DNA甲基化在基因表达调控中的意义及研究进展

中国医药导报2019年5月第16卷第14期窑综述窑DNA甲基化在基因表达调控中的意义及研究进展钟焱1徐慧2彭凤兰3410100410100曰1.长沙卫生职业学院科研处袁湖南长沙3.长沙卫生职业学院医学基础部袁湖南长沙410100曰2.长沙卫生职业学院护理系袁湖南长沙[摘要]DNA甲基化修饰作用是目前表观遗传学的研究热点遥其参与基因表达调控尧基因沉默尧DNA损伤修复以及癌症发生等重要生物学过程袁大多癌症的致病过程尧免疫系统疾病尧阿尔茨海默病等疾病都涉及表观遗传学改变袁基因的甲基化主要发生在富含GC碱基序列的CpG区域袁基因在相应的甲基化转移酶的作用下调控癌基因尧致癌基因的表达和DNA的损伤修复等遥本文结合最新研究进展综述DNA甲基化在基因组中的基因表达调控中的意义及研究进展遥[关键词]启动子曰甲基化曰基因表达调控[中图分类号]R34[文献标识码]A[文章编号]1673-7210渊2019冤05渊b冤-0033-04SignificanceandresearchprogressofDNAmethylationingeneexpressionregulationZHONGYan1XUHui2PENGFenglan31.ResearchOffice,ChangshaHealthVocationalCollege,Hu忆nanProvince,ChangshaNursing,ChangshaHealthVocationalCollege,Hu忆nanProvince,Changsha410010,China;3.BasicMedicineDepart鄄410010,China;2.Departmentofment,ChangshaHealthVocationalCollege,Hu忆nanProvince,Changsha410010,China[Abstract]DNAmethylationmodificationisahotresearchtopicinepigenetics.Itsinvolvedinregulatinggeneexpres鄄sion,genesilencing,DNAdamagerepair,andcancer,andotherimportantbiologicalprocesses,mostofthepathogenicmainlyintheareasrichinGCbasesequenceoftheCpG,geneundertheactionofthecorrespondingmethylationtrans鄄andresearchprogressofDNAmethylationingeneexpressionregulationingenomewerereviewed.[Keywords]Promotor;Methylation;Geneexpressionregulationferaseregulatetheexpressionofcancergene,oncogeneandDNAdamagerepair,etc.Inthispaper,thesignificanceprocessofcancer,immunesystemdiseases,Alzheimer忆sdiseaseareinvolvedinepigeneticchanges,genemethylationis表观遗传学指基因的核酸序列不发生改变的情况下基因的表达却发生了可遗传改变的现象袁甲基化是一种重要的表观遗传修饰作用袁它可在不改变基因序列的前提下袁对基因序列中的碱基进行甲基基团修饰袁以此抑制或促进基因的表达而影响机体功能袁是生物体内蛋白质和核酸的一种重要的修饰方式袁与癌症尧衰老尧免疫系统等多种疾病的发生发展密切关联袁是表观遗传学的热点研究内容[1-2]遥如结直肠癌细胞中有许多异常的甲基化基因袁主要包括非启动子区域的总体低甲基化和启动子区域的高甲基化[3]袁基因低水平甲基化或去甲基化可激活基因的表达袁导致癌基因表达上调或细胞染色体空间结构不稳定曰基因高水平[基金项目]湖南省自然科学基金科教联合项目渊2018JJ5073冤遥[作者简介]钟焱渊1984-冤袁女袁硕士袁主要从事基因结构与功能的研究遥[通讯作者]彭凤兰渊1971-冤袁女袁硕士袁教授袁医学基础部主任袁主要从事基因结构与功能的研究遥甲基化则关闭或沉默某些基因的活性袁使得抑癌基因表达下调或DNA损伤修复受抑制袁进而影响细胞周期尧细胞凋亡等功能遥1DNA甲基化与基因表达DNA甲基化是指生物体在DNA甲基转移酶的作用下袁以s-腺苷甲硫氨酸为甲基供体袁将甲基转移到特