DNA甲基化——返老还童的生物学秘密

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从生物学的角度,变老与细胞水平和分子水平的多种改变有关,包括表观遗传学的改变——在不改变核酸序列的情况下,对DNA或者染色质进行修饰。化学修饰对染色质的结构和基因的表达有很大的影响。DNA的甲基化就属于一种化学修饰,组蛋白的化学修饰包括乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化。

组氨酸的甲基化能够引起异染色质局部的形成,这种变化是可逆的,而DNA的甲基化修饰是一种高度稳定的沉默标志,很难被改变。甲基化后的DNA就像戴了一顶神奇的”帽子“,不断的给我们带来惊喜。

背景介绍

DNA甲基化的现象发生在原核生物和真核生物的基因组中。在原核生物中,DNA甲基化位点在胞嘧啶(cytosine,C)和腺嘌呤(adenine,A)中。然而在多细胞的真核生物中,DNA甲基化只发生在C碱基,甲基转移酶将甲基选择性地添加到胞嘧啶上,形成5’甲基胞嘧啶(5‑methylcytosine,5mC)。

根据底物偏好性不同,甲基转移酶主要分为两种类型。第一类是从头甲基转移酶de novo DNA methyltransferase)DNMT3a和DNMT3b——它们主要负责在未甲基化的CpG位点引入甲基,使其甲基化。第二类是持续性甲基转移酶DNMT1——它作用于仅有一条链甲基化的DNA 双链,负责在DNA复制过程中将未甲基化的新合成链甲基化。持续性甲基转移酶DNM T1的作用,使甲基化能够通过体细胞分裂进行遗传

由于DNA甲基化能够抑制基因的表达,因此,DNA的甲基化常被描述成”沉默”的表观遗传学标志。在动物基因组中,超过一半的基因包含短的富含CpG二核苷酸区域(约1000bp),称为CpG岛(CpG islands,CGIs这些区域通常位于转录起始位点(Transcription start sites,TSSs)。CpG岛不能发生甲基化其他的CpG二核苷酸几乎都能够被甲基化

图1.1 CpG位点和CpG岛

甲基化对于胚胎的存活至关重要DNA甲基转移酶失活的小鼠胚胎不能存活。在早期胚胎时期,所有的甲基化标志都被清除,但在个体着床的时候,甲基化又被重新建立起来。这个过程一方面需要从头甲基转移酶一遍遍的将DNA甲基化,另一方面需要确保CpG岛不被甲基化。

甲基化的特点:

1.DNA的甲基化能够封锁转录起始使转录过程不能延伸(真菌Neurosporacrassa除外),并且影响转录因子与启动子的结合。因此在功能上,甲基化常意味着转录沉默;

2.非CGIs处发生的DNA甲基化比CGIs位点更活跃且更具有组织特异性

3.当CGIs位于转录起始位点(TSSs)时,一般不会被甲基化,如果该位置的CGIs发生甲基化,会引起基因长期沉默,造成X染色体失活,生殖细胞中基因表达水平的改变等;但有时候CGIs能够以一种组织特异性的方式进行甲基化

4.转座子元件的甲基化能够使其沉默,但不会影响宿主基因的转录延伸;

5.基因的甲基化与体细胞和生殖细胞的癌变有关。

看到这里,我们知道DNA甲基化是抑制基因表达的,只有去除5mC上的甲基帽子,后续基因才能表达,将甲基去除的方式称为“去甲基化“。去甲基化过程涉及到TET家族(ten-eleven translocation)的蛋白——甲基胞嘧啶双加氧酶、胞苷脱氨酶(activation-induced cytidine deaminase,AID)和胸腺嘧啶糖苷酶(thymine DNA glycosylase,TDG)。

首先将5mC转变为5’羟甲基胞嘧啶(5hmC),接着催化为5’甲酰胞嘧啶(5-formylcytosine,5fC)和5’羧基胞嘧啶(5-carboxylcytosine,5caC),它们能够被TDG清除,而TDG介导的这种方式也被称为主动去甲基化TET蛋白的缺失造成CpG位点脱甲基失败,并且干细胞增强子区域DNA的甲基化程度变高

