全基因組dna甲基化與基因表達(dá)調(diào)控

全基因組dna甲基化與基因表達(dá)調(diào)控

直到1975年，在赫芬和赫芬斯特發(fā)現(xiàn)了寄生蟲，并將desibenson作為cpg點(diǎn)的遺傳標(biāo)記。這種甲基化可以通過(guò)克隆和復(fù)制身體。在植物和哺乳動(dòng)物中胞嘧啶殘基第5位碳原子上的甲基化現(xiàn)象是研究最廣泛的表觀遺傳修飾。在哺乳動(dòng)物中,胞嘧啶甲基化大多存在于CG序列上;而植物中除了CG甲基化外,還有CHG和CHH的甲基化(H=A,C或T),擬南芥(Arabidopsisthaliana)中CG、CHG和CHH的甲基化程度分別為24%、6.7%和1.7%。DNA甲基化功能的本質(zhì)是甲基化機(jī)制的建立、維持和去除甲基。DNA甲基轉(zhuǎn)移酶(DNAmethy-ltransferase,DNMT)在調(diào)節(jié)基因甲基化過(guò)程中起著重要作用。在哺乳動(dòng)物中DNMT有DNMT1、DNMT2和DNMT3三種,其中DNMT3分為DNMT3a和DNMT3b,參與DNA的重新甲基化過(guò)程,是發(fā)育早期DNA甲基化必不可少的。目前,普遍認(rèn)為DNMT3a對(duì)DNA甲基化的保持是必需的。在擬南芥中,存在兩種從頭開始的DNA甲基化酶METHYLTRAN-SFERASE(MET1)和CHROMOMETHYLASE(CMT3),MET1是DNMT1甲基化酶的同系物,催化CG位點(diǎn)甲基化,而CMT3是一個(gè)植物特異性的甲基化酶,催化CHG位點(diǎn)的甲基化。不對(duì)稱的CHH位點(diǎn)的甲基化則由CMT3和DOMAINSREARRANGEDMETHYLTRANSFERASE2(DRM2)共同催化,在這個(gè)過(guò)程中可能涉及到一些siRNA(SmallinterferingRNAs)或信號(hào)分子的作用(圖1)。DNA甲基化相對(duì)穩(wěn)定,并且可穩(wěn)定存在于DNA復(fù)制期間,這一特性在由轉(zhuǎn)座子引起的突變以及染色體畸變等的植物防御過(guò)程中起到極為重要的作用。隨著全基因組甲基化測(cè)序技術(shù)的發(fā)展,可以在全基因組范圍內(nèi)確定DNA甲基化的位置及其與基因調(diào)控間的關(guān)系。對(duì)擬南芥全基因組分析表明,著絲粒周圍的異染色質(zhì)、重復(fù)序列以及產(chǎn)生siRNA區(qū)域的DNA都高度甲基化。通常認(rèn)為,啟動(dòng)子的DNA甲基化可以抑制基因的表達(dá),而基因本體的甲基化對(duì)基因表達(dá)影響不大。也有人認(rèn)為基因內(nèi)的DNA甲基化能影響染色質(zhì)結(jié)構(gòu),并影響轉(zhuǎn)錄效率,但越來(lái)越多的研究證明基因本體的甲基化與基因表達(dá)水平及選擇性剪切有關(guān)。在脊椎動(dòng)物如人(Homosapiens)、小鼠(Musmusculus)中,DNA甲基化對(duì)維持正常的胚胎發(fā)育是必須的,甲基化異常常常引起疾病的發(fā)生[12~14]。在植物發(fā)育過(guò)程中,DNA甲基化也起著重要作用。甜瓜(CucumismeloL.)中轉(zhuǎn)錄因子啟動(dòng)子區(qū)域的DNA甲基化變化能引起花性別的轉(zhuǎn)換;擬南芥中DNA甲基化和組蛋白的修飾可以控制生長(zhǎng)素水平,進(jìn)而調(diào)節(jié)芽的再生。此外,在調(diào)節(jié)組織特異性基因的表達(dá)或發(fā)育階段依賴性基因的表達(dá)中,甲基化也起著重要的作用。轉(zhuǎn)座子通常是高度甲基化的,而甲基化的缺失會(huì)激活其轉(zhuǎn)錄并發(fā)生轉(zhuǎn)座。