DNA甲基化與基因活性的調(diào)控

（甘肅省高臺(tái)縣第一中學(xué) 甘肅張掖 734300）

人教版2019年版高中生物《必修2·遺傳與進(jìn)化》第四章第二節(jié)“基因表達(dá)與性狀關(guān)系”中新加入了表觀遺傳這一核心概念。表觀遺傳是指生物體基因的堿基序列保持不變，但基因表達(dá)和表型發(fā)生可遺傳變化的現(xiàn)象。教科書在“思考與討論”中舉例柳穿魚Lcyc基因和小鼠Avy基因的堿基序列并沒有改變，只是部分堿基發(fā)生了甲基化修飾，抑制了基因的表達(dá)，進(jìn)而對表型產(chǎn)生影響，同時(shí)這種DNA甲基化修飾可以遺傳給子代。

DNA甲基化作為表觀遺傳學(xué)中DNA修飾的唯一方式，對于理解表觀遺傳具有重要作用，但教科書并無過多信息說明DNA甲基化的過程及抑制基因表達(dá)的機(jī)制。教師對于這樣一些新內(nèi)容，熟悉其過程及機(jī)制是必要的。基于此，從DNA的甲基化和去甲基化過程、DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)制2個(gè)方面進(jìn)行整理。

1 DNA的甲基化和去甲基化

DNA甲基化是指在DNA甲基化轉(zhuǎn)移酶（DNMT）的作用下，在基因組的胞嘧啶5'碳位共價(jià)鍵結(jié)合一個(gè)甲基基團(tuán)（圖1A）。這一修飾途徑可以在不改變基因序列的前提下調(diào)節(jié)DNA的轉(zhuǎn)錄活性等，并保護(hù)DNA位點(diǎn)不被特定限制酶降解，是目前已知表觀遺傳學(xué)中DNA修飾的唯一方式。

DNA甲基化修飾現(xiàn)象廣泛存在于多種有機(jī)體中。人類基因組中大部分序列中存在DNA甲基化現(xiàn)象，其中成串出現(xiàn)在DNA上且未甲基化的CG序列，被稱為CpG島。大量研究表明，DNA甲基化能抑制某些基因的活性，而去甲基化則誘導(dǎo)了基因的重新活化和表達(dá)。

真核生物細(xì)胞內(nèi)DNMT成員眾多，以哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)的部分DNMT為例（表1）。

表1 DNA甲基轉(zhuǎn)移酶的功能

在DNMT的作用下，DNA甲基化除主要形成5-甲基胞嘧啶（5-mC）以外，還可由少量腺嘌呤通過甲基化形成N6-甲基腺嘌呤（圖1B）以及鳥嘌呤甲基化形成7-甲基鳥嘌呤（圖1C）。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去甲基化包括被動(dòng)去甲基化和主動(dòng)去甲基化兩種途徑。DNA被動(dòng)去甲基化一般發(fā)生在細(xì)胞分裂間期DNA復(fù)制時(shí)。在此期間甲基轉(zhuǎn)移酶類失活，導(dǎo)致新合成的DNA鏈未被甲基化。DNA主動(dòng)去甲基化不同于被動(dòng)去甲基化，不涉及DNA復(fù)制，但是需要一個(gè)或多個(gè)酶的參與。

DNA主動(dòng)去甲基化可能存在的五種機(jī)制：①堿基切除修復(fù)機(jī)制（BER）：在植物體內(nèi)，DNA主動(dòng)去甲基化主要通過BER途徑來實(shí)現(xiàn)，依賴脫氧核糖和5-mC之間的糖苷鍵的斷裂，通過核酸內(nèi)切酶和DNA聚合酶的作用，最終使得5-mC轉(zhuǎn)變成胞嘧啶C。②脫氨酶參與的DNA去甲基化：動(dòng)物體中，在胞嘧啶脫氨基酶作用下，5-mC脫氨變成胸腺嘧啶T，形成G/T錯(cuò)配，通過錯(cuò)配修復(fù)使未甲基化的C取代T（圖2）。③核苷酸外切修復(fù)機(jī)制（NER）：此途徑實(shí)現(xiàn)去甲基化是在NER核酸酶的作用下直接移除甲基化的CpG二核苷酸。④氧化去甲基化：在動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)，5-mC氧化可轉(zhuǎn)化成5-羥甲基胞嘧啶（5-hmC），在依賴DNA轉(zhuǎn)葡糖基酶通過一系列修復(fù)將5-hmC轉(zhuǎn)化成胞嘧啶C，從而實(shí)現(xiàn)DNA主動(dòng)去甲基化。⑤水解去甲基化：在蛋白質(zhì)輔助因子的作用下，由氫原子直接取代甲基基團(tuán)，同時(shí)釋放甲醇（圖2），也可實(shí)現(xiàn)DNA主動(dòng)去甲基化。

