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DNA甲基化及其生物学功能概要


一    表观遗传学

    真核生物基因表达受多种机制、多层面的综合调控。基因的DNA序列不发生改变的情况下,基因的表达水平与功能发生改变,并可遗传现象,称为表观遗传现象。表观遗传学是调控机体基因表达的重要途径之一。表观遗传学的调节机制主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA作用等多种形式,其中,DNA甲基化是目前研究的比较清楚的表观遗传修饰方式。

二  甲基化的概念及甲基转移酶

    DNA甲基化是指在甲基转移酶的催化下,DNA的CG二核苷酸中的胞嘧啶被选择性的添加甲基,形成5-甲基胞嘧啶,常见于基因的5′-CG-3′序列。DNA甲基化的位置主要集中在基因5′端的非编码区,DNA高度甲基化首先会影响DNA结构,进而阻遏基因转录,引起基因沉默。人体内,DNA甲基转移酶主要有四种:DNMT1、DNMT3A、DNMT3B和DNMT3L。在DNA复制完成后,DNMT1是催化甲基转移至新合成的DNA链上,这一现象称为维持甲基化;DNMT3A和DNMT3B负责催化核酸链上新的甲基化位点发生反应,成为形成甲基化;DNMT3L不具有甲级转移酶活性,其主要作用是调节其他甲基转移酶的活性。真核细胞内甲基化状态有3种:持续的低甲基化状态(如持家基因的甲基化)、诱导的去甲基化状态(如一些发育阶段特异性基因的修饰)和高度甲基化状态(如人类女性细胞内缢缩-失活的X染色体的甲基化)。

三  CpG岛的概念、特征及功能

    某些区域CpG序列的密度比平均密度高10~20倍,GC含量大于50%,长度大于200bp的区域,称为CpG岛。正常细胞中,CpG二核苷酸在人类基因组中占10%,包括散CpG和CpG 岛。其中,70-90%的散在CpG呈高甲基化状态,而大部分CpG 岛中的CpG呈低甲基化状态。CpG岛主要位于结构基因的启动子和第一外显子区域,约有60%以上基因的启动子含有CpG岛。人类基因组序列草图分析结果表明,人类基因组CpG岛约为28890个,大部分染色体每1Mb就有5-15个CpG岛,平均值为每Mb含10.5个CpG岛,CpG岛的数目与基因密度有良好的对应关系。CpG岛通过甲基化与去甲基化,从而调控下游基因的表达。

四  DNA甲基化的生物学功能

1. DNA甲基化与肿瘤发生

    肿瘤中普遍存在DNA甲基化状态的改变,其特点是总体甲基化水平的降低与局部甲基化水平的升高。在肿瘤细胞中,癌基因处于低甲基化状态而被激活,抑癌基因处于高甲基化状态而被抑制。癌症是从一个单细胞开始的,这个细胞经历了许多变化,使得其表型与它正常的前体不同。尽管这个过程可以由控制细胞生长的关键基因所驱动,但许多表达的变化可能是由于表观遗传改变(主要是DNA甲基化)。

    这些DNA甲基化变异从何而来?

    一个主要的特征是:肿瘤甲基化图谱的产生模式与正常细胞衰老过程中甲基化图谱的产生模式几乎相同(但增加的幅度更大),表明这些甲基化特征在转化成肿瘤细胞前的初始细胞中已经在某种程度上存在。事实上,甲基化的这种基本改变很可能与复制一起,在肿瘤形成前细胞生长的克隆选择中起作用。支持这一观念的是,研究者观察到任何组织一生患癌的风险与正常组织中异常老化有关的甲基化变异的程度直接相关。例如,结肠细胞的异常甲基化的程度相对较高,且易患癌症;但神经细胞极少异常甲基化,发生肿瘤的风险也较低。除了加速老化相关的异常甲基化这一基本而主要的表观遗传特征以外,癌细胞也会发生由肿瘤微环境或在细胞甲基化管理机器中起作用的基因的体细胞突变所诱导的甲基化变化。比如,高比例的脑胶质瘤中异柠檬酸脱氢酶突变、髓系恶性肿瘤中TET突变、急性髓系白血病中DNMT3A突变,均会对DNA甲基化产生影响。

    这些联合的表观遗传事件的总体影响是改变基因表达模式:允许致癌基因表达,或阻止参与生长抑制、分化或DNA损伤响应的基因激活。

    因此,尽管DNA甲基化可能并不在所有癌症中起主导作用,但毫无疑问的是,这些修饰模式的变化最终会影响细胞的易感性和肿瘤表型。这些观念导致研究者开发出一些去甲基化的药物(如氮杂胞苷),在治疗特殊肿瘤方面很有用。这些药物也可以通过引起被抑制的肿瘤抗原的去甲基化,及扭转-T细胞耗竭,来增加癌症免疫治疗的疗效。此外,选择性靶向甲基化畸变可以提供癌症有效的治疗或预防措施。