甲基化涉及到遺傳物質(zhì)穩(wěn)定、基因表達(dá)調(diào)控、X染色體失活、轉(zhuǎn)座子沉默、組蛋白修飾等多個(gè)方面。本文概述了基因組結(jié)構(gòu)中DNA甲基化的作用及甲基化與轉(zhuǎn)錄之間的關(guān)系,探討了DNA甲基化與組蛋白甲基化間的相互作用。1pcg島基因甲基化是基因表達(dá)的配置脊椎動(dòng)物中約有半數(shù)的基因在啟動(dòng)子上存在富含CpG的序列,即CpG島。含CpG島的啟動(dòng)子的活性受到多種因素的影響,如多梳蛋白[19~21]。這類啟動(dòng)子的DNA甲基化水平常與基因的轉(zhuǎn)錄活性密切相關(guān)。一般認(rèn)為CpG島上胞嘧啶C的甲基化能通過(guò)與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合或改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)等起到抑制基因轉(zhuǎn)錄的作用。研究表明,DNA甲基化可抑制印記基因的表達(dá)以及引起X染色體失活。例如小鼠生殖細(xì)胞中特異性表達(dá)的基因,其啟動(dòng)子的DNA甲基化水平與正常體細(xì)胞中不同,表明DNA甲基化是基因組織特異性表達(dá)的調(diào)節(jié)機(jī)制之一,而有的基因啟動(dòng)子的DNA甲基化表現(xiàn)出物種特異性。癌細(xì)胞中抑癌基因SLC5A8的啟動(dòng)子高甲基化抑制了該基因的表達(dá)。而對(duì)癌細(xì)胞的研究表明,甲基化水平的改變不僅發(fā)生在CpG島本身,也發(fā)生在CpG島的周圍,并且這種甲基化的變化是保守的,與基因表達(dá)存在密切聯(lián)系。在體細(xì)胞中大多數(shù)常染色體基因的CpG島保持非甲基化狀態(tài),只有一小部分在正常組織和細(xì)胞中發(fā)生甲基化。當(dāng)啟動(dòng)子上含CpG島的基因有活性時(shí),他們的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)(Transcriptionstartsite,TSS)附近經(jīng)常缺少核小體,即形成核小體缺乏區(qū)(Nucleosome-depletedregions,NDRs),而在NDRs的兩側(cè)常常存在組蛋白H2A的變體H2A.Z,能使轉(zhuǎn)錄更易進(jìn)行(圖2)。Bernstein等分析了酵母(Saccharomycescerevisiae)啟動(dòng)子區(qū)域核小體的分布,發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)子上核小體越多,下游基因的轉(zhuǎn)錄速率越小。有證據(jù)表明當(dāng)DNA組裝到核小體上之后,TSS上甲基化的CpG島就不能啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄,然而究竟是轉(zhuǎn)錄沉默在先還是甲基化在先,目前還存在爭(zhēng)議。與含有CpG島的啟動(dòng)子甲基化程度低不同,多數(shù)高甲基化的啟動(dòng)子缺少CpG島。研究發(fā)現(xiàn)水稻(Oryzasativa)胚乳特異性表達(dá)的基因,其TSS附近的CG甲基化水平較低,而有些組織特異性的基因僅在他們表達(dá)的特異性組織中發(fā)生去甲基化。對(duì)人類全基因組的研究表明,體細(xì)胞中不含CpG島的啟動(dòng)子高度甲基化,但這并不妨礙他們的啟動(dòng)子活性。