DNA甲基化及檢測方法研究進展

李媛媛，龔 曉，包云飛，洪亞輝

（湖南農業大學生物科學技術學院，湖南 長沙 410128）

DNA甲基化是一種重要的遺傳修飾，是表觀遺傳學（epigenetics）研究的重要內容[1]。其主要形式包括5-甲基胞嘧啶（5-mC）、N6-甲基腺嘌呤（N6-mA）及7-甲基鳥嘌呤（7-mG）。在哺乳動物中，DNA甲基化是必不可少的，它廣泛存在于轉座子元件、功能基因編碼群和重復的DNA中，且幾乎所有的甲基化存在于CpG二核苷酸對中。在植物中，5-甲基胞嘧啶主要出現在CpG二核苷酸對及CNG三核苷酸對中，大約有20%～30%的核基因組DNA胞嘧啶處于甲基化狀態。

1 DNA甲基化的機制及DNA甲基轉移酶

DNA甲基化作用機制是在甲基轉移酶（DNA methyltransferase，MTase）的催化作用下從甲基供體S-腺苷酰甲硫氨酸（SAM）分子中的甲基化基團添加到DNA分子中的堿基上，最常見的是加在胞嘧啶上，形成 5-甲基胞嘧啶（5-mC）[2]。

DNA甲基化狀態通過DNA甲基轉移酶來維持。細胞中存在幾種甲基化酶：一種是維持型甲基轉移酶，需以半甲基化的雙鏈DNA為模板，指導新合成的鏈甲基化；一種是全新甲基化酶，不依賴半甲基化DNA分子中的甲基化模板而從新開始合成5 mC[3]。在植物中，大部分非CG位點的甲基化由從頭合成甲基化酶催化。全新甲基化酶可以使以前沒有被修飾過的DNA產生甲基化，即重新甲基化，其作用位點為CG、CNG和CNN序列。植物細胞中存在染色質甲基化酶，是植物所特有的一類甲基化酶，該酶催化位于異染色質區和甲基化位點沉默區的CNG序列的甲基化[4]。

2 檢測甲基化的方法

目前，甲基化檢測的方法大致有以下幾類：（1）利用甲基化敏感的限制性內切酶結合聚丙烯酰胺凝膠電泳（MSAP）進行多態性檢測；（2）利用亞硫酸氫鹽修飾法；（3）芯片技術。

2.1 MSAP檢測方法

目前研究植物基因組甲基化多采用該種檢測方法，MSAP是在擴增片段長度多態性（AFLP）基礎上，把該法中的內切酶替換為對甲基化敏感程度不同的一對同裂酶HpaII和MspI。這對酶可識別CCGG位點，但對甲基化的敏感程度不同：前者對內、外側胞嘧啶甲基化敏感，后者只對外側胞嘧啶甲基化敏感，而絕大多數基因組甲基化發生在胞嘧啶內側，因此可以用MspI來識別CCGG，用HpaII來鑒別這些序列是否甲基化。這是一種簡便的成本較低的檢測DNA甲基化的方法，實驗結果位點明確且容易解釋，但也存在一定的缺點：由于甲基化位點不僅僅存在于CCGG，也可能存在于CG中，故CG中的甲基化會被忽略，造成結果的誤差。

2.2 亞硫酸氫鹽法

亞硫酸氫鹽可將未甲基化的胞嘧啶C轉化為尿嘧啶U，然后進行PCR擴增，U將與A配對產生T，而甲基化的C則不會被亞硫酸鹽修飾，這樣DNA包含的甲基化信息就轉變為具有差異的DNA序列[5]。如今在Sodium bisuIfite法基礎上又產生了許多甲基化檢測的方法，包括如DNA甲基化熒光PCR檢測、結合亞硫酸氫鈉處理和酶解分析法、甲基化敏感性高分辨率熔解、甲基化敏感的單核苷酸的擴增、酶的區域性甲基化特異性分析、芯片雜交技術等等。

2.2.1 甲基化特異性PCR法（MSP） 甲基化特異性PCR也是檢測基因甲基化的經典方法。MSP法的原理是用亞硫酸氫鹽處理目的DNA，然后設計針對甲基化和非甲基化序列的引物并進行PCR擴增，最后通過瓊脂糖凝膠電泳，確定與引物互補的DNA序列的甲基化狀態[6]。MSP法中引物設計的要求：（1）設計兩對引物，其末端均設計至檢測位點結束；（2）兩對引物中一對結合處理后的甲基化DNA鏈，另一對結合處理后的非甲基化DNA鏈。檢測MSP擴增產物，如果用針對處理后甲基化DNA鏈的引物能擴增出片段，則說明該被檢測的位點存在甲基化；若用針對處理后的非甲基化DNA鏈的引物擴增出片段，則說明被檢測的位點不存在甲基化。MSP法具有靈敏度較高、應用范圍廣的優點。

2.2.2 DNA甲基化熒光PCR檢測 DNA甲基化熒光PCR檢測是利用重亞硫酸鹽處理目的DNA片段后，設計一個能與待測位點區互補的探針，在其5’末端標記一個熒光報告基團，3’末端標記一個熒光淬滅基團，隨后進行實時定量PCR。如果探針能夠與DNA雜交，則在PCR引物延伸時，Taq酶發揮其5’至3’外切酶活性，將能與模板雜交的探針切碎，報告基團與淬滅基團分離，熒光信號釋放，可被檢測，測定每個循環報告熒光的強度即可得到該位點的甲基化水平情況[7]。該方法具備靈敏度高、所需樣本量少、不需要電泳分離、可重復等優點。缺點是費用高，測定每個位點都要用兩端標有熒光素的探針和一對引物，且受較多因素影響。

