基本介紹
- 中文名：甲基化
- 外文名： Methylation
- 材料：活性甲基化合物
- 媒體：甲基催化
- 形成：各種甲基化合物
- 過程：化學修飾
釋義,類型,功能,檢測方法,
釋義
甲基化是指從活性甲基化合物(如S-腺苷基甲硫氨酸)上將甲基催化轉移到其他化合物的過程。可形成各種甲基化合物，或是對某些蛋白質或核酸等進行化學修飾形成甲基化產物。在生物系統內，甲基化是經酶催化的，這種甲基化涉及重金屬修飾、基因表達的調控、蛋白質功能的調節以及核糖核酸(RNA)加工。
類型
甲基化包括DNA甲基化或蛋白質甲基化
（1）DNA甲基化。脊椎動物的DNA甲基化一般發生在CpG位點（胞嘧啶-磷酸-鳥嘌呤位點，即DNA序列中胞嘧啶後緊連鳥嘌呤的位點）。經DNA甲基轉移酶催化胞嘧啶轉化為5-甲基胞嘧啶。人類基因中約80%-90%的CpG位點已被甲基化，但是在某些特定區域，如富含胞嘧啶和鳥嘌呤的CpG島則未被甲基化。這與包含所有廣泛表達基因在內的56%的哺乳動物基因中的啟動子有關。1%-2%的人類基因組是CpG群，並且CpG甲基化與轉錄活性成反比。
（2）蛋白質甲基化。蛋白質甲基化一般指精氨酸或賴氨酸在蛋白質序列中的甲基化。精氨酸可以被甲基化一次（稱為一甲基精氨酸）或兩次（精氨酸甲基轉移酶（PRMTs）將兩個甲基同時轉移到精氨酸多肽末端的同一個氮原子上成為非對稱性甲基精氨酸，或者在每個氮端各加一個甲基成為對稱性二甲基精氨酸）賴氨酸經賴氨酸轉移酶的催化可以甲基化一次、兩次或三次。在組蛋白中，蛋白質甲基化是被研究最多的一類。在組蛋白轉移酶的催化下，S-腺苷甲硫氨酸的甲基轉移到組蛋白。某些組蛋白殘基通過甲基化可以抑制或激活基因表達，從而形成為表觀遺傳。蛋白質甲基化是翻譯後修飾的一種形式。
功能
DNA甲基化能關閉某些基因的活性，去甲基化則誘導了基因的重新活化和表達。DNA甲基化能引起染色質結構、DNA構象、DNA穩定性及DNA與蛋白質相互作用方式的改變，從而控制基因表達。研究證實，CpG二核苷酸中胞嘧啶的甲基化導致了人體1/3以上由於鹼基轉換而引起的遺傳病。DNA甲基化主要形成5-甲基胞嘧啶（5-mC）和少量的N6-甲基腺嘌呤（N6-mA）及7-甲基鳥嘌呤（7-mG）。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甲基化是指生物體在DNA甲基轉移酶(DNA methyltransferase，DMT) 的催化下，以s-腺苷甲硫氨酸(SAM)為甲基供體，將甲基轉移到特定的鹼基上的過程。DNA甲基化可以發生在腺嘌呤的N-6位、鳥嘌呤的N-7位、胞嘧啶的C-5位等。但在哺乳動物中DNA甲基化主要發生在5’-CpG-3’的C上生成5-甲基胞嘧啶(5mC)。
在哺乳動物中CpG以兩種形式存在：一種是分散於DNA序列中；另一種呈現高度聚集狀態，人們稱之為CpG島（CpG island）。在正常組織里，70%～90%散在的CpG是被甲基修飾的，而CpG島則往往是非甲基化的（除有些特殊區段和基因外）。正常情況下，人類基因組“垃圾”序列的CpG二核苷酸相對稀少，並且總是處於甲基化狀態，與之相反，人類基因組中大小為100-1000bp左右，富含CpG二核苷酸的CpG島則總是處於未甲基化狀態，並且CpG島常位於轉錄調控區附近，與56%的人類基因組編碼基因相關，因此基因轉錄區CpG島的甲基化狀態的研究就顯得十分重要。人類基因組序列草圖分析結果表明，人類基因組CpG島約為28890個，大部分染色體每1Mb就有5-15個CpG島，平均值為每Mb含10.5個CpG島，CpG島的數目與基因密度有良好的對應關係。
