第八講 DNA甲基化與組蛋白修飾2010

DNA甲基化

與

組蛋白修飾佳木斯大學(xué)2010/03基因表達(dá)模式一個(gè)多細(xì)胞生物機(jī)體的不同類型細(xì)胞相同的基因型不同的表型

表觀遺傳是指在DNA序列沒有發(fā)生變異的情況下，基因表達(dá)的可遺傳的改變。它主要通過(guò)對(duì)DNA或組蛋白的共價(jià)修飾（如DNA甲基化，組蛋白乙?；葱缘幕虺聊匆粋€(gè)基因被另一個(gè)與其同源的基因所抑制），副突變(paramutation)和親本印跡，RNA編輯，蛋白異構(gòu)體引起類似顯性遺傳等機(jī)制而產(chǎn)生的。表觀遺傳修飾

DNA甲基化(DNAmethylation)組蛋白修飾(histonemodifications)染色質(zhì)重塑(chromatinremodeling)基因組印記(genomicimprinting)RNA相關(guān)沉默(RNAinterference)隔離子(insulator)、邊界(boulidary)、核區(qū)室化(compartment)副突變(paramutation)位置效應(yīng)(positioneffectvariegation)X染色體劑量補(bǔ)償(X-chromosomedosecompensation)提綱組蛋白的甲基化；組蛋白的乙?；?；組蛋白乙?；纳飳W(xué)意義；DNA甲基化；DNA甲基化與醫(yī)學(xué)。在最近的幾年，我們對(duì)異染色質(zhì)的認(rèn)識(shí)有了長(zhǎng)足的進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)一些生化修飾對(duì)于異染色質(zhì)的形成及其逆轉(zhuǎn)和DNA的轉(zhuǎn)錄起到關(guān)鍵作用。這些修飾主要包括組蛋白修飾（包括甲基化、乙?；?、磷酸化等）和DNA的甲基化。

核小體是真核細(xì)胞染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位。每個(gè)核小體由4種核心組蛋白構(gòu)成異源八聚體和纏繞在八聚體之外的約200bp的DNA組成。這種結(jié)合是依靠作用于DNA磷酸骨架小溝區(qū)的靜電引力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于靜電引力的作用，DNA鏈圍繞組蛋白形成螺旋和扭曲，這恰好使DNA雙螺旋的小溝區(qū)連成一條溝道，組蛋白彎曲的尾巴得以穿過(guò)其中，于核小體外與DNA作用，更加穩(wěn)定了核小體的結(jié)構(gòu)。但是，核小體的結(jié)構(gòu)也成為各類轉(zhuǎn)錄因子與DNA結(jié)合的主要障礙。越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，染色質(zhì)和核小體構(gòu)型的改變?cè)谵D(zhuǎn)錄的起始中起到重要的調(diào)控作用?，F(xiàn)已知有３種機(jī)制參與染色質(zhì)構(gòu)型的改變：①依賴于ATP的染色質(zhì)重構(gòu)；②組蛋白移位；③染色質(zhì)的共價(jià)修飾（covalentchromatinmodification）。其中染色質(zhì)的共價(jià)修飾既可發(fā)生在DNA上也可發(fā)生在組蛋白上。DNA的修飾主要是胞嘧啶的甲基化，而組蛋白的共價(jià)修飾則包括乙?；?、磷酸化、甲基化、泛素化、ADP—核糖化，由此構(gòu)成多種多樣的組蛋白密碼。不同的調(diào)節(jié)機(jī)制間互相串換，以一種共同協(xié)作的狀態(tài)來(lái)完成對(duì)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的調(diào)控。組蛋白的翻譯后修飾組蛋白的甲基化（methylation）；組蛋白核糖基化(ribosylation)

