DNA甲基化概述在哺乳动物基因组中，甲基化是一种表观遗传机制，包括将甲基转移到胞嘧啶的C5位置形成5-甲基胞嘧啶。

DNA甲基化通过招募参与基因抑制的蛋白或通过抑制转录因子与DNA的结合来调节基因表达。

在发育过程中，DNA甲基化的模式在基因组中发生变化，这是DNA从头甲基化和去甲基化的动态过程的结果。

DNA甲基化是被一个甲基转移酶家族所催化，转移S腺苷甲硫氨酸(SAM)的一个甲基到第五个碳胞嘧啶残基形成5mc , Dnmt3a和Dnmt3b可以建立一个新的DNA甲基化模式来去修饰DNA，被称为从头甲基化。

另一方面，Dnmt1在DNA复制过程中起作用，将亲代DNA链上的甲基化模式复制到新合成的子链上。

这三种DNA都广泛参与胚胎的发育。

这三种DNA都广泛参与胚胎的发育。

当细胞到达终末分化时，Dnmt的表达大大降低。

这似乎表明有丝分裂后细胞的DNA甲基化模式是稳定的。

大部分DNA的甲基化发生在鸟嘌呤核苷酸或CpG位点之前的胞嘧啶上。

总的来说，哺乳动物基因组中CpG位点的减少可能是由于5 - mc可脱氨成胸腺嘧啶的诱变潜力。

剩余的CpG位点分布在整个基因组中，除了CpG岛外，它们都被严重甲基化。

DNA甲基化对沉默逆转录病毒分子、调节组织特异性基因表达、基因印记和X染色体失活至关重要。

不同基因组区域的DNA甲基化可能根据潜在的遗传序列对基因活动产生不同的影响。

一、DNA甲基化的位置1.1 基因间区大约45%的哺乳动物基因组由转座因子和病毒因子组成，这些因子被大量甲基化而沉默。

这些元素中的绝大多数是通过DNA甲基化或随着时间的推移由于5mC的破坏而产生的突变而失活的。

如果表达，这些元素是潜在的有害的，因为它们的复制和插入可以导致基因损坏和DNA突变。

胞内颗粒(IAP)是小鼠基因组中最具侵袭性的逆转录病毒之一。

在整个生命过程中，IAP在配子形成、发育和成年阶段都被高度甲基化。

甚至在胚胎内部，当基因组其余部分相对低甲基化时，Dnmtl维持对IAP元件的抑制。

当Dnmtl被基因突变耗尽，导致广泛的低甲基化时，IAP元素被表达。

这表明，在基因间区，DNA甲基化的主要作用之一是抑制潜在有害基因元素的表达。

1.2 CpG岛CpG岛是大约1000个碱基对长度的DNA延伸，它们的CpG密度比基因组的其他部分高，但通常不会甲基化。

大多数基因启动子，大约70%，在CpG岛。

特别是，管家基因的启动子常常嵌入到CpG岛。

CpG岛，尤其是那些与启动子相关的基因在小鼠和人类之间高度保守。

在整个进化过程中，CpG岛屿的位置和保存意味着这些区域具有重要的功能。

CpG岛通过调控染色质结构和转录因子的结合来促进基因表达。

DNA有规律地包裹在组蛋白周围，形成被称为核小体的小段。

DNA与组蛋白的联系越紧密，对基因表达的宽容程度就越低。