DNA甲基化主要是通過DNA甲基轉移酶家族來催化完成的。研究人員在真核生物中發現了3類DNA甲基轉移酶(Dnmt1、Dnmt2、Dnmt3a、Dnmt3b).Dnmt1一種是維持性甲基化酶;Dnmt2可與DNA上特異位點結合，但具體作用尚不清楚;Dnmt3a和Dnmt3b是重新甲基化酶，它們使去甲基化的CpG位點重新甲基化，即參與DNA的從頭甲基化。在哺乳動物的生殖細胞發育時期和植入前胚胎期，其基因組範圍內的甲基化模式通過大規模的去甲基化和接下來的再甲基化過程發生重編程，從而產生具有發育潛能的細胞；在細胞分化的過程中，基因的甲基化狀態將遺傳給後代細胞。由於DNA甲基化與人類發育和腫瘤疾病的密切關係，特別是CpG島甲基化所致抑癌基因轉錄失活問題，DNA甲基化已經成為表觀遺傳學和表觀基因組學的重要研究內容。
組蛋白甲基化是指發生在H3和H4組蛋白N端Arg或Lys殘基上的甲基化，由組蛋白甲基轉移酶介導催化。組蛋白甲基化的功能主要體現在異染色質形成、基因印記、X染色體失活和轉錄調控方面。除了存在組蛋白甲基轉移酶以外，還發現了去甲基化酶。先前人們認為組蛋白的甲基化作用是穩定而不可逆的，使這種去甲基化酶的發現使組蛋白甲基化過程更具動態性。
檢測方法
(1) 甲基化特異性的PCR（Methylation-specific PCR，MSP）
用亞硫酸氫鹽處理基因組DNA，所有未發生甲基化的胞嘧啶被轉化為尿嘧啶，而甲基化的胞嘧啶不變；隨後設計針對甲基化和非甲基化序列的引物進行PCR。通過電泳檢測MSP擴增產物，如果用針對處理後甲基化DNA鏈的引物能得到擴增片段，則說明該位點存在甲基化；反之，說明被檢測的位點不存在甲基化。
(2)亞硫酸氫鹽測序法（Bisulfite sequencing PCR，BSP）
用亞硫酸氫鹽處理基因組DNA，則未發生甲基化的胞嘧啶被轉化為尿嘧啶，而甲基化的胞嘧啶不變。隨後設計BSP引物進行PCR，在擴增過程中尿嘧啶全部轉化為胸腺嘧啶，最後對PCR產物進行測序就可以判斷CpG位點是否發生甲基化稱為BSP-直接測序方法。將PCR產物克隆至載體後進行測序，可以提高測序成功率，這種方法稱為BSP-克隆測序法。
(3) 高解析度熔解曲線法（High Resolution Melting，HRM）
在非CpG島位置設計一對針對亞硫酸氫鹽修飾後的DNA雙鏈的引物，這對引物中間的片段包含感興趣的CpG島。若這些CpG島發生了甲基化，用亞硫酸氫鹽處理後，未甲基化的胞嘧啶經PCR擴增後轉變成胸腺嘧啶，而甲基化的胞嘧啶不變，樣品中的GC含量發生改變，從而導致熔解溫度的變化。
(4) 基因組直接測序法
基因組直接測序法是過去一直沿用的DNA甲基化的研究方法，用Maxam—Gilbert化學裂解法對基因組DNA進行處理，並以連線介導的PCR來放大信號強度，然後進行序列分析。此法是基於5mC在標準的Maxam—Gilbert胞嘧啶化學裂解反應中不被裂解，故5mC可通過在測序膠上缺少對應於胞嘧啶降解反應產物的一個條帶而得以鑑定。如採用MnO4- 哌啶法，結果則反之因此在檢測5mC時，此兩法可提供完全互補的檢測信息。該法與LM—PCR結合後，大大降低了對基因組DNA的需要量(1～2 ng)。當5mC和C同時處於不同DNA分子上的同一位點時，該位點至少要有25%的5mC才能被N2H4法檢測到；MnO4-法比N2 H4法更靈敏。因為這兩種基因組DNA化學修飾法均有抑制DNA聚合酶延伸的特性，無須進行DNA哌啶裂解就可通過基因組直接測序技術進行甲基化分析。
