Science解讀甲基化組新觀點

　　在真核生物中，DNA甲基化通常發生在CG中的胞嘧啶上。由于甲基化不會改變DNA序列，它被視為一種表觀遺傳學標志。DNA甲基化可以在細胞分裂過程中延續到子代細胞，這一機制現在已經相當明確。而這種繼承性使DNA甲基化成為儲存表觀遺傳學記憶的潛在途徑，這種記憶包括環境或發育過程中的基因調控。不過要證實DNA甲基化有此功能并不容易，不僅要力證DNA甲基化模式與特定轉錄模式相符，更重要的是要證明甲基化模式控制著轉錄。

　　DNA 甲基化在植物和脊椎動物中廣泛存在，但只有某些真菌和昆蟲存在DNA甲基化，并且甲基化模式在，不同進化分支之間差異很大。植物和脊索動物的DNA甲基化主要在基因和重復序列上，而脊椎動物基因組中的甲基化幾乎到處都是，只有個別特殊調控區域除外。在哺乳動物基因組中CG二核苷酸分布不均，CG島(富含 CG的調控區域)多數是不含甲基化的，該區域甲基化能夠使其被有效抑制。不過，CG島只占我們基因組的1%，其余99%的區域含CG較少，而在這些區域中 DNA甲基化對基因調控的影響還遠未明晰。

　　DNA 甲基化抑制基因的一個典型例子是印跡基因的GC島啟動子，該區域中不同等位基因的甲基化情況不同，與之結合的蛋白因子也有差異，這些印跡基因的表達情況決定于其親本。研究顯示，甲基化CG島可能通過招募大量蛋白來介導上述抑制作用，這些蛋白含有甲基化CG結合域，能夠特異性識別甲基胞嘧啶。也有研究敲除了 de novo甲基轉移酶基因，發現當相應CG島未被甲基化時一些基因重新活躍起來。

　　有些特定轉錄因子對其結合位點的DNA甲基化很敏感，例如MYC和YY1。在這種情況下，即使是在CG含量少的區域，啟動子、增強子等基因調控區域的甲基化也會阻止轉錄因子結合，從而抑制基因表達。

　　隨著DNA測序技術的日新月異，人們可以在整個基因組中檢測胞嘧啶甲基化，分辨率能夠精確到單個堿基。以這種技術生成的甲基化組methylome，向人們揭示了DNA甲基化在基因組中的準確定位，尤其是在CG含量少的區域。有趣的是，當且僅當基因活躍并被轉錄因子結合時，CG含量少的遠端調控區域中DNA 甲基減少。看起來這似乎將DNA甲基化與增強子活性聯系了起來，但迄今為止的數據顯示，轉錄因子結合發生在DNA甲基化改變之前，說明甲基化并未調節增強子活性。人們還不清楚上述現象是否具有普遍性，不過很可能在CG較少的序列中，DNA甲基化的許多改變是基因調控的產物而非其原因。據此我們可以進一步推測，個體間DNA序列的突變讓調控區域的甲基化情況發生了改變。實際上，許多個體間的DNA甲基化差異可能都是由于基因突變引起的，而非表觀遺傳學層面上的。

　　在測序基礎上對高分辨率甲基化組進行分析，人們看到外顯子和內含子之間也存在甲基化差異，暗示DNA甲基化可能參與了調控剪切。不過，剪切差異明顯與RNA 聚合酶的延伸速度有關，還未有證據證明甲基化可以對此加以控制。而且目前就單個基因來說，外顯子和內含子之間的甲基化差異并不明顯，只有在比較數千個基因的平均甲基化狀態時這樣的差異才比較明顯。人們還不清楚這樣微小的差異如何對單個基因產生影響。

　　這種高分辨率甲基化組也存在著不足，這樣的技術生成的是DNA甲基化的靜態圖，無法展示甲基化穩定性隨時間推移的變化。在生殖細胞系和早期胚胎中，存在活躍的去甲基化浪潮，而且有研究指出特定位點的去甲基化與體細胞的分化有關。

　　最近發現的TET酶家族(ten-eleven translocation)為我們展示了一個活躍的去甲基化機制，也讓我們能夠識別其作用位點。TET酶可以氧化5-甲基胞嘧啶，而這個酶促反應的產物(5-羥甲基胞嘧啶)能夠被多種方式檢測到，并且可以精確到堿基。TET蛋白出現在不分裂的體細胞中，羥甲基胞嘧啶也是如此，這說明活躍的DNA去甲基化可能發生在每個細胞中。這種去甲基化現象看起來并非是隨機產生的，舉例來講，TET1就優先出現在未甲基化的CG島。對于表觀遺傳學記憶的觀點來說，闡明 DNA去甲基化的位點和動力學很關鍵。如果DNA去甲基化的浪潮持續存在，那么DNA甲基化又怎么能在基因組水平上儲存信息呢?

　　目前一些大型表觀基因組學項目正在研究多種組織中的甲基化組，這將有助于人們將基因型與表觀基因型更好的聯系在一起。可以想見，許多甲基化是DNA序列中的固有信息。要正確解讀甲基化圖譜，就必須進一步將指導基因調控的甲基化與轉錄因子結合所造成的甲基化狀態區分開。