DNA甲基化及其与细胞癌变的相关性

DNA甲基化及其与细胞癌变的相关性
DNA甲基化及其与细胞癌变的相关性

DNA甲基化_去甲基化与癌症_周建生

收稿日期:2012-10-04 第一作者:周建生(1988-),男,硕士生,E-mail: zhoujiansheng0902@https://www.360docs.net/doc/b416447490.html, *通信作者:焦炳华(1962-),男,博士,教授, E-mail: jiaobh@https://www.360docs.net/doc/b416447490.html, DNA 甲基化/去甲基化与癌症 周建生,杨生生,缪明永,焦炳华* (第二军医大学基础部生物化学与分子生物学教研室,上海 200433) 摘要:DNA 甲基化是真核细胞基因组中常见的可遗传的表观遗传修饰,在调节细胞增殖、分化、个体发育等方面起重要作用,并且DNA 甲基化水平异常与肿瘤的发生发展密切相关。DNA 甲基化及被动去甲基化主要是在DNA 甲基转移酶家族参与下完成的,而DNA 的主动去甲基化机制尚不是很明确。在肿瘤细胞中DNA 的整体甲基化水平显著降低,但抑癌基因的启动子区域却出现高甲基化。目前尽管有DNA 去甲基化药物用于癌症的临床治疗,但药物特异性较差,因而研究特定基因的主动去甲基化机制有助于研发特异性高的药物用于癌症的治疗。 关键词:DNA 甲基化;DNA 去甲基化;癌症;表观遗传治疗 Relationship between DNA methylation/demethylation and cancer ZHOU Jiansheng, YANG Shengsheng, MIAO Mingyong, JIAO Binghua * (Department of Biochemistry and Molecular Biology, College of Basic Medical Sciences, the Second Military Medical University, Shanghai 200433, China) Abstract: DNA methylation, the most common heritable epigenetic marker of eukaryote genome, plays a critical role in cell proliferation, differentiation, and development. Aberrant DNA methylation is correlated with the onset and progression of cancer. It is well accepted that DNA methylation and DNA passive demethylation are mainly catalyzed by the family of DNA methyltransferases. However, the mechanism of DNA active demethylation is unclear. In cancer cells, the global genomic levels of DNA methylation are lower, but the promoter methylation levels of tumor suppressor genes are higher than in normal tissues. Several demethylating agents have been applied for the clinical treatment of cancer, but these agents are lack of specificity for target genes. So studying the mechanism of active demethylation of specific genes avails the research and development of high-specificity agents for the treatment of cancer.Key words: DNA methylation; DNA demethylation; cancer; epigenetic therapy 表观遗传的概念最初是由Conrad Hal Waddington 于1942年提出的,他认为基因型通过一些偶然的、不确定的机制决定了不同的表现型[1];1987年Holliday 将这一表观遗传概念用于DNA 甲基化水平改变引起基因表达活性改变现象[2];现代表观遗传是指在基因的DNA 序列不发生改变的情况下,基因的表达水平与功能发生改变,并产生可以遗传的表型。主要的表观遗传标记存在于染色体的不 同水平,包括DNA 和组蛋白修饰、组蛋白多样性、直接结合于DNA 或组蛋白上的染色体非组蛋白修饰、核内RNA(nuclear RNA, nRNA)、染色体高度有序的结构及位置效应等。其中,DNA 甲基化作为一种重要的表观遗传修饰,参与许多生物过程,包括基因转录调控、转座子沉默、基因印记、X 染色体失活及癌症的发生发展等。本文主要综述DNA 甲基化/去甲基化机制及DNA 甲基化/去

DNA甲基化和肿瘤的关系

DNA 甲基化与肿瘤 一、DNA甲基化与基因表达 5-甲基胞嘧啶是天然存在的修饰碱基,甲基化的 mCpG ,在DNA 双链中对称出现。哺乳类动物基因组约60 %的表达基因5′端启动子存在未被甲基化的CpG岛,而启动子区域外的CpG岛大都为 mCpG。正常情况下,非活化的X染色体、印迹基因等的启动子区域的CpG岛为甲基化状态,而看家基因的 CpG岛则是去甲基化状态。 DNA 甲基化状态与基因表达呈负相关。其调控作用主要在转录水平抑制基因表达。 DNA甲基化的检测方法 经过亚硫酸盐处理后的DNA中胞嘧啶(C)转变为胸腺嘧啶(T),但是甲基化的中的CpG二核苷酸C 未转变为T,而无甲基化的CpG二核苷酸则发生这种转变,由此可以推断DNA是否发生甲基化。TATAGGGCGAATTGGGCCCTCTAGATGCATGCTCGAGCGG CCGCCAGTGTGATGGATATCTGCAGAATTGCCCTTTAGTAT TGTTTGGTGAAATGGTACGTGTTTATAATTTTAGTTATTTAG GAGGTTGAGGTAGGAGGATTTTTTGAGTTTAGGAGTTTAA GTTTAGTTTGGGTAATATAGTTTAGTGGTTATATTAAAAAA AGTAAAATAGTCGGGCGCGGTGGTTTACGTTTGTAATTTTA GTATTTTGGGAGGTCGAGGCGGGTGGATTACGAGGTTAGG AGGTTGAGATTATTTTAAGGGCAAT