定的碱基上的过程袁可以发生在腺嘌呤的N-6位尧胞嘧啶的N-4位尧鸟嘌呤的N-7位或胞嘧啶的C-5位等袁哺乳动物的DNA甲基化主要发生在G/C含量丰富的5忆-CpG-3忆序列的C碱基上遥人类的CpG以两种形式存在袁一种是分散于DNA序列中袁另一种是CpG结构高度聚集的CpG岛袁在正常组织里袁70%耀90%散在的CpG是被甲基修饰的遥间构象尧稳定性及其与蛋白质相互作用方式等袁起到DNA甲基化通过甲基化碱基序列而影响核酸空调控基因表达的作用遥一般情况下袁基因启动子CpG岛甲基化与基因表达呈负相关袁基因内部的甲基化与CHINAMEDICALHERALDVol.16No.14May201933窑综述窑基因表达也存在着弱的负相关遥哺乳动物细胞内主要包含DNMT冤袁5种类型的DNA甲基化酶渊DNAmethyltransferase袁和DNMT3L袁分别是但只有DNMT1尧DNMT2尧DNMT3A尧DNMT3BDNMT1尧DNMT3A和DNMT3B三种酶具有甲基转移活性袁分为持续性甲基转移酶和从头甲基转移酶袁前者主要是DNMT1袁它能使DNA双链其中的一条链完全甲基化袁参与DNA复制过程中新合成链的甲基化在早期哺乳动物胚胎中高表达曰后者主要包括DNMT3A袁但在细胞分化和DN过程中表达降低MT3B袁袁主要甲基化人类基因中CpG序列袁使其半甲基化袁继而全甲基化遥有研究[4-6]认为从头甲基转移酶可能参与细胞生长分化调控袁其中DNMT3A以自抑制的形式存在袁且组蛋白H3尾部可促进及诱导其活性参与细胞的基因表达调控及细胞分化遥2基因甲基化调节基因表达调控的方式及意义2.1甲基化启动基因序列袁导致基因沉默启动子是基因表达与否的野开关冶袁是基因表达过程中RNA聚合酶特异性识别并结合的部位袁富含GC序列并组成很多CpG岛袁启动子中的DNA甲基化通过招募参与基因阻遏的蛋白质后抑制转录因子与DNA的结合来调节基因表达袁进而沉默或抑制基因表达袁是甲基化抑制剂假定的治疗靶点遥众多肿瘤的一个重要特征是对应癌基因的DNA启动子局部低甲基化袁抑癌基因启动子高甲基化袁异常的DNA甲基化可作为肿瘤诊断2.1.1子中一般存在大量甲基化启动子中转录因子的结合体位点尧分类和治疗的重要分子标志物[7-8]遥CpG岛袁这些岛呈高度甲基化状态启动袁甲基化可改变启动子在基因中的原始构型袁进而干扰特异性转录因子与启动子上的特异识别位点结合袁进而影响下游基因的转录调控袁影响肿瘤的发生发展遥有学者分析发现多发性骨髓相关基因DAZAP2启动子的CpG2岛上存在许多转录因子结合体位点袁通过生物素5忆端标记AP-2尧CREB尧c-Rel非甲基化渊甲基化冤转录因子结合位点探针袁提取KM3细胞核蛋白袁进行凝胶阻滞实验发现袁甲基化结合位点中的胞嘧啶能够抑制某些转录因子与其结合位点的结合DAZAP2袁降低袁导致基因表达显著下调基因的高度甲基化使得转录因子结合大大2.1.2[9]遥启动子中的甲基化序列通过与细胞核内的甲基化启动子中的甲基化序列与其特异性蛋白结合CG序列结合蛋白特异性结合袁间接导致转录因子不能与基因结合形成转录复合物袁导致基因沉默或基因表达转录终止袁去甲基化则导致基因表达上调遥白细胞介素-10渊IL-10冤与宫颈肿瘤的癌变呈正相关袁肿瘤相关巨噬细胞是IL-10的重要来源细胞之一袁而转录因子34CHINAMEDICALHERALDVol.16No.14May2019中国医药导报2019年5月第16卷第14期特异性蛋白GC渊Sp1冤可结合IL-10巨噬细胞中序列的顺式作用元件IL-10基因启动子区域去甲基化促使转袁张琪基因启动子上富含[10]研究发现肿瘤相关录因子Sp1与其结合而促进IL-10的表达遥2.2甲基化导致基因点突变序列在甲基化酶的作用下促进DNA甲基化引起基因突变的机制主要是C渊胞嘧啶冤和5mCDNA脱氨CpG袁抑制序列的U的修复C寅T袁突变并且使碱基遥有研究U寅T改变袁进而导致[10-11]报道发现非小细胞肺癌老年患者支气管肺泡灌洗液内P53基因突变导致患者视黄酸受体渊RAR冤-茁基因的启动子区域甲基化率提高袁进而导致该基因表达沉默袁促进肿瘤细胞的生长和增殖袁而正常人中的RAR-茁基因的甲基化水平较低遥临床研究认为大多单独发生的泛发性脓疱型银屑病IL36RN渊generalizedpustularpsoriasis袁GPP冤是由院的学者基因的纯和或复合突变引起的[12]通过研究发现GPP患者单核细胞全基因袁北京协和医组DNA呈现异常甲基化状态袁与正常个体比较袁其甲基化程度升高的位点407呈高度甲基化状态个袁GPP患者外周血单核细胞中的5921个袁甲基化程度降低的位点袁DCD1的mRNA表达水平显著降PDCD1基因低袁且与甲基化水平呈负相关袁进一步表明DNA甲基化导致的核苷酸序列改变可能是参与GPP发病的重要机制之一遥2.3甲基化影响基因错配修复基因突变和基因启动子区的高水平甲基化是导致在错配修复基因表达缺陷的两大主要原因遥组蛋白的翻译后修饰在DNA损伤信号应答和修复中发挥了重要功能袁其修饰的异常往往会导致DNA修复应答通路的阻断和异常袁最终导致细胞凋亡或基因的不稳定性[13]甲基化遥甲基化是组蛋白最常见的翻译后修饰渊组蛋白H3第36位赖氨酸甲基化冤袁H3K36在DNA双链断裂修复和错配修复等损伤修复活动中也发挥重要调控作用袁对于赖氨酸残基的甲基化修饰包括单甲基化尧二甲基化或三甲基化修饰遥Li等[15]通过研究发现袁H3K36me3直接与hMSH6的PWWP结构域结合袁保证了体内招募错配识别蛋白HMUTs琢与染色质的结合袁在细胞周期的G1和S早期袁H3K36me3的大量表达保证了hMutS琢在DNA复制过程中引入错配修复前就富集在染色质上袁而缺失H3K36甲基转移酶率上升的现象SEDD2细胞则会出现微卫星不稳定性以及自发突变频DNA3DNA损伤修复袁提示人源细胞中H3K36me3修饰调控甲基化与癌症袁且与癌症的发生紧密相关遥肿瘤是一种高度异质性的疾病袁近十年来科学家中国医药导报2019年5月第16卷第14期们开始相信表观遗传学改变在癌症中发挥重要作用袁特别是DNA甲基化遥甲基化是基因组DNA在转录水平上进行调控的一种自然修饰方式袁参与基因表达调控袁进而参与细胞的生长发育尧逆境胁迫应答等过程遥当基因体内的启动子出现甲基基团损失而导致基因表达异常蛋白质袁进而影响正常细胞的结构和功能袁细胞变异并可能导致癌症遥癌细胞与健康细胞在DNA甲基化的异同可以用于解释基因的肿瘤特异性表达差异袁还可以用于发现生物标志物帮助检测肿瘤尧预测癌症袁预测肿瘤患者的预后袁为肿瘤患者制订治疗计划袁癌细胞基因甲基化研究可用于研发一些干扰癌细胞甲基化的靶向药物来调节细胞的基因甲基化模式袁从而将癌细胞调整为正确的甲基化模式袁抑制肿瘤生长[16]学的张鹍教授就已创造高通量甲基化无创检测技术遥美国加州大袁他们团队利用癌症标志物和组织特异性CpG甲基化模式的双重信号来检测和定位癌症袁可用于癌症的早期筛查与溯源[17]DNA甲基化是癌症的起始阶段袁DNA遥甲基化水平的检测以及这些甲基化有学者[18]认为之间的野亲密程度冶能判断癌症进程所处阶段遥基因甲基化是癌症发生发展的一种警示性标识袁对细胞的基因进行甲基化检测尧计数尧绘图等有助于医生对癌症进行诊断尧甄别尧预防及治疗袁也有助于理顺疾病的发病机制遥4DNA甲基化与其他疾病大量研究[19-20]均发现异常的DNA甲基化在癌症尧心血管疾病尧精神疾病尧自身免疫系等多种疾病发生发展中具有重要角色遥Shinagawa的研究团队[21]通过焦磷酸测序发现早期认知障碍及阿尔茨海默病患者的NCAPH2/LMF2基因启动子的甲基化水平上调袁并认为这种甲基化可影响神经元细胞丢失进而对疾病产生影响PRM1遥宁波大学的刘桂利[22]研究发现OPRK1尧O鄄验发现这两个基因在老年痴呆患者中均表现为高甲基因甲基化修饰与老年痴呆症关联袁并通过实基化水平并且与疾病表型密切关联遥细胞因子是一种由巨噬细胞尧T细胞等免疫细胞产生的小分子多肽袁具有细胞调节免疫应答尧组织损伤修复尧参与炎性反应尧间接杀伤癌细胞等生物学作用袁DNA甲基化水平的变化可导致细胞因子的表达异常袁进而影响T细胞分化及反应性发生改变遥DNA低甲基化可导致如CD70尧CD28尧CD11a/CD18等细胞因子的基因表达上调袁激活自身反应性T细胞袁进而促进B细胞分泌免疫球蛋白袁引起系统性红斑狼疮的自身免疫紊乱遥有学者[23]研究发现哮喘患者外周血中促进炎症发生的细胞因子如酌-干扰素尧IL-1茁尧肿瘤窑综述窑坏死因子琢尧IL-17A基因的启动子区域的甲基化水平低于健康人群IL-10的DNA基因甲基化程度较正常增高袁而外周血抗炎性因子如异常甲基化对细胞因子的转录及功能有重大袁细胞因子基因上IL-4尧影响袁可导致免疫反应调节紊乱袁影响哮喘病程的发生发展遥5展望甲基基团是人类基因的重要组分袁DNA出错并甲基缺失是导致癌症发生的重要原因遥DNA的甲基化与癌症的发生发展过程密切相关袁甲基化的检测将来或可助力癌症检测尧预测癌症的复发等遥甲基化不仅与癌症密切相关袁也与其它疾病密切相连袁如人体衰老尧肥胖尧人体成瘾性等[24-25]疾病不同而异袁应与疾病的亚型袁DNA尧预后及药物反应等甲基化的模式因临床信息相对应袁随着对DNA甲基化研究的深入袁基因甲基化检测将会成为精准医疗的重要组成部分袁帮助临床医生对患者基因进行个体化诊断和治疗遥[1]