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图1 DNA的写入和擦除示意图 DNA甲基化写入——从头甲基化 从头（de novo）甲基化顾名思义就是在基因组上原来完全没有DNA甲基化的区域写入甲基化修饰。在动物中，这个过程主要由DNA甲基化酶DNMT3 驱动。DNMT3在哺乳动物里理论上有3个拷贝，分别DNMT3a、DNMT3b、DNMT3L。其中a、b两个具有甲基化转移酶活性，L虽然没有活性，却是DNA甲基化多聚物的重要成分。在动物细胞中，2个3a和2个3L可以构成一个DNA甲基化4聚物，从而调控DNA的从头甲基化。 图2 甲基化酶4聚物与DNA从头甲基化 动物的DNM3在植物中也存在功能相似的同源蛋白，那就是DRM。DRM在大部分植物中有3个拷贝。但与动物甲基化转移酶有所不同的，DRM往往需要通过RNA介导的方式完成从头甲基化修饰（RNA directed DNA methylation，RdDM），这也是在植物中被研究最多的表观修饰通路。这个通路的特点就是siRNA（往往来源转座子） 作为一个引导物，将甲基化复合物引导到siRNA互补的区域，然后完成这个位点的DNA甲基化修饰。 这个pathway特别有趣，主要有3点：
图3 RdDM pathway示意图 图4 由于启动区存在转座子而被DNA甲基化沉默，gene1被表达沉默 DNA甲基化维持——对称甲基化位点的复制 DNA甲基化除了完成从无到有（在完全没有甲基化区域形成修饰），还有一种机制非常重要——DNA甲基化的维持。所谓DNA甲基化的维持指的是，在细胞分裂过程中DNA需要完成一次复制。DNA复制属于半保留复制，理论上新合成的DNA链最初包含没有任何修饰的ATCG四种碱基。那么新合成的链如何还原已有的DNA甲基化修饰信息呢？这就是涉及到DNA甲基化的维持机制。 图5 刚刚完成复制的半甲基化DNA双链 这里所指的DNA甲基化维持机制指的是：在半甲基化的新DNA双链中，新合成的DNA链以旧模板链为范本，完成新一轮的DNA甲基化修饰。这个机制存在的基础，这是因为在DNA双链结构中存在对称甲基化位点。以我们比较熟悉的CG甲基化位点为例。如图6，CG类型的位点在DNA双链结构上是对称的，即正链如果是CG，反链则也是CG，对应的甲基化位点也是对称存在。如果经历DNA复制后，这个位点就会处于半甲基化的状态。那么DNA甲基化维持相关的蛋白复合物，就会识别这样的位点，从而将这个位点从半甲基化重新恢复为全甲基化。CG类型的DNA甲基化维持相关基因在动植物间也是保守的，在动物里主要由DNMT1负责，对应在植物里同源蛋白是MET家族。 图6 CG类型的对称DNA甲基化位点 但植物与动物不同的地方在于CHG类型的DNA甲基化（这里的H代表简并碱基，泛指C\A\T三种碱基）。类似CG类型的DNA甲基化，CHG具有一定的对称性。但在动物中，不存在DNA复制过程中可以维持CHG甲基化的酶，因此动物细胞CHG类型的位点普遍处于极低的甲基化水平。相反，植物中却存在特殊的机制可以维持CHG类型的DNA甲基化。如图7，拟南芥（左上）和杨树（右上）在基因组重复序列区CHG都保持了极高的甲基化率，而斑马鱼（左下）和小鼠（右下）却CHG甲基化率近似为0。 图7 4个物种基因组重复区的DNA甲基化率 植物中CHG甲基化维持的过程涉及DNA甲基化酶CMT3和组蛋白甲基化酶SUVH4的互作。这个机制的过程大概如下（图7）：DNA复制过程后，SUVH4的蛋白结构域SRA会结合在CHG甲基化（即使是半甲基化）位点，从而完成这个区域的组蛋白H3K9位点的二甲基化（变成H3K9me2）。反过来，H3K9me3位点又会招募DNA甲基化酶CMT3的结合，从而完成半甲基化CHG位点形成全甲基化，从而保证新合成DNA链的CHG位点可以维持原有的DNA甲基化。 图8 在组蛋白H3K9甲基化的配合下CHG位点完成DNA甲基化的维持 从上文我们可以了解，DNA甲基化在DNA复制过程中的维持，还是需要依赖对称类型的甲基化（CG或CHG）将DNA甲基化信息从模板链映射到新复制的链。但对于CHH这种非对称的甲基化位点，DNA维持这种机制就无能为力了（新合成的链在模板链找不到可以参照的C位点），CHH只能依赖从头甲基化的机制。因此，无论动物或植物细胞中，CHH的甲基化在DNA复制过程中极易丢失，普遍处于低甲基化的状态。 好了，今天对DNA甲基化的形成机制就介绍就到这里。我们明天见~
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