【原】DNA甲基转移酶对CpG和非CpG DNA甲基化的体内调控

In vivo control of CpG and non-CpG DNA methylation by DNA methyltransferases.

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|核心内容：

在特定的基因组环境中，对对称和非对称DNA甲基化模式的设置和维持的酶控制还不是很清楚。（简单说就是：甲基化怎么加上去的？加在那里？如何维持？具体有哪些酶参加？）

在这里，我们描述了通过对选定的单拷贝基因和重复元件(LINE1、B1、IAP-LTR-逆转座子和主要卫星序列)的发夹-亚硫酸氢盐扩增片段进行高分辨率测序而产生的DNA甲基化模式的综合分析。

Figure 1. DNA methylation pattern of CpG dyads at repetitive elements in WT ESCs, MEFs, and embryonic liver.

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dyads[ˈdaɪæd] :Biology One pair of homologous chromosomes resulting from the division of a tetrad during meiosis.

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Figure 2. Methylation pattern of 4 single copy genes in WT ESCs, embryonic liver, and MEFs and in Dnmt KO ESCs.

这项分析明确地确定了大量的区域维持着不完全甲基化，即半甲基化的CpG位置，在不同的细胞类型之间存在不同程度的半甲基化。

Figure 3. Methylation pattern of CpG dyads at repetitive elements in ESCs depleted for Dnmts or factors of the methylation machinery.

此外，非CpG胞嘧啶甲基化仅限于ESCs，且仅由DNMT3a和Dnmt3b催化。

这种序列位置、细胞类型和区域相关的非CpG甲基化与邻近的CpG甲基化密切相关，需要Dnmt3L的存在。

Figure 4. Non-CpG methylation of major satellites.

应用和开发参数估计的隐马尔可夫模型(HMM)来计算DNA甲基转移酶(DNMT)对DNA甲基化的相对贡献，该数据集包括146,000个CpG双联体(CpG DYAD)。

Figure 5. Non-CpG methylation of Afp

比较模型包括野生型ESCs和缺失DNMT3A、DNMT3b或DNMT3A/3b的突变型ESCs。

Figure 6. Estimation of Dnmt efficiencies using a Hidden Markov Model.

HMM分析发现Dnmt1在某些重复元件和单拷贝序列上有相当大的从头甲基化活性。

DNMT3a和Dnmt3b参与了从头功能。然而，这两种酶对于维持胚胎干细胞中不同重复序列和单拷贝序列的对称CpG甲基化也是必不可少的。

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作者总结：

DNA 甲基化是一种稳定的共价表观遗传修饰，主要局限于哺乳动物的 CpG二核苷酸。

一般来说，它与基因组 DNA 区域的沉默有关。

三种具有催化活性的 DNA 甲基转移酶(Dnmts)与其他辅助因子共同设定和维持 CpG 甲基化。

体内 DNA 甲基化模式可以高度动态地维持 CpG 和非 CpG 甲基化，因此体内 DNA 甲基化模式对于维持 CpG 和非 CpG 甲基化的贡献还没有很好地理解。

在我们的工作中，我们使用超深测序来确定两个 DNA 链分别在 Dnmts 1,3a，3b 和3L 单独敲除的 ESC 细胞模型中的甲基化状态。

使用隐马尔可夫模型，我们计算相对贡献的每个酶维持 DNA 甲基化模式使用参数估计拟合。

虽然一般来说，模型可以将 Dnmts 分为维护和从头合成甲基化，但事实证明不能将它们进行严格的酶特异功能分类。

我们观察到的证据是：在我们的细胞模型里 Dnmts 设置和维持 在不同类别的重复元件和选定的单拷贝基因 CpG 和非 CpG 的甲基化。

我们进一步明确地鉴定了 Dnmt3a/3b 和3L 在特定序列位点依赖的非 CpG 甲基化，并且仅限于 ESCs。

#DNMT1是中军，是主力，DNMT3a和DNMT3b分别是左军和右军，是侧翼部队；Uhrf1是前军，引导主力DNMT1；SAM甲基直接供体等是后军#

原文摘要：

The enzymatic control of the setting and maintenance of symmetric and non-symmetric DNA methylation patterns in a particular genome context is not well understood. Here, we describe a comprehensive analysis of DNA methylation patterns generated by high resolution sequencing of hairpin-bisulfite amplicons of selected single copy genes and repetitive elements (LINE1, B1, IAP-LTR-retrotransposons, and major satellites). The analysis unambiguously identifies a substantial amount of regional incomplete methylation maintenance, i.e. hemimethylated CpG positions, with variant degrees among cell types. Moreover, non-CpG cytosine methylation is confined to ESCs and exclusively catalysed by Dnmt3a and Dnmt3b. This sequence position-, cell type-, and region-dependent non-CpG methylation is strongly linked to neighboring CpG methylation and requires the presence of Dnmt3L. The generation of a comprehensive data set of 146,000 CpG dyads was used to apply and develop parameter estimated hidden Markov models (HMM) to calculate the relative contribution of DNA methyltransferases (Dnmts) for de novo and maintenance DNA methylation. The comparative modelling included wild-type ESCs and mutant ESCs deficient for Dnmt1, Dnmt3a, Dnmt3b, or Dnmt3a/3b, respectively. The HMM analysis identifies a considerable de novo methylation activity for Dnmt1 at certain repetitive elements and single copy sequences. Dnmt3a and Dnmt3b contribute de novo function. However, both enzymes are also essential to maintain symmetrical CpG methylation at distinct repetitive and single copy sequences in ESCs.

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参考文献：https://journals./plosgenetics/article/file?id=10.1371/journal.pgen.1002750&type=printable

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