全 文 ：综述与专论
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2010年第 5期
DNA甲基化与基因表达调节
陈秀莉 1, 2 马利兵 1
( 1内蒙古科技大学数理与生物工程学院,包头 014010; 2包头师范学院生物科学与技术学院,包头 014030)
摘 要: DNA异常甲基化是一种表观遗传改变,常发生在启动子区的 CpG岛。某些基因甲基化与基因表达密切相关,
在生命过程中扮演着重要功能。一方面, DNA甲基化与高等动物的生长发育密切相关, 另一方面, DNA甲基化和其他生命过
程也有重要的联系。如 X染色体失活、基因组印记、发育调控及细胞分化和肿瘤发生发展中起重要作用。
关键词: DNA甲基化 CpG岛 基因表达调控
DNAM ethylation and Gene Express Regulation
Chen X iuli
1, 2 M a L ibing1
(
1
School of M athematicsPhy sics and B iological Engeineering, InnerM ongolia University of Science and T echnology, Baotou 014010;
2
Faculty of B io logical Science and T echnical, Baotou T eachersCollege, Baotou 014030)
Abstrac:t Aberrant DNA m ethylation is an epigenetic m od ifica tion, w hich offen occurred CpGisland o f prom o ter. Some gene
m ethy lation has been lincked to gene express wh ich plays an im portant role in the life process. On the one hand, DNA m ethy lation relat
ed h igh anim a ls deve lopm en t and o ther life process, such as Xchrom osom e inactivation, genom e im press, regu lato in of develop process
p lay an important ro le.
Key words: DNA me thy la tion CpGisland Gene express regulation
收稿日期: 20091218
基金项目:内蒙古自治区高等学校科学技术研究项目 ( NJ09093 )
作者简介:陈秀莉,讲师,在读硕士生,研究方向:表观遗传学; Em ai:l chenx iu li6666@ s ina. com
通讯作者:马利兵,男,副教授,博士,研究方向:表观遗传学; Em ai:l m lbxn2004@ 163. com
DNA甲基化 ( DNA me thylat ion)是常见的表观
遗传学现象, 它是指在 DNA甲基转移酶 ( DNMTs)
的作用下,将甲基添加在 DNA分子中的碱基上。常
见的 DNA甲基化发生在 DNA链上的胞嘧啶第 5位
碳原子和甲基间的共价结合,胞嘧啶由此被修饰为
5甲基胞嘧啶 ( 5mC)。哺乳动物基因组中约有 5%
- 10%是 CpG位点, 其中约有 70%为 mCpG。 CpG
岛具有以下特征: CpG岛主要位于基因的启动子
区,少量位于基因的第一个外显子区; CpG岛一般
是非甲基化的, 而在失活 X染色体、印记基因和非
表达的组织特异基因中则是甲基化的 [ 1]。
1 DNA甲基化与基因表达
1. 1 DNA甲基化与去甲基化
DNA甲基化是指生物体在 DNA甲基转移酶
( DNA methyltransferase, DMT )的催化下, 以 S腺苷
