真核生物基因组DNA甲基化和去甲基化分析

DNA甲基化是真核生物的重要表观遗传修饰,如胞嘧啶C~5位甲基化5-甲基胞嘧啶(5mC)和腺嘌呤N~6位甲基化6-甲基腺嘌呤(6mA)。DNA 5mC可经Tet双加氧酶催化氧化形成5-羟甲基胞嘧啶(5hmC)、5-醛甲基胞嘧啶(5fC)和5-羧基胞嘧啶(5caC)。这些氧化产物不仅是去甲基化过程的中间体,而且也可能存在各自特有的表观调控功能。其中,5hmC异常可能和癌症相关,有可能成为疾病诊断的生物标志物。发展可靠、高灵敏和抗干扰能力强的DNA甲基化和去甲基化检测技术和方法至关重要,有助于理解甲基化和去甲基化的分子机制以及提高肿瘤的诊断水平。现针对DNA甲基化和去甲基化检测技术进行简要介绍。     

TET蛋白：一个新的DNA修饰酶家族

DNA的胞嘧啶（C）5-甲基化是一种重要的表观修饰,它参与基因调节、基因组印记、X-染色体失活、重复序列抑制和癌症发生等过程. 5-甲基胞嘧啶（5mC）可被TET (ten-eleven translocation)蛋白家族进一步转化为5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）,该过程是DNA去甲基化的1个必要阶段. 5hmC可在活性转录基因起始位点和Polycomb抑制基因启动子延伸区域富集.TET蛋白包括3个成员TET1、TET2和TET3,均属于α-酮戊二酸和Fe²⁺依赖的双加氧酶,其催化涉及氧化过程.小鼠Tet1在胚胎干细胞发育中拥有双重作用,即促进全能因子的转录,又参与发育调节因子的抑制.人TET蛋白的破坏与造血系统肿瘤相关,如在骨髓增生性疾病/肿瘤存在频繁的TET2基因突变.TET蛋白和5hmC的研究为DNA甲基化/去甲基化及其生物学功能提供了新的视点.     

TET蛋白去甲基化作用的相关研究进展

TET(ten-eleven translocation)蛋白属于酮戊二酸和Fe2+依赖的双加氧酶,能够产生催化氧化作用。在TET蛋白家族的催化氧化作用下5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine,5mC)可转化为5-羟甲基胞嘧啶(5-hydroxymethylcytosine,5hmC),并可进一步转化为5-甲酰胞嘧啶(5-formylcytosine,5fC)和5-羧基胞嘧啶(5-carboxylcytosine,5caC)。TET蛋白在DNA胞嘧啶的去甲基化、胚胎发育和基因重新编码等过程都存在重要作用,其中TET蛋白参与DNA胞嘧啶的去甲基化过程的作用机制一直是研究热点,另外,有研究发现TET与肿瘤的发生也存在联系,可能成为新的肿瘤分子标志。     

TET蛋白的去甲基化机制及其在调控小鼠发育过程中的作用

TET(Ten-eleven translocation)蛋白家族共有3个成员,分别为TET1、TET2和TET3,均属于α-酮戊二酸(α-KG)和Fe²⁺依赖的双加氧酶,可以将5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine, 5 mC)氧化为5-羟甲基胞嘧啶(5-hydroxymethylcytosine, 5 hmC)、5-甲酰基胞嘧啶(5-formylcytosine, 5 fC)及5-羧基胞嘧啶(5-carboxylcytosine, 5 caC)。研究表明,TET蛋白通过不同机制以主动或被动的方式调控DNA去甲基化,且去甲基化的活性可能受其他因子的调控。TET蛋白广泛参与哺乳动物发育过程的调节,其中在原始生殖细胞的形成、胚胎发育、干细胞多能性及神经和脑发育等方面发挥了重要作用。TET蛋白生物功能的发现为表观遗传学研究开辟了全新的研究领域,而且相关研究结果对拓展生命科学研究具有重要意义。文章综述了TET蛋白家族的结构、去甲基化分子机制及在小鼠发育过程中的作用,为深入了解TET蛋白的功能提供理论基础。     