；組蛋白的乙酰基化（acetylation）；組蛋白磷酸化（phosphorylation）；組蛋白泛酸化（obiquitination）。每個(gè)組蛋白都有進(jìn)化上保守的N端拖尾伸出核小體外。這些拖尾是許多信號(hào)傳導(dǎo)通路的靶位點(diǎn)，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄后修飾。該類修飾包括組蛋白磷酸化、乙?；⒓谆?、ADP-核糖基化等過(guò)程。尤其是組蛋白乙?；?、甲基化修飾能為相關(guān)調(diào)控蛋白提供其在組蛋白上的附著位點(diǎn)，改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)和活性。組蛋白乙?；ヒ阴；谡婧松锶旧|(zhì)核小體中的組蛋白，其N末端氨基酸殘基可發(fā)生乙酰化等共價(jià)修飾。組蛋白的乙?；且豢赡娴膭?dòng)態(tài)過(guò)程，而其穩(wěn)定狀態(tài)的維持則是多種組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶（HATs）和去乙?；福℉DACs）共同作用的結(jié)果。這種可逆的乙酰化修飾作用可使染色質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生動(dòng)態(tài)的改變，并對(duì)基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生相應(yīng)的影響。賴氨酸引入乙?；阴；D(zhuǎn)移酶去乙?；附M蛋白乙酰化對(duì)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)及

基因轉(zhuǎn)錄的影響組蛋白乙?；鹑旧|(zhì)結(jié)構(gòu)改變及基因轉(zhuǎn)錄活性變化的機(jī)制至少包括以下幾個(gè)方面：①組蛋白尾部賴氨酸殘基的乙酰化能夠使組蛋白攜帶正電荷量減少，降低其與帶負(fù)電荷的DNA鏈的親和性，導(dǎo)致局部DNA與組蛋白八聚體解開纏繞，從而促使參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控的各種蛋白因子與DNA特異序列結(jié)合，進(jìn)而發(fā)揮轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用；

②組蛋白的Ｎ末端尾巴可與參與維持染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的多種蛋白質(zhì)相互作用，更加穩(wěn)定了核小體的結(jié)構(gòu)。而組蛋白乙酰化卻減弱了上述作用，阻礙了核小體裝配成規(guī)則的高級(jí)結(jié)構(gòu)（如螺線管）；③組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶對(duì)相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子或活化因子進(jìn)行乙?；揎椧哉{(diào)節(jié)基因的表達(dá)。局部乙?；蛷V泛乙?；Ｊ?/p>

組蛋白乙酰化狀態(tài)呈多樣性。與啟動(dòng)子結(jié)合的激活因子可募集相應(yīng)的HATs引起局部組蛋白的乙?；?；而增強(qiáng)子或基因座位控制區(qū)LCR結(jié)合的活化因子則可募集HATs引起廣泛乙?；?。廣泛乙?；菇M蛋白維持在一個(gè)較高的乙?；?，干擾染色質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的折疊，使其不能形成緊密的結(jié)構(gòu)。因此推測(cè)，廣泛乙?；癁榛虮磉_(dá)建立了一個(gè)穩(wěn)定的基礎(chǔ)；而局部乙?；瘎t是基因?qū)?xì)胞外信號(hào)的瞬時(shí)反應(yīng)。組蛋白去乙?；?/p>

組蛋白乙?；癁橐豢赡孢^(guò)程，乙?；腿ヒ阴；膭?dòng)態(tài)平衡控制著染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)和基因表達(dá)。迄今為止，已有很多種類的組蛋白去乙?；福℉DACs）在不同的物種中被鑒定出來(lái)，它們具有不同的功能。人的HDACs主要分為3類。HDACs與HATs一樣也存在于復(fù)合物中，復(fù)合物形式可調(diào)節(jié)其本身的酶活性。

