表观遗传中的甲基化修饰

甲基化是指从活性甲基化合物(如S-腺苷基甲硫氨酸)上将甲基催化转移到其他化合物的过程。可形成各种甲基化合物，或是对某些蛋白质或核酸等进行化学修饰形成甲基化产物。 甲基化是蛋白质和核酸的一种重要的修饰，调节基因的表达和关闭，与癌症、衰老、老年痴呆等许多疾病密切相关，是表观遗传学的重要研究内容之一。最常见的甲基化修饰有DNA甲基化和组蛋白甲基化。

一、DNA甲基化

1、DNA甲基化：

生物体在DNA甲基转移酶(DMT) 的催化下，以s-腺苷甲硫氨酸(SAM)为甲基供体，将甲基转移到特定的碱基上的过程。DNA甲基化是DNA化学修饰的一种形式，能够在不改变DNA序列的前提下，改变遗传表现。DNA甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则诱导了基因的重新活化和表达。

1）、酶：DNA甲基转移酶(DMT)

2）、甲基供体：s-腺苷甲硫氨酸(SAM)

3）、甲基受体：特定的碱基

4）、甲基化的作用：关闭基因活性

5）、去甲基化的作用：活化基因表达

2、DNA甲基化的主要形式

DNA甲基化可以发生在胞嘧啶的C-5位、腺嘌呤的N-6位、鸟嘌呤的N-7位等，它们分别由不同的DNA甲基化酶催化，生成5-甲基胞嘧啶（5-mC）、N6-甲基腺嘌呤（N6-mA）及7-甲基鸟嘌呤（7-mG）。一般研究中所涉及的DNA甲基化主要是指发生在CpG位点（胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤位点，即DNA序列中胞嘧啶后紧连鸟嘌呤的位点）中胞嘧啶上第5位碳原子的甲基化过程，其产物称为5-甲基胞嘧啶（5-mC）。

5-甲基胞嘧啶是植物、动物等真核生物DNA甲基化的主要形式。5-甲基胞嘧啶主要出现在CpG序列、CpXpG、CCA/TGG和GATC中。在哺乳动物中DNA甲基化主要发生在5′-CpG-3′的C上生成5-甲基胞嘧啶(5-mC)。 在哺乳动物中CpG序列以两种形式存在：一种是分散于DNA序列中；另一种呈现高度聚集状态，人们称之为CpG岛。

在正常组织里，70%～90%散在的CpG是被甲基修饰的，而CpG岛则往往是非甲基化的（除有些特殊区段和基因外）。正常情况下，人类基因组“垃圾”序列的CpG二核苷酸相对稀少，并且总是处于甲基化状态，与之相反，人类基因组中大小为100-1000bp左右，富含CpG二核苷酸的CpG岛则总是处于未甲基化状态，并且CpG岛常位于转录调控区附近，与56%的人类基因组编码基因相关，因此基因转录区CpG岛的甲基化状态的研究就显得十分重要。

（1）5-甲基胞嘧啶是真核生物DNA甲基化的主要形式，发生在CpG序列上的5-甲基胞嘧啶是哺乳动物中DNA甲基化的主要形式。

 （2）哺乳动物中CpG序列的两种存在形式：

①分散于DNA序列中：70%～90%被甲基化

②呈现高度聚集状态（CpG岛）：往往是非甲基化的（除有些特殊区段和基因外）

3、DNA甲基化的机制

DNA的甲基化模式是通过DNA甲基转移酶实现的。

（1）DNA甲基化酶分为2类：

①维持DNA甲基化转移酶（Dnmt1）

②从头甲基化酶（Dnmt3a、Dnmt3b和 Dnmt3L 等）。

DNA甲基化时，胞嘧啶从DNA双螺旋上突出，进入能与酶结合的裂隙中，在胞嘧啶甲基转移酶催化下，把活性的甲基从S一腺苷甲硫氨酸转移至胞嘧啶5位上，形成5-甲基胞嘧啶（5-mC）。 

（2）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；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。