TET家族蛋白介导的DNA氧化的调控与其生物学功能

发生在DNA胞嘧啶上的甲基化(5mC)是哺乳动物细胞基因组上最主要的DNA修饰形式,其形成的碳碳键具有较高键能,不易被破坏。TET家族蛋白可以催化5mC逐渐氧化成羟甲基胞嘧啶(5hmC)、醛基胞嘧啶(5fC)和羧基胞嘧啶(5caC),再通过细胞分裂过程中DNA复制,或者利用碱基切除修复途径,最终实现DNA去甲基化。过去几年表观基因组学和结构生物学的研究都表明,在不同细胞、不同的基因组位点,5mC的氧化反应受到严格的调控,主要表现在两个方面:5mC氧化反应发生的基因组范围和5mC逐步氧化反应的进行程度。以国家自然科学基金委重大研究计划"细胞编程和重编程的表观遗传机制"为依托,朱冰实验室发现了胚胎干细胞的多能性转录因子SALL4A与TET家族蛋白共同调节远端调控区域5mC的氧化过程。首先,将介绍5mC的不同氧化产物在小鼠基因组上的分布和动态变化,进而讨论TET家族蛋白催化5mC氧化反应的调控机制,最后,探讨5mC氧化参与调节基因组转录的可能的生物学功能。     

DNA主动去甲基化的Science之路

DNA甲基化是一种非常重要的表观遗传调控方式,在基因印迹、X染色体失活、转座子与外源DNA的沉默及组织特异性基因的中发挥着重要的作用。在哺乳动物的配子发生过程及从受精到着床的早期胚胎发育阶段,基因组DNA发生大规模的主动去甲基化。但去甲基化的分子机制一直是表观遗传领域的谜题。2009年,Anjana Rao及其同事发现一种DNA双氧化酶TET蛋白能够将5-甲基胞嘧啶氧化成5-羟甲基胞嘧啶,这为DNA去甲基化的机制研究开拓了新的思路。在此基础上,徐国良实验室展开了深入研究,发现TET蛋白能够进一步将5-羟甲基胞嘧啶氧化成5-羧基胞嘧啶,并发现糖苷酶TDG能够特异性地识别并切除DNA中的5-羧基胞嘧啶,进而启动碱基切除修复途径完成DNA去甲基化,从而提出了氧化作用与碱基切除修复途径协同介导的DNA主动去甲基化机制。     

DNA羟甲基化修饰在消化系统肿瘤中的研究进展

DNA羟甲基化修饰是基因组表观遗传学的重要调控方式,指5-甲基胞嘧啶(5-m C)在TET蛋白家族的催化作用下氧化生成5-羟甲基胞嘧啶(5-hm C),完成DNA胞嘧啶的去甲基化过程。基因组甲基化异常导致了多种肿瘤的发生,羟甲基化修饰作为去甲基化的一种,同样与肿瘤发生密不可分。在消化系统肿瘤发生发展过程中存在5-hm C含量的变化,其原因可能与TET蛋白家族、IDH突变等密切相关,提示DNA羟甲基化修饰参与了消化系统肿瘤的发生发展过程。本文围绕DNA羟甲基化修饰与消化系统肿瘤之间的关系进行综述,旨在为消化系统肿瘤羟甲基化修饰研究提供新方向。     

5-羟甲基胞嘧啶的研究进展

CpG二核苷酸中胞嘧啶的甲基化形式5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine, 5mC)在哺乳动物中是一种常见的表观遗传修饰, 在基因表达调控、发育调节、基因组印迹等方面发挥重要作用。近3年来研究发现, 除了5mC外, 胞嘧啶碱基的另一种修饰-5-羟甲基胞嘧啶(5-hydroxymethylcytosine, 5hmC)在哺乳动物的多种组织中有着丰富的表达, 它可能与5mC有着不同的生物学功能。文章就近年来5hmC的研究进展进行了综述。     

5-羟甲基胞嘧啶的研究进展

CpG二核苷酸中胞嘧啶的甲基化形式5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine,5mC)在哺乳动物中是一种常见的表观遗传修饰,在基因表达调控、发育调节、基因组印迹等方面发挥重要作用。近3年来研究发现,除了5mC外,胞嘧啶碱基的另一种修饰—5-羟甲基胞嘧啶(5-hydroxymethylcytosine,5hmC)在哺乳动物的多种组织中有着丰富的表达,它可能与5mC有着不同的生物学功能。文章就近年来5hmC的研究进展进行了综述。     