HDACs在轉(zhuǎn)錄抑制中具有重要作用。HDACs抑制基因轉(zhuǎn)錄的分子機(jī)制主要是靠某些轉(zhuǎn)錄因子與DNA序列結(jié)合后，募集HDACs并與之形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合物，HDACs作用于相應(yīng)的組蛋白而調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄。雖然HDACs主要抑制基因的轉(zhuǎn)錄，但最近的研究顯示酵母的第一類去乙?；窰os2參與基因的活化。在真核細(xì)胞中，組蛋白乙?；ヒ阴；瘜?duì)染色質(zhì)結(jié)構(gòu)及基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控可能是一個(gè)多層次、多步驟的復(fù)雜過(guò)程。對(duì)這一領(lǐng)域的研究對(duì)于進(jìn)一步闡明基因表達(dá)調(diào)控的機(jī)制，明確腫瘤等相關(guān)疾病發(fā)病的分子機(jī)制以及治療方法等方面有著重大的意義。組蛋白的甲基化

組蛋白的甲基化（histone

methylation）由組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)催化。甲基化修飾通常發(fā)生在組蛋白的N端尾部結(jié)構(gòu)域。甲基化的功能主要體現(xiàn)在異染色質(zhì)形成、基因印記、X染色體失活和轉(zhuǎn)錄調(diào)控方面。最重要的效應(yīng)之一就是導(dǎo)致基因的轉(zhuǎn)錄功能喪失。甲基化位點(diǎn)多位于H3、H4的賴氨酸和精氨酸殘基上，組蛋白H3氨基尾段上的K4和K9便是其中的兩個(gè)甲基化的常發(fā)位點(diǎn)。不同位點(diǎn)上甲基化，由不同的酶所負(fù)責(zé)。目前發(fā)現(xiàn)24個(gè)組蛋白甲基化位點(diǎn)，其中17個(gè)位于賴氨酸，其他7個(gè)位于精氨酸。賴氨酸可以是單甲基化、雙甲基化和三甲基化，精氨酸也可以是單甲基化或者雙甲基化。如果把這3種甲基化狀態(tài)都考慮在內(nèi)，應(yīng)該一共有3×1011種組蛋白甲基化組合狀態(tài)，復(fù)雜的組合為組蛋白甲基化發(fā)揮功能調(diào)控作用提供更大的潛能。過(guò)去發(fā)現(xiàn)一些組蛋白可以快速的乙?；?，然后又去乙?；允够虮磉_(dá)受到調(diào)控。但是，人們一直都認(rèn)為甲基化作用是一種不可逆的過(guò)程。最新的研究發(fā)現(xiàn)，甲基化作用是可逆的，組蛋白可以發(fā)生去甲基化作用。有一種酶會(huì)對(duì)組蛋白中賴氨酸和精氨酸甲基化作用進(jìn)行去除。這重新定義了組蛋白甲基化的本質(zhì)，同時(shí)也讓組蛋白修飾通路更加復(fù)雜化了。哈佛大學(xué)的分子生物學(xué)家施洋及其同事在2004年12月16日的《細(xì)胞》雜志網(wǎng)絡(luò)版上報(bào)告：他們發(fā)現(xiàn)了一種組蛋白去甲基酶，命名為"賴氨酸特異性去甲基酶1(LSD1)"(lysine-specificdemethylase1)。這種酶能使某種組蛋白尾部的一個(gè)氨基酸--賴氨酸失去甲基。某些類型的白血病、結(jié)腸癌等疾病，被認(rèn)為可能與錯(cuò)誤的甲基化過(guò)程有關(guān)，組蛋白去甲基酶可能成為頗有潛力的藥物標(biāo)靶。甲基轉(zhuǎn)移酶去甲基酶使組蛋白失去甲基ShiYJ,LanF,MatsonC,etal.HistonedemethylationmediatedbythenuclearamineoxidasehomologLSD1.Cell,2004,119(7):941～953

SET結(jié)構(gòu)域存在于許多與腫瘤發(fā)生相關(guān)的人類基因之中。過(guò)去10年的研究發(fā)現(xiàn)，具有此結(jié)構(gòu)域的基因多數(shù)都發(fā)揮腫瘤抑制的功能。最近發(fā)現(xiàn)組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶也具有SET結(jié)構(gòu)域，那么很自然地推測(cè)組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶是否也具有腫瘤抑制的功能？