Cui[参考文献]andD袁XuAge-AssociatedX.DNAMethyltransferases袁DNACognitiveFunction[J].IntMethylation袁[2]2018袁19渊5冤.pii院E1315.JMolSci袁DOK1AraujopromoterOC袁RosamethylationAS袁FernandeslevelsA袁inhepatocellularetal.RASSF1Acarci鄄ANDlivernoma袁cirrhoticandnon-cirrhoticliver袁and渊4冤院e0153796.cancerinbrazilianpatients[J].PLoScorrelationOne袁2016袁wiht[3]ToshinoriscaleanalysisH袁WeisenbergerofaberrantDJ袁LangeDNAmethylationCPE袁etalin.Genome-[4]cancerGuo[J].GenomeRes袁2012袁22渊2冤院271-282.colorectalNature袁2015袁517渊7536冤院640-644.hibitionX袁WangandhistoneL袁LiJ袁H3-inducedetal.StructuralactivationinsightofDNMT3Aintoautoin鄄[J].[5]38.functionMooreLD袁Le[J].Neuropsychopharmocology袁2013袁38T袁FanG.DNAmethylationand渊1冤院23itsbasic-[6]霍中军发生的分子调控机制研究进展袁陈芳袁罗自勉.DNA甲基转移酶[J].现代肿瘤医学3A基因与肿瘤26渊20冤院3325-3329.袁2018袁[7]Subramaniamtransferase院aD袁ThomberenoveltargetforR袁DharpreventionA袁etaland.DNAtherapymethyl-[8]FrontBethgeOncol袁2014袁4渊4冤院80.[J].methylationN袁LothemarkerRA袁HonnepanelvalidatedH袁etal.ColorectalcancerDNA[J].Epigenetics袁2014袁9渊3冤院withhighperformance[9]428-836.inNon-Hodgkinlymphoma李江步研究及抗.多发性骨髓瘤相关基因DAZAP2多克隆抗体制备DAZAP2启动子甲基化初[D].湖南院中南大CHINAMEDICALHERALDVol.16No.14May201935窑综述窑635-642.中国医药导报2019年5月第16卷第14期[10]张琪.宫颈肿瘤相关局势细胞中IL-10基因的转录调[11]MoisonC袁Senamaud-BeaufortC袁FourriereL袁etal.DNA渊4冤院1468-1478.控表达机制研究[D].河北院华北理工大学袁2017院1-57.methylationassociatedwithpolycombrepressionin学袁2010院1-63.[18]WysockiK袁ConleyY袁WenzelS.Epigenomevariationin[19]TandayS.Epigeneticstudyidentifiesgenelinkedtoasth鄄[20]QiuH袁SarathyA袁SchultenK袁etal.DetectionandMappingofDNAMethylationwith2DMaterialNanopores[J].NPJ2DMaterAppl袁2017袁1院3.lationintheNCAPH2/LMF2promoterregionisassoci鄄NeurosciLett袁2016袁629院33-37.宁波院宁波大学袁2017院68.[21]ShinagawaS袁KobayashiN袁NagataT袁etal.DNAmethy鄄atedwithhippocampalatrophyinAlzheimer忆sdiseaseandamnesicmildcognitiveimpairmentpatients[J].[22]刘桂利.轻度认知障碍候选基因的DNA甲基化研究[D].[23]NorthML袁EllisAK.Theroleofepigeneticsinthedevel鄄opmentaloriginsofallergicdisease[J].AnnAllergyAsth鄄maImmunol袁2011袁106渊5冤院355-361.ciationstudyofbodymassindex袁andtheadverseout鄄comesofadiposity[J].Nature.2017袁541渊7635冤院81-86.