哺乳动物DNA甲基化修饰的动态调控机制

DNA甲基化是最主要的表观遗传修饰之一,主要发生在胞嘧啶第五位碳原子上,称为5-甲基胞嘧啶。哺乳动物DNA甲基化由从头DNA甲基转移酶DNMT3A/3B在胚胎发育早期建立。细胞分裂过程中甲基化模式的维持由DNA甲基转移酶DNMT1实现。TET家族蛋白氧化5-甲基胞嘧啶成为5-羟甲基胞嘧啶、5-醛基胞嘧啶和5-羧基胞嘧啶,从而起始DNA的去甲基化过程。这些DNA甲基化修饰酶精确调节DNA甲基化的动态过程,在整个生命发育过程中发挥重要作用,其失调也与多种疾病发生密切相关。本文对近年来DNA甲基化修饰酶的结构与功能研究进行讨论。     

哺乳动物DNA甲基化修饰的动态调控机制

DNA甲基化是生命体最主要的表观遗传修饰之一。哺乳动物DNA甲基化主要发生在胞嘧啶第五位碳原子上,称为5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine,5m C)。哺乳动物DNA甲基化由从头DNA甲基转移酶DNMT3A/3B在胚胎发育早期建立,甲基化模式的维持由DNA甲基转移酶DNMT1实现。TET家族蛋白氧化5-甲基胞嘧啶起始DNA的去甲基化过程。这些DNA甲基化修饰酶精确调节DNA甲基化的动态过程,在整个生命发育过程中发挥重要作用,其失调也与多种疾病发生密切相关。现结合国内外同行研究进展,介绍课题组近年来对DNA甲基化修饰酶的结构与功能研究。     

DNA甲基化修饰研究概述

DNA甲基化修饰作为一种重要的表观遗传修饰,能通过影响染色质结构,DNA构象、稳定性以及与蛋白质相互作用方式等,起到调控基因表达的作用。在正常的生理条件以及一些疾病发生过程中均起着重要作用。本文概述了DNA甲基化修饰的动态变化,并着重论述了最近的一项与DNA修饰有着密切关系的发现。TET1是一个5mC加氧酶,可以将5mC转变为5hmC,在DNA去甲基化过程中可能扮演着重要角色。     

哺乳动物TET2蛋白氧化5-甲基胞嘧啶的结构生物学研究

DNA甲基化是表现遗传学最重要的修饰之一,哺乳动物的DNA甲基化修饰主要发生在胞嘧啶第5位碳原子上,称为5-甲基胞嘧啶（5-methylcytosine,5mC）。     

表观遗传学新视点——DNA羟甲基化

5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）是新发现的一种的修饰碱基,以低水平存在于哺乳动物的多种细胞类型中。5hmC是10-11易位（TET）家族的酶通过氧化5-甲基胞嘧啶（5mC）产生的。5hmC不仅能够降低MeCP蛋白的甲基化结合结构域（MBD）与甲基化DNA的亲和性,具有潜在的参与基因表达调控的转录调节功能,而且参与了DNA去甲基化过程。因此关于5hmC的研究日益受到学者们的青睐,随着5hmC甲基化分析和检测方法学日益发展,发现5hmC分布具有组织特异性,并且5hmC在肿瘤组织中含量显著降低,可能成为某些肿瘤早期诊断的分子标志物。     

DNA 去甲基化机制的研究进展*

DNA甲基化作为动植物体内一种重要的表观遗传修饰形式,在调控基因表达、维持基因组的稳定性等方面发挥重要的生物学作用。固有DNA甲基化水平和模式的变化会导致生物的表型异常甚至死亡。而5-甲基胞嘧啶的水平和模式是由DNA甲基化和去甲基化共同决定的。DNA去甲基化可以分为主动去甲基化与被动去甲基化,而基因组甲基化模式的形成主要依赖于主动去甲基化。本文综述了生物体内DNA主动去甲基化五种潜在机制:DNA转葡糖基酶参与的碱基切除修复途径、脱氨酶参与的碱基切除修复途径、核苷酸切除修复途径、氧化作用去甲基化与水解作用去甲基化。     

DNA羟甲基化在小鼠胚胎干细胞中的研究进展

简要总结DNA羟甲基化在小鼠胚胎干细胞(mouse embryonic stem cells,mESC)中的最新研究进展.DNA甲基化(DNAmethylation)影响染色质的结构与功能,在发育与疾病发生过程中具有重要作用.2009年Tahiliani等发现TET1可以催化甲基化胞嘧啶(5-methylcytosine,5mC)氧化为羟甲基化胞嘧啶(5-hydroxymethylcytosine,5hmC).DNA羟甲基化(DNAhydroxymethylation)被认为是调节DNA甲基化的一种重要方式,成为了表观遗传学的研究热点之一.     

