第1章 DNA甲基化介绍
1.1 EPIGENETICS
表观遗传学
第一章主要介绍表观遗传学的概念，尤其是DNA甲基化这一成员。表观遗传学是不因DNA序列改变所引起的生理特性的研究。表观遗传学针对稳定性研究、细胞转录潜能的长期变化和瞬时改变。其中的一些变化是可遗传的。例如，胚胎发育过程中，胚胎干细胞可形成胚胎的多种多能细胞系，转而变成完全分化的细胞，这个过程是受表观遗传调控的。
1.2 HISTONE MODIFICATIONS
组蛋白修饰
组蛋白是染色质复合物的核心蛋白组分，构成了DNA周期螺旋缠绕的结构骨架，从而形成染色质。核小体代表了染色质组织的第一层级，由各两个H2A、H2B、H3和H4组成，组装成一个由DNA紧密包裹的核心八聚体。第一个表观遗传机制是构成组蛋白的氨基酸的转录修饰。如果氨基酸发生改变，那么组蛋白的形状可能发生了修饰。DNA在复制的过程中并不完全解旋，因此被修饰后的组蛋白可能会被运送到到各个新的拷贝DNA中。一旦发生上述情况，这些组蛋白可以作为模板，开始以新的方式影响周围的新组蛋白。通过改变周围的组蛋白的形状，这些修饰后的组蛋白保证了细胞分裂后的一个线性特异的转录程序的维持。虽然组蛋白修饰出现在整个序列中，但是组蛋白尾巴是被高度修饰的。这些修饰包括乙酰化、甲基化、泛素化、磷酸化、苏素化、核糖基化、瓜氨酸化，其中关于乙酰化和甲基化的研究最为广泛。
1.2.1 Histone Acetylation and Deacetylation
组蛋白乙酰化和去乙酰化
组蛋白修饰和每个需要DNA进入的细胞进程间的关系都非常重要，例如转录、复制和修复。组蛋白乙酰化在组蛋白乙酰转移酶（HATs）的作用下，把乙酰基团添加到组蛋白尾巴的赖氨酸上，而脱乙酰基酶（HDACs）能将乙酰化的赖氨酸上的乙酰基团去掉。例如：在HAT作用下产生的组蛋白H3尾巴上的K14和K9赖氨酸乙酰化通常和转录能力有关。组蛋白乙酰化的出现会导致一个松散的染色质状态，相应基因的启动子转录活跃；相反，赖氨酸残基去乙酰化可导致染色质折叠和转录失活。
1.2.2 Histone Methylation
组蛋白甲基化
组蛋白甲基化是一个在组蛋白氨基酸上添加甲基基团的过程。基于作用的位点，甲基化能够修饰组蛋白，以至于染色质的不同部分会被激活或抑制。大多数情况下，组蛋白甲基化和去甲基化分别调控基因的“关”和“开”，或者通过松散或压缩它们的尾巴来进行调控，从而可以允许转录因子进入或阻碍转录因子进入开放的DNA。H3K4me3是一个转录因子活跃标记。而，H3K9me2是一个转录沉默信号。组蛋白甲基转移酶，如：UTX/KDM6A, JMJD3/KDM6B, JMJD2D/KDM4D能通过一种细胞特异的和序列依赖的方式主动添加或移除多种甲基化标记。SET结构域赖氨酸甲基化转移酶（SUVAs/KMTs）催化组蛋白或非组蛋白底物的赖氨酸残基发生位点或状态特异的甲基化。这些修饰在转录调控、异染色质形成、X染色体失活和DNA损伤响应中起到重要作用，同时在细胞决定和命运的表观调控中关联亲密。
1.3 DNA METHYLATION
DNA甲基化
第二个表观机制是添加甲基基团到DNA上，大多数是CpG位点，从而形成5甲基胞嘧啶（5mC）。5mC和一个普通的胞嘧啶的非常相似，和鸟嘌呤一起成对互补组成于DNA双链。哺乳动物中大多数编码蛋白基因的转录起始与富含CG序列的启动子区域，这些胞嘧啶和邻近的鸟嘌呤间通过磷酸相连，称为CpG位点。这种短的CpG富集的延伸被称为CpG岛。哺乳动物中，28 CpG二核苷酸中的60-80%的是发生甲基化的。紧邻CpG岛启动子的染色质结构能促进转录，而甲基化的CpG岛可导致染色质紧缩而阻止转录和基因表达。一些基因组区域的甲基化水平比其他区域高的多，而高度甲基化的区域倾向于转录活性的降低。胞嘧啶甲基化也能够通过亲本传递给受精卵，其中只继承亲本一方标记的现象叫做基因印记。DNA甲基化通常出现在重复序列，以帮助抑制转座子元件（如LINE-1）的表达和移动。DNA甲基化和组蛋白有相关性，尤其是和H3K4甲基化（H3K4me0）的缺失和H3K9me2的出现有关。
1.3.1 DNA Methyltransferases
DNA甲基转移酶
DNA甲基化在响应因素的建立和修饰至少需要三种独立的甲基化转移酶（DNMTs）的作用，即： DNMT1、DNMT3A和DNMT3B。这些酶催化甲基基团转移到DNA的胞嘧啶上。