图2.1 去甲基化途径

DNA甲基化与疾病:

DNA甲基化模式的扰动变化常与疾病相关,尤其是在癌症中DNA甲基化的变化尤为明显,比如抑癌基因的CGIs启动子被甲基化,导致抑癌基因不能表达。一般而言,肿瘤细胞的基因组是去甲基化的,所以它们的扩增不受抑制。

1.甲基转移酶DNMT3A的突变是白血病患者中最常见的突变,约25%的成年白血病患者携带DNMT3A的突变,而去甲基化酶TET2的突变则与很多恶性髓系血液病相关

2.脆性X染色体综合症,免疫缺陷,着丝粒不稳定和面部异常综合症,都与DNA甲基化有关。甲基化修饰在很大程度上提高了C突变为T的几率,这种转变与1/3的生殖细胞致病突变,以及体细胞的致癌突变有关;

3. DNA甲基化与人类癌症的相关性已经变得更加明显,在体细胞中,DNA甲基化是抑癌基因致癌突变的主要原因,如TP53的突变;

4.多数基因的转录起始位点负责编码肿瘤抑制子,例如眼癌相关的基因RB1, MLH1, p16和BRCA1,其中有些位于CGIs;在很多肿瘤中,一些基因的启动子发生广泛的甲基化,包括抑癌基因CGI启动子的甲基化,例如眼癌,结肠癌,肺癌和卵巢癌,而调控甲基化的蛋白处于失活状态

甲基化的检测

目前检测甲基化的金标准是亚硫酸氢盐测序法,基本原理是:用亚硫酸氢盐处理DNA,未发生甲基化的胞嘧啶能够被转化为尿嘧啶,而甲基化的胞嘧啶则保持不变,通过后续的测序即可检测。利用亚硫酸氢盐的这种原理,可以衍生出多种甲基化检测方法,如甲基化特异性的PCR和高分辨率熔解曲线法。

值得一提的是,随着测序技术的发展,PacificBiosciences公司和Oxford Naropore公司的三代测序能够检测到被甲基化的DNA,不需要经过亚硫酸氢盐处理。

甲基化与衰老

甲基化与衰老有关;甲基化会随着年纪的增大而逐渐发生变化,并且年纪越大,甲基化状态容易变得不稳定。初生儿DNA的甲基化程度比成人低,成人大脑和血液中DNA甲基化的水平先是快速的升高,之后保持稳定。

在衰老的过程中,DNA甲基化总体水平不会有太明显的变化,然而个体间的差异会增加。同时,CGIs的甲基化程度增加,但非CGIs区域的甲基化程度减小,说明本应该存在甲基化的地方被去甲基化,不应该被甲基化的位点却加上了甲基化帽子。由于基因组上一些特异位点的甲基化程度与衰老有密切的关系,因此,甲基化能够被用来预测年纪

坊间传闻,女人比男人衰老的更快。然而在甲基化程度上,公鼠和母鼠并没有明显的区别,但卵巢切除术后,母鼠明显衰老的更快。有趣的是,准父母的年龄会影响后代DNA的甲基化,而且母亲在孕期的饮食,对后代是否容易肥胖及形成代谢疾病有明显的影响。比如孕妇低脂质摄入,而后代高脂肪摄入的时候,其表观遗传学上的漂变有加剧的趋势,这意味着老得更快,说明生物衰老受饮食的影响。

甲基化的应用

甲基化能够在医学研究中作为一种生物标记,这里的生物标记指的是它可以用来预测疾病状态或治疗后机体的反应。因为DNA总体甲基化水平(即甲基化谱)和特定基因甲基化程度改变可作为肿瘤诊断指标,例如前列腺癌等。

随着三代测序的发展,甲基化的检测变得更容易,这为全基因组甲基化标记图谱的建立提供了更快捷的方法,同时也对表观遗传学的研究起到推动性的作用。

小编期待肿瘤相关的甲基化动态变化过程的研究,为癌症的早期诊断和治疗带来里程碑式的突破。

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