DNA羟甲基化修饰与神经系统疾病

DNA羟甲基化修饰主要是指5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine,5m C)在10-11易位(ten-eleven translocation,TET)蛋白家族的氧化作用下生成5-羟甲基胞嘧啶(5-hydroxymethylcytosine,5hm C)。5hm C不仅能在去甲基化过程中起重要作用,而且还参与了基因的表达调控。5hm C的含量有着高度的组织特异性,且目前在中枢神经系统中也发现了高水平的5hm C。与神经系统疾病相关的基因中存在明显的5hm C水平的改变,暗示着DNA羟甲基化修饰很可能在神经系统疾病的发生与发展过程中起了重要作用。     

DNA羟甲基化与表观遗传学调控

表观遗传学中的DNA甲基化与疾病的发生发展密不可分. DNA甲基化中的5-甲基胞嘧啶易发生氧化形成5 羟甲基胞嘧啶.此过程又称为羟甲基化修饰,已成为表观遗传学研究的一种新热点.羟甲基化与10-11易位家族蛋白（ten-eleven translocation,TET）的作用密切相关,它参与了基因的表达调控以及DNA去甲基化过程. 最近的羟甲基化研究主要集中在癌症和精神性疾病.针对日趋增多的相关研究,本文对DNA羟甲基化进行了全景式综述.     

DNA羟甲基化酶TET2突变对其功能的影响

DNA羟甲基化是继DNA甲基化之后发现的又一重要的表观遗传修饰,在基因的表达调控、染色体重塑等方面有着重要功能。TET2(ten-eleven-translocation 2,TET2)基因作为调控DNA羟甲基化形成的TET家族蛋白的成员之一,能够催化5甲基胞嘧啶(5-methyl-cytosine,5m C)形成5羟甲基胞嘧啶(5-hydroxymethyl-cytosine,5hm C),在表观遗传学中具有重要的地位。近年来,在骨髓增生性肿瘤(myeloproliferative neoplasms,MPN)、系统性肥大细胞增生症(systemic mastocytosis,SM)、慢性骨髓单核细胞性白血病(chronic myelomonocytic leukemia,CMML)和骨髓增生异常综合征(myelodysplastic syndrome,MDS)等疾病中均发现了TET2的突变,并影响了5m C和5hm C含量的变化。对TET2突变的研究仍是一个很新颖的课题,TET2在不同疾病中突变的位置和类型以及对其功能的影响尚处于探索研究之中。本文对各类疾病中发现的TET2突变及其功能的影响进行了综述,深入阐述了TET2的突变对拓展DNA去甲基化和寻找疾病新靶标具有的潜在应用价值。     

TET家族DNA羟化酶与5-hmC在肿瘤中的作用机制的研究进展

DNA甲基化失调引起基因表达异常是表观遗传学的一个显著特点。目前已知,由DNA甲基转移酶（DNA methyltransferases,DMNTs）催化DNA甲基化,其酶基因突变或表达异常引起DNA甲基化水平的改变。近期研究发现了一种DNA去甲基化酶--TET（Ten-Eleventranslocation）家族DNA羟化酶,能通过多种途径催化5-甲基胞嘧啶（5．methylcytosine,5-mC）去甲基化,从而调控DNA基化的平衡。5-羟甲基胞嘧啶（5-hydroxymethylcytosine,5-hmC）作为DNA去甲基化多重步骤中重要的中间产物,其水平在肿瘤的发生和发展时期发生显著变化。该文从TET家族蛋白展开,介绍TET蛋白的结构、功能及作用机制以及多种人类肿瘤中丁E丁家族基因与5-hmC水平的相关性及其对肿瘤发生发展、诊断预后等临床意义的研究进展。