CpG岛的一个共同特征是，它们比其他DNA片段包含更少的核团。

与CpG 岛相关的少数核小体常含有组蛋白，其修饰涉及增强基因表达。

尽管约50%的CpG岛包含已知的转录起始位点，但CpG岛往往缺乏常见的启动子元件，如TATA boxes 。

由于许多转录因子结合位点富含GC, CpG岛可能会增强对转录起始位点的结合。

CpG岛虽然缺乏共同的启动子元件，但却能增强DNA的可达性，促进转录因子的结合。

CpG岛的甲基化导致了稳定的基因表达沉默。

在配子发生和胚胎早期发育期间，CpG 岛经历了差异甲基化。

通过CpG岛调控基因表达的甲基化能力对建立很重要。

印迹基因仅由两个遗传亲本染色体中的一个表达，它们的表达由遗传亲本决定。

除了印迹基因外，CpG岛的DNA甲基化还在发育和分化过程中调控基因表达。

就像CpG岛与基因表达的控制相联系，CpG岛可能表现出组织特异性的DNA甲基化模式。

虽然CpG群岛在基因内和基因体区域可能存在组织特异性甲基化模式，与转录起始位点相关的CpG岛很少出现组织特异性甲基化。

相反，距离CpG岛2 kb远的被称为CpG岛边界的区域，具有高度保守的组织特异性甲基化模式。

与CpG岛一样，CpG岛的甲基化与基因表达的减少高度相关。

1.3 基因本体由于哺乳动物基因组中的大多数CpG位点都是甲基化的，所以这些基因本身也必须含有甲基化。

基因体被认为是基因第一个外显子之后的区域，因为第一个外显子的甲基化，就像启动子甲基化一样，会导致基因沉默。

有证据表明，基因体的DNA甲基化与细胞分裂中更高水平的基因表达有关。

然而，在缓慢分裂和非分裂的细胞如大脑中，基因体甲基化与基因表达增加无关。

甲基结合蛋白是DNA甲基化和组蛋白修饰之间最紧密的联系。

MBDs和UHRF蛋白均与甲基化DNA和组蛋白相互作用以增强基因抑制。

KRAB锌指蛋白通常通过与TRIM28的相互作用发挥表观遗传抑制因子的作用。

TRIM28是多功能抑制因子复合物的一个组成部分，至少在这种情况下，核小体重构和组蛋白去乙酰化(NuRD)复合物、h3k9me3催化组蛋白甲基转移酶SETDB1、异染色质蛋白1 (HP1)、DNA甲基转移酶DNMT1、DNMT3A和DNMT3B。

尽管合子型ZFP57突变体的DNA甲基化维持缺陷不太明显，而父系ZFP57的表达挽救了母系ZFP57的缺失，但母系Trim28的缺失本身就是胚胎致死的。

母系Trim28突变体的死亡时间和胚胎表型是高度可变的，在一些母系和父系icr中也发生低甲基化。

对单个囊胚的DNA甲基化分析证实，随机、随机的甲基化缺陷(和表型)是基于携带正常和异常印迹基因位点的早期Trim28母源缺失胚胎的镶嵌组成二、DNA甲基化的基本机制建立，识别和去除DNA甲基化的酶可以分为三类: writers, erasers和readers。