DNA 甲基化抑制基因转录的分子机制 ①DNA 双螺旋结构的大沟为DNA 与多种转录因子的作用部位,mCpG的甲基化胞嘧啶突入大沟,抑制转录因子的结合而抑制转录。②mCpG 激活阻遏蛋白因子,如DMAP1、TSG101、 Mi2等,通过阻遏蛋白因子的作用抑制转录。③DNA甲基化与组蛋白乙酰化的研究发现,组蛋白H3、H4 的赖氨酸去乙酰化后带负电荷,与带正电荷的DNA 结合更紧密,不利于转录过程中的聚合物解聚,从而抑制基因转录。甲基化的CpG 结合蛋白(MeCPs) 与DNA 的mCpG结合,并与组氨酸去乙酰化酶(HDAC) 形成复合物共同抑制转录。 二、DNA甲基化与肿瘤 以往的研究认为癌基因激活、抑癌基因失活主要是基因突变、缺失导致的DNA 序列改变。在肿瘤研究中,检测到许多肿瘤的重要基因并未发生突变、缺失,基因表达的异常主要通过DNA 甲基化实现。癌基因的去甲基化和抑癌基因的甲基化状态,可导致癌基因激活、抑癌基因的失活。癌基因的低甲基化和抑癌基因的高甲基化改变是肿瘤细胞的一个重要特征。 DNA 甲基化状态的改变导致基因结构和功能的异常,与肿瘤发生的关系是近年来研究的热点。 DNA甲基化的异常与基因突变、缺失等基因组异常也有密切的关系

DNA甲基化与肿瘤发生_治疗的研究进展

DNA 甲基化与肿瘤发生、治疗的研究进展 刘永忠综述 冒国光审校 (皖南医学院弋矶山医院,芜湖241001) 第一作者简介:刘永忠,男,31岁,助理研究员 关键词 基因 甲基化 肿瘤 中图号 R7301231 肿瘤的发生是涉及多种遗传基因异常并最终导致细胞生长失控的病理过程。近来研究表明,在肿瘤细胞中常存在DNA 甲基化状态的改变。已知这种现象不仅可以导致某些抑癌基因发生致病性的点突变,而且可使一些生长抑制基因的表达受到抑制[1,2]。因此,与肿瘤的发生关系极大。现将这方面的研究进展作一综述。 一 D NA 甲基化与基因突变 胸嘧啶5位碳上加入一甲基基团即为DAN 甲基化,这是真核生物遗传物质化学修饰的一种方式。人类DNA 中大部分散在的Cp G 二核苷酸甲基化状态。研究表明,DNA 甲基化与特定基因内Cp G 位点上发生的高频率转换突变有关。Jones 等[3,4]对人结肠癌组织p53基因突变与Cp G 位点甲基化修饰的关系进行了研究,发现结肠癌组织p53基因6个突变热点中的5个处在Cp G 位点上,并且这些位点均发生了甲基化修饰;结肠癌组织中p53基因C →T 或G →A 转换突变占所有突变的47%。有关结肠癌p53基因点突变的热点位于甲基化修饰的Cp G 位点的机制,目前有以下两种学说:①DNA 链中52甲基胞嘧啶的氨基团欠稳定,易发生自发性水解,脱氨基而转换为T ,由此形成T :G 错配。当然,胞嘧啶也可通过脱氨基转换为U ,但52甲基胞嘧啶自发脱氨基的发生频率是胞嘧啶的212倍,52甲基胞嘧啶与胞嘧啶相比更欠稳定[5]。另外,细胞内碱基切除修复(base excision repair )系统修复T :G 错配的效率远较修复U :G 错配低。胸腺嘧啶2DNA 糖基化酶(TD G )和尿嘧啶2DNA 糖基化酶(UD G )启动碱基修复系统,分别修正T :G 错配和U :G 错配。 Schmutte 等[6]应用含T :G 或U :G 错配的双链寡聚 体作为分析靶物,体外观察正常结肠粘膜和结肠癌组织提取物中TD G 和UD G 的活力之比,结果表明,所有提取物中UD G 修复U :G 错配的效率是TD G 修复T :G 错配效率的600~6000倍。因此,52甲基胞嘧啶(5mC )欠稳定、易脱氨基以及修复T :G 错配效率低可能是结肠癌细胞p53基因发生5mC →T 转换突变的重要原因。②DNA 胞嘧啶甲基化修饰过程中,即有可能发生胞嘧啶的脱氨基反应。已知甲基基团向胞嘧啶5位碳转移时,DNA 胞嘧啶52甲基化转移酶(Me Tase )将非甲基化的胞嘧啶翻出DNA 螺旋轴外,使之进入M Tase 的催化套中(catalytic pocket ),M Tase 的半胱氨酸残基与胞嘧啶环C 26位形成共价中间体,从而破坏了该碱基的芳香构型,C 25位得以活化并接受辅因子S 2腺苷甲硫氨酸(S 2adenosylmethionine ,AdoMet )提供的甲基基团,此后,在上述共价中间体中,M Tase 的半胱氨酸 残基经β 2消去(β2elimination )作用,52甲基胞嘧啶的芳香构型得以恢复,从而完成了胞嘧啶甲基化修饰反应的全过程。但在些过程中,如果AdoMet 的浓度低于M Tase 的Km 值,活化的中间体的半衰期将明显延长,胞嘧啶环4位上的氨基基团将因此而极不稳定,即易发生C →U 的转换突变。如果突变未适时修复,DNA 复制将使C →U 转换突变转为C →T 突变。 近期研究并不支持上述第2种机制,因为与正常结肠粘膜组织相比,结肠癌组织中平均细胞内的AdoMet 浓度非但没有减小而且有增高的趋势。另外,细胞内修复错配的U 碱基的能力较大,C →U 转换突变后,再经复制形成C →T 突变的可能性较小[7]。Yang [8]最近发现,甲基转移酶可和U :G 错配的甲基化位点结合,形成一结构紧密的复合物,使UD G 对错配的U 碱基失去切除修复作用。 二 CpG 岛(CpG island)甲基化与基因沉寂 第9卷 第3期1999年9月 中国癌症杂志  CHINA ONCOLO GY Vol 19,No 13 Sep 11999

