DNA甲基化與基因活性的調控

（甘肅省高臺縣第一中學 甘肅張掖 734300）

人教版2019年版高中生物《必修2·遺傳與進化》第四章第二節“基因表達與性狀關系”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，但基因表達和表型發生可遺傳變化的現象。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，只是部分堿基發生了甲基化修飾，抑制了基因的表達，進而對表型產生影響，同時這種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的機制。教師對于這樣一些新內容，熟悉其過程及機制是必要的。基于此，從DNA的甲基化和去甲基化過程、DNA甲基化抑制基因轉錄的機制2個方面進行整理。

1 DNA的甲基化和去甲基化

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

DNA甲基化修飾現象廣泛存在于多種有機體中。人類基因組中大部分序列中存在DNA甲基化現象，其中成串出現在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，而去甲基化則誘導了基因的重新活化和表達。

真核生物細胞內DNMT成員眾多，以哺乳動物細胞內的部分DNMT為例（表1）。

表1 DNA甲基轉移酶的功能

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在CpG序列、CpXpG、CCA/TGG和GATC中。

DNA去甲基化包括被動去甲基化和主動去甲基化兩種途徑。DNA被動去甲基化一般發生在細胞分裂間期DNA復制時。在此期間甲基轉移酶類失活，導致新合成的DNA鏈未被甲基化。DNA主動去甲基化不同于被動去甲基化，不涉及DNA復制，但是需要一個或多個酶的參與。

DNA主動去甲基化可能存在的五種機制：①堿基切除修復機制（BER）：在植物體內，DNA主動去甲基化主要通過BER途徑來實現，依賴脫氧核糖和5-mC之間的糖苷鍵的斷裂，通過核酸內切酶和DNA聚合酶的作用，最終使得5-mC轉變成胞嘧啶C。②脫氨酶參與的DNA去甲基化：動物體中，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錯配，通過錯配修復使未甲基化的C取代T（圖2）。③核苷酸外切修復機制（NER）：此途徑實現去甲基化是在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：在動物細胞內，5-mC氧化可轉化成5-羥甲基胞嘧啶（5-hmC），在依賴DNA轉葡糖基酶通過一系列修復將5-hmC轉化成胞嘧啶C，從而實現DNA主動去甲基化。⑤水解去甲基化：在蛋白質輔助因子的作用下，由氫原子直接取代甲基基團，同時釋放甲醇（圖2），也可實現DNA主動去甲基化。

2 DNA甲基化抑制基因轉錄的機制

2.1 DNA甲基化干擾轉錄因子（TF）與啟動子的識別結合抑制基因轉錄

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

2.2 甲基化DNA上結合特異的轉錄阻遏物抑制基因轉錄

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

2.3 DNA甲基化通過影響染色質結構抑制基因轉錄

通過影響染色質的結構抑制基因轉錄是DNA甲基化調控基因表達的另一種方式。DNA甲基化作用可以誘導染色質失活。研究表明，當組蛋白與甲基化DNA結合成復合體時，DNA的構型會發生很大的變化，DNA甲基化達到一定程度時會發生從常規的BDNA向Z-DNA的過渡（圖5）。Z-DNA相比常規的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，雙螺旋表面有兩個寬度不同的溝槽。一個是大溝，一個是小溝，這兩個溝槽中堿基外露，為蛋白質的結合提供充足空間。但是，由于Z-DNA結構不穩定、超螺旋化，使許多蛋白質因子賴以結合的元件縮入大溝，從而影響染色質結構，進一步影響基因的轉錄。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的進入防止染色質的活化，從而穩定維持染色質的失活狀態（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生命過程中是至關重要的，與細胞的生長、發育過程密切相關，如哺乳動物的X染色體隨機失活，參與宿主的防御機制，沉默基因組中的外源序列都與DNA甲基化有關。最新研究也表明蛋白質糖基化在DNA甲基化中起著核心作用，哺乳動物的DNA甲基化可通過激活誘導調節因子糖基化的過程來誘導基因沉默，阻止基因的表達，從而揭示了更多DNA甲基化修飾背后的機制。

上面僅從DNA甲基化的概念出發引出其內涵，從教科書的DNA甲基化現象觀察到理解其對基因活性調控的本質進行了探討和梳理，以期對學習和教學起到幫助。