甲基化，是指從活性甲基化合物上將甲基催化轉(zhuǎn)移到其他化合物的過(guò)程，可形成各種甲基化合物，或是對(duì)某些蛋白質(zhì)或核酸等進(jìn)行化學(xué)修飾形成甲基化產(chǎn)物。在生物系統(tǒng)內(nèi)，甲基化是經(jīng)酶催化的，這種甲基化涉及重金屬修飾、基因表達(dá)的調(diào)控、蛋白質(zhì)功能的調(diào)節(jié)以及核糖核酸加工。
釋義
甲基化是指從活性甲基化合物上將甲基催化轉(zhuǎn)移到其他化合物的過(guò)程。
類型
甲基化包括脫氧核糖核酸甲基化和蛋白質(zhì)甲基化。
（1）DNA甲基化：脊椎動(dòng)物的DNA甲基化一般發(fā)生在CpG位點(diǎn)（胞嘧啶磷酸-鳥嘌呤位點(diǎn)，即DNA序列中胞后緊連鳥嘌呤的位點(diǎn)）。經(jīng)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶催化胞嘧啶轉(zhuǎn)化為5-甲基胞嘧啶。人類基因中約80%-90%的CpG位點(diǎn)已被甲基化，但是在某些特定區(qū)域，如富含胞嘧啶和鳥嘌呤的CpG島則未被甲基化。這與包含所有廣泛表達(dá)基因在內(nèi)的56%的哺乳綱基因中的啟動(dòng)子有關(guān)。1%-2%的人類基因組是CpG群，并且CpG甲基化與轉(zhuǎn)錄活性成反比。
（2）蛋白質(zhì)甲基化：蛋白質(zhì)甲基化一般指精氨酸或賴氨酸在蛋白質(zhì)序列中的甲基化。精氨酸可以被甲基化一次（稱為一甲基精氨酸）或兩次（精氨酸甲基轉(zhuǎn)移酶（PRMTs）將兩個(gè)甲基同時(shí)轉(zhuǎn)移到精氨酸多肽末端的同一個(gè)氮上成為非對(duì)稱性甲基精氨酸，或者在每個(gè)氮端各加一個(gè)甲基成為對(duì)稱性二甲基精氨酸）賴氨酸經(jīng)賴氨酸轉(zhuǎn)移酶的催化可以甲基化一次、兩次或三次。在組蛋白中，蛋白質(zhì)甲基化是被研究最多的一類。在組蛋白轉(zhuǎn)移酶的催化下，腺苷甲硫氨酸的甲基轉(zhuǎn)移到組蛋白。某些組蛋白殘基通過(guò)甲基化可以抑制或激活基因表達(dá)，從而形成為表觀遺傳。蛋白質(zhì)甲基化是翻譯后修飾的一種形式。
功能
甲基化是蛋白質(zhì)和核酸的一種重要的修飾，調(diào)節(jié)基因的表達(dá)和關(guān)閉，與癌癥、衰老、阿茲海默癥等許多疾病密切相關(guān)，是表觀遺傳學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容之一。最常見(jiàn)的甲基化修飾有脫氧核糖核酸甲基化和組蛋白甲基化。
DNA甲基化能關(guān)閉某些基因的活性，去甲基化則誘導(dǎo)了基因的重新活化和表達(dá)。DNA甲基化能引起染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、DNA構(gòu)象、DNA穩(wěn)定性及DNA與蛋白質(zhì)相互作用方式的改變，從而控制基因表達(dá)。研究證實(shí)，CpG二核酸中胞嘧啶的甲基化導(dǎo)致了人體1/3以上由于堿基轉(zhuǎn)換而引起的遺傳病。DNA甲基化主要形成5-甲基胞嘧啶（5-mC）和少量的N6-甲基腺嘌呤（N6-mA）及7-甲基鳥嘌呤（7-mG）。在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出現(xiàn)在CpG序列、CpXpG、CCA/TGG和GATC中。
DNA甲基化是指生物體在DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNA甲基transferase，DMT)的催化下，以腺苷甲硫氨酸（腺苷甲硫氨酸）為甲基供體，將甲基轉(zhuǎn)移到特定的堿基上的過(guò)程。脫氧核糖核酸甲基化可以發(fā)生在6-氨基嘌呤的N-6位、鳥嘌呤的N-7位、胞嘧啶的C-5位等。但在哺乳綱中DNA甲基化主要發(fā)生在5’-CpG-3’的C上生成5-甲基胞嘧啶（5mC）。
DNA甲基化主要是通過(guò)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶家族來(lái)催化完成的。研究人員在真核生物中發(fā)現(xiàn)了3類DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（Dnmt1、Dnmt2、Dnmt3a、Dnmt3b）。Dnmt1一種是維持性甲基化酶；Dnmt2可與DNA上特異位點(diǎn)結(jié)合，但具體作用尚不清楚；Dnmt3a和Dnmt3b是重新甲基化酶，它們使去甲基化的CpG位點(diǎn)重新甲基化，即參與脫氧核糖核酸的從頭甲基化。