甲硫氨酸 ( SAM )为甲基供体, 将甲基转移到特定的
碱基上的过程。DNA甲基化时期很短, 它主要通过
DNA甲基转移酶来维持。目前所知, 基因已被克隆
的甲基转移酶如 M tase /Dnm tl[ 1]显示两种活性:一是
在半甲基化的双链上对称性的保持甲基化; 二是重
新甲基化,它使去甲基化的 CpG点重新甲基化。甲
基化双链 DNA复制后生成的双链中, 母链携带甲
基, 子链是非甲基化的, DNA甲基转移酶只识别母
链的 5甲基胞嘧啶 ( 5mC)。
哺乳动物体内可能存在去甲基化的酶,这种酶
可能为一种糖基化酶、核酸内切酶或真正的去甲基
化酶。研究显示, 在发育过程中甲基化酶存在于所
有细胞, 酶中包含有 RNA成分,可能被一个结合蛋
白抑制。一般认为, DNA甲基化有两种方式: 一种
是主动去甲基化 ( active demethylat ion); 另一种是复
制相关的 DNA去甲基化 ( replicat ioncoupled dem
ethylat ion)
[ 1]。
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2010年第 5期
1. 2 DNA甲基化的功能
近年来,随着甲基化研究的深入,越来越清楚地
揭示出甲基化的两种功能: 在发育和分化中调控基
因的表达。以及中和潜在的危险的 DNA序列, 如转
座子和外源病毒等。至今甲基化的功能并没有完全
搞清楚,而且在不同生物中功能也不尽相同。不同
基因组中甲基化比例的差异可能与通过甲基化及其
它机制的表观遗传记忆的形式相关联。
1. 2. 1 DNA甲基化在基因表达调控中的作用
DNA甲基化和许多生命过程有重要关系,如雌性哺
乳动物的 X染色体失活,能很好地实现体内 X染色
体上基因表达剂量的平衡;管家基因的低甲基化,使
其具有持续的活性;印迹基因的高甲基化,使其具有
不同于经典孟德尔式遗传方式;而对转座子、病毒基
因组的甲基化则是机体的天然防御体系等。
另外, DNA甲基化与基因沉默密切相关。一般
认为甲基化机制是用来标识沉默基因, 而从发育早
期开始体细胞中很多基因启动子区域的甲基化对于
不可逆的基因沉默是必需的。含有 DNA甲基转移
酶的蛋白复合物能识别修饰过的 H 3K9核小体组蛋
白。甲基化能防止转录因子与启动子区域结合,并
同时向结合蛋白给出信号,使其协同抑制基因表达。
1. 2. 2 DNA甲基化调控基因表达机制 在表观遗
传学的研究中, DNA甲基化直接制约基因的活性状
态。目前,研究者认为 DNA甲基化主要在转录水平
抑制基因表达。许多抑癌基因启动子区 CpG岛甲其
化后造成基因转录障碍,导致细胞恶性转化。甲基化
抑制基因转录有以下方面 [ 2]: DNA轴的主沟是许多蛋
白因子与 DNA结合的部位,当胞嘧啶被甲基化后, 5mC
则突出至主沟中,从而干扰了转录因子与 DNA结合。
体外研究发现,某些特异转录因子与甲基化靶序列的
亲和力明显降低 [ 3]。但有一些转录因子,如 sp1和 CTF
对其结合位点和甲基化不敏感。另有许多其它因子在
其结合位点没有 CpG残基。序列特异性甲基化连接蛋
白 ( sequence spec ific methy lated DNA binding protein,
MDBP)与启动子区甲基化 CpG岛结合,阻止转录因子
与启动子靶序列的结合,从而影响基因的转录 [ 4]。
2 甲基化异常在肿瘤发生发展中的作用
2. 1 甲基化对胚胎发育的影响 [ 5]
甲基化对胚胎发育至关重要,已经证明,小鼠胚
胎甲基化转移酶基因如发生纯合性丢失或失活, 中
期妊娠后将不能继续发育。研究表明, DNA甲基化
在胚胎发生中经历了一系列动态变化:在成熟的卵
和精细胞中许多 CpG位点被甲基化;普遍的去甲基
化发生在胚胎植入前期, 16细胞的桑椹期前保持非
甲基化;但着床后, 除了那些包含 CpG岛的看家基
因不受调节外,其它基因都涉及这个过程;在妊娠的
发育阶段,组织特异基因经历选择性的去甲基化形
成特异表达细胞类型。