writers是一种催化将甲基加到胞嘧啶残基上的酶。

erasers修改并除去甲基。

readers识别并与甲基结合，最终影响基因表达。

2.1 DNA甲基化书写Dnmt家族的三个成员直接催化甲基加在DNA上: Dnmtl、Dnmt3a和Dnmt3a。

虽然这些酶具有类似的结构与一个大的n端调节域和一个c端催化域，它们有独特的功能和表达模式。

Dnmtl在包括大脑在内的哺乳动物组织中高度表达。

与其他Dnmts不同，Dnmtl优先甲基化半甲基化DNA 。

在DNA复制期间，Dnmtl定位于复制叉，在那里新合成的半甲基化DNA形成。

Dnmt1与新合成的DNA有关并且将其甲基化以精确模拟DNA复制前的原始甲基化模式。

此外，Dnmtl还具有修复DNA甲基化的能力。

因此，Dnmtl被称为主要维护的Dnmt，它在细胞谱系中维持了DNA甲基化的原始模式。

Dnmtl在细胞分化和分裂中起着关键作用。

Dnmt3a和Dnmt3b在结构和功能上极为相似。

与Dnmtl不同，Dnmt3a和Dnmt3b过表达时都能够甲基化天然和合成DNA，而不偏向于半甲基化DNA 。

因此，dnmt3a和Dnmt3b被称为从头合成Dnmt，因为它们可以将甲基化引入未休饰DNA。

Dnmt3a与Dnmt3b 的主要区别在于其基因表达模式。

虽然Dnmt3a相对广泛表达，但除了甲状腺、睾丸和骨髓外，Dnmt3b在大多数分化组织中表达较少。

Dnmt3b在早期发育中是必需的，而Dnmt3a在正常的细胞分化中是必需的。

Dnmt家族的最后一个成员是Dnmt3L，这是一种缺乏其他Dnmt酶催化结构域的蛋白质。

Dnmt3L主要在发育早期表达，成年后仅局限于生殖细胞和胸腺。

虽然Dnmt3L本身没有催化功能，但它与Dnmt3a和Dnmt3b结合，刺激它们的甲基转移酶活性。

2.2 DNA甲基化清除DNA脱甲基作用特点是被动或主动。

被动DNA去甲基化发生在细胞分裂过程中。

在细胞复制过程中，由于Dnmt1积极维持DNA甲基化，它的抑制或功能障碍使新掺入的胞嘧啶保持未甲基化状态，因此降低了每次加入后的总甲基化水平。

活跃的DNA去甲基化可以在分裂细胞和非分裂细胞中发生，但该过程需要酶反应处理5mc，以便将其还原为未修饰胞嘧啶。

脱甲基作用通过一系列的化学反应发生,进一步修饰5 mc,通过脱氨基作用和/或氧化反应的产物认可基本切除修复(BER)途径用裸体替换修改的胞嘧啶。

尽管人们普遍同意,BER 通路是DNA脱甲基的最后一步,特定的酶和化学中间体在脱氧核糖核酸去甲基化过程中形成的。

5mC可以在两个位置被化学修饰，胺基和甲基。

通过AID/ APOBEC(激活诱导的胞苷脱氨酶/载脂蛋白B mRNA -剪接酶复合物)将胺基脱氨成羰基，有效地将5mC转化为胸腺嘧啶，从而产生G/T失配，诱导BER通路纠正碱基。

2.3 DNA甲基化阅读DNA甲基化本身可能通过破坏转录激活因子的结合而降低基因表达，而第二类对5mC 具有高亲和力的蛋白质则会抑制转录因子的结合。

DNA甲基化可由三个不同的蛋白质家族识别:MBD蛋白、UHRF蛋白和锌指蛋白。

在这些家族中，MBD是第一个被发现的。

MBD 蛋白包含一个保守的甲基-CpG结合域(MBD)，它对单个甲基化CpG位点具有更高的亲和力(Nan et al, 1993)。

这个家族包括MeCP2，第一个识别的甲基结合蛋白，连同MBD1、MBD2、MBD3和MBD4 。

与其他组织相比，MBDs在大脑中的表达更高，许多MBDs对正常的神经元发育和功能非常重要。

在MBD家族中，MBD3和MBD4是不寻常的。

例如，由于MBD 区域的突变，MBD3不能直接与DNA结合。

虽然MBD4通常与DNA结合，但当鸟嘌呤与胸腺嘧啶、尿嘧啶或5-氟尿嘧啶不匹配时，MBD4会优先识别，并与参与DNA错配修复的蛋白结合。

三、哺乳动物发育过程中DNA甲基化重编程3.1 DNA甲基转移酶和调节剂3.1.1 DNMT 1和uhrf 1-维护甲基化机械的关键部件DNMT 1，一种DNA甲基转移酶基因，是从小鼠细胞中克隆出来的。

它有几个转录起始点，产生三个主要的异构体. Dnmt 1，在体细胞中表达，编码1620个氨基酸的全长DNMT 1蛋白。

Dnmt1o，在卵母细胞中特异表达，编码一种蛋白质产物，由于从下游起始密码子翻译而缺乏N-末端118个氨基酸。

与DNMT 1相比，DNMT1o具有相似的催化活性，但似乎更稳定。

Dnmt1p在粗线精母细胞中特异表达，不产生蛋白质产物。

DNMT 1包含一个C末端催化结构域，它包含所有DNA甲基转移酶的特异性结构域(I-X)和一个包含多个功能域的独特的N端调控域。

这些结构域包括：核定位信号(Nls)，将dnt 1导入细胞核；增殖细胞核抗原(PCNA)结合域(Pbd)，与DNA复制机制相互作用；针对dnt 1到DNA复制灶的复制聚焦序列(Rfts)；结合非甲基DNA的cxc锌指结构域(cxc锌指结构域)；以及dnmt 1催化活性所需的两个溴邻同源区(Bah)和甘氨酸赖氨酸(Gk)重复序列。