在哺乳動(dòng)物的生殖細(xì)胞發(fā)育時(shí)期和植入前胚胎期，其基因組范圍內(nèi)的甲基化模式通過(guò)大規(guī)模的去甲基化和接下來(lái)的再甲基化過(guò)程發(fā)生重編程，從而產(chǎn)生具有發(fā)育潛能的細(xì)胞；在細(xì)胞分化的過(guò)程中，基因的甲基化狀態(tài)將遺傳給后代細(xì)胞。由于DNA甲基化與人類發(fā)育和腫瘤疾病的密切關(guān)系，特別是CpG島甲基化所致抑癌基因轉(zhuǎn)錄失活問(wèn)題，DNA甲基化已經(jīng)成為表觀遺傳學(xué)和表觀基因組學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。
組蛋白甲基化是指發(fā)生在H3和H4組蛋白N端arg或Lys殘基上的甲基化，由組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)催化。組蛋白甲基化的功能主要體現(xiàn)在異染色質(zhì)形成、基因印記、X染色體失活和轉(zhuǎn)錄調(diào)控方面。除了存在組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶以外，還發(fā)現(xiàn)了去甲基化酶。先前人們認(rèn)為組蛋白的甲基化作用是穩(wěn)定而不可逆的，使這種去甲基化酶的發(fā)現(xiàn)使組蛋白甲基化過(guò)程更具動(dòng)態(tài)性。
檢測(cè)方法
(1)甲基化特異性的PCR（Methylation-specificPCR，MSP）
用亞硫酸氫鹽處理基因組脫氧核糖核酸，所有未發(fā)生甲基化的胞嘧啶被轉(zhuǎn)化為尿嘧啶，而甲基化的胞嘧啶不變；隨后設(shè)計(jì)針對(duì)甲基化和非甲基化序列的引物進(jìn)行PCR。通過(guò)電泳檢測(cè)MSP擴(kuò)增產(chǎn)物，如果用針對(duì)處理后甲基化DNA鏈的引物能得到擴(kuò)增片段，則說(shuō)明該位點(diǎn)存在甲基化；反之，說(shuō)明被檢測(cè)的位點(diǎn)不存在甲基化。
(2)亞硫酸氫鹽測(cè)序法（BisulfitesequencingPCR，BSP）
用亞硫酸氫鹽處理基因組DNA，則未發(fā)生甲基化的胞嘧啶被轉(zhuǎn)化為尿嘧啶，而甲基化的胞嘧啶不變。隨后設(shè)計(jì)BSP引物進(jìn)行PCR，在擴(kuò)增過(guò)程中尿嘧啶全部轉(zhuǎn)化為胸腺嘧啶，最后對(duì)PCR產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)序就可以判斷CpG位點(diǎn)是否發(fā)生甲基化稱為BSP-直接測(cè)序方法。將PCR產(chǎn)物克隆至載體后進(jìn)行測(cè)序，可以提高測(cè)序成功率，這種方法稱為BSP-克隆測(cè)序法。
(3)高分辨率熔解曲線法（HighResolutionMelting，人力資源管理）
在非CpG島位置設(shè)計(jì)一對(duì)針對(duì)亞硫酸氫鹽修飾后的脫氧核糖核酸雙鏈的引物，這對(duì)引物中間的片段包含感興趣的CpG島。若這些CpG島發(fā)生了甲基化，用亞硫酸氫鹽處理后，未甲基化的胞嘧啶經(jīng)PCR擴(kuò)增后轉(zhuǎn)變成胸腺嘧啶，而甲基化的胞嘧啶不變，樣品中的GC含量發(fā)生改變，從而導(dǎo)致熔解溫度的變化。
(4)基因組直接測(cè)序法
基因組直接測(cè)序法是過(guò)去一直沿用的DNA甲基化的研究方法，用Maxam—Gilbert化學(xué)裂解法對(duì)基因組DNA進(jìn)行處理，并以連接介導(dǎo)的PCR來(lái)放大信號(hào)強(qiáng)度，然后進(jìn)行序列分析。此法是基于5mC在標(biāo)準(zhǔn)的Maxam—Gilbert胞嘧啶化學(xué)裂解反應(yīng)中不被裂解，故5mC可通過(guò)在測(cè)序膠上缺少對(duì)應(yīng)于胞嘧啶降解反應(yīng)產(chǎn)物的一個(gè)條帶而得以鑒定。如采用MnO4啶法，結(jié)果則反之因此在檢測(cè)5mC時(shí)，此兩法可提供完全互補(bǔ)的檢測(cè)信息。該法與LM-PCR結(jié)合后，大大降低了對(duì)基因組脫氧核糖核酸的需要量（1～2ng）。當(dāng)5mC和C同時(shí)處于不同DNA分子上的同一位點(diǎn)時(shí)，該位點(diǎn)至少要有25%的5mC才能被N2H4法檢測(cè)到；MnO4法比N2H4法更靈敏。因?yàn)檫@兩種基因組DNA化學(xué)修飾法均有抑制DNA聚合酶延伸的特性，無(wú)須進(jìn)行DNA哌啶裂解就可通過(guò)基因組直接測(cè)序技術(shù)進(jìn)行甲基化分析。
參考資料 >