表觀遺傳學(xué)被定義為“不依賴于 DNA 序列的變化而是由于染色體改變所產(chǎn)生的穩(wěn)定可遺傳的表型”。DNA 甲基化，組蛋白結(jié)構(gòu)的改變以及 microRNA 對(duì)基因的調(diào)控等都是表觀遺傳信息的重要載體。其中 DNA 甲基化作為重要的表觀遺傳修飾之一，對(duì)基因組穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)錄和發(fā)育產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

甲基化到底是什么？

圖 1. DNA 復(fù)制過(guò)程中 CG 配對(duì)

Tip 1: CpG 是胞嘧啶 “C” 和鳥(niǎo)嘌呤 “G” 的縮寫，由磷酸酯 “p” 連接。在哺乳動(dòng)物中，胞嘧啶甲基化主要發(fā)生在 CpG 二核苷酸中。可通過(guò)對(duì)二核苷酸序列 5'CpG3' 中胞嘧啶堿基的甲基化共價(jià)修飾脊椎動(dòng)物的 DNA。

DNA 甲基化分為三個(gè)階段：甲基化的建立 (從頭開(kāi)始 DNA 甲基化)，甲基化的維持和脫甲基。甲基化從寫入到擦除，牽涉著 DNMT 與 TET 兩大蛋白家族的“愛(ài)恨情仇”。

圖 2.  5mC 甲基化

DNMT3 家族還存在一個(gè)成員：DNMT3L。與 DNMT3A/3B 相比，缺乏甲基基序和催化結(jié)構(gòu)域，但可以與 DNMT3A/3B 結(jié)合，刺激 DNMT3A/3B 的酶活性，在甲基化進(jìn)程中推波助瀾。

維持甲基化：（Maintenance of DNA methylation）

維持甲基化，就是雙鏈 DNA 的一條鏈已經(jīng)發(fā)生甲基化，已經(jīng)發(fā)生甲基化的鏈想將這種甲基化狀態(tài)“薪火相傳”（通過(guò)半保留復(fù)制）。為完成這一步驟，“維持甲基轉(zhuǎn)移酶” (DNMT1) 上線，DNMT1 更像是個(gè)獵頭，只認(rèn)識(shí)甲基化 CpG，沒(méi)有甲基化的 CpGs 不會(huì)成為維持甲基轉(zhuǎn)移酶 DMNT1 的底物。在這個(gè)進(jìn)程中，DNMT1 相互作用蛋白 UHRF1 (多結(jié)構(gòu)域蛋白 E3 泛素蛋白連接酶) 至關(guān)重要，因?yàn)?UHRF1 的 SET 和 RING 相關(guān) (SRA) 域?qū)Π爰谆�化�?DNA 具有強(qiáng)烈的偏好，能幫助 DNMT1 在復(fù)制叉處靶向底物 CpG 二核苷酸。 

Tip 3：為確保親代模式在子代鏈上的復(fù)制，一種“維持甲基轉(zhuǎn)移酶” DNMT1，只會(huì)將甲基化 CpGs 堿基與甲基化的親代 CpG 配對(duì)，非甲基化 CpGs 不會(huì)成為其底物。這種簡(jiǎn)單機(jī)制的結(jié)果是，DNA 甲基化模式會(huì)像 DNA 自身的堿基序列一樣被半復(fù)制。

除 DNA 甲基化——擦除蛋白 -Tet 啟動(dòng)的 DNA 脫甲基途徑

被動(dòng) DNA 脫甲基化:

主動(dòng) DNA 脫甲基化:

敲黑板嘍，該脫甲基化的過(guò)程，也稱為活性去甲基化。在這個(gè)過(guò)程中 TET 蛋白家族起到了舉足輕重的作用 (參照 Fig 3)。

圖 4. Tet 啟動(dòng)的 DNA 脫甲基 (氧化位點(diǎn)已圈出)

這個(gè)過(guò)程中。TET 蛋白像個(gè)探測(cè)器一樣，可以沿著 DNA “拉鏈”從一個(gè)點(diǎn)滑動(dòng)到另一個(gè) CpG 位點(diǎn)，最神奇的是，TET 會(huì)優(yōu)先識(shí)別并且氧化同一 DNA 分子上的其他 CpG 位點(diǎn)。

TET 蛋白可以介導(dǎo) 5mC 迭代氧化為 5- 羥甲基胞嘧啶 (5hmC)，5- 甲酰基胞嘧啶  (5fC) 和 5- 羧胞嘧啶 (5caC)。氧化的 5mC 衍生物不能用作 DNMT1 的底物，在復(fù)制的過(guò)程中被動(dòng)脫甲基作用而丟失，胸腺嘧啶DNA糖基化酶 (TDG) 介導(dǎo)的 5fC 和 5caC 切除的復(fù)制依賴稀釋，再加上堿基切除修復(fù) (BER)，導(dǎo)致去甲基化，這個(gè)過(guò)程被定義為主動(dòng)修飾-主動(dòng)去除 (AM-AR)。此時(shí)的 5fC 和 5caC，就像是無(wú)業(yè)游民，TDG 能識(shí)別這種不正常的堿基并切除它們，隨后，AP 位點(diǎn)形成 (無(wú)嘌呤或者無(wú)嘧啶位點(diǎn))，開(kāi)始?jí)A基切除修復(fù)。另外，也可以通復(fù)制依賴 5hmC，5fC 或 5caC 的方式稀釋 DNA 甲基化，即主動(dòng)-被動(dòng)去除 (AM-PD)。