DNA甲基化的总结

DNA甲基化是指在DNA甲基转移酶(DNMTs)的催化下,将甲基基团转移到胞嘧啶碱基上的一种修饰方式。它主要发生在富含双核苷酸CpG岛的区域,在人类基因组中有近5万个CpG岛[5]。正常情况下CpG岛是以非甲基化形式(活跃形式)存在的,DNA甲基化可导致基因表达沉默。DNMTs的活性异常与疾病有密切的关系,例如位于染色体上的DNMT3B基因突变可导致ICF综合征。有报道[6]表明,重度女性侵袭性牙周炎的发生与2条X染色体上TMP1基因去甲基化比例增高有关。DNMT基因的过量表达与精神分裂症和情绪障碍等精神疾病的发生也密切相关。风湿性疾病等自身免疫性疾病特别是系统性红斑狼疮(SLE)与DNA甲基化之间关系已经确定[7],在SLE病人的T细胞发现DNMTs活性降低导致的异常低甲基化。启动子区的CpG岛过度甲基化使抑癌基因沉默,基因组总体甲基化水平降低导致一些在正常情况下受到抑制的基因如癌基因被激活[8],都会导致细胞癌变。 甲基化作用是转录水平上表达调控的基本方式之一。由于宿主细胞基因组DNA中不 同位点的甲基化程度存在某种平衡,并形成一定的空间结构特点。一旦转基因的整合破坏了这种平衡及空间特征,破坏后的结构便成为宿主基因组防御系统识别的信号,使新整合的DNA 序列发生不同程度的甲基化,甲基化基因序列则通过抑制甲基化DNA结合蛋白(MeCP2)的结合而抑制转录的顺利进行Ⅲo。在拟南芥中发现了DNA甲基化可以导致基因沉默汹埘]。在基因沉默过程中,外源或内源性信号引起部分DNA序列中CpG的甲基化,甲基化CpG结合域蛋白2(MeCP2)结合到甲基化的胞嘧啶上聚集HDACs使组蛋白去乙酰化,该蛋白与去乙酰化的组蛋白通过聚集更多的DNA 甲基转移酶来加强沉默信号,从而引起基因沉默H?。 ?。DNA甲基化对染色质结构和基因表达的作用很可能是通过一组蛋白介导的,这些蛋白可能含有共同的高度保守的甲基化的CpG结合结构域(MBD)L45 J。DNA甲基化在基因印记、x染色体失活、某些疾病的发生发展中发挥重要作用。其直接作用机制可能是CpG岛甲基化干扰了一些转录因子(transcription factor,TF)与基因调控区的结合,使甲基从DNA分子大沟中突出,从而阻止转录 因子与基因相互作用。间接机制可能是由于甲基化DNA与甲基化DNA结合蛋白结合或DNA甲基化改变染色质结构,这2种情况都间接阻碍TF与DNA结合从而抑制转录m1。DNA甲基化一般是通过转录抑制机制来调节特定基因的,具体的机制可能有:5一MeC伸入DNA双螺旋大沟,影响转录因子的结合;序列特异的甲基化DNA结合蛋白(MDBP一1,MDBP一2)与甲基化的启动子序列特异性结合而抑制转录因子与靶序列的结合;甲基化CpG结合蛋白(MeCPl,MeCP2)与甲基化的二核苷酸CpG结合,发挥类似转录抑制蛋白的作用H“。一般DNA甲基化会通过干扰转录因子与识别位点结合和招募组蛋白乙酰转移酶(histon acefltransfeI"SeS,HATs)、组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases,HDACs)形成辅助阻遏复合体,使基因沉默而抑制其表达,而去甲基化则使沉默的基因重新激活Ⅲ卜 DNA甲基化尤其是基因启动子区CpG岛的高甲基化,会导致基因表达的下降或沉默。甲基化抑制基因的表达目前认为要有两个方面,一方面甲基化引起的基因结构改变可直接阻碍一些转录因子与其结合位的结合;另一方面可能与一些甲基化