2. 2 DNA甲基化和基因组印记
基因印记是一种不符合传统孟德尔遗传的表观
遗传现象。它是指来自父方和母方的等位基因在通
过精子和卵子传递给子代时发生了某种修饰, 这种
作用使其后代仅表达父源或母源等位基因中的一
种 [ 1]。目前认为 DNA甲基化是造成基因印记的主
要原因,该修饰作用发生于胚胎发育早期, 当 DNA
甲基化紊乱时, 造成印记丢失 [ 6 ]。研究发现, 人的
脐疝巨人症 ( BWS)主要是由于第 11号染色体上的
Igfz和 CDKN IC两个印记基因的错误表达引起。正
常情况下, Igfz为父本表达的等位基因, CDKN IC为
母本表达的等位基因。父本单亲二体型是引发
BWS的主要原因,即患者的 Ig fz基因双倍表达, CD
KN IC基因不表达。这表明父本表达的等位基因对
胚胎的生长有促进作用, 而母本表达的等位基因对
胚胎的发育起限制作用 [ 1]。
印记丢失不仅影响胚胎发育还可诱发出生后的
发育异常,从而导致癌症发生。如果有活性的抑癌
基因等位基因失活便提高了发生癌症的概率, 例如
Ifg2基因印记丢失将导致多种肿瘤,如 W ilm s肿瘤。
和印记丢失相关的疾病还有成神经细胞瘤、急性早
幼粒细胞白血病、横纹肌肉瘤和散发的骨肉瘤等。
当甲基化对印记基因修饰紊乱时是造成印记丢失,
抑制和刺激生长的信号失衡, 这在肿瘤的发生中扮
演重要角色 [ 7] , 但其具体作用机制目前还不清楚。
2. 3 甲基化与 X染色体失活
X染色体失活的选择和启动发生在嚢胚期, 这
个过程由 X失活中心 ( Xinactivation cen ter, X ic)控
制, 这是一种反义转录调控模式。X ic是一个顺式
作用位点,包含辨别 X染色体数目的信息和 X ist基
因。X ist基因 5 端在活性 X染色体中是完全甲基化
8
2010年第 5期 陈秀莉等: DNA甲基化与基因表达调节
的,而在失活 X染色体中是非甲基化的。最近研究
显示长达 450 kb的 X IC序列具有选择、启动和保持
X染色体失活的功能。故推测, 甲基化在 X染色体
失活和维持失活中扮演重要的角色 [ 5 ]。
2. 4 DNA甲基化与肿瘤
肿瘤组织中 DNA甲基化异常概括为广泛低甲
基化伴局部 CpG岛甲基化。DNA甲基化是一种影
响基因表达的机制,并与肿瘤发生有着密切的联系。
DNA甲基化状态改变是致癌作用的一个关键因素,
是肿瘤抑制基因的失活方式之一, 它通过基因机制
和基因外机制导致细胞增殖和分化的相关基因表达
异常, 造成细胞失去对正常过程的控制而发生恶变
形成肿瘤 [ 7]。
2. 4. 1 DNA低甲基化 肿瘤细胞中 DNA甲基化
的不平衡,可能是引起基因表达遗传性改变,形成基
因组不稳定性的分子基础。在许多肿瘤发现, DNA
的低甲基化可导致转甲基作用的程序改变和致癌基
因表达的提高。在细胞群体中,低甲基化可导致原
癌基因活化,形成突变热点、染色体不稳定及转座子
的异常表达等。因此, 低甲基化的细胞具有肿瘤生
长优势, DNA 甲基化可促进低甲基化的细胞克隆
扩大 [ 8]。
在肿瘤早期和出现症状之前, 肿瘤中基因组甲
基化程度普遍降低, 如 Cmyc、raf、Cfos、CHras和
CKras等基因, 同时肿瘤中特异癌基因低甲基化。
在大肠癌中, CKras基因及 Cmyc基因的第三外显
子低度甲基化,而在正常细胞中它们是完全甲基化
的 [ 7]。 Jang等 [ 9]报道在非小细胞肺癌及吸烟志愿
者的支气管中, 多数黑色素瘤抗原基因 (m elanoma
ant igenencoding genes, MAGE ) A 1、A3、B2启动子呈
低甲基化与 mRNA表达显著正相关。这些研究显
示,多种肿瘤中都存在原癌基因低甲基化,并且低甲
基化和相应蛋白表达升高密切相关, 说明基因低甲
基化可诱发原癌基因激活。
DNA甲基化有助于 5mC - T的突变 [ 10 ]。早期
研究证实在人类肿瘤中 p53基因大约 25%的点突
变发生在 CpG位点上, 在结肠癌中这个比例几乎达