組蛋白甲基化與疾病

RIZ1(PRDM2)具有H3K9位甲基轉(zhuǎn)移酶活性。研究發(fā)現(xiàn)，在某些腫瘤中，例如：乳腺癌、肝癌、結(jié)腸癌、神經(jīng)母細(xì)胞瘤、脊髓瘤、肺癌和骨腫瘤中，該基因發(fā)生突變而失去活性，而其失活又引起G2-M期的細(xì)胞周期延長(zhǎng)，調(diào)亡抑制，因此推測(cè)H3K9位組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶可能具有腫瘤抑制功能，它的功能缺失可能參與癌癥的發(fā)生有關(guān)。最近，美國(guó)一項(xiàng)臨床研究發(fā)現(xiàn)，組蛋白甲基化在前列腺癌患者標(biāo)本中比例很高，估計(jì)其他腫瘤中也可能有相似發(fā)現(xiàn)。另外，還有報(bào)道缺乏甲基的飲食會(huì)導(dǎo)致組蛋白甲基化程度低，這類人群發(fā)生腫瘤的比例較正常人群高.這也提示組蛋白甲基化可能與腫瘤發(fā)生有關(guān)。組蛋白甲基化研究尚處起步階段，不同甲基化位點(diǎn)的具體功能還沒有明確。組蛋白甲基化與其他表觀遺傳學(xué)修飾方式的關(guān)系尚未涉及。異常甲基化與腫瘤和其他疾病的關(guān)系也未闡明。缺乏甲基的飲食導(dǎo)致腫瘤的具體機(jī)制依然不清楚。組蛋白去甲基化酶的具體功能和作用機(jī)理仍需進(jìn)一步探討，其他新的去甲基化酶也丞待發(fā)。隨著組蛋白甲基化研究的深入，必將為分子生物學(xué)、遺傳學(xué)和腫瘤學(xué)的發(fā)展提供新的思路。組蛋白密碼染色體的多級(jí)折疊過(guò)程中，需要DNA同組蛋白(H3、H4、H2Ａ、H2B和H1)結(jié)合在一起。研究中，人們發(fā)現(xiàn)組蛋白在進(jìn)化中是保守的，但它們并不是通常認(rèn)為的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。組蛋白在翻譯后的修飾中會(huì)發(fā)生改變，從而提供一種識(shí)別的標(biāo)志，為其它蛋白與DNA的結(jié)合產(chǎn)生協(xié)同或拮抗效應(yīng)，它是一種動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)錄調(diào)控成分，稱為組蛋白密碼(histonecode)。所謂組蛋白密碼就是對(duì)結(jié)合DNA的組蛋白進(jìn)行一系列修飾,從而影響某些基因何時(shí)以及以何種方式被打開或關(guān)閉。組蛋白密碼信息存在于轉(zhuǎn)錄后組蛋白修飾等過(guò)程中，這些修飾的多樣性、整體性及生物學(xué)功能的多樣性表明存在這樣一種組蛋白密碼。組蛋白修飾作為一種重要的表觀標(biāo)志，與其他表觀標(biāo)志之間也存在一定的聯(lián)系，構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。組蛋白密碼大大豐富了傳統(tǒng)遺傳密碼的信息含量。組蛋白氨基末端的多樣化修飾擴(kuò)充了遺傳密碼的信息庫(kù)。這種常見的組蛋白外在修飾作用包括乙?；?、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化、ADP核糖基化、羰基化等等，它們都是組蛋白密碼的基本元素。與DNA密碼不同的是，組蛋白密碼在動(dòng)物、植物和真菌類中是不同的。我們從植物細(xì)胞保留有發(fā)育成整個(gè)植株的全能性和去分化的特性中，就可以看出它們?cè)诮⒑捅３直碛^遺傳信息方面與動(dòng)物是不同的。在組蛋白的修飾中，乙?；⒓谆芯孔疃?。乙?；揎棿蠖嘣诮M蛋白H3的Lys