Tip 4: TDG ：能夠識(shí)別不正常的堿基。如胞嘧啶 5mC 在脫氨基之后會(huì)直接形成尿嘧啶 5hmc，對(duì)于這些不正常的尿嘧啶，就可以被 TDG 切除掉,形成無(wú)嘌呤或者無(wú)嘧啶的位點(diǎn)。Base-excision repair：AP 位點(diǎn)形成，AP 核酸內(nèi)切酶在 AP 位點(diǎn)將 DNA 鏈切開(kāi)，然后核酸外切酶 1 將包括 AP 位點(diǎn)在內(nèi)的 DNA 鏈切除。這種單個(gè)堿基的修復(fù)叫做堿基切除修復(fù)。

如果將甲基化的 DNA 比作是一匹千里馬的話，那么三個(gè)識(shí)別的蛋白家族 (MBD 蛋白質(zhì)，UHRF 蛋白質(zhì)和鋅指蛋白) 算得上是識(shí)別它的伯樂(lè)了。

MBD 家族由 MeCP2 和 MBD1-6 組成，共享一個(gè)保守的 MBD 域，這也與甲基化 DNA 結(jié)合所必需的。MeCP2，MBD1 和 MBD2 還包含一個(gè) TRD 域，可幫助他們募集染色質(zhì)重塑核心加壓因子 (chromatin remodeling corepressors)，從而引起轉(zhuǎn)錄沉默。如 MeCP2 的 TRD 結(jié)構(gòu)通過(guò)募集包含 Sin3A 共阻遏物和組蛋白脫乙酰基酶 (HDAC1 和 HDAC2) 的染色質(zhì)重塑復(fù)合體來(lái)參與介導(dǎo)基因沉默。

DNA 甲基化與組蛋白修飾

DNA 甲基化和組蛋白修飾的關(guān)系千絲萬(wàn)縷。簡(jiǎn)而言之，DNA 甲基化有助于引導(dǎo)組蛋白修飾，組蛋白修飾又會(huì)指導(dǎo) DNA 甲基化。例如 DNMT3A 的 PWWP 域會(huì)與 H3K36me3 相互作用，增強(qiáng) DNMT3A 的活性。同樣，組蛋白修飾在 DNA 甲基化機(jī)制中也起著重要作用。拿 DNMT1 啟動(dòng)子過(guò)程中的甲基化來(lái)說(shuō)，H3K4me3 可抑制DNMT3 酶。而在沒(méi)有 H3K4 甲基化的情況下，抑制會(huì)得以解除，從而使 DNA 甲基化。

 H3K4me3 標(biāo)記了活躍的啟動(dòng)子，阻止了 DNMT3A 和 DNMT3B (以及DNMT3L) 的 ADD 域的染色質(zhì)結(jié)合，從而使 ADD 與甲基轉(zhuǎn)移酶 (MTase) 結(jié)構(gòu)域結(jié)合并自動(dòng)抑制 DNMT3 酶。在沒(méi)有 H3K4 甲基化的情況下，ADD 域與 H3K4 結(jié)合，并且自動(dòng)抑制得以解除，從而 MTase 域可以使 DNA 甲基化。 

Tip 5：H3K4me3 標(biāo)記了活躍的啟動(dòng)子，阻止了 DNMT3A 和 DNMT3B (以及DNMT3L) 的ADD域的染色質(zhì)結(jié)合，從而使ADD 與甲基轉(zhuǎn)移酶 (MTase)結(jié)構(gòu)域結(jié)合并自動(dòng)抑制 DNMT3 酶。在沒(méi)有H3K4甲基化的情況下，ADD 域與 H3K4 結(jié)合，并且自動(dòng)抑制得以解除，從而 MTase 域可以使 DNA 甲基化。

在高等動(dòng)物中，癌細(xì)胞中的 DNA 甲基化模式明顯“扭曲”。大約 70％ 的基因擁有與啟動(dòng)子相關(guān)的 CpG 島 (CG 堿基頻率高的區(qū)域)，而維持未甲基化的啟動(dòng)子 CpG 島對(duì)提高轉(zhuǎn)錄潛能有積極作用，并與活性的組蛋白修飾如組蛋白 H3 和 H4 的乙酰化和 H3K4 的甲基化有關(guān)。

Tip 6: DNA 被包裹在組蛋白的八聚體中，形成核小體，即染色質(zhì)的最小單位。

正常情況下轉(zhuǎn)錄時(shí)是開(kāi)放松散的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)：組蛋白 H3 和 H4 的高度乙酰化，組氨酸 H3 在賴氨酸 4 (H3K4me2/2/3) 處的二甲基和三甲基化 (Fig 5A)。然而，當(dāng)轉(zhuǎn)錄由于被甲基化受阻時(shí)，受阻區(qū)域染色質(zhì)結(jié)構(gòu)就會(huì)變得緊縮在一起，H3/H4 乙酰化和 H3K4 甲基化不顯示，取而代之的是富含 H3K9 (H3K9me2/3)，H3K27的三甲基化 (H3K27me3) 和 H4K20 的三甲基化 (H4K20me3)(Fig 5)。

DNA 甲基化抑制劑