2.2.3 結合亞硫酸氫鈉處理和酶解分析法（COBRA） 亞硫酸氫鈉處理的DNA經PCR擴增后會產生新的酶切位點。目的片段擴增后用識別序列需包含CG的內切酶消化，如BstUI（識別CGCG）。若其識別序列中的C發生完全甲基化，則PCR擴增后保留為CGCG，此時BstUI能夠識別并進行切割；若待測序列中，C未發生甲基化，則PCR擴增后轉變為TGTG，BstUI不可識別此位點，不能進行切割[7]。這樣酶切產物經電泳分離、探針雜交、掃描定量后即可得出原樣本中甲基化的比例。該法的優點是：方法相對簡單，不需預先知道CpG位點及樣本序列；可進行甲基化水平的定量研究；需要樣本量少。缺點是：只能獲得特殊酶切位點甲基化情況，因此檢測結果呈陰性也不能排除樣品DNA中甲基化存在的可能。

2.2.4 甲基化敏感的單核苷酸的擴增（Ms—SnuPE） 甲基化特異的單核苷酸擴增能對不同甲基化特異位點進行快速定量，是一種快速估計特異性CpG位點甲基化情況的定量方法。其原理是先用重亞硫酸鹽處理基因組DNA后PCR，然后取等量擴增產物置于兩管中，分別作為Ms—SnuPE單核苷酸引物延伸的模板。設計用于Ms—SnuPE延伸的引物，其3’末端緊靠待測目的堿基。同時在兩個反應體系中加入等量的引物、同位素標記的dCTP或dTTP、Taq酶等。如待測位點被甲基化，則被同位素標記的dCTP會在延伸反應中連至引物末端；如果未被甲基化，則標記的dTTP可參與反應。末端延伸產物經瓊脂糖凝膠電泳分離和放射活性測定后可得出C／T值，此值為甲基化與非甲基化的比值，由此分析得到目的片段中CpG位點的甲基化情況[8]。

2.2.5 甲基化敏感性高分辨率熔解（MS-HRM）高分辨率熔解是一種最新的遺傳學分析方法，是一種不需要PCR產物后續操作的簡單且靈敏的檢測基因甲基化水平的方法。采用重亞硫酸鹽處理DNA模板后在PCR反應前，在非CpG島位置設計一對針對經亞硫酸氫鈉處理后DNA鏈的引物，這對引物中間包含有意義的甲基化CpG島，一旦這些CpG島發生甲基化，胞嘧啶不發生變化，而未甲基化的胞嘧啶轉變成胸腺嘧啶，樣品中的GC含量發生了變化，最終被轉化成了熔解曲線Tm值之間的差異。CpG位點在小的擴增片段內的相對位置也會對熔解峰的形狀產生影響，因此，根據Tm值和熔解峰的形狀可以檢測出樣本的甲基化位點和甲基化程度[9]。

2.3 甲基化檢測芯片技術

基因芯片技術的出現為檢測DNA甲基化的高通量提供了技術平臺，然而檢測芯片的研究近幾年剛剛起步。目前國際上僅幾個研究小組在開展DNA甲基化芯片的研究工作。各種芯片技術以不同的DNA預處理方法為基礎，包括限制性內切酶和免疫沉淀等。結合限制性酶的芯片方法具有較高的靈敏度，免疫沉淀方法則特異性高。

2.3.1 限制性酶結合芯片技術的方法 有以下三種限制性內切酶可用于與芯片技術結合檢測DNA甲基化：第一種是甲基化依賴型限制性內切酶；第二種是對甲基化敏感性不同的同裂酶；第三種是甲基化敏感性內切酶[10]。

2.3.2 免疫沉淀與芯片方法的結合應用 免疫沉淀與芯片方法的結合應用包括以下幾種：第一種是依賴5-甲基胞嘧啶抗體免疫沉淀富集甲基化片段的方法；第二種是利用甲基化結合蛋白（MBD）免疫沉淀甲基化DNA片段的方法[11]。

3 展望

隨著對表觀遺傳學研究的深入，DNA甲基化檢測方法也得到了快速的發展。目前英國科學家提出，單分子納米孔測序儀能直接分辨出甲基化胞嘧啶和未修飾的胞嘧啶。當核酸外切酶消化單鏈DNA后，單個堿基落入孔中，它們瞬間與環式糊精相互作用，并阻礙了穿過孔中的電流。每個堿基ATGC以及甲基胞嘧啶都有自己特有的電流振幅，因此很容易轉化成DNA序列。納米孔技術就能直接讀出這5-甲基胞嘧啶。

在表觀遺傳學的研究中，DNA的甲基化直接制約著基因的活化狀態，在生命過程中具有十分重要的功能。DNA的甲基化與高等生物的生長發育密切相關，與腫瘤的發生發展也有重要的關系，此外還與X染色體失活、基因印記[3]等有重要聯系。研究DNA甲基化具有重要的意義。在亞硫酸氫鹽法的基礎上，結合甲基化敏感性高分辨率熔解技術等新科技，以及可進行高通量檢測的芯片技術的興起和發展，都為更好地檢測和研究甲基化提供了寬廣的平臺。

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