9、14、18、23和H4的Lys

5、8、12、16等位點(diǎn)。對(duì)這兩種修飾結(jié)果的研究顯示，它們既能激活基因也能使基因沉默。甲基化修飾主要在組蛋白H3和H4的賴氨酸和精氨酸兩類殘基上。研究也顯示，在進(jìn)化過(guò)程中組蛋白甲基化和DNA甲基化兩者在機(jī)能上被聯(lián)系在一起。每個(gè)組蛋白都有進(jìn)化上保守的N端拖尾伸出核小體外。這些拖尾是許多信號(hào)傳導(dǎo)通路的靶位點(diǎn)，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄后修飾。該類修飾包括組蛋白磷酸化、乙?；?、甲基化、ADP-核糖基化等過(guò)程。尤其是組蛋白乙酰化、甲基化修飾能為相關(guān)調(diào)控蛋白提供其在組蛋白上的附著位點(diǎn)，改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)和活性。一般來(lái)說(shuō)，組蛋白乙?；苓x擇性的使某些染色質(zhì)區(qū)域的結(jié)構(gòu)從緊密變得松散，開放某些基因的轉(zhuǎn)錄，增強(qiáng)其表達(dá)水平。而組蛋白甲基化既可抑制也可增強(qiáng)基因表達(dá)。乙?；揎椇图谆揎椡窍嗷ヅ懦獾摹Ｔ诩?xì)胞有絲分裂和凋亡過(guò)程中，磷酸化修飾能調(diào)控蛋白質(zhì)復(fù)合體向染色質(zhì)集結(jié)。細(xì)胞對(duì)外在刺激作出的每一個(gè)反應(yīng)幾乎都會(huì)涉及到染色質(zhì)活性的改變，這一改變就是通過(guò)修飾組蛋白，變換組蛋白密碼實(shí)現(xiàn)的。既然幾乎每一種生物學(xué)過(guò)程都有特定的組蛋白修飾標(biāo)記，那么特定的組蛋白修飾標(biāo)記就能反應(yīng)相應(yīng)的特定生物學(xué)過(guò)程。組蛋白修飾的生物學(xué)意義細(xì)胞對(duì)外在刺激作出反應(yīng)，多數(shù)是通過(guò)修飾組蛋白，變換組蛋白密碼實(shí)現(xiàn)的；染色質(zhì)的轉(zhuǎn)錄活性與組蛋白修飾相伴；有絲分裂過(guò)程也與特異性組蛋白修飾有顯著的相關(guān)性；組蛋白修飾還參與DNA損傷和凋亡。研究組蛋白密碼對(duì)藥物開發(fā)具有戰(zhàn)略意義，多種組蛋白修飾酶已成為相關(guān)疾病治療的靶目標(biāo)。比如，組蛋白去乙酰酶（HDACs）抑制劑已應(yīng)用于臨床治療多種腫瘤；探討遺傳調(diào)控和表觀遺傳調(diào)控相互作用的網(wǎng)絡(luò)與不同生物學(xué)表型之間的關(guān)系；組蛋白修飾的生物學(xué)意義DNA甲基化DNA甲基化（DNA

methylation）是最早發(fā)現(xiàn)的DNA修飾途徑之一，也是DNA的一種天然修飾方式，廣泛存在于細(xì)菌、植物和哺乳動(dòng)物，具有重要的生物學(xué)意義。

DNA甲基化能關(guān)閉某些基因的活性，去甲基化則誘導(dǎo)了基因的重新活化和表達(dá)。甲基化所致的轉(zhuǎn)錄抑制的可能機(jī)制DNA甲基化

