DNA甲基化与基因表达调控研究进展

表观遗传修饰是指不改变DNA序列的、可遗传的对碱基和组蛋白的化学修饰,主要包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑以及非编码RNA等.表观遗传修饰是更高层次的基因表达调控手段.DNA甲基化是一种重要的表观遗传修饰,参与基因表达调控、基因印记、转座子沉默、X染色体失活以及癌症发生等重要生物学过程.近年来随着研究方法和技术的进步,全基因组DNA甲基化的研究广泛兴起,多个物种全基因组甲基化图谱被破译,全局水平对DNA甲基化的研究不仅利于在宏观层面上了解DNA甲基化的特性与规律,同时也为深入分析DNA甲基化的生物学功能与调控奠定了基础.结合最新研究进展综述DNA甲基化在基因组中的分布模式、规律以及和基因转录的关系等.     

雄激素非依赖性前列腺癌细胞中差异甲基化基因的初步筛选

应用全基因组DNA甲基化芯片(Illumina Infinium HumanMethylation27 BeadChip)杂交技术以及转录组RNA测序技术,检测了雄激素依赖性前列腺癌(androgen-dependent prostate cancer,ADPC)细胞株LNCaP和雄激素非依赖性前列腺癌(androgen-independent prostate cancer,AIPC)细胞株LNCaP-AI(androgen independent)中的差异甲基化基因。发现与LNCaP细胞株相比,LNCaP-AI细胞株有990个CpG位点表现为高甲基化,涉及855个基因;2 305个CpG位点表现为低甲基化,涉及1 970个基因。结合转录组mRNA表达结果,筛选出6个超甲基化基因:FAM111B、RAB36、PCDH7、COL6A2、IGF1R、GULP1;8个低甲基化基因:EPHA3、TM4SF1、IGFBP5、FAM105A、RASD1、ITPR2、CYP27B1、UBE2E3。这些差异甲基化基因涉及钙离子信号通路、Wnt信号通路等多个信号通路,参与了细胞的基因表达、信号传导、细胞通讯、细胞运动、细胞黏附以及血管生成等功能,为探讨这些差异甲基化基因在前列腺癌雄激素非依赖性转化过程中发挥的作用奠定了基础。     

DNA甲基化与癌症

DNA甲基化是重要的表观遗传修饰,主要发生在DNA的CpG岛. DNA的甲基化通过DNA甲基转移酶（DNA methyltransferases, DNMTs）完成. DNA甲基化参与了细胞分化、基因组稳定性、X染色体失活、基因印记等多种细胞生物学过程.单基因水平及基因组范围内的DNA甲基化改变在肿瘤发生发展中亦发挥重要作用. 抑癌基因的异常甲基化引起的表达抑制,可导致肿瘤细胞的增殖失控和侵袭转移,并参与肿瘤组织的血管生成过程.在许多肿瘤的研究中都发现了基因组整体DNA低甲基化所导致的染色体不稳定性. 本文从DNA的异常高甲基化和低甲基化两方面论述了DNA甲基化在细胞恶变发生发展过程中的改变及其影响,并阐述了DNA甲基化改变在肿瘤诊断和治疗中的作用.     

基因组DNA甲基化及组蛋白甲基化

在真核生物中,DNA甲基化是一种非常重要的表观遗传学标记,能影响染色质的结构和基因的表达。随着全基因组甲基化测序的发展,全基因组范围内的DNA甲基化水平得以了解。文章概述了基因组中启动子、基因本体、增强子、沉默子和转座子等不同元件的DNA甲基化的研究进展,以及DNA甲基化与基因表达调控间的关系。启动子的DNA甲基化对基因的表达有抑制作用,而基因本体的DNA甲基化与基因的表达关系因物种或细胞类型不同而异。增强子的DNA甲基化状态与基因活性呈反比关系,沉默子则相反呈正相关。转座子的DNA高度甲基化抑制其转座活性,从而维持基因组的稳定性。文章还探讨了DNA甲基化与组蛋白甲基化间的相互作用及其对基因表达、可变剪切、转录的调控作用,以及本领域的未来研究方向。     

高通量DNA甲基化数据的处理和分析方法

DNA甲基化作为一种表观遗传学修饰,在调控基因表达、X染色体失活、印记基因等方面都发挥着重要的作用.不同的DNA甲基化的预处理方法结合二代测序产生了大量的高通量甲基化数据,这些数据的存储、处理和分析是当前亟需解决的问题.在本文中,总结了目前存在的三种高通量DNA甲基化检测技术（限制性内切酶法,亲和纯化法,重亚硫酸盐转换法）,以及针对这些技术产生的高通量数据开发的存储、处理和分析工具.另外,还注重介绍了单碱基水平的DNA甲基化检测技术,BS-Seq的测序原理、数据处理流程以及后续的分析工具.     

