看出mCH和mCG的分布都有一定的位点特异性。从以上两个例子可以看出，DNA甲基化与细胞的生长发育、基因的选择性表达有着密切的关系。
目前为止，研究较为深入的是CpG岛甲基化,非CpG甲基化的功能和调控我们几乎对其一无所知.人类细胞中大约有28 million个 CpGs,体细胞的CpG岛有60-80%被甲基化修饰。

2 甲基化和去甲基化的机制
DNA甲基化的过程发现较早。具体说来,DNMT3A和DNMT3B，负责 de novo methylation，即把原来没有发生甲基化修饰的DNA双链进行修饰。在DNA复制的过程中，由于其半保留复制的特性，新合成的两条双链各有一半保留了模板的甲基化胞嘧啶，而新合成的那另外一条单链则没有被修饰。DNMT1的作用就是去识别DNA中那条被修饰的单链的甲基化位点，把没有被甲基化修饰的那条新合成的单链进行修饰，故称之为 maintenance methylation。(图 5）

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