表觀遺傳學(xué)中的DNA可逆化學(xué)修飾

摘 要：DNA是遺傳信息的載體，也是生物個體以及物種的整個生命周期的藍(lán)圖。DNA在這整個生命周期中保持高度穩(wěn)定。DNA的可逆化學(xué)修飾在哺乳動物的細(xì)胞分化、個體發(fā)育等過程中起到重要作用。本文主要關(guān)注針對DNA中胞嘧啶的甲基化與去甲基化動態(tài)變化及功能的相關(guān)前沿研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：DNA的可逆化學(xué)修飾；胞嘧啶的甲基化；5mC去甲基化；哺乳動物；細(xì)胞分化

一、 導(dǎo)言

細(xì)胞是生命體最基本的單位，其能組成頭發(fā)、眼睛、心臟等各種各樣的器官，并最終組成一個完整的生物個體。細(xì)胞核是細(xì)胞的“司令部”，而在細(xì)胞核中的“司令”們則是脫氧核糖核酸（DNA）。DNA由四種基本的單位腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胸腺嘧啶（G）以及胞嘧啶（C）組成（圖1），其序列信息編碼了生物個體及種群的整個生命周期，因此其必須在整個周期中保持高度穩(wěn)定。另一方面，DNA需要編碼多細(xì)胞生物中多種多樣的細(xì)胞活動，使其具有不同的形態(tài)、發(fā)揮不同的功能。這一看起來矛盾的兩個方面是由DNA的可逆化學(xué)修飾來調(diào)和的：DNA可以發(fā)生化學(xué)修飾，從而在不影響序列穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上擴(kuò)充其生物學(xué)功能。這種具有調(diào)控功能的修飾被稱為表觀遺傳學(xué)修飾。

二、 胞嘧啶的甲基化

多細(xì)胞生物中不同種類細(xì)胞的差異是由于其不一樣的基因表達(dá)情況決定的，細(xì)胞中不同的基因表達(dá)情況可以由多種化學(xué)修飾調(diào)控。哺乳動物細(xì)胞中存在最廣泛的修飾是5-甲基胞嘧啶（5mC）（圖2），它在生物個體的發(fā)育與疾病發(fā)生過程中均發(fā)揮著重要的作用。5mC主要出現(xiàn)在胞嘧啶-鳥嘌呤二核苷酸位點(diǎn)（CpG）上，哺乳動物基因組中大約60%～80%的CpG位點(diǎn)會出現(xiàn)5mC修飾。5mC的主要功能包括X染色體失活、抑制逆轉(zhuǎn)座元件的活性以及基因表達(dá)調(diào)控。

圖2 胞嘧啶的可逆化學(xué)修飾

5mC在化學(xué)上是穩(wěn)定的：甲基通過一個穩(wěn)定的碳-碳共價鍵連接到胞嘧啶的5號位（圖2），因此具有很高的鍵能，若想要直接破壞這種結(jié)構(gòu)不是那么容易。5mC在遺傳學(xué)上也是穩(wěn)定的：DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（DNMT3A、DNMT3B）能夠直接將甲基連接到胞嘧啶上，DNA甲基轉(zhuǎn)移酶1（DNMT1）也可以識別雙鏈DNA中只有一條鏈含有5mC的位點(diǎn)并將其互補(bǔ)鏈進(jìn)行甲基化修飾；這種甲基化維持的機(jī)制可以保證DNA復(fù)制過程中新合成的鏈上帶有同樣的表觀遺傳學(xué)修飾。

三、 5mC的去甲基化

盡管5mC是很穩(wěn)定的，其需要通過多種途徑進(jìn)行去修飾，從而發(fā)揮其在細(xì)胞分化與個體發(fā)育中的調(diào)控作用。如在胚胎發(fā)育過程中，5mC會發(fā)生劇烈的重編程。最重要的三個表觀遺傳學(xué)重編程過程發(fā)生在：（1）受精卵的著床前發(fā)育過程；（2）著床后胚胎發(fā)育過程；（3）精、卵子前體細(xì)胞發(fā)育過程。

5mC可以通過以下兩種方式去除：（1）被動稀釋甲基化：在一些情況下維持甲基化狀態(tài)的酶是不工作的，因此在發(fā)生DNA復(fù)制后，新合成的鏈上不帶有5mC修飾。隨著細(xì)胞分裂的進(jìn)行，這種胞嘧啶的共價修飾就逐漸被稀釋了；（2）主動去甲基化：TET家族蛋白可以將5mC氧化并生成5-羥甲基胞嘧啶（5hmC）、5-醛基胞嘧啶（5fC）以及5-羧基胞嘧啶（5caC）（圖2）。氧化后的5mC可以通過不同途徑進(jìn)行去修飾作用，一是通過細(xì)胞分裂過程中的DNA復(fù)制進(jìn)行被動稀釋去修飾，二是通過TDG酶介導(dǎo)的堿基切除修復(fù)（BER）通路將其主動的還原成一個普通的胞嘧啶堿基（圖2）。