DNA甲基化与肿瘤

DNA甲基化与肿瘤 张丕显 (05级博士研究生) 摘要:本文综述了DNA甲基化的研究进展。哺乳动物DNA甲基化主要发生在5’-CpG-3’的C上,生成5-甲基胞嘧啶(5mC)。DNA的甲基化可致基因突变(C T)与基因沉默。基因的甲基化沉默机制有两种:①由于启动子区的甲基化导致启动子区结构改变,启动困难;②甲基化引起组蛋白脱乙酰化而致染色质结构改变,关闭基因。目前,甲基化检测常用甲基化特异的PCR(MSP),检出限可达0.1%。 肿瘤中普遍存在DNA甲基化状态的改变。表现为总体的甲基化水平降低与局部的甲基化水平升高。表现为抑癌基因与修复基因的高甲基化与反转录转座子、癌基因的去甲基化。造成肿瘤甲基化改变的原因可能与甲基转移酶、p21WAF1及染色质结构改变有关,而甲基转移酶的调控机制尚不清楚. 关键词: DNA, 甲基化, 肿瘤 引子 人类对基因本质的认识逐步深入, 目前正经历着更全面的认知过程。早期遗传学家认为, 基因是一个遗传的功能单位, 决定某种遗传性状, 它们在染色体上占有一定的位置, 并可发生突变和交换;随着DNA 作为蛋白质遗传密码载体的发现, 分子遗传学和遗传工程技术的迅速发展, 遗传学界基本上接受了下述 定义: 基因是编码一条多肽链的特定DNA 片段。近几年来随着学科的进展, 一些研究者对上述看法提出了质疑[1~3]。人类基因组计划中DNA 测序工作的基本完成, 只确定了3 万多个基因, 仅是果蝇的2 倍多, 很难想象DNA 含有充分的遗传信息以调控人类如此复杂有机体发育和生存的全过程[4]。实际上在人类细胞中只有数千个基因有活性, 因此维持细胞的正常功能, 决定什么样的一组基因有功能, 而另一组基因无功能, 都是十分重要的。如果出错就会引起严重的后果, 据估计至少3 个基因错误表达就能诱发正常细胞癌变[2]。这样在人类基因组含有两类遗传学信息, 传统意义上的遗传学信息提供了生命所必需的蛋白质的模板; 而表遗传学的信息提供了何时、何地和何种方式应用这些遗传学信息的指令[4]。 表遗传学1942 年由Waddington 首先提出, 研究基因型产生表型的过程, 此后Holliday进行了一系 列的探讨[5]。目前认为, 表遗传学是研究没有DNA 序列变化、可遗传的基因表达(活性)的改变。还有研究者从不同角度进行描述, 例如相对于DNA 序列质的改变的遗传学研究, 表遗传学被定义为研究基因表达 水平(量变) 信息的遗传。也有研究者从遗传学角度, 把表遗传学定义为非孟德尔遗传, 或没有DNA 序列改变的核遗传。2003年10月,人类表观基因组协会(Human Epigenome Con-sortium,HEC)宣布开始投资实施人类表观基因组计划(Human Epigenome Project,HEP),标志着生命科学的研究已悄然进入后基因(表基因)时代.而甲基化是表遗传学作用的主要形式. DNA甲基化 DNA 甲基化是指生物体在DNA 甲基转移酶(DNA methyltransferase ,DMT) 的催化下,以s-腺苷甲硫氨酸(SAM) 为甲基供体,将甲基转移到特定的碱基上的过程。DNA甲基化可以发生在腺嘌呤的N -6位、胞嘧啶的N -4位、鸟嘌呤的N -7位或胞嘧啶的C-5位等[8]。但在哺乳动物,DNA甲基化主要发生在5’-CpG-3’的C上.生成5-甲基胞嘧啶(5mC) [9].反应如下:

