DNA甲基化

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甲基化检测服务-亚硫酸氢钠处理后测序法 (bisulfite genomic sequencing PCR, BSP)是利用未甲基化的胞嘧啶可以被亚硫酸氢钠发生脱氨基变为尿嘧啶的原理,用两一特异性引物扩增后测序。测序法克服了只能针对单个位点检测,并且这些位点必须是限制性内切酶识别位点的缺点,可以对任何基因序列的甲基化状态进行检测。

重亚硫酸盐处理过程示意图

甲基特异性的PCR扩增(MS-PCR)示意图

DNA甲基化(英语:DNA methylation

DNA甲基化是一种表观遗传修饰,它是由DNA甲基转移酶(DNA methyl-transferase, DNMT)催化S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine, SAM)作为甲基供体,将胞嘧啶转变为5-甲基胞嘧啶(mC)的一种反应,在真核生物DNA中,5-甲基胞嘧啶是唯一存在的化学性修饰碱基。CG二核苷酸是最主要的甲基化位点,它在基因组中呈不均匀分布,存在高甲基化、低甲基化和非甲基化的区域,在哺乳动物中mC约占C总量的2-7%。DNA甲基化是表观遗传修饰的主要方式,能在不改变DNA序列的前提下,改变遗传表现。为外遗传编码(epigenetic code)的一部分,是一种外遗传机制。DNA甲基化过程会使甲基添加到DNA分子上,例如在胞嘧啶环的5'碳上:这种5'方向的DNA甲基化方式可见於所有脊椎动物。在人类细胞内,大约有1%的DNA碱基受到了甲基化。在成熟体细胞组织中,DNA甲基化一般发生於CpG双核苷酸(CpG dinucleotide)部位;而非CpG甲基化则於胚胎干细胞中较为常见。植物体内胞嘧啶的甲基化则可分为对称的CpG(或CpNpG),或是不对称的CpNpNp形式(C与G是碱基;p是磷酸根;N指的是任意的核苷酸)。特定胞嘧碇受甲基化的情形,可利用亚硫酸盐定序(bisulfite sequencing)方式测定。DNA甲基化可能使基因沉默化,进而使其失去功能。此外,也有一些生物体内不存在DNA甲基化作用。

重亚硫酸盐处理过程示意图

重亚硫酸盐处理过程示意图

DNA经重亚硫酸盐处理后,甲基化的胞嘧啶不变,未甲基化的胞嘧啶转变为尿嘧啶

大量研究表明,DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变,从而控制基因+表达。

在甲基转移酶的催化下,DNA的CG两个核苷酸的胞嘧啶被选择性地添加甲基,形成5-甲基胞嘧啶,这常见于基因的5'-CG-3'序列。大多数脊椎动物基因组DNA都有少量的甲基化胞嘧啶,主要集中在基因5’端的非编码区,并成簇存在。甲基化位点可随DNA的复制而遗传,因为DNA复制后,甲基化酶可将新合成的未甲基化的位点进行甲基化。DNA的甲基化可引起基因的失活。

DNA甲基化主要形成5-甲基胞嘧啶(5-mC)和少量的N6-甲基嘌呤(N6-mA)及7-甲基鸟嘌呤(7-mG)结构基因含有很多CpG 结构, 2CpG 和2GPC 中两个胞嘧啶的5 位碳原子通常被甲基化, 且两个甲基集团在DNA 双链大沟中呈特定三维结构。基因组中60%~ 90% 的CpG 都被甲基化, 未甲基化的CpG 成簇地组成CpG 岛, 位于结构基因启动子的核心序列和转录起始点。有实验证明超甲基化阻遏转录的进行。DNA 甲基化可引起基因组中相应区域染色质结构变化, 使DNA 失去核酶?限制性内切酶的切割位点, 以及DNA 酶的敏感位点, 使染色质高度螺旋化, 凝缩成团, 失去转录活性。5 位C 甲基化的胞嘧啶脱氨基生成胸腺嘧啶, 由此可能导致基因置换突变, 发生碱基错配: T2G, 如果在细胞分裂过程中不被纠正,就会诱发遗传病或癌症, 而且, 生物体甲基化的方式是稳定的, 可遗传的。

DNA甲基转移酶分类

DNA甲基转移酶有两种:

1) DNM T1, 持续性DNA 甲基转移酶—— 作用于仅有一条链甲基化的DNA 双链, 使其完全甲基化, 可参与DNA 复制双链中的新合成链的甲基化,DNM T1 可能直接与HDAC (组蛋白去乙酰基转移酶) 联合作用阻断转录;

2)DNM T3a、DNM T3b从头甲基转移酶, 它们可甲基化CpG, 使其半甲基化, 继而全甲基化。从头甲基转移酶可能参与细胞生长分化调控, 其中DNM T3b在肿瘤基因甲基化中起重要作用。

DNA 去甲基化有两种方式:

1) 被动途径: 由于核因子N F 粘附甲基化的DNA , 使粘附点附近的DNA不能被完全甲基化, 从而阻断DNM T1 的作用;

2) 主动途径: 是由去甲基酶的作用, 将甲基集团移去的过程。在DNA 甲基化阻遏基因表达的过程中, 甲基化CpG 粘附蛋白起着重要作用。虽然甲基化DNA 可直接作用于甲基化敏感转录因子E2F、CREB、A P2、CM yc?M yn、N F2KB、Cmyb、Ets, 使它们失去结合DNA 的功能从而阻断转录, 但是, 甲基化CpG 粘附分子可作用于甲基化非敏感转录因子(SP1、CTF、YY1) , 使它们失活, 从而阻断转录。

人们已发现5 种带有恒定的甲基化DNA 结合域(MBD ) 的甲基化CpG 粘附蛋白。其中M ECP2、MBD1、 MBD2、MBD3 参与甲基化有关的转录阻遏;MBD1 有糖基转移酶活性, 可将T 从错配碱基对T?G 中移去,MBD4 基因的突变还与线粒体不稳定的肿瘤发生有关。在MBD2 缺陷的小鼠细胞中, 不含M ECP1 复合物, 不能有效阻止甲基化基因的表达。这表明甲基化CpG 粘附蛋白在DNA 甲基化方式的选择, 以及DNA 甲基化与组蛋白去乙酰化、染色质重组相互联系中的有重要作用。

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