亚硫酸氢钠测序法检测水稻FIE基因CpG岛甲基化状态

建立了适用于水稻基因组特定基因甲基化检测的亚硫酸氢钠测序法,并利用此方法对FIE2A基因CpG岛部分片段的甲基化差异进行了研究。采用CTAB法提取水稻叶片和胚乳细胞的基因组DNA,经亚硫酸氢钠化学修饰后,针对已修饰的FIE基因序列设计特异引物并结合巢式PCR扩增,TA载体克隆、测序,最后对测序结果进行分析。结果表明巢式PCR能够增加特异性产物的产生,FIE基因CpG岛在对称的CG和CNG位点甲基化水平较高,而在非对称CNN位点甲基化水平最低,此外在叶片中的平均甲基化水平较高。由此表明本研究建立的亚硫酸氢钠测序法适用于水稻基因组特定基因甲基化状态的检测。     

组蛋白甲基化研究进展

组蛋白甲基化是表观遗传修饰方式中的一种,参与异染色质形成、基因印记、X染色体失活和基因转录调控.组蛋白甲基化过程的异常参与多种肿瘤的发生.既往认为组蛋白甲基化是稳定的表观遗传标记,而组蛋白去甲基化酶的发现对这一观点提出了挑战,也为进一步深入研究组蛋白修饰提供新的途径.     

基于甲基化组学数据建立并验证肝细胞癌预后评价模型研究

利用甲基化CG位点建立并验证肝细胞癌（hepatocellular carcinoma,HCC）预后相关模型是当前的研究热点。利用R语言平台分析肝癌基因组图谱数据库（TCGA-LIHC）和基因表达综合数据库（GSE136380）甲基化组学数据,采用limma包分析TCGA-LIHC和GSE136380数据差异甲基化CG位点,采用wgcna包对GSE136380进行加权基因共表达网络分析,确定三者交集为关键甲基化CG位点集,共获得83个甲基化CG位点。利用LASSO-COX风险比例回归分析筛选出6个甲基化CG位点,包括cg15744128、cg24282479、cg17922226、cg13090969、cg23505966和cg08708079,构建并验证HCC外科切除术后的预后模型。拟合模型在训练集中1、3和5年的AUC分别是0.756(95%CI:0.644～0.876)、0.749(95%CI:0.638～0.854)和0.797(95%CI:0.661～0.920);测试集中1、3和5年的AUC分别为0.848(95%CI:0.680～0.990)、0.833(95%CI:0....     

一种快速高效的全基因组甲基化CpG岛富集方法的建立

高甲基化的CpG岛所致基因表观遗传学转录失活已经成为肿瘤表观基因组学研究的重要内容。现在已有很多检测CpG岛甲基化的方法,但由于各自的局限,还没有建立一种能快速在全基因组水平上进行甲基化CpG岛的富集方法。本研究利用甲基化结合蛋白MBD2b具有特异性结合甲基化DNA的特性, 建立了一种基于DNA免疫共沉淀技术的全基因组甲基化CpG岛的富集方法。在大肠杆菌中表达重组的GST-MBD2b蛋白,通过Glutathione Sepharose 4B对重组蛋白进行纯化,制备成亲和层析柱,利用在不同的盐离子强度下甲基化DNA和非甲基化DNA的结合能力不同,对甲基化DNA进行富集。用甲基化酶SssI处理过的DNA片段与非甲基化DNA片段进行富集效率的检测,发现0.5M KCl的浓度是甲基化DNA片段和非甲基化DNA片段得以分开的临界条件。样品的富集效率用Real Time PCR进行检测。结果表明,这种方法能够实现对全基因组甲基化DNA的有效富集且最高的富集倍数可达到100多倍。富集到的甲基化DNA可以进行后续的定量PCR, DNA测序和全基因组芯片的分析等工作,为大规模分析全基因组CpG 岛甲基化的改变奠定了基础。     

DNA甲基化/去甲基化与疾病概览

DNA甲基化(5m C)状态与疾病的发生发展密切相关,异常甲基化状态是肿瘤的重要特征,包括基因组整体甲基化水平降低和Cp G岛局部甲基化程度的异常升高。近期研究还发现,DNA甲基化可以继续氧化为DNA羟甲基化(5hm C),而5hm C可能是一种新的表观修饰或者参与DNA去甲基化。随着DNA甲基化测序技术的发展,可以得到全基因组单碱基分辨率的5m C和5hm C图谱,深入研究5m C和5hm C的动态变化对发育和肿瘤的影响,并期望找到潜在应用于肿瘤诊断和治疗的表观标志物。该文主要总结了DNA甲基化/去甲基化及其在肿瘤发生发展过程中的动态变化、潜在的表观标志物以及检测和治疗研究进展。     