癌症的诊断与DNA甲基化的研究

癌症诊断与DNA甲基化的研究 班级:临床三班学号:201108010302 作者:李然 摘要 DNA甲基化异常是人类肿瘤中常见的表观遗传变化之一,伴随着肿瘤的发生和发展,且该异常现象在肿瘤患者的外周循环血清、血浆和尿液等体液中都可检测到。因此,利用DNA甲基化分析技术检测体液中特定分子DNA甲基化水平是肿瘤早期诊断、病程监控和疗效评估的潜在手段,对临床肿瘤的诊治意义重大。 关键词 DNA甲基化;肿瘤诊断 随着人类基因组测序工作的基本完成,深入研究生命过程中基因表达的调控及其在疾病发生中的异常,已成为这一领域的关键课题之一。在这一背景下,以不改变基因组的碱基序列只改变基因组的修饰为研究内容的表观遗传学已成为生命学科的研究前沿,而DNA甲基化修饰是基因组表观遗传调控中主要的方式,它在胚胎发育、转录、染色体结构、P 性染色体失活、基因组印迹和染色体稳定性中起着重要的调控作用。近年越来越多的研究显示人类肿瘤的发生、发展与DNA甲基化的异常有关,而且早在肿瘤临床确诊之前就可检测出特异基因的甲基化异常现象。因此特异基因的甲基化可以作为癌症早期诊断的分子标记物、治疗的靶点和判断预后手段,这对临床肿瘤的诊治将起着重要的意义。 1、DNA甲基化与肿瘤 基因组甲基化异常包括(DNA过低甲基化Cp G岛高甲基化)与肿瘤发生一直是医学界关注热点之一。细胞周期、DNA修复、血管生成和凋亡等都涉及到相关基因的甲基化。肿瘤细胞DNA总体甲基化水平低于正常细胞,但某些特定基因(如肿瘤抑制基因)Cp G岛却处于高甲基化状态。一方面,局部性的高甲基化通过诱导基因突变、基因缺失、启动子区高甲基化导致基因表达抑制,使抑癌基因丧失功能。其中,局部性的高甲基化诱导基因突变有多方面的原因:一是甲基化后的胞嘧啶更易发生内源性突变,如无酶脱氨的几率增加;二是突变后产生的T:不易被错配修复机制识别恢复;三是其外源性突变几率增高,如对紫外线的物理损伤更加敏感,对化学致癌物的亲和力增加等。 另一方面,全基因组的低甲基化可促使癌基因活化,使逆转座子的转录活性增强及基因的不稳定性增加。如去甲基化可能引起癌基因的非扩增性的过度表达。除厂家肿瘤之外,另有四类特殊的肿瘤,即卵巢囊肿、葡萄胎、部分睾丸肿瘤和异位寄生囊肿,也与单亲遗传和DNA甲基化相关。 2、肿瘤中异常的DNA甲基化 肿瘤的形成最终源于基因的异常表达,二近些年研究表明DNA甲基化这一表观遗传机制是影响基因表达的重要因素,毫无疑问,DNA甲基化异常在肿瘤生成中起着重要角色,事实上自1983年Feinbreg等首次发现在癌细胞中基因组甲基化水平偏低后,越来越多的实验表明,在肿瘤的发生和发展中存在DNA甲基化水平和模式的混乱,包括基因组总体甲基化水平过低和某些启动子区域甲基化过高(表一),而且不同的肿瘤表型甲基化异常状况也不相同。最近利用细胞核转移技术证实了改编受精卵的表观遗传信息会逆转肿瘤的表型。

