DNA甲基化——表现遗传学中DNA的修饰

DNA甲基化是哺乳动物DNA最常见的复制后调节方式之一，是正常发育、分化所必需的，具有重要的生物学意义。
在DNA甲基转移酶 (DNAmethyltransferase，DNMT)的作用下，以S—腺苷甲硫氨酸(SAM)为甲基供体，可以将甲基基团转移到基因组DNA胞嘧啶第 5位碳原子(C5)上。在哺乳动物中，C5的甲基化主要发生在CpG二核苷酸上。DNMTl主要起维持甲基化作用，DNMT3a和DNMT3b则以从头甲基化为主。基因敲除实验显示，它们的缺失都是致死性的。
相对于其他核苷酸序列，CpG二核苷酸在哺乳动物基因组出现的频率要低得多，推测可能与5—甲基胞嘧啶(5—mC)脱氨转化为胸腺嘧啶(T)有关。这些 CpG不均匀地分散于基因组中。CpG位点高度密集的区域，称为CpG岛，其长度常超过500bp，G+C的比例大于55％，CpG位点的密度至少达到理论密度(1／16)的0．65(即l／25)。在CpG岛中，CpG位点的密度大约是非CpG岛区域的10倍。人类基因组中有4．5万个这样的CpG岛，约占基因组的1％。几乎所有的看家基因和部分组织特异性表达基因含CpG岛(共约60％)，这种CpG岛大部分处于非甲基化状态。基因组中大约80％的 CpG位点处于甲基化状态，它们主要分布于占基因组99％的非CpG岛区、X染色体、重复序列、原病毒等寄生性DNA序列中。细胞分裂复制的DNA子链必须进行适当的甲基化修饰，否则其遗传性不稳定、易变异，其染色体脆性增加、易断裂

参与DNA甲基化的酶有3种，即DNMTl、DNMT2和DNMT3(3a、3b)。在哺乳动物，DNA甲基化是一个动态过程。在刚刚受精的时候，精子细胞的染色体发生重组，乙酰化的组蛋白取代精蛋白，同时精子细胞全基因组DNA发生去甲基化，这是目前DNA甲基化发生主动缺失的最好例子，但机制不明。母体的DNA甲基化在受精后的几次有丝分裂过程中发生被动丢失，这种丢失是由于维持DNA甲基化的酶(DNMTl)缺少所致。在受精卵植入子宫的过程中，受精卵的DNA恢复甲基化，该过程是由从头甲基化酶催化的。此后，这种甲基化的模式在体细胞中会一直维持下去。
DNA甲基化包括维持甲基化和从头甲基化。维持甲基化是指在DNA半保留复制过程中，根据亲链上特异的甲基化位点，在新生链相应位置上进行甲基化修饰的过程。从头甲基化是在原来没有甲基化的DNA双链上进行甲基化的过程，然后由维持甲基化的酶来维持稳定的甲基化状态。
DNMTl是唯一用传统生物化学方法分离到的DNA甲基转移酶，含有l 620个氨基酸残基，相对分子质量大约为193 500，基因定位于19p13．3一p13．2。哺乳动物DNA甲基转移酶由两部分组成，即N端调控结构域和C端催化结构域。C端催化结构域具有保守的胞嘧啶DNA甲基转移酶活性，N端调控结构域参与对C端甲基转移酶活性的调节、甲基转移酶的核定位以及与其他调控蛋白的相互作用。DNMTl的N端结构域是所有DNA甲基转移酶中最大的。对DNMTl的酶活性研究发现，DNMTl最合适的底物是DNA双链中半甲基化的胞嘧啶。在G1和G2期，DNMTl弥散地分布于核基质中；在S期DNMTl定位于复制叉上，表明DNMTl参与DNA复制过程中DNA甲基化的维持，由此DNMTl又被称作维持甲基化酶。如果 DNMTl仅在DNA合成时参与甲基化的维持，那么在增生细胞中它的表达应该丰富，在静息细胞则不应表达。但实验结果并非如此。RNA印迹检测发现，不仅在高度增生的组织如胎盘、肺，而且在心脏、脑等几乎没有增生能力的组织都有DNMTl的表达。因此除了参与DNA甲基化的维持，DNMTl还有其他未知功能。随后的研究发现，DNMTl存在不同的剪切形形式，分别被称作DNMTlb、DNMTlo和DNMTlp。
小鼠实验表明，DNMTl基因缺失导致胚胎发育异常及死亡。DNMT2定位于10p15．1，DNMT2缺乏真核生物甲基转移酶N端调节区，故认为DNMT2不具备催化CpG位点甲基化的作用。DNMT3a定位于2p23，DNMT3b定位于20q11．2。