甲基化是基因組DNA的一種主要表觀遺傳修飾形式，是調(diào)節(jié)基因組功能的重要手段。在脊椎動(dòng)物中，CpG二核苷酸是DNA甲基化發(fā)生的主要位點(diǎn)。CpG常成簇存在，人們將基因組中富含CpG的一段DNA稱為CpG島(CpGisland)，通常長(zhǎng)度在1kb～2kb左右。在真核細(xì)胞中，DNA甲基化使得胞嘧啶環(huán)5碳的位置添加一個(gè)甲基，這個(gè)發(fā)生在5′-ＣＧ-3′序列(也稱作CpG二核苷酸)中的反應(yīng)受DNA(5-胞嘧啶)甲基轉(zhuǎn)移酶[methyltransferase,DNAMTase]的催化。這是最常見的真核性DNA修飾。這種現(xiàn)象在植物和動(dòng)物中都廣泛存在，它在正常發(fā)育和組織特異的基因表達(dá)中起重要作用。

DNA甲基化的主要形式

胞嘧啶甲基化形成5-甲基胞嘧啶，腺嘌呤甲基化形成N6-甲基腺嘌呤和鳥嘌呤甲基化形成7-甲基鳥嘌呤。在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出現(xiàn)在CpG和CpXpG中，原核生物中CCA/TGG和GATC也常被甲基化。

DNA甲基化的主要形式胞嘧啶5-甲基胞嘧啶腺嘌呤N6-甲基腺嘌呤鳥嘌呤7-甲基鳥嘌呤5-甲基胞嘧啶N6-甲基腺嘌呤7-甲基鳥嘌呤

在人類基因組DNA中，約3％～4%的胞嘧啶堿基以5-甲基胞嘧啶形式存在。大約70％～80％的5-甲基胞嘧啶存在于CpG序列中，CpG二核苷酸集中的區(qū)域稱之為CpG島，這些CpG島跨過(guò)許多基因的5’末端—包括啟動(dòng)子、未翻譯區(qū)和第一外顯子。CpGislands

由于甲基化胞嘧啶極易在進(jìn)化中丟失，所以，高等真核生物中CpG序列遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其理論值。哺乳類基因組中約存在4萬(wàn)個(gè)CpGislands，大多位于轉(zhuǎn)錄單元的5'區(qū)。

未甲基化的CpG島與看家基因相關(guān)，而某些組織特異性基因會(huì)出現(xiàn)甲基化的CpG島。DNA甲基化與人類細(xì)胞DNA的表達(dá)相關(guān)，建立在基因表達(dá)基礎(chǔ)上的信息遺傳被分類為表觀遺傳學(xué)，這與建立在基因序列基礎(chǔ)上的信息遺傳即遺傳學(xué)不同。人類表觀遺傳學(xué)主要的改變就是定位在CpG島內(nèi)的胞嘧啶甲基化以及組蛋白的修飾。DNA甲基化酶

催化DNA甲基化過(guò)程的是DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶（DNMT）。根據(jù)催化反應(yīng)類型，可以將DNMT分為三類，但在高等真核生物中只發(fā)現(xiàn)了第三種類型的酶，即DNAC5胞嘧啶甲基轉(zhuǎn)移酶，即通常所說(shuō)的DNMT，又稱DNA甲基轉(zhuǎn)移酶，它可以催化將葉酸、甲基鈷銨素等甲基供體提供的甲基集團(tuán)轉(zhuǎn)移至胞嘧啶5位碳上形成5-甲基胞嘧啶。DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶兩種甲基化酶

DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶(DNAmethyltransferase,DNMT),真核生物細(xì)胞內(nèi)存在兩種甲基化酶活性：一種被稱為日常型（mainte-nance）甲基轉(zhuǎn)移酶，另一種是從頭合成（denovosynthesis）甲基轉(zhuǎn)移酶。前者主要在甲基化母鏈（模板鏈）指導(dǎo)下使處于半甲基化的DNA雙鏈分子上與甲基胞嘧啶相對(duì)應(yīng)的胞嘧啶甲基化。日常型甲基轉(zhuǎn)移酶日常型甲基轉(zhuǎn)移酶常常與DNA內(nèi)切酶活性相耦聯(lián)，有3種類型。II類酶活性包括內(nèi)切酶和甲基化酶兩種成分，而I類和III類都是雙功能酶，既能將半甲基化DNA甲基化，又能降解外源無(wú)甲基化DNA。DNA甲基轉(zhuǎn)移酶