DNA甲基化详解

提到遗传,我们都已经习惯于这样的概念,即基因组的编码信息存在于ACGT 这四种碱基的排列顺序中。然而,诸如胞嘧啶的甲基化修饰及其分布,组蛋白的乙酰化等,同样影响着表型。这就构成了表观遗传学(epigenetics)的主要研究内容。其实,早在1942年,C.H.Waddinton就提出了表观遗传学的概念,他指出,表观遗传与遗传相对,主要研究基因型和表型的关系。而现在,对于表观遗传学,比较统一的认识是,其研究在没有细胞核DNA序列改变的情况时,基因功能的可逆的可遗传的改变。也就是说,在不改变基因组序列的前提下,通过DNA 和组蛋白的修饰等来调控基因表达,其中又以DNA甲基化(DNA methylation)最为常见,成为表观遗传学的重要组成部分。随着人类基因组计划的开展,科学家们开始在基因组水平来研究表观遗传学,逐步形成表观基因组学(epigenomics)。表观基因组学就是要在整个基因组水平来研究表观遗传过程以及与这些过程密切相关的特定基因组区域的识别与鉴定。2000年10月,人类表观基因组协会(Human Epigenome Consortium)由欧盟赞助,启动了旨在于人类6号染色体MHC 区域首先做出DNA的甲基化图谱的先导计划(Pilot Project)。该计划顺利完成,引导启动了2003年的人类表观基因组计划(Human Epigenome Project,HEP)。2005年,美国国家卫生院(NIH)下属的国立癌症研究所启动了癌症基因组先导计划。2006年,该所与国立人类基因组研究所一起共同启动癌症基因组计划(Cancer Genome Project)。表观基因组学和DNA甲基化与癌症的研究成为新的热点。本文将简要介绍DNA甲基化与CpG岛,癌症与DNA甲基化,和DNA甲基化的重要检测方法。DNA甲基化与CpG岛:在人类表观遗传学研究中,最常见的就是CpG二核苷酸中胞嘧啶的甲基化修饰。其主要过程是,在CpG甲基化结合蛋白(Methyl-CpG Binding Proteins,MBDs) 和DNA甲基化转移酶(DNA methyltransferases, DNMTs)的作用下,使CpG二核苷酸5’端的胞嘧啶转变成为5’甲基胞嘧啶。在正常人类的DNA中,约有3-6%的胞嘧啶被甲基化。在哺乳动物中,约有50,000,000个CpG二核苷酸,其中70%的被甲基化。而那些可被甲基化的CpG 二核苷酸并非随机的分布于基因组序列中,相反,在基因组的某些区域中,通常是基因的启动子区域,5’端非翻译区和第一个外显子区,CpG 序列密度非常高,超过均值5倍以上,成为鸟嘌呤和胞嘧啶的富集区,称之为CpG岛(CpG Islands, CGIs)。CpG岛的概念最早由Adrian Bird提出,他称之为

DNA甲基化原理

DNA甲基化 甲基化检测服务-亚硫酸氢钠处理后测序法(bisulfite genomic sequencing PCR, BSP)是利用未甲基化的胞嘧啶可以被亚硫酸氢钠发生脱氨基变为尿嘧啶的原理,用两一特异性引物扩增后测序。测序法克服了只能针对单个位点检测,并且这些位点必须是限制性内切酶识别位点的缺点,可以对任何基因序列的甲基化状态进行检测。 甲基特异性的PCR扩增(MS-PCR)示意图 DNA甲基化(英语:DNA methylation) DNA甲基化是一种表观遗传修饰,它是由DNA甲基转移酶(DNA methyl-transferase, DNMT)催化S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine, SAM)作为甲基供体,将胞嘧啶转变为5-甲基胞嘧啶(mC)的一种反应,在真核生物DNA中,5-甲基胞嘧啶是唯一存在的化学性修饰碱基。CG二核苷酸是最主要的甲基化位点,它在基因组中呈不均匀分布,存在高甲基化、低甲基化和非甲基化的区域,在哺乳动物中mC约占C总量的2-7%。DNA甲基化是表观遗传修饰的主要方式,能在不改变DNA序列的前提下,改变遗传表现。为外遗传编码(epigenetic code)的一部分,是一种外遗传机制。DNA甲基化过程会使甲基添加到DNA分子上,例如在胞嘧啶环的5'碳上:这种5'方向的DNA甲基化方式可见於所有脊椎动物。在人类细胞内,大约有1%的DNA碱基受到了甲基化。在成熟体细胞组织中,DNA甲基化一般发生於CpG双核苷酸(CpG dinucleotide)部位;而非CpG甲基化则於胚胎干细胞中较为常见。植物体内胞嘧啶的甲基化则可分为对称的CpG(或CpNpG),或是不对称的CpNpNp形式(C与G是碱基;p是磷酸根;N指的是任意的核苷酸)。特定胞嘧碇受甲基化的情形,可利用亚硫酸盐定序(bisulfite sequencing)方式测定。DNA甲基化可能使基因沉默化,进而使其失去功能。此外,也有一些生物体内不存在DNA甲基化作用。

