研究与评论:生物学研究雷竞技苹果下载杂志
菜单ISSN: 2322 - 0066
ISSN: 2322 - 0066
收到日期:06/05/2016;接受日期:25/05/2016;发表日期:29/05/2016
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表观遗传学DNA甲基化是指研究基因表达的可遗传变化，这种变化在DNA序列没有变化的情况下发生，DNA甲基化是这种调控的最重要的致病成分之一。与DNA突变不同，DNA甲基化的变化可以受到环境因素的影响，它们在个体的时间尺度上是稳定的，并呈现不同程度的遗传力。细菌中针对噬菌体感染的有效抗性系统利用甲基化机制，这些防御系统成为生物技术应用中的宝贵工具。基因组甲基化的进化模式指导我们更好地理解不同生物的特定功能。在人类疾病中，与通常发生在大范围位点的突变相反，特定启动子区域的异常甲基化是癌症的一致特征。因此，这些循环甲基化表观基因型的测定在反映癌症发生的早期阶段和预先确定未来的癌症类型方面是非常有利的。在这篇评论中，我们的目的是提供一个与甲基化有关的概念和分子机制的概述。了解甲基化如何动态地对原核和真核生命形式做出贡献，对于在进化和临床实践中感知表观遗传过程的价值有很大的希望。
表观遗传学，甲基化，DNA甲基转移酶，CpG岛。
遗传学是指研究在基因序列基础上遗传的信息，表观遗传学是研究在DNA序列没有任何变化的情况下发生的可逆变化[1-2]。表观遗传修饰类型包括DNA甲基化、组蛋白修饰、microRNA (miRNA)和长链非编码RNA (lncRNA)介导的调控[3.]。动态染色质状态由DNA甲基化和组蛋白修饰的可逆表观遗传模式控制，因此这两种模式协调DNA组织和基因表达[4]。表观遗传的参与者积极相互作用，最终决定基因的表达;DNA甲基转移酶(DNMTs)对DNA甲基化的作用受其与组蛋白和核小体相互作用的影响，DNA甲基化也可介导组蛋白和核小体修饰[5]。DNA甲基化是胚胎正常发育所必需的，具有基因调控、细胞分化控制、染色质修饰、突变积累、沉默等重要功能内生逆转录病毒、染色体完整性、基因组印迹控制与X染色体失活[6]。
DNA甲基化的建立和维持是由被称为DNA甲基转移酶的特定酶产生的。甲基可以通过依赖于生物体的区域DNA甲基转移酶结合到腺嘌呤的N6位置或胞嘧啶的不同分子位置(N4或C5)。腺嘌呤甲基化在真细菌和太古菌中被发现，但仅限于一些单细胞生物，如四膜虫真核生物和陆地植物的叶绿体基因组。C5位置的胞嘧啶甲基化在所有生命领域中都很常见，并且是多细胞真核生物中报道的唯一DNA修饰[7]。
DNA甲基化在细菌中的重要性是保护细菌基因组免受细胞外DNA的入侵。据估计，地球上有1031种病毒，其中大多数是感染细菌的噬菌体[8]。因此，大量的噬菌体迫使细菌发展出对抗这些多产入侵者的防御机制也就不足为奇了。原核生物的防御系统根据其作用方式可分为两大类;第一组包括基于自我-非自我歧视原则的防御系统，第二组防御系统基于由感染引起的程序性细胞死亡或休眠。基于自我-非自我歧视的防御系统至少包含三种类型;最典型的是限制性修饰(R-M)系统，该系统使用甲基化标记“自我”基因组DNA，并识别和切割未修饰的“非自我”DNA。另一种防御系统叫做DNAphosphorothioation通过磷酸化硫代化标记DNA并破坏未修饰的DNA。这两个系统代表了原核生物的先天免疫。与这些机制不同，第三种机制代表了原核适应性免疫系统，被称为CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats)-Cas (CRISPR相关基因)，这是拉马克遗传最著名的案例[9]。细菌可以在CRISPR位点内整合噬菌体衍生序列的短链(间隔)，从而对噬菌体产生耐药性，并且CRISPR位点和噬菌体基因组区域都受到快速进化变化的影响。crispr介导的耐药性的关键特征是新获得的间隔(大小在29到31个核苷酸之间)必须与噬菌体基因组序列相同才能提供耐药性[10]。在大约一半的测序细菌基因组和80%以上的古细菌基因组中发现的CRISPR-CAS系统与真核生物RNA干扰(RNAi)系统有一些相似之处，特别是与piwi相互作用RNA (piRNA) [11，12]。