將甲基轉(zhuǎn)移至胞嘧啶環(huán)的酶稱為胞嘧啶5-甲基轉(zhuǎn)移酶或DNA甲基轉(zhuǎn)移酶。1988年第一次從小鼠基因克隆出真核DNAMTase基因，稱為Dnmt1，這個(gè)基因在真核生物中高度保守。DNAMTase作用的靶位點(diǎn)是DNA中回文結(jié)構(gòu)的二核苷酸CG(CpG)。

在新近復(fù)制的DNA分子中,DNA呈半甲基化狀態(tài)，即親鏈甲基化、子鏈未甲基化。哺乳動(dòng)物DNA甲基轉(zhuǎn)移酶與這種半甲基化底物有高度親和性。在體外實(shí)驗(yàn)中也能夠使未甲基化底物重新甲基化(denovomethylation)。

去甲基化酶

去甲基化酶(DNAdemethylase，dMTase)有兩種類型：位點(diǎn)特異性去甲基化酶和總基因組DNA去甲基化酶。兩者是一致的，與發(fā)育和腫瘤發(fā)生中基因的活化有關(guān)?？侱NA去甲基化酶與整個(gè)的去甲基化過(guò)程有關(guān)。DNA甲基化狀態(tài)通過(guò)從頭甲基化、維持甲基化和去甲基化3個(gè)過(guò)程受到調(diào)節(jié)。在不同組織或同一類型細(xì)胞的不同發(fā)育階段，基因組DNA各CpG位點(diǎn)甲基化狀態(tài)的差異構(gòu)成基因組DNA甲基化譜，組織特異的DNA甲基化譜是哺乳動(dòng)物基因組的顯著特征。組蛋白乙?；虳NA甲基化

組蛋白乙?；虳NA甲基化是調(diào)控基因表達(dá)的兩種主要方式，目前認(rèn)為組蛋白乙?；虳NA低甲基化可促進(jìn)基因表達(dá)，而組蛋白去乙?；虳NA高甲基化可抑制基因表達(dá)。組蛋白乙?；虳NA甲基化這兩種分子機(jī)制相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)的精細(xì)調(diào)控。DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶組蛋白去乙?；窪NA甲基化去乙酰化組蛋白染色質(zhì)重塑組蛋白的乙?；癄顟B(tài)控制DNA甲基化，組蛋白低乙?；纱龠M(jìn)DNA甲基化，組蛋白高乙酰化可抑制DNA甲基化。甲基化的DNA序列可募集HDACs，后者引起組蛋白去乙酰化，組蛋白去乙酰化又可引發(fā)DNA甲基化，這種模式導(dǎo)致一種穩(wěn)定的基因抑制狀態(tài)。組蛋白乙?；虳NA甲基化這兩種機(jī)制相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)的精細(xì)調(diào)控。DNA甲基化生物學(xué)意義在哺乳動(dòng)物，甲基化是DNA最常見的復(fù)制后調(diào)節(jié)方式之一，是正常發(fā)育、分化所必需的，具有重要的生物學(xué)意義。DNA甲基化對(duì)生物遺傳信息進(jìn)行調(diào)節(jié)，在基因表達(dá)調(diào)控、發(fā)育調(diào)節(jié)、X染色體失活和基因組印跡等方面發(fā)揮重要作用，甲基化異常還與腫瘤發(fā)生有關(guān)。DNA甲基化修飾的生物學(xué)功能

參與基因的表達(dá)調(diào)控

參與真核生物胚胎發(fā)育調(diào)節(jié)

基因組印記

X染色體的失活

與細(xì)胞分化和增生有關(guān)