DNA甲基化和去甲基化的研究现状及思考_邓大君

Hereditas (Beijing) 2014年5月, 36(5): 403―410 https://www.360docs.net/doc/b416447490.html, 综 述 收稿日期: 2014-01-07; 修回日期: 2014-01-27 基金项目:国家自然科学基金项目(编号:30921140311,31261140372)资助 作者简介:邓大君,教授,研究方向:肿瘤病因学和DNA 甲基化研究。E-mail :dengdajun@https://www.360docs.net/doc/b416447490.html, DOI: 10.3724/SP.J.1005.2014.0403 网络出版时间: 2014-3-3 12:41:25 URL: https://www.360docs.net/doc/b416447490.html,/kcms/detail/11.1913.R.20140303.1241.001.html DNA 甲基化和去甲基化的研究现状及思考 邓大君 北京大学肿瘤医院/研究所, 北京 100142 摘要: DNA 甲基化通过调节基因转录、印记、X 染色体灭活和防御外源性遗传物质入侵等, 在细胞分化、胚胎 发育、环境适应和疾病发生发展上发挥重要作用, 是当前表观遗传学研究的热点领域之一。文章介绍了在过去几年中TET 介导的DNA 羟甲基化及其在早期胚胎发育中的作用, DNA 主动去甲基化及其与被动去甲基化的关系, DNA 甲基化建立及其与组蛋白修饰、染色质构象、多梳蛋白和非编码RNA 结合等关系方面的重要研究进展和存在的问题以及DNA 甲基化的转化应用前景。 关键词: DNA 甲基化; 去甲基化; 表观遗传学; 稳态; 转化研究 DNA methylation and demethylation: current status and future per-spective Dajun Deng Peking University Cancer Hospital and Institute , Beijing 100142, China Abstract: DNA methylation plays important roles in cell differentiation, embryonic development, host adaptations to environmental factors, and pathogenesis through regulation of gene transcription and imprinting, X-inactivation, and de-fense of foreign genetic material invasion, is currently one of the hottest research fields on epigenetics. In the past few years, a number of important findings on DNA methylation have been achieved. These findings include discovery of TETs-catalyzed cytosine hydroxymethylation and its functions in the early embryonic development; the relationship be-tween active and passive DNA demethylation; establishment and maintenance of DNA methylation patterns and their asso-ciations with histone modifications, chromatin configuration, polycomb group proteins and non-coding RNA bindings. DNA methylation has become a new potential biomarker and therapy target. Keywords: DNA methylation; demethylation; epigenetics; homeostasis; translational research DNA 甲基化是指DNA 序列中的腺嘌呤(A)或胞嘧啶(C)碱基在甲基化转移酶的催化下与甲基发生共价结合, 可在细胞分裂过程中传递给子细胞的表 观遗传现象。由DNA 腺嘌呤甲基化酶(DNA adenine methylase, DAM)催化形成的O 6-甲基腺嘌呤(6mA)是一种CTAG 序列复制后维持甲基化, 在细菌表观

DNA甲基化研究报告综述

DNA甲基化研究综述 The summarize of the research on DNA methylation 郭文媛 (生物技术1353227) 摘要:DNA 甲基化是真核生物表观遗传学中一种重要的基因表达调控方式,是一种酶催化的修饰过程。其是在DNA 甲基转移酶催化下,将甲基基团转移到胞嘧啶的5 位碳原子上,使之转变成5-甲基胞嘧啶的化学修饰过程。在人类和其他哺乳动物中,此修饰过程通常发生在5'-CpG-'二核苷酸的胞嘧啶上。大量相关研究表明,DNA 甲基化与人类疾病密切相关。 Abstract: DNA methylation is an important epigenetic regulation of gene expression in eukaryotes.It is a kind of enzyme catalysis modification process: refers to the chemical modification process of DNA methyltransferase catalysis,the transfer of methyl groups onto cytosine carbon atom 5,making them into 5-methyl cytosine.In humans and other mammals,the modification process usually occurs in 5'CpG -'dinucleotide cytosine.A large number of relevant studies have shown that DNA methylation is closely related to human diseases. 关键词: DNA 甲基化; 甲基转移酶;表观遗传学; CpG 岛; Dnmt1; Dnmt3a; Dnmt3b; 基因沉默; DNA甲基化结合蛋白; 人类表观基因组计划 Key words: DNA methylation; Methyltransferase; Epigenetics; CpG island; Dnmt1; Dnmt3a; Dnmt3b ; Gene Silencing ;MBD; human epigenomeproject 表观遗传学研究的是不改变DNA 的一级结构而改变表型的一种基因表达调控机制,主要包括DNA 甲基化、组蛋白修饰、染色体重构、RNA 干扰等。 DNA甲基化是重要的表观遗传修饰之一,在大多数真核生物中广泛存在。DNA 甲基化水平受到环境、疾病、年龄和性别等因素的影响,处于动态的变化过程中。不同的细胞、组织或个体之间,甚至同一细胞或个体的不同发育时期,其DNA 甲基化状态和程度都可能存有差异。 2003 年10 月,人类表观基因组计划委员会正式宣布投资和启动人类表观基因组计划( human epigenomeproject,HEP) 。HEP 的主要目标是研究人类所有基因在主要组织以及200 多种细胞中正常和疾病状态下的甲基化模式,并在基因组水平绘制不同组织正常和疾病状态时的甲基化变异位点图谱[4],本文结合2013年至今DNA甲基化研究文献,综述了DNA 甲基化分布特点和与疾病关系等方面的研究情况。 1.DNA甲基化 1.1DNA甲基化与DNA去甲基化 DNA 甲基化是表观遗传( Epigenetic) 的一种重要表现方式,指在DNA 甲基转移酶( DNA methyltransferase,DMT) 的催化下,以s -腺苷甲硫氨酸( SAM) 为甲基供体,将甲基转移到特定碱基上的过程。 DNA 去甲基化也被称为DNA 甲基化丢失(lossof DNA methylation), 即甲基基团从胞嘧啶上消失的过程。包含主动去甲基化与被动去甲基化2 种模式。 1.2DNA甲基化分布 DNA 甲基化在生物体的分布并不是随机的,而是呈现一定的规律性。