DNA甲基化与基因表达调节

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。     

质谱技术在DNA甲基化研究中的应用

DNA甲基化是最重要的表观遗传修饰之一,主要发生在哺乳动物基因组Cp G核苷酸序列中的胞嘧啶C-5位点,并与机体生长发育、转座子沉默、X染色体失活及许多疾病的发生相关。但对DNA甲基化的形成、维持和重构的分子机制的认识是有限的,需要从基因组水平寻找最优的DNA甲基化定性和定量分析方法,而质谱技术以高敏感性、高通量、高准确率、高分辨率、快速且重复性好等优势在该研究领域具有较大的应用价值。介绍质谱技术在全基因组DNA甲基化和启动子区甲基化分析中的应用。     

Genome-wide analysis of differential DNA methylation in Silver-Russell syndrome

Silver-Russell Syndrome(SRS) is clinically heterogeneous disorder characterized by low birth weight, postnatal growth restriction, and variable dysmorphic features. Current evidence strongly implicates imprinted genes as an important etiology of SRS. Although almost half of the patients showed DNA hypomethylation at the H19/IGF2 imprinted domain, and approximately7%–10% of SRS patients have maternal uniparental disomy of chromosome 7(UPD(7) mat); the rest of the SRS patients shows unknown etiology. In this study, we investigate whether there are further DNA methylation defects in SRS patients. We measured DNA methylation in seven SRS patients and five controls at more than 485,000 CpG sites using DNA methylation microarrays. We analyzed methylation changes genome-wide and identified the differentially methylated regions(DMRs) using bisulfite sequencing and digital PCR. Our analysis identifies epimutations at the previously characterized domains of H19/IGF2,providing proof of principle that our methodology can detect the changes in DNA methylation at imprinted loci. In addition,our results showed a novel SRS associated imprinted gene OSBPL5 located on chromosome 11p14 with the probe cg25963939,which is hypomethylated in 4/7 patients(P=0.023, β=.0.243). We also report DMRs in other genes including TGFβ3, HSF1,GAP43, NOTCH4 and MYH14. These DMRs were found to be associated with SRS using GO pathway analysis. In this study,we identified the probe cg25963939, located at the 5′UTR of imprinted gene OSBPL5, as a novel DMR that is associated with SRS. This finding provides new insights into the mechanism of SRS etiology and aid the further stratification of SRS patients by molecular phenotypes.     

癌症相关的DNA甲基化连锁区域

DNA甲基化是重要的表观遗传标记之一,在转录调控中起直接作用。DNA甲基化的异常与癌症的发生发展密切相关。高通量测序使得在单碱基分辨率下检测全基因组的DNA甲基化水平成为可能。本文基于临近CpGs位点甲基化水平的相关性挖掘DNA甲基化连锁区域。结果发现DNA甲基化连锁区域的甲基化水平和模式在癌症中存在异常,而且显著富集到分化/发育相关的生物学功能。DNA甲基化连锁区域的挖掘有助于对具有生物学功能的表观遗传标记的进一步理解,有助于对癌症诊断的表观遗传标记的挖掘。     

六妹羊肚菌PacBio基因组测序和DNA 6mA甲基化分析

羊肚菌属于子囊门真菌,是世界范围内最受欢迎的食用菌之一。本研究通过PacBio单分子实时测序技术对我国四川省成功栽培的六妹羊肚菌Morchella sextelata SCLS菌株进行全基因组测序,获得其高质量核基因组组装,大小为53.57Mb,重复序列含量为17.03%,包含42条重叠群（contigs）,重叠群N50高达1.82Mb,其中13条重叠群两端均含有端粒重复序列,为完整的染色体。通过链特异性RNA-seq测序和转录本拼接,并结合多种基因预测策略,预测到13 182个蛋白编码基因,包括267个碳水化合物活性酶,11个次生代谢产物合成基因簇。通过与内蒙古地区栽培的六妹羊肚菌菌株NZTD180501373基因组比较发现,六妹羊肚菌进化过程中可能发生过染色体重组事件,二者具有33 055个SNP和48 726个InDel位点差异,并且各自拥有超过6Mb的特有序列。此外,相比于梯棱羊肚菌M. importuna,六妹羊肚菌SCLS菌株中与逆转录转座酶有关的orthogroup发生了扩张,并且拥有5个成员数超过100的特有逆转录转座酶基因家族。对SCLS菌株中的DNA N⁶腺嘌呤甲基化（6mA）修饰进行了鉴定,发现SCLS菌株基因组中0.42%的腺嘌呤被6mA甲基化,其含量显著高于已报道的6种双核亚界（Dikarya）真菌。6mA甲基化位点在逆转录转座子上显著富集,表明六妹羊肚菌中6mA甲基化可能调控逆转录转座子的活性,这也是首次在真菌中报道6mA甲基化与转座子相关。     