DNA甲基化與腫瘤

(一)參與基因的表達(dá)調(diào)控

一般來(lái)說(shuō)，DNA甲基化與基因表達(dá)呈負(fù)相關(guān)，甲基化可以抑制轉(zhuǎn)錄起始，但并不阻止轉(zhuǎn)錄的延伸。這種抑制需要關(guān)鍵位點(diǎn)的甲基化，并不需要全面的甲基化，也不存在啟動(dòng)子甲基化的閾值。但是，甲基化位點(diǎn)與轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)的相對(duì)位置對(duì)轉(zhuǎn)錄抑制是至關(guān)重要的。

DNA甲基化能抑制基因表達(dá)的機(jī)制可能是甲基DNA分子的大溝中突出，而大溝正是眾多蛋白質(zhì)因子與DNA結(jié)合的部位，這樣就阻止了轉(zhuǎn)錄因子與基因的相互作用。DNA甲基化作為細(xì)胞核防御體系的組成部分，可以滅活一些潛在的危險(xiǎn)DNA序列，抑制寄生序列和前病毒DNA的活動(dòng)。(二)參與真核生物胚胎發(fā)育調(diào)節(jié)

受精卵中來(lái)自親本的兩套染色體具有不同的甲基化圖譜，但這些甲基化在發(fā)育過(guò)程中迅速丟失。及至桑椹胚時(shí)，所有被檢測(cè)的CpG位點(diǎn)均已發(fā)生甲基化，這種狀態(tài)一直維持到囊胚期。當(dāng)發(fā)育到前腸胚時(shí)，上述位點(diǎn)又重新甲基化，并以此奠定了成體甲基化的基礎(chǔ)。

這種在生物胚胎發(fā)育的不同階段所發(fā)生的廣泛去甲基化及隨后發(fā)生的重新甲基化，可能是為了使胚胎消除其親本特異的甲基化譜，這樣才能使胚胎進(jìn)入正常的發(fā)育階段。DNA的甲基化的修飾可以使某些特定組織或特定細(xì)胞里的一些不必要的基因不表達(dá)。而在特定時(shí)期又可通過(guò)去甲基化的修飾來(lái)表達(dá)該基因，從而調(diào)節(jié)胚胎發(fā)育。

在哺乳動(dòng)物的植入前發(fā)育中，卵母細(xì)胞和精子DNA上截然不同的遺傳外標(biāo)記被重塑成一種胚胎模式。早期胚胎的遺傳外重新編程過(guò)程抹去了配子從親本遺傳下來(lái)的特異甲基化模式。這個(gè)基因的廣泛去甲基化過(guò)程可能對(duì)多能干細(xì)胞的形成過(guò)程起關(guān)鍵性的作用，這些多能干細(xì)胞對(duì)以后的發(fā)育很重要。在植入后的發(fā)育過(guò)程中，又發(fā)生了重新甲基化，基因組DNA在限定的發(fā)育時(shí)間和特異的位點(diǎn)被甲基化。遺傳外修飾的另一去甲基化/重新甲基化事件發(fā)生在生殖細(xì)胞發(fā)育期，這是重建基因組印記所必需的。為使高度特化的精子和卵母細(xì)胞能重新恢復(fù)發(fā)育的全能性，或使那些已按分化途徑分化為特定功能的體細(xì)胞恢復(fù)發(fā)育的全能性，遺傳外重新編程是必不可少的，其中DNA的甲基化和去甲基化是重要的步驟之一。

（三）基因組印記

基因組印記(imprinting)是指基因保留其配子的某些特征并進(jìn)行選擇性差異表達(dá)，此與胚胎發(fā)育有關(guān)。大多數(shù)印記基因可以調(diào)節(jié)胚胎的生長(zhǎng)和發(fā)育。印記功能的紊亂將導(dǎo)致多種發(fā)育異常甚至死胎?；蚪M印記的特征是親本特異基因的表達(dá)，這種印記在生殖細(xì)胞發(fā)育過(guò)程中即已建立，以便用于區(qū)別印記基因的親本來(lái)源?；蚪M印記是一種特別的非孟德爾遺傳現(xiàn)象，即來(lái)自雙親的等位基因在子代中的差異性表達(dá)，是遺傳后的基因調(diào)控方式，主要與基