到 50%左右。 Feng等 [ 10]报道在胆囊癌组织中, 4
氨基联苯优先和 p53基因甲基化的 CpG位点结合。
这些研究说明甲基化的 CpG位点容易自发或被致
癌物作用形成突变热点。
转座子是可移动的基因序列, 包括 LINE21、
HERV2K等,在人基因组中含量丰富, 它们是插入
突变的重要参与因素,正常情况下被甲基化而转录
沉默,但在肿瘤细胞中, 这些序列因低甲基化而被激
活, 移至其它位置引起插入突变 [ 11 ]。
有研究表明低甲基化可导致染色体不稳定。
Lengauer
[ 12]把富含 CpG的 半乳糖苷酶基因用逆
转录病毒导入 10个结肠癌细胞株, 5个没有表达
半乳糖苷酶, 这些细胞株都为错配修复缺陷型
(MMR
-
),而 MMR+细胞株可表达该基因。用 5氮
杂胞苷诱导 MMR-细胞株 半乳糖苷酶基因的表
达, Sou thern分析表明 MMR-细胞株为 MET + 具有
甲基化能力, 而 MMR +为无甲基化能力 。研究显
示, MMR+细胞株无甲基化能力,直接促使了整个染
色体的获得和丢失,从而导致了肿瘤发生、发展所必
需的基因组不稳定。另外, 在免疫缺陷面部异常综
合症患者中, DNMT3b基因突变导致了 1、9、16号染
色体着丝点周围甲基化程度降低, 并使相应区域的
不稳定性增强 [ 13 ]。最近, 研究者利用 Dnmt1基因
突变使其低表达, 从而导致基因组广泛低甲基化。
80%这种基因突变小鼠在出生 6- 8个月时出现了
T淋巴细胞瘤,经检测这些发生肿瘤的小鼠 15号染
色体某些区域拷贝增加, 伴有该区域内 cmyc基因
过度表达 [ 14 ]。从而证实低甲基化可导致基因组不
稳定性增强而促进肿瘤的发生。
2. 4. 2 DNA高甲基化 基因启动子区的 CpG岛正
常状态下一般是非甲基化的,当其发生甲基化时,常
导致基因转录沉寂,使抑癌基因激活,从而导致正常
细胞的生长分化调控失常以及 DNA损伤不能被及
时修复,这与多种肿瘤形成有密切关系。
在大多数实体瘤中 P16的 5 CpG岛存在髙甲
基化,现在发现还有许多抑癌基因在肿瘤中因髙甲
基化而失活, 如 P15、P14、P16、P73、APC、TH
BS1、O6MGMT 、GSTP1、BRCA1等 [ 15]。证明每种
肿瘤至少有一个基因的启动子区发生高甲基化, 并
且这些基因启动子甲基化具有肿瘤类型的特异性,
如结直肠癌细胞系中可见 hMLH1、O6 MGMT 的启
动子高甲基化, 但在乳腺癌细胞系中仅 O 6MGMT
启动子出现高甲基化,结直肠癌细胞系中经常出现
9
生物技术通报 B iotechnology Bulletin 2010年第 5期
TIMP23高甲基化, 而黑素瘤细胞系中经常出现
Ecadherin高甲基化 [ 16]。
总之, 正常细胞生长分化调控的多种基因都可
以通过启动子的异常高甲基化抑制基因转录, 这些
重要基因的不表达与多种肿瘤的形成有关。
3 小结
DNA甲基化是一种重要的基因表达调控机制,
在生物进化、物种繁衍和个体生存诸方面均具有广
泛的作用。DNA甲基化也是表观遗传修饰的一个
主要方面,通过对基因组水平甲基化的研究进一步
明确了基因功能,也揭示了疾病中许多基因表达沉
默的表观遗传学机制。
近年来, DNA甲基化基础研究和临床应用领域
取得巨大进展, 但仍有许多问题尚待解决。随着甲
基化研究的不断深入,甲基化分析技术的逐步完善,
为表观遗传、胚胎发育、基因印记及肿瘤研究提供了
强有力的技术支持。
参 考 文 献
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更 正
本刊 2010年第 3期发表的文章 ∀与 HBV感染可能有关的 m icroR122的筛选及其作用的靶点预测#第
一作者郝美君的单位:重庆医科大学感染性疾病分子生物学教育部重点实验室, 现更正为 1北京佑安医院,
2重庆医科大学。
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