①从头甲基化是指对非甲基化的 DNA进行甲基化修饰，主要发生在胚胎发育的早期，用于胚胎早期细胞设定甲基化状态。

Dnmt3a和Dnmt3b是从头 Dnmts将甲基（红色）转移到裸DNA上。

②保留甲基化

甲基化的DNA在每次复制后，由于半保留复制，新生的DNA链为非甲基化状态，此时特定的DNA甲基转移酶以半甲基化的DNA为模板，对非甲基化的DNA链进行甲基化修饰，使得复制后的DNA双链仍能保持亲代DNA的甲基化状态。如果没有甲基转移酶活性，DNA经多轮复制后，DNA将会出现被动去甲基化。

哺乳类动物一生中DNA甲基化水平有着显著变化：在受精卵最初几次卵裂中，去甲基化酶清除DNA分子上几乎所有从亲代遗传下来的甲基化标记；在胚胎植入子宫时，一种新的甲基化遍布整个基因组，构建性甲基化酶使DNA重新建立一个新的甲基化模式，一旦细胞内新的甲基化模式建成，将通过维持甲基化酶以“甲基化维持”的形式将新的DNA甲基化模式传递给所有子细胞DNA分子上。

这就解释了基因印记不是一种突变，也不是一种永久的变化。印记是可逆的，它只持续于个体的一生中，在下一代个体的配子形成时，旧的基因印记消除并又发生新的基因印记。

4、DNA甲基化和去甲基化的作用

DNA甲基化能关闭某些基因的活性，去甲基化则诱导了基因的重新活化和表达。DNA甲基化能引起染色质结构、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。 

甲基化的DNA可以发生去甲基化。DNA的去甲基化由基因内部的片段及与其结合的因子所调控。有两种假说可以解释DNA去甲基化的分子机制。

一种假说与DNA半保留复制联系在一起，为被动去甲基化。如果甲基化的DNA经半保留复制后不被甲基化，其DNA则处于半甲基化状态，半甲基化的DNA如再次发生DNA半保留复制，而DNA甲基化活性仍被抑制，则有50%细胞处于半甲基化状态。

第二种假说与半保留复制无关，为主动过程。DNA去甲基化由DNA去甲基化酶催化。DNA去甲基化是在DNA糖苷酶的作用下脱掉甲基化碱基的反应，等同于被损伤的DNA在糖苷酶及无碱基核酸酶酶切偶联催化下的修复反应。5-甲基胞嘧啶糖基化酶是体内侯选去甲基化酶。此外，甲基化CpG结合蛋白如MBD2等也具有去甲基化酶的活性。DNA去甲基化的起始机制依旧是个谜。

二、蛋白质甲基化

1、蛋白质甲基化一般发生在特定的氨基酸残基上，比较常见的是精氨酸或赖氨酸的甲基化。

①精氨酸甲基化有两种模式：

单甲基化和双甲基化（二甲基化），双甲基化又可分为非对称甲基化和对称甲基化。

②赖氨酸甲基化有三种模式：

单甲基化、双甲基化或三甲基化。 

2、组蛋白甲基化是被研究最多的一类。

在真核生物中，核小体是染色质的基本结构单位，是由DNA和组蛋白共同构成。组蛋白分子分为H1、H2A、H2B、H3和H4等5种。核心组蛋白是由H2A、H2B、H3、H4各2个分子形成的八聚体，与其上缠绕的DNA双螺旋分子构成了核小体的核心颗粒，核小体的核心颗粒之间再由约60个碱基对DNA和组蛋白H1连接起来形成串珠样结构。  

组蛋白富含带正电荷的精氨酸和赖氨酸，可以与带有负电荷的DNA分子紧密结合。每个核心组蛋白由一个球形结构域和暴露在核小体表面的N端尾区组成，其N端氨基末端会发生多种共价修饰，包括磷酸化、乙酰化、甲基化、泛素化、糖基化、碳基化等。组蛋白甲基化是指发生在H3和H4组蛋白N端精氨酸和赖氨酸残基上的甲基化，由组蛋白甲基转移酶介导催化。组蛋白甲基化的功能主要体现在异染色质形成、基因印记、X染色体失活和转录调控方面。

绝大多数组蛋白的共价修饰作用都是可逆的。在组蛋白去甲基化酶作用下可以去甲基化。

编辑：小强