DNA甲基化——表現遺傳學中DNA的修飾

DNA甲基化是哺乳動物DNA最常見的復制后調節方式之一，是正常發育、分化所必需的，具有重要的生物學意義。
在DNA甲基轉移酶 (DNAmethyltransferase，DNMT)的作用下，以S—腺苷甲硫氨酸(SAM)為甲基供體，可以將甲基基團轉移到基因組DNA胞嘧啶第 5位碳原子(C5)上。在哺乳動物中，C5的甲基化主要發生在CpG二核苷酸上。DNMTl主要起維持甲基化作用，DNMT3a和DNMT3b則以從頭甲基化為主。基因敲除實驗顯示，它們的缺失都是致死性的。
相對于其他核苷酸序列，CpG二核苷酸在哺乳動物基因組出現的頻率要低得多，推測可能與5—甲基胞嘧啶(5—mC)脫氨轉化為胸腺嘧啶(T)有關。這些 CpG不均勻地分散于基因組中。CpG位點高度密集的區域，稱為CpG島，其長度常超過500bp，G+C的比例大于55％，CpG位點的密度至少達到理論密度(1／16)的0．65(即l／25)。在CpG島中，CpG位點的密度大約是非CpG島區域的10倍。人類基因組中有4．5萬個這樣的CpG島，約占基因組的1％。幾乎所有的看家基因和部分組織特異性表達基因含CpG島(共約60％)，這種CpG島大部分處于非甲基化狀態。基因組中大約80％的 CpG位點處于甲基化狀態，它們主要分布于占基因組99％的非CpG島區、X染色體、重復序列、原病毒等寄生性DNA序列中。細胞分裂復制的DNA子鏈必須進行適當的甲基化修飾，否則其遺傳性不穩定、易變異，其染色體脆性增加、易斷裂

參與DNA甲基化的酶有3種，即DNMTl、DNMT2和DNMT3(3a、3b)。在哺乳動物，DNA甲基化是一個動態過程。在剛剛受精的時候，精子細胞的染色體發生重組，乙酰化的組蛋白取代精蛋白，同時精子細胞全基因組DNA發生去甲基化，這是目前DNA甲基化發生主動缺失的最好例子，但機制不明。母體的DNA甲基化在受精后的幾次有絲分裂過程中發生被動丟失，這種丟失是由于維持DNA甲基化的酶(DNMTl)缺少所致。在受精卵植入子宮的過程中，受精卵的DNA恢復甲基化，該過程是由從頭甲基化酶催化的。此后，這種甲基化的模式在體細胞中會一直維持下去。
DNA甲基化包括維持甲基化和從頭甲基化。維持甲基化是指在DNA半保留復制過程中，根據親鏈上特異的甲基化位點，在新生鏈相應位置上進行甲基化修飾的過程。從頭甲基化是在原來沒有甲基化的DNA雙鏈上進行甲基化的過程，然后由維持甲基化的酶來維持穩定的甲基化狀態。
DNMTl是唯一用傳統生物化學方法分離到的DNA甲基轉移酶，含有l 620個氨基酸殘基，相對分子質量大約為193 500，基因定位于19p13．3一p13．2。哺乳動物DNA甲基轉移酶由兩部分組成，即N端調控結構域和C端催化結構域。C端催化結構域具有保守的胞嘧啶DNA甲基轉移酶活性，N端調控結構域參與對C端甲基轉移酶活性的調節、甲基轉移酶的核定位以及與其他調控蛋白的相互作用。DNMTl的N端結構域是所有DNA甲基轉移酶中最大的。對DNMTl的酶活性研究發現，DNMTl最合適的底物是DNA雙鏈中半甲基化的胞嘧啶。在G1和G2期，DNMTl彌散地分布于核基質中；在S期DNMTl定位于復制叉上，表明DNMTl參與DNA復制過程中DNA甲基化的維持，由此DNMTl又被稱作維持甲基化酶。如果 DNMTl僅在DNA合成時參與甲基化的維持，那么在增生細胞中它的表達應該豐富，在靜息細胞則不應表達。但實驗結果并非如此。RNA印跡檢測發現，不僅在高度增生的組織如胎盤、肺，而且在心臟、腦等幾乎沒有增生能力的組織都有DNMTl的表達。因此除了參與DNA甲基化的維持，DNMTl還有其他未知功能。隨后的研究發現，DNMTl存在不同的剪切形形式，分別被稱作DNMTlb、DNMTlo和DNMTlp。
小鼠實驗表明，DNMTl基因缺失導致胚胎發育異常及死亡。DNMT2定位于10p15．1，DNMT2缺乏真核生物甲基轉移酶N端調節區，故認為DNMT2不具備催化CpG位點甲基化的作用。DNMT3a定位于2p23，DNMT3b定位于20q11．2。