5mC的主動去甲基化過程發(fā)揮著重要作用，因此也受到了多層次的嚴(yán)格調(diào)控。（1）TET酶接觸到底物的難易程度是一種最直接的調(diào)控主動去甲基化過程的方式：細(xì)胞核中的DNA會被不同種類以及修飾狀態(tài)的蛋白結(jié)合并包裹起來，因此被TET酶結(jié)合并識別的概率是不一樣的。（2）TET酶發(fā)揮氧化作用時本身也需要多種不同的輔助因子：如α-酮戊二酸以及二價鐵離子，這些因素濃度的變化會影響TET酶的活力；此外，維生素C也能直接與TET酶的催化位點(diǎn)結(jié)合以及通過促進(jìn)輔助因子二價鐵的生成從而增強(qiáng)TET酶的活性。（3）參與到主動去甲基化過程中的所有的酶本身的表達(dá)水平也可以受到上游機(jī)制的調(diào)控。（4）一些輔助蛋白可以幫助參與主動去甲基化的蛋白到達(dá)基因組上的特定位點(diǎn)從而實(shí)現(xiàn)特異性的去甲基化。

四、 主動去甲基化的功能

在人以及鼠的卵子受精后的很短時間內(nèi)，受精卵會發(fā)生劇烈的表觀遺傳學(xué)重編程，其中包括父源以及母源的全基因組水平的DNA去甲基化。在這個過程中，來自母方的基因組主要通過被動稀釋來完成去甲基化，而來自父方的基因組則會受到主動去甲基化與被動稀釋去甲基化的雙重影響。受精卵在這個過程能夠擦除絕大部分來自父母的表觀遺傳學(xué)印記，并在后續(xù)的胚胎發(fā)育過程中重新建立新的表觀遺傳學(xué)印記。

由于神經(jīng)細(xì)胞中存在很高含量的5hmC，因此主動去甲基化如何幫助神經(jīng)細(xì)胞發(fā)揮正常功能是一個熱點(diǎn)問題。TET1蛋白對于小鼠大腦的正常記憶與學(xué)習(xí)功能是必需的，TET1含量的變化能夠影響神經(jīng)細(xì)胞中的基因表達(dá)情況。此外，TET3也在小鼠的嗅覺神經(jīng)細(xì)胞以及視覺神經(jīng)細(xì)胞中發(fā)揮重要作用，其功能的異常會影響神經(jīng)細(xì)胞中的5mC以及5hmC的含量，進(jìn)而會影響基因的正常表達(dá)情況以及神經(jīng)組織的發(fā)育。

異常的DNA去甲基化也會導(dǎo)致癌癥。在小鼠模型中，TET2催化功能的缺失會影響造血干細(xì)胞的自我更新能力，從而導(dǎo)致惡性血癌的發(fā)生。TET1以及TET3的功能突變也與多種其他類型的癌癥相關(guān)。因此，DNA主動去甲基化能否正常發(fā)揮功能，關(guān)系到5mC修飾以及細(xì)胞中的基因表達(dá)情況；這個過程如果出現(xiàn)異常，則可能導(dǎo)致包括癌癥等疾病在內(nèi)的細(xì)胞功能異常。

五、 總結(jié)與展望

哺乳動物個體每個細(xì)胞中的基因組均包含完全一致的DNA序列信息，但是不同種類的組織中的細(xì)胞卻能夠具有完全不一樣的基因表達(dá)情況從而發(fā)揮不同的功能。包括5mC在內(nèi)的多種不同類型與層次的化學(xué)修飾能夠在不影響DNA序列穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)基因表達(dá)的差異化調(diào)控。endprint

胞嘧啶的甲基化修飾狀態(tài)能決定細(xì)胞的種類與命運(yùn)，因此在胚胎與個體發(fā)育過程中每個不同的細(xì)胞需要逐漸獲得不同的表觀遺傳學(xué)修飾狀態(tài)。另一方面，受精卵需要擦除來自父母雙方的表觀遺傳學(xué)信息，從而重新建立新的表觀遺傳學(xué)印記，DNA的主動去甲基化在這一表觀遺傳學(xué)重編程過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。細(xì)胞中的表觀遺傳學(xué)狀態(tài)的異常可能會導(dǎo)致包括癌癥在內(nèi)的多種疾病。

通過加深對DNA化學(xué)修飾以及表觀遺傳學(xué)的認(rèn)識，能夠幫助人們理解包括癌癥在內(nèi)的疾病發(fā)生的深層次機(jī)理。通過針對這些細(xì)胞異常發(fā)生與發(fā)展的過程，可以開發(fā)特異性的阻斷、逆轉(zhuǎn)等針對性的治療方式，從而最終促進(jìn)人類健康事業(yè)發(fā)展。

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作者簡介：

萬奕恒，湖北省武漢市，武漢市第六中學(xué)。endprint