雖然對(duì)CpG島甲基化問(wèn)題已經(jīng)有較長(zhǎng)時(shí)間的研究,但非CpG島轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的甲基化及其對(duì)轉(zhuǎn)錄的調(diào)控作用尚不明確。2基因本體dna甲基化多數(shù)基因本體缺乏CpG島,然而其甲基化卻普遍存在[36~38]。擬南芥中大量的DNA甲基化發(fā)生在基因本體上,而水稻基因本體上除了轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)和終止位點(diǎn)外,還普遍存在CG位點(diǎn)的甲基化。Zemach等對(duì)包括蜜蜂(ApismelliferaL.)、水稻、卷柏(SelaginellamoellendorffiiHieron)等17種動(dòng)、植物和真菌的全基因組DNA甲基化研究發(fā)現(xiàn),基因本體的DNA甲基化在動(dòng)植物中是保守的,表明基因本體的DNA甲基化在古老的真核生物中就已經(jīng)存在,這與Feng等的研究結(jié)果一致。Takuno等通過(guò)比較二穗短柄草(Brachypodiumdistachyon)和水稻的基因本體DNA甲基化,發(fā)現(xiàn)甲基化在這兩個(gè)物種中具有高度的相似性,與玉米(ZeamaysL.)進(jìn)行同源性比較,發(fā)現(xiàn)DNA甲基化在整個(gè)禾本科中是保守的。大量研究已經(jīng)證實(shí),基因轉(zhuǎn)錄水平和基因本體的DNA甲基化有關(guān)。對(duì)擬南芥、人類、水稻和斑馬魚(DaniorerioHamilton)等多個(gè)物種的全基因組DNA甲基化分析均得到證實(shí),與失活的X染色體相比,有活性的X染色體上等位基因的DNA甲基化程度是前者的2倍。之前的研究認(rèn)為,基因本體DNA甲基化水平高的基因都處于中等轉(zhuǎn)錄水平,而降低基因本體甲基化水平能提高基因的表達(dá)。Wang等對(duì)水稻全基因組的DNA甲基化水平研究也證實(shí),基因本體中等的DNA甲基化水平有利于其轉(zhuǎn)錄,而高甲基化水平可能會(huì)抑制轉(zhuǎn)錄,在粗糙脈孢菌(Neurosporacrassa)中,DNA甲基化還能抑制轉(zhuǎn)錄的延伸。而人類基因組DNA甲基化水平的研究結(jié)果卻與此相反,高表達(dá)的基因有非常高的甲基化水平;在金小蜂(Nasoniavitripennis)中高DNA甲基化的基因轉(zhuǎn)錄水平更高,而且甲基化通常發(fā)生在有轉(zhuǎn)錄、翻譯等功能的看家基因(House-keepinggene)上。表明基因本體的DNA甲基化與基因轉(zhuǎn)錄之間的關(guān)系不是普遍的一致,可能與特定的物種或細(xì)胞類型有關(guān)。此外在一些癌變及腫瘤發(fā)生過(guò)程中,DNA甲基化水平會(huì)發(fā)生變化并影響基因的表達(dá)。基因本體DNA甲基化的功能目前還不是很明確。對(duì)基因本體甲基化的進(jìn)一步分析表明外顯子的甲基化程度高于內(nèi)含子,外顯子-內(nèi)含子邊界有甲基化程度的變化,暗示甲基化可能與RNA的選擇性剪切有關(guān),但在金小蜂中甲基化對(duì)選擇性剪切不是必須的。還有假設(shè)提出甲基化能防止基因內(nèi)發(fā)生錯(cuò)誤的轉(zhuǎn)錄起始。因此,基因本體的DNA甲基化功能還有待于進(jìn)一步的研究。3wt1基因多態(tài)性增強(qiáng)子位于啟動(dòng)子的上游或下游,是發(fā)育和細(xì)胞功能中控制基因表達(dá)的關(guān)鍵因子,通常不含CpG島。有研究發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)子一般處于中等的DNA甲基化水平,并且在不同的細(xì)胞中差異很大。