表观遗传学-DNA甲基化

一、DNA的甲基化

DNA甲基化 ①

1、 在DNA甲基转移酶（DNA methyltransferase, DNMTs）的作用下，将一个甲基添加的胞嘧啶的5’-碳分子>上，形成5-甲基化胞嘧（5-methylcytosine）
2、 胞嘧啶甲基化后产生5-甲基化胞嘧啶能够自发的脱氨基形成胸腺嘧啶（Thymine）：5mC -> T

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3、 哺乳动物中，~1%的DNA碱基能够发生甲基化修饰
4、 DNA甲基化的分布：转座子，逆转录病毒衍生的重复序列，大多数功能基因的编码区。

DNA甲基化 ②

1、 DNA甲基化的模式：
（1）线虫：无甲基化的胞嘧啶
（2）果蝇：极少量的甲基化胞嘧啶，识别模式CpT (主要) vs. CpG (极少)
（3）哺乳动物：CpG (~70%)或者CpNpG
2、 CpG– Cytosine phosphate Guanine
3、 镶嵌的甲基化(mosaic methylation): 基因组中，高度甲基化的部分DNA序列被大的非甲基化DNA序列所分隔开
4、 难以被DNA修复系统所识别： CG→TG是可遗传的

CpG岛的甲基化 ③

1、 CpG岛：富含CpG区域，长度500~1000bp，GC含量超过55%
2、 非随机出现：~60%的编码基因的5’UTR区域（转录起始区域）含有CpG岛。
3、 CpG的含量：
（1）CG出现的期望值（百分比）：1/16 = 6.25%
（2）观察值：很少（~1%）
（3）原因：CG具有很高的突变率
4、 C-T转换率是其他碱基对转换率的10-40倍以上
5、 例如：人类肿瘤细胞中的p53基因，50%的点突变都发生在CpG上。

CpG岛的甲基化 ④

1、CpG在重复片段以及基因的3’UTR区域能够发生甲基化
2、 CpG岛通常不被甲基化（CpG则容易被甲基修饰）
3、 哺乳动物中：26,000-45,000 CpG岛。常分布在持家基因和一些组织表达特异性基因的启动子区域
4、 CpG岛：可以被HpaII酶(C|CGG)切成小片段，因此也叫HTF岛

二、DNA甲基化的基因调控模型

1、DNA甲基化的主要功能：转录沉默（silencing transcription）

(1) 基因的启动子区域通常不被甲基化修饰
(2) 建立特定的基因表达模式：组织特异性、生殖特异性…
(3) 基因印记、X染色体失活

2. DNA甲基化抑制基因转录的机制：

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(1) 干扰转录因子对DNA元件的识别和结合
直接干扰机制Ⅰ

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补充：转录因子（transcription factor）是能与位于转录起始位点上游50～5000bp的顺式作用元件（cis-acting elements）、沉默子（silencer）或增强子（enhancer）结合并参与调节靶基因转录效率的一组蛋白，并能将来自细胞表面的信息传递至核内基因。
(2) 将转录因子的DNA识别序列转变为阻抑物的识别序列

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(3) DNA甲基化有利于招募染色质重塑或修饰因子
The methyl-CpG-binding proteins MeCP1 and MeCP2能够与甲基化的DNA结合，而MeCP2能够招募Sin3a, HDACs，形成复合物，阻遏转录。
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3. DNA甲基化：是转录沉默的结果和维持，而不是原因（费解！！！）

三、真核生物的DNA甲基转移酶

1、哺乳动物: DNMT1, DNMT3A, DNMT3B，DNMT3L, DNMT2
2、拟南芥：DRM2, MET1，DNMT2, CMT3
3、 粗糙脉孢菌(Neurospora crassa): DIM2, dim-5, RID

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4. DNA甲基化与去甲基化

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5、DNA甲基化的维持：两种模型

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6、表观遗传修饰的重编程

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7、DNA甲基化：Cell Memory

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8、DNA甲基转移酶的功能

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9、启动子的甲基化

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四、DNA甲基化的通路：拟南芥

1、 TXN：Transcription
2、 拟南芥中大多数全新甲基化由siRNA介导
3、 DRM2: de novo; MET1: Maintenance

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五、DNA去甲基化

1、DNA去甲基化(DNA demethylation): 5甲基胞嘧啶(5mC) 替代成胞嘧啶的过程
2、 两种方式
(1) 主动去甲基化(Active DNA demethylation)
A. Bona fide demethylation
B. Indirect demethylation
(2) 复制相关的去甲基化(Replication-coupled DNA demethylation)
(3) 启动DNA去甲基化
1、5-甲基胞嘧啶去甲基化酶将5-甲基胞嘧啶水解成胞嘧啶和水
2、5-甲基胞嘧啶/DNA糖基化酶将5-甲基胞嘧啶从磷酸二脂键骨架中切除，然后通过内切酶修复

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3、间接去甲基化

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4、DNA复制去甲基化

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