[24]WahlS袁DrongA袁LehneB袁etal.Epigenome-wideasso鄄[25]ReynoldsLM袁TaylorJR袁DingJ袁etal.Age-relatedvaria鄄tionsinthemethylomeassociatedwithgeneexpression5院5366.渊收稿日期院2018-10-29本文编辑院封inhumanmonocytesandTcells[J].NatCommun袁2014袁华冤maandallery[J].LancetRespirMed袁2015渊3冤院274.severeasthma[J].BioResNurs袁2015渊17冤院263-269.retinoicacidreceptor茁silencing[J].FASEBJ袁2013袁27[12]ZhaoX袁WangN袁ZhangM袁etal.Detectionofmethyla鄄lungcancer[J].OncolLett袁2012袁3渊3冤院654-658.tionoftheRAR-茁geneinpatientswithnon-smallcell[13]朱鹏.泛发性脓疱型银屑病患者DNA甲基化相关研究[14]SymingtonLS袁GautierJ.Double-strandbreakendre鄄2011袁45院247-271.及临床分析[D].北京院北京协和医院袁2017院1-109.sectionandrepairpathwaychoice[J].AnnuRevGenet袁regulateshumanDNAmismatchrepairthroughitsinter-actionwithMutSa[J].Cell袁2013袁153渊3冤院590-600.sightsintothePathogenesisofAnaplasticLarge-Cellfiling[J].CellRep袁2016袁17渊2冤院596-608.[15]LiF袁MaoG袁TongD袁etal.ThehistonemarkH3K36me3[16]HasslerMR袁PulvererW袁LakshminarasimhanR袁etal.In鄄LymphomathroughGenome-wideDNAMethylationPro鄄[17]GuoS袁DiepD袁PlongthongkumN袁etal.Identificationofmethylationhaplotypeblocksaidsindeconvolutionofheterogeneoustissuesamplesandtumortissue-of-originmappingfromplasmaDNA[J].NatGenet袁2017袁49渊4冤院渊上接第28页冤[22]单骄宇袁李海涛袁李春燕袁等.不同棘球蚴抗原诱导树突状细胞表达吲哚胺2袁3-双加氧酶的实验研究[J].[27]周云袁潘建平.Toll样受体在抗白假丝酵母菌感染中的作用研究进展[J].浙江大学学报袁2016渊3冤院302-307.[28]庞高举袁孙丽妲袁姚楠袁等.TLR2尧TLR4及MyD88高表杂志袁2018袁34渊5冤院737-740.[29]于莉莉袁韩代书.Toll样受体渊TLR冤介导的天然免疫间21渊1冤院79-84.的相互调节[J].中国组织化学与细胞化学杂志袁2013袁中国寄生虫学与寄生虫病杂志袁2013袁31渊3冤院188-[23]徐凯袁魏永鸽.Toll样受体与感染性疾病[J].内江科技袁[24]李承龙袁马立新袁耿鑫袁等.TLR2与胶质瘤的相关性研究进展[J].中国神经医学杂志袁2018袁17渊3冤院315-319.进展[J].中国免疫学杂志袁2016袁32渊5冤院766-768.国麻风皮肤病杂志袁2015袁30渊5冤院283-285.[25]燕飞袁朱坚胜.Toll样受体4与乙型肝炎病毒感染研究[26]严翘.Toll样受体与病毒感染性皮肤病研究进展[J].中2011渊10冤院48.192.达与Cm呼吸道感染肺组织炎症相关[J].中国免疫学[30]王静袁潘宏铭.PD-1/PD-L1与IDO抑制剂在原发性肝渊12冤院1375-1379.细胞癌免疫治疗中的研究进展[J].癌症进展袁2017袁15渊收稿日期院2018-10-22本文编辑院金虹冤36CHINAMEDICALHERALDVol.16No.14May2019