人类基因组DNA甲基化数据分析的研究现状

作为人类基因组最为典型的表观遗传现象,DNA甲基化在多种关键生理活动中扮演重要角色.系统分析基因组尺度的DNA甲基化概况意义重大.从Cp G岛等基本定义出发,阐述了高通量DNA甲基化的检测技术以及针对芯片技术与下一代测序技术的低水平数据处理方法;重点对比了基于机器学习理论对Cp G位点及Cp G岛甲基化水平的预测算法,以及所利用的特征对预测效果的影响与发展趋势;并对DNA差异甲基化在组织特异性、癌症等多种疾病中的计算分析进行了全面的综述.     

小鼠骨髓细胞中p16和Ralb基因启动区CpG岛的甲基化位点分析

抑癌基因p16和白血病致癌因子Ralb与白血病的发生密切相关,其启动子区CpG岛的甲基化对基因表达具有重要作用.本文旨在分析p16、Ralb基因启动子区CpG岛甲基化位点信息,并比较这两个基因在小鼠骨髓细胞和原代培养的骨髓细胞中甲基化状态的差异.运用"MethPrimer"软件预测p16、Ralb基因启动子区的CpG岛,设计甲基化特异性引物.利用重亚硫酸盐测序法(BSP)检测甲基化位点信息.结果显示,p16有1个CpG岛,岛上21个CpG位点全部未发生甲基化;Ralb有2个CpG岛,CpG岛1上的5个CpG位点全部呈甲基化状态,而CpG岛2上的17个CpG位点全部呈非甲基化状态,且小鼠骨髓细胞和体外原代培养的骨髓细胞中两基因的甲基化状态一致.表明p16、Ralb基因甲基化状态未受外界培养条件的影响而改变,提示在与两基因甲基化相关的研究中体外试验可替代体内试验.     

牛组织中MBD1基因表达及其DNA甲基化调节

DNA甲基化是主要的表观遗传调节方式,在转录水平调节基因的表达,甲基化CpG结合蛋白MBD1能够结合甲基化及非甲基化的DNA,通过抑制域抑制基因的转录,在DNA甲基化和转录抑制之间起重要作用,但DNA甲基化对MBD1自身的调节作用还不清楚.本研究首先利用RT-PCR检测成年牛心脏、肾脏、肝脏、睾丸及卵巢5种组织中MBD1基因mRNA的表达;并根据牛MBD1调节区序列,针对其中的12个CpG位点设计引物,利用甲基化PCR测序分析方法,分析该调节区的DNA甲基化状态在牛5种组织中的变化.结果表明,在牛的5种组织中,MBD1基因在心脏和肾脏的表达量低于肝脏、睾丸及卵巢,且差异显著(P＜0.05);DNA甲基化检测显示,心脏和肾脏MBD1调节区的甲基化比率较肝脏、睾丸及卵巢甲基化低,说明调控区DNA甲基化与MBD1基因的组织特异性表达相关.     

生殖细胞及早期胚胎基因组印记的表观调控

基因组印记是一种区别父母等位基因的表观遗传过程,可导致父源和母源基因特异性表达。印记是在配子发生过程中全基因组表观重编程时获得的,且在早期胚胎发育过程中得以维持。因此,在全基因组重编程过程中,对印记的识别和维持十分重要。本文概述了原始生殖细胞的印记清除、双亲原始生殖细胞的印记获得以及早期胚胎发育过程中印记维持的相关过程,并对在印记区域内保护印记基因免受全基因组DNA去甲基化的表观遗传因子的相关作用机制进行了讨论。     

胚胎发育过程中的DNA甲基化作用

哺乳动物的正常发育取决于表观遗传学调控机制准确无误地运行.其中尤为重要的是发生在原生殖细胞和胚胎中的基因组范围内的DNA甲基化模式重排等表观遗传学修饰.胚胎发育过程中的DNA甲基化作用与基因印记的建立、基因表达的调控以及细胞和胚胎的形态建成都密切相关.DNA甲基化发生机制和功能的阐明将对哺乳动物个体发育与人类疾病研究有重要意义.