为了优先修饰半甲基化的DNA，DNA复制后DNA甲基转移酶1（DNMT1）对新和成的DNA链进行甲基化修饰，通常称为“维持”性甲基化转移酶。DNMT1对于胚胎正常发育、基因基因和X染色体失活具有重要作用。
DNMT3是DNA甲基化转移酶的一个家族，能够同时甲基化半甲基化和未甲基化的CpG。DNMT3的结构与DNMT1类似，具有连接催化区域的调控区域。DNMT3家族包含DNMT3A,、3B和3L。DNMT3A和3B能介导甲基化独立的基因表达，而DNMT3A能共定位异染色质蛋白（HP1）和甲基CpG结构域结合蛋白（MBDs）。它们也能与DNMT1互作，其中DNMT1可能在DNA甲基化的过程中起协同的作用。DNMT3L包含DNA甲基转移酶基序，负责母系的基因组印记。DNMT3L在配子发育过程中表达，同时在干细胞生物学中起作用。
1.4 METHYL-BINDING DOMAIN PROTEINS
甲基结合结构域蛋白
DNA甲基化可以在两方面影响基因的转录。一，DNA自身的甲基化可在物理上阻碍转录蛋白与基因的结合；二、更为重要的，甲基化的DNA可能与所知的MBD蛋白结合。随后，MBDs招募额外的蛋白，如组蛋白去乙酰化酶和其他染色质重塑蛋白，从而形成紧缩的失活的染色质，即异染色质。这种DNA甲基化与染色质结构间的关系非常重要。尤其，缺失甲基CpG结合蛋白2（MeCP2）和Rett综合症有关，甲基CpG结合结构域蛋白2（MBD2）介导癌症中超甲基化基因的转录沉默。
1.5 DNA DEMETHYLATIONDNA去甲基化是将胞嘧啶的甲基基团移除的过程。DNA去甲基化可以是被动或主动的。其中被动的过程发生在DNMT1合成缺乏甲基化的DNA链的若干循环中，例如，使用5-氮杂胞嘧啶核苷处理的时候。这些去甲基化的试剂通过抑制DNMT1行使功能，并通过蛋白酶促使其降解。目前这个途径被用于癌症中的来去除癌症抑制基因的甲基化。主动的DNA去甲基化即直接去除甲基基团。
1.6 DNA HYDROXYMETHYLATION
DNA羟甲基化
甲基基团氧化后形成5-羟甲基化（5hmC）。目前已经提出了一些介导5hmC去甲基化的机制。该碱基可以在AID/Apobe酶（胞嘧啶脱氨酶）的作用下脱氨基形成5羟甲基尿嘧啶；或者，ten-eleven易位家族酶（TETs）能进一步氧化5hmC为5fC和5caC。DNA羟甲基化被认为是与DNA甲基化对立的特异的表观标记，而不是去甲基化过程中的一种被动的中间产物。机体内，DNA羟甲基化有时与不稳定的核小体有关系，其中核小体更容易分解和被转录因子竞争。
1.7 DIFFERENTIALLY METHYLATED REGIONS
差异甲基化区域
差异甲基化区域（DMR）是过个样本间（组织、细胞、个体等）具有甲基化状态差异的基因组区域，被认为是参与基因转录调控的功能区域。鉴定多个样本间的DMRs为人类疾病中的表观遗传差异提供了一个全面的研究。癌症和正常样本间的DMRs证明了癌症样本中甲基化出现了异常。众所周知，DNA甲基化和细胞分化和增值相关。许多DMRs被发现与生长发育阶段和重编程进程。此外，个体中随着年龄的增长除了发生整体DNA甲基化改变，内部也会产生DMRs。接下来的章节将会集中于众多疾病中的DMRs。其中一些把DMRs作为生物标记，其他的作为表观治疗的靶标。
1.8 NUTRIEPIGENOMICS
营养表观组学
目前，一些生活方式因素，比如饮食、肥胖、体力活动、吸烟、饮酒、环境污染和精神压力可影响表观模式。在过去的几年里，营养表观遗传学作为新兴、具有前景的领域开始兴起。在viable yellow agouti (Avy)小鼠中，母本的饮食影响子代的毛色分布，其与Avy表观等位基因的甲基化状态有关。因此，Avy小鼠能够被用于一个敏感的表观生物传感器来评估补充蛋氨酸对特定DNA甲基化的影响。母本补充左旋蛋氨酸的正在研究中。此外，在多种复杂疾病中甲基供体是有益的。后续的一些章节中会详细介绍。
作者：Michel Neidhart （University Hospital Zurich, Switzerland）
翻译：浩渺予怀
年代：2015
语言：英语
版权：Copyright © 2015 Elsevier Inc. All rights reserved.
来源：https://doi.org/10.1016/C2013-0-13028-0
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