最具特征的限制修饰(R-M)系统，其保护通常由甲基化授予，存在于超过90%的已测序细菌和古菌基因组中，最著名的II型系统广泛应用于分子生物学[12，13]。虽然R-M系统已经得到了详尽的研究，特别是在基因工程方面，但最近的研究表明，这两种系统似乎是兼容的，可以切割入侵的DNA，并为细菌提供增强噬菌体抗性的能力。此外，CRISPR-Cas系统可以裂解先前被R-M系统甲基化的噬菌体DNA [12]。最近，一种新的防御系统被称为BREX(噬菌体排斥)被发现。该系统甲基化染色体DNA在一个特定的基序和甲基化似乎是必不可少的系统的活动。因此，BREX是一种噬菌体防御系统，提供了对各种噬菌体的保护，包括毒性和温带噬菌体，对BREX系统在微生物物种间分布的研究阐明了广泛的水平转移[14]。在酵母、蛔虫和果蝇等真核生物中，DNA甲基化的缺失与DNA甲基转移酶同源物的进化损失有关[15]。“基因组防御”假说也适用于哺乳动物。基因组寄生虫例如转座因子可以被DNA甲基化控制，它可以阻止移动因子的转录。哺乳动物基因组中的许多甲基化胞嘧啶存在于可移动元件中，当DNA甲基转移酶失活时，一些内源逆转录病毒趋于去甲基化。由于这一假设存在一些例外，如C. testinalis，因此这个问题需要进一步研究[16]。
执行DNA甲基化的DNMTs共享一个保守的催化结构域，这指的是一个共同的和古老的起源[16]。在大多数动物门中，DNA甲基转移酶由DNMT1、DNMT2和DNMT3这三个分支组成。DNMT1是一种复制后维持的DNA甲基转移酶，参与在C5位置添加甲基，从而确保DNA甲基化状态忠实地复制在新合成的DNA链上。DNMT3在动物发育过程中甲基化DNA，被称为从头DNA甲基转移酶。DNMT2的甲基化作用很小，其酶学主要指向tRNA [17]。此外，由于DNMTs具有共同的起源，甲基化在大多数生物中是保守的，并明显偏好外显子[18]。
动物基因组中的DNA甲基化几乎只发生在胞嘧啶和鸟嘌呤上，即所谓的“CpG”二核苷酸”。化学上不稳定的甲基化胞嘧啶倾向于自发脱氨并突变为胸腺嘧啶。因此，DNA甲基化导致从CpGs到TpGs的点突变频率很高，甲基化的基因组区域逐渐失去CpGs。基因组区域中CpG二核苷酸的消耗是通过一个称为“CpG O/E:由预期CpG频率归一化的观察CpG频率”的度量来测量的，这是一个直接而可靠的方法来评估不同基因组的DNA甲基化水平[16]。
进化新颖性的来源之一是基因复制事件。然而，基因组动力学中的基因重复也会导致蛋白质的化学计量失衡，从而降低生物体的适应性。基因重复和选定基因家族的比较分析证据支持差异DNA甲基化和表观遗传变化在保护重复基因不被假基因化方面的作用[19]。当研究人类和黑猩猩的多个组织时，根据组织的不同，基因表达水平的12-18%的物种间差异可能部分由DNA甲基化模式的变化来解释[20.]。然而，在某些情况下，包括纤溶酶原序列，胞嘧啶甲基化模式似乎是保守的[21]。韩德尔和拉马戈帕兰的争论集中在表观基因组的本质上。由于表观基因组是动态的，而环境对其产生关键影响，表观遗传标记反映了个体的环境暴露，并在细胞/组织的生命周期中趋于变化，因此始终可以获得[22]。
在疾病机制的发展中，DNA甲基化对基因组有3个重要的影响:1)5-甲基胞嘧啶的突变负担，2)启动子甲基化对基因转录的表观遗传效应，3)DNA低甲基化可能激活基因并诱导染色体不稳定[23]。表观遗传学显然与人类的各种疾病有关，如发育性疾病、自身免疫障碍、神经精神障碍、儿科综合征和癌症[4，24]。
甲基化改变是不同类型癌症的共同特征，并发生在癌症发展的早期。从血浆、血清或尿液等体液中分离出的循环肿瘤DNA (ctDNA)为非侵入性监测癌症患者肿瘤负荷的变化提供了巨大的潜力，因此有助于在手术后或治疗期间定制治疗。癌症特异性循环DNA甲基化提供了一系列有希望的目标，如改善患者管理，减少不必要的药物毒性和加速临床试验的数据获取[23，25]。与突变不同，甲基化总是发生在确定的区域(CpG岛)，可以用高灵敏度和高分辨率技术检测到。此外，每种类型的肿瘤似乎都有自己的甲基化基因模式特征[2]。病原体感染也有助于人类癌症，这些感染可导致异常甲基化谱。幽门螺杆菌感染诱导胃粘膜DNA甲基化积累，导致表观遗传场缺陷，从而增加胃癌发展的风险。巴尔病毒EBV感染在胃上皮细胞中诱导广泛的DNA甲基化，具有独特的甲基化表观基因型。人乳头瘤病毒(hpv)感染皮肤或粘膜上皮，其中宫颈瘤可发展。HPV长控制区(LCR)包含早期基因的病毒启动子序列，包括病毒癌基因E6和E7，病毒转录增强子和DNA复制的病毒起源。DNA甲基化研究显示，HPV16 LCR序列中CpG甲基化程度与疾病严重程度之间存在关联[26，27]。