一般認(rèn)為增強(qiáng)子的DNA甲基化狀態(tài)與其活性之間呈反比關(guān)系,在癌癥細(xì)胞中,增強(qiáng)子DNA甲基化水平與癌癥相關(guān)基因的表達(dá)水平有關(guān):增強(qiáng)子低DNA甲基化,基因表達(dá)上調(diào);增強(qiáng)子高DNA甲基化,基因表達(dá)下調(diào)。在體外實(shí)驗(yàn)中,組織特異性增強(qiáng)子的CpG甲基化能顯著抑制其活性,DNA甲基化也能阻止糖皮質(zhì)激素受體與增強(qiáng)子的結(jié)合,但這些甲基化在體內(nèi)卻表現(xiàn)出組織特異性的去甲基化,因此推測(cè)增強(qiáng)子的DNA甲基化是依賴整個(gè)基因組環(huán)境的。在人類腎組織中,差異DNA甲基化區(qū)域主要存在于增強(qiáng)子區(qū)域,并且DNA甲基化的變化能影響相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平,從而影響腎臟纖維化的發(fā)展。沉默子是一種甲基化敏感的順式作用元件。在人類WT1基因的反義調(diào)控區(qū)(Antisenseregulatoryregion,ARR)含有一個(gè)轉(zhuǎn)錄沉默元件,其DNA甲基化程度能影響該區(qū)域?qū)ο掠位虻某聊１M管對(duì)沉默子的這種精確的機(jī)制還不是很確定,但推測(cè)沉默子可能通過(guò)召集蛋白復(fù)合體到染色質(zhì),結(jié)合DNA形成抑制結(jié)構(gòu)域。有研究發(fā)現(xiàn)DNA甲基化的印記控制區(qū)(Imprintingcontrolregion,ICR)能作為沉默子調(diào)控下游基因的轉(zhuǎn)錄沉默,如H19基因上游有一段富含CpG的甲基化差異區(qū),通過(guò)招募MeCP2蛋白,借助甲基化差異可以使目標(biāo)基因沉默。4水稻中轉(zhuǎn)座活性的變化轉(zhuǎn)座子首先由BarbaraMcClintock在玉米中發(fā)現(xiàn),是真核生物基因組的重要組成部分。在擬南芥、水稻和玉米中,轉(zhuǎn)座子分別占了基因組的12%、40%和85%,而在人類基因組中,大約1/3的序列是轉(zhuǎn)座子序列。對(duì)一些植物的全基因組DNA甲基化分析表明轉(zhuǎn)座子序列上存在大量的DNA甲基化現(xiàn)象。DNA轉(zhuǎn)座子有超家族CACTA、hAT和Mutator等。Ac/Ds是hAT超家族的一個(gè)成員,在DNA復(fù)制后有一個(gè)短暫的未甲基化狀態(tài),具有很高的轉(zhuǎn)座活性。將Ac/Ds轉(zhuǎn)入到水稻基因組中,到第5代時(shí)Ds就變得非?；钴S。而hAT超家族成員之一的Dart1,在轉(zhuǎn)基因擬南芥中通過(guò)DNA去甲基化可獲得轉(zhuǎn)座活性。在擬南芥中,Hiun(Hi)是一個(gè)類Mutator自主轉(zhuǎn)座子,它在野生型植株中是沉默的,但是當(dāng)DNA甲基化尤其是非CpG位點(diǎn)的DNA甲基化缺失時(shí),Hi就有了轉(zhuǎn)座活性。玉米未成熟種子中轉(zhuǎn)座子Mu的DNA甲基化程度高于幼葉中,限制了其轉(zhuǎn)座活性,使遺傳物質(zhì)能通過(guò)種子穩(wěn)定遺傳給后代。因此轉(zhuǎn)座子的DNA高度甲基化可以抑制其轉(zhuǎn)座活性,從而維持基因組的穩(wěn)定性。反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子是由RNA介導(dǎo)轉(zhuǎn)座的轉(zhuǎn)座子,根據(jù)長(zhǎng)末端重復(fù)序列(Longterminalrepeat,LTR)的有無(wú)可分為L(zhǎng)TR和非LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子。LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子是植物基因組中最豐富的轉(zhuǎn)座子,其轉(zhuǎn)座機(jī)制與逆轉(zhuǎn)錄病毒復(fù)制過(guò)程很相似。Tos17是水稻中研究比較清楚的一類LTR反轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)座子,在植物正常的生長(zhǎng)條件下是高度甲基化的,不具有轉(zhuǎn)座活性。然而Tos17在愈傷組織中是有活性的,并且隨著組織培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)其拷貝數(shù)也逐漸增加。進(jìn)一步研究表明在愈傷組織Tos17的轉(zhuǎn)座與其DNA甲基化有關(guān)。5h3k9甲基化與基因轉(zhuǎn)錄沉淀組蛋白是真核生物染色質(zhì)中的堿性蛋白質(zhì),富含精氨酸和賴氨酸等堿性氨基酸。組蛋白的修飾包括乙?；⒓谆?、磷酸化、泛素化等等,其中甲基化修飾可發(fā)生在精氨酸和賴氨酸的側(cè)鏈,由多種組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶催化并可以單獨(dú)或多次被甲基化,如賴氨酸可以發(fā)生單、雙或三甲基化。組蛋白甲基化在DNA甲基化的建立和維護(hù)中發(fā)揮了重要作用,尤其是組蛋白H3賴氨酸9(H3K9)的甲基化。在粗糙脈孢菌中,DNA甲基化完全依賴由組蛋白甲基化酶介導(dǎo)的組蛋白H3K9的甲基化,而擬南芥中組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶的功能缺失則會(huì)引起相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄沉默。在人類胚胎肝細(xì)胞的甲基轉(zhuǎn)移酶突變體中,內(nèi)源基因啟動(dòng)子上的甲基化水平明顯降低。在植物中,H3K9的甲基化由SET結(jié)構(gòu)域蛋白介導(dǎo),對(duì)轉(zhuǎn)座子沉默和植物正常發(fā)育是必須的。有研究表明SET結(jié)構(gòu)域蛋白SUVR4可以將單甲基化的H3K9轉(zhuǎn)換成三甲基化狀態(tài),尤其是在泛素存在的情況下,并且這種轉(zhuǎn)換會(huì)影響轉(zhuǎn)座子的轉(zhuǎn)錄沉默。對(duì)擬南芥突變體的研究發(fā)現(xiàn),H3K9的甲基化通過(guò)甲基化染色質(zhì)與CMT3之間的相互作用,控制DNA的甲基化,表明DNA甲基化與H3K9甲基化有關(guān)聯(lián)。在植物基因組中,H3K9甲基化主要富集在重復(fù)序列,對(duì)異染色質(zhì)的形成是必不可少的[84~86]。如在擬南芥中,H3K9me2主要富集在結(jié)構(gòu)性異染色質(zhì)上,作為異染色質(zhì)的一個(gè)標(biāo)記,對(duì)沉默轉(zhuǎn)座子和控制DNA甲基化發(fā)揮重要的作用。不同位點(diǎn)的組蛋白甲基化對(duì)基因表達(dá)的作用不同,同一位點(diǎn)上不同的組蛋白甲基化數(shù)目對(duì)基因的影響也不同。除了H3K9,其他位點(diǎn)的組蛋白甲基化也有重要的作用。如H3K36me3常常與DNA超甲基化有關(guān),H3K27me3在維持轉(zhuǎn)錄抑制中起重要的保守性作用。此外除了組蛋白甲基化外,其他的組蛋白修飾也會(huì)影響DNA甲基化,如組蛋白H