2. DNA甲基化与遗传物质的稳定性

    研究证明,细菌DNA复制起始与DNA甲基化及DNA与细菌质膜的相互作用有关,DNA甲基化作为一种标签决定了复制起始点,控制了复制起始,使得DNA复制与细胞分裂保持一致;DNA错配修复是细胞增殖过程中纠正DNA复制错误的重要手段。复制后双链DNA在短期内(数分钟)保持半甲基化状态,错配修复系统从而能够区分旧链与新链,为新链中掺入的错误碱基提供了分子标记。

3. DNA甲基化与基因表达调控

    DNA甲基化为非编码区(如内含子等)的长期沉默提供了一种有效的抑制机制。基因启动区域内CpG位点的甲基化通过三种方式影响基因转录活性:DNA序列甲基化直接阻碍转录因子的结合;甲基CpG结合蛋白结合到甲基化CpG位点与其他转录抑制因子相互作用;染色质结构的凝集阻碍了转录因子与其调控序列的结合。

4  DNA甲基化与胚胎发育

    在胚胎发育的过程中,基因组范围内的DNA甲基化水平会发生剧烈的改变,其中,改变最为剧烈的是配子形成期与早期胚胎发育阶段。错误甲基化模式的建立可能会引起人类疾病,如脆性X染色体综合征。

五  疾病中的DNA甲基化

      DNA甲基化也在一些人类疾病中起作用。例如,脆性X综合征是由于在早期发育阶段缺乏FMR1活性而引起的。由于FMR1组成性表达,其缺陷会导致许多组织产生症状。在几乎所有情况下,FMR1的缺失不是由于基因编码区本身的突变所造成的,而是由于其启动子发生了异常甲基化。这种从头甲基化导致的FMR1基因抑制在整个生命过程中得以保留。

    DNA甲基化也在一些印迹疾病中起潜在作用。与大多数基因所不同的是,基因组的印迹区域仅由一个单一的等位基因(父本或母本)表达而来;这种单等位基因表达的发生是由于一个配子(精子或卵母细胞)中的从头甲基化维持到后代的成年期,在每个细胞中用于抑制其中的一个拷贝。诸如Prader-Willi、Angelman或Beckwith-Wiedemann之类的综合症通常是由于印迹区域的活性等位基因上的遗传变异所引起,从而导致基因表达的完全缺失在极少数情况下,遗传缺陷会影响局部控制DNA甲基化本身的顺式作用序列。由于印迹疾病部分是由于异常甲基化引发的基因抑制所造成的,因此这提高了与其它由突变产生的缺陷有所不同的可能性—这些综合征可以在表观遗传水平上通过药物或者其它干预措施来进行治疗。

      从理论上讲,类似的干预方法可用于逆转脆性X综合征中的FMR1抑制,以及在其他遗传性疾病中重新激活替代基因如在β地中海贫血或镰状细胞贫血中的胎儿珠蛋白;或在杜氏肌营养不良症中使用抗肌萎缩蛋白相关蛋白(Utrophin)去替代抗肌萎缩蛋白 (dystrophin)。

六  甲基化研究方向

    虽然我们现在已经对DNA甲基化在人类生物学中的作用有了全面了解,但仍有许多与医学密切相关的热点研究领域值得我们去探索。有相当多的证据表明,饮食或压力等参数可以改变人体中许多组织的甲基化模式,但我们对这一过程的细节及其生理作用还缺乏理解。

    是什么激素样效应器和信号转导途径介导的这些改变,它们又是如何调节细胞功能的呢?此外,最重要的问题是,DNA甲基化在可能改变衰老过程和使个体易患各种疾病期间,是否是长期稳定的?在血细胞中发生的甲基化变化,也可以作为监测当前和过去环境对每个个体的影响的生物标志物。

    一些研究已经表明:父母接触各种环境条件(例如饮食和压力)可以影响其后代的长期生理机能;这些影响大概是从父母生殖细胞的改变而来,并以某种方式传递给他们的后代。尽管非编码RNA-在这个过程中起到作用,但我们仍然不清楚这些信号是如何产生稳定的标记,来影响许多细胞世代之后的体细胞。DNA甲基化很有可能参与其中,但我们还需要新的研究来了解其作用机制。

    再生医学的一个基石是,人类胚胎干细胞可以在体外分化成任何类型的细胞,并用于替代治疗。将干细胞转化为体细胞组织的一个关键是获得适当的表观遗传信号—DNA甲基化在这其中起着主要作用。控制这些甲基化模式的规则尚未被充分阐明,但有望找到人工调控DNA甲基化的方法;先进的技术应能控制分化过程,使其模仿体内的情况。

    诸如阿扎胞苷之类的药物的单药使用或者与其他制剂的联合使用,已用于癌症治疗;但这种方法似乎是通过在靶细胞中造成广泛的去甲基化而起作用的。CRISPR技术可以将酶促的DNA甲基化机器靶向至基因组的特定位置,使得DNA发生特异的甲基化改变以控制基因表达成为可能。这一技术一旦被开发出来,就可用于治疗各种形式的癌症以及其他以异常甲基化模式为特征的疾病。

 

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