2 DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)制

2.1 DNA甲基化干擾轉(zhuǎn)錄因子（TF）與啟動(dòng)子的識(shí)別結(jié)合抑制基因轉(zhuǎn)錄

DNA甲基化抑制基因轉(zhuǎn)錄可通過干擾TF與相應(yīng)啟動(dòng)子的特異性識(shí)別結(jié)合，TF與RNA聚合酶Ⅱ（RNA Pol II）形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體，共同參與轉(zhuǎn)錄起始的過程（圖3A）。驅(qū)動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄的必須原件是位于基因首端的啟動(dòng)子，啟動(dòng)子與Pol II識(shí)別和結(jié)合并起始轉(zhuǎn)錄。DNA甲基化會(huì)導(dǎo)致基因某些區(qū)域的構(gòu)象發(fā)生變化，進(jìn)而影響蛋白質(zhì)與DNA的相互作用，抑制了轉(zhuǎn)錄因子與啟動(dòng)子的結(jié)合效率。目前已知的對DNA甲基化敏感的轉(zhuǎn)錄因子如：AP-2、E2F、NF-κB等都可識(shí)別含CpG殘基的序列，當(dāng)CpG殘基被甲基化后，TF與啟動(dòng)子的結(jié)合作用即被抑制（圖3B），從而阻止了轉(zhuǎn)錄。相反，如對甲基化不敏感的轉(zhuǎn)錄因子SP1，即使DNA甲基化也對這種轉(zhuǎn)錄因子不起抑制作用。

2.2 甲基化DNA上結(jié)合特異的轉(zhuǎn)錄阻遏物抑制基因轉(zhuǎn)錄

甲基-CpG結(jié)合蛋白是一種典型的轉(zhuǎn)錄阻遏物，這種蛋白可以與轉(zhuǎn)錄因子共同競爭甲基化DNA結(jié)合位點(diǎn)，從而阻止轉(zhuǎn)錄。目前已知的轉(zhuǎn)錄阻遏物有甲基-CpG結(jié)合蛋白1和2，即MeCP-1和MeCP-2。MeCP-1作為大分子復(fù)合物，可以結(jié)合多個(gè)甲基化位置（圖4B），甲基化的DNA與MeCP-1結(jié)合形成不穩(wěn)定的復(fù)合物，阻止了轉(zhuǎn)錄的活化。MeCP-2只結(jié)合一個(gè)甲基化位置（圖4C），通過其功能結(jié)構(gòu)域緊密結(jié)合甲基化的DNA，抑制基因的轉(zhuǎn)錄。MeCP-1和MeCP-2結(jié)合DNA的能力直接影響DNA甲基化對轉(zhuǎn)錄的抑制強(qiáng)度，MeCP-1和MeCP-2與DNA的結(jié)合能力越強(qiáng)，DNA甲基化對轉(zhuǎn)錄的抑制強(qiáng)度也越大。同時(shí)，MeCP-1和MeCP-2與甲基化的DNA結(jié)合形成的復(fù)合物可被強(qiáng)啟動(dòng)子破裂，允許甲基化基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，但隨著DNA甲基化密度的增大，即使增強(qiáng)后的啟動(dòng)子也無轉(zhuǎn)錄活性。

2.3 DNA甲基化通過影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)抑制基因轉(zhuǎn)錄

通過影響染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)抑制基因轉(zhuǎn)錄是DNA甲基化調(diào)控基因表達(dá)的另一種方式。DNA甲基化作用可以誘導(dǎo)染色質(zhì)失活。研究表明，當(dāng)組蛋白與甲基化DNA結(jié)合成復(fù)合體時(shí)，DNA的構(gòu)型會(huì)發(fā)生很大的變化，DNA甲基化達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)發(fā)生從常規(guī)的BDNA向Z-DNA的過渡（圖5）。Z-DNA相比常規(guī)的BDNA為左手雙螺旋，且DNA骨架的走向呈鋸齒狀，從DNA分子螺旋軸的方向看，雙螺旋表面有兩個(gè)寬度不同的溝槽。一個(gè)是大溝，一個(gè)是小溝，這兩個(gè)溝槽中堿基外露，為蛋白質(zhì)的結(jié)合提供充足空間。但是，由于Z-DNA結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、超螺旋化，使許多蛋白質(zhì)因子賴以結(jié)合的元件縮入大溝，從而影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步影響基因的轉(zhuǎn)錄。另外，DNA甲基化還能阻止TF和DNase I（脫氧核糖核酸酶I，可降解DNA）的作用，通過阻止TF的進(jìn)入防止染色質(zhì)的活化，從而穩(wěn)定維持染色質(zhì)的失活狀態(tài)（圖6）。

作為表觀遺傳最主要的修飾方式，DNA甲基化在真核生物的整個(gè)生命過程中是至關(guān)重要的，與細(xì)胞的生長、發(fā)育過程密切相關(guān)，如哺乳動(dòng)物的X染色體隨機(jī)失活，參與宿主的防御機(jī)制，沉默基因組中的外源序列都與DNA甲基化有關(guān)。最新研究也表明蛋白質(zhì)糖基化在DNA甲基化中起著核心作用，哺乳動(dòng)物的DNA甲基化可通過激活誘導(dǎo)調(diào)節(jié)因子糖基化的過程來誘導(dǎo)基因沉默，阻止基因的表達(dá)，從而揭示了更多DNA甲基化修飾背后的機(jī)制。

上面僅從DNA甲基化的概念出發(fā)引出其內(nèi)涵，從教科書的DNA甲基化現(xiàn)象觀察到理解其對基因活性調(diào)控的本質(zhì)進(jìn)行了探討和梳理，以期對學(xué)習(xí)和教學(xué)起到幫助。