细菌和人类甲基化的主要机制和模型的简要概述见(图1)。
图1:生物基因组上的甲基化现象。
(1)胞嘧啶(CpG)甲基化。(A) DNA甲基转移酶1,3a，或3b (DNMT)催化甲基的添加(圈出的CH3.)在胞嘧啶核苷酸嘧啶环的第5个碳上使用s -腺苷蛋氨酸(SAM-CH3.)作为甲基供体。(B)由胞嘧啶磺化(胞嘧啶到胞嘧啶磺酸盐)开始c -t转变，然后发生水解脱氨(胞嘧啶磺酸盐到尿嘧啶磺酸盐)，最后由碱脱硫(尿嘧啶磺酸盐到尿嘧啶)结束。由于甲基胞嘧啶抵抗这种化学处理，甲基化和非甲基化CpG可以通过后续的分子技术加以区分。(2)限制修改(R-M)系统作为防御机制。R-M系统识别传入的外来DNA(如噬菌体基因组)的甲基化状态。甲基化序列被识别为自我，而进入DNA上缺乏甲基化的识别序列被识别为非我，并被限制性内切酶(REase)切割。基因组识别位点的甲基化状态由同源甲基转移酶(MTase)维持。(3) CRISPR-Cas模型:注入噬菌体DNA后，Cas9形成适应复合物，Cas1、Cas2和Csn2利用Cas9 PAM结合域指定功能原间隔子。目前还不清楚原间隔序列是如何从病毒DNA中提取出来成为间隔体的。提出了两种模式:“剪切粘贴”和“复制粘贴”。 In “cut and paste” model, a nuclease, possibly Cas1, cuts the viral DNA to generate the spacer. In the “copy and paste” model, the protospacer sequence is copied first. Once loaded with the selected protospacer sequence, this complex promotes the integration of this sequence into the CRISPR array, thus becoming a new spacer. (4) DNA methylation and cancer: A representative region of genomic DNA in a normal cell is shown. The region shown contains repeat-rich, hypermethylated pericentromeric heterochromatin and an actively transcribed tumour suppressor gene (TSG) associated with a hypomethylated CpG island. In tumour cells, hypomethylation of repeat-rich heterochromatin contributes to genomic instability through increased mitotic recombination events. De novo methylation of CpG islands also occurs in cancer cells and can result in the transcriptional silencing of growthregulatory genes [28-31]。
综上所述，我们可以看出甲基化现象在原核和真核生命形式中都是不可避免的重要现象。它在古生菌和细菌的基因组防御系统修饰方面有价值，并负责植物和动物的基因调控机制。在人类中，这是一个非常有前途的概念，具有将分子遗传学转化为新的临床应用的能力，例如甲基化的测定epigenotypes多种疾病和疾病亚型，高危人群的预确定，量身定制的分子治疗方案的发展，监测手术后和治疗期间肿瘤负荷的变化。