DNA甲基化与癌症之间关系研究概述

生物学教学"01B年(第43卷)第"期+ 5 + DNA甲基化与癌症之间关系研究概述 王静胡雪峰"(福建师范大学生命科学学院福州350108) 摘要D N A甲基化作为重要的表观遗传学现象之一,对基因的表达发挥着重要的调控作用,与癌症的关系密切。本文概述人类 D N A甲基化与癌症发生关系的最新研究进展。 关键词D N A甲基化癌症研究进展 表观遗传是指在基因的核苷酸序列不改变的情况 下,基因表达发生可遗传性变化,主要表现为DNA甲基化、组蛋白修饰及染色质构象变化等。本文对DNA 甲基化与癌症发生关系的研究进展进行概述。 1 D N A甲基化的概念和意义 DNA甲基化(DNAmethylation)是指在DNA甲基 转移酶的催化下,DNA甲基基团共价结合到CPG双核 苷酸的胞嘧啶5碳位上。CPG双核苷酸在人类基因组 中的分布不均勻,常局部聚集形成一些含量较高的长度为300 ~ 3000 b p的DNA片段(即CpG岛),DNA的甲基化主要发生于此。 DNA甲基化参与基因的差异性表达、染色体失 活、衰老以及癌症的发生等多种生理过程,在哺乳类动 物的发育中具有重要的作用,能引起染色质结构、DNA 构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式等的 改变。 2 D N A甲基化与癌症发生的关系 癌症的发生是一个多阶段过程,涉及基因变异和 表观遗传等作用。DNA甲基化是一种调控基因表达 的机制,异常DNA甲基化及DNA甲基化模式改变是 肿瘤细胞中常见的表观遗传现象。多种癌症的发生与 DNA异常甲基化有着重要的关系。 2. 1DNA甲基化与口腔癌的关系 口腔癌是指一类 发生于口腔中的恶性肿瘤,好发于舌头、牙龈、颊等部 位,其主要的病理类型为鳞状细胞癌,是头颈部较常见 的恶性肿瘤之一。研究发现,多个影响细胞生长周期 的抑癌基因的CpG岛甲基化、基因突变以及多个基因 位点的杂合型缺失(一对同源染色体上相同基因座位 的两个等位基因中的一个或者部分核苷酸片段发生缺 失),导致了相关抑癌基因功能的丧失,从而导致口腔 癌的发生[1]。 口腔癌中,至少有3个抑癌基因的启动子的甲基 化与口腔癌相关,这3个基因分别是!和 ,皆定位于人染色体9,21,其中!通过与癌 基因F G F2相互作用,形成!为 一种抑癌基因)三体复合物,减弱F D F2介导的(的降解,增强!(的相关作用,从而抑制细胞生长,促使 细胞凋亡。通过与周期蛋白依赖性激酶4(CDK4)和周期蛋白依赖性激酶6(CDK6)结合,抑制 周期蛋白依赖性激酶4/6 -细胞周期蛋白D(CDK4/6- cyclinD)复合物的催化作用,导致细胞周期停滞在G1 期,不再继续分裂增殖。!与!具有高度同 源性,也是CDK4和CDK6的抑制剂。这三个抑癌基 因共同作用构成一个局部网络,控制口腔癌细胞的生 长,其中任何一个基因发生异常或失活都有可能影响 整个抑癌体系的正常运行。有学者对临床上口腔癌手 术后的标本进行基因突变、纯合性缺失(一对同源染色 体上相同基因座位的两个等位基因皆缺失)和启动子 甲基化检测后发现:在87. 5%的病例中,! 和!至少出现一个基因一种形式的基因改变,且 失活的病例数明显高于前两者。其中,!和 的失活主要由甲基化引起,而!的失活则 是甲基化和纯合型缺失共同作用的结果。综合以上情 况,可知!和!皆参与了口腔癌的发 生,且甲基化是导致这些基因失活的重要机制之一[2]。 2.2 DNA甲基化与肺癌的关系肺癌是呼吸系统常见的恶性肿瘤。肺癌细胞与正常细胞相比存在着不同 程度的异常甲基化。在肺癌发生发展过程中常出现整 个基因组DNA的低甲基化,并在DNA启动子区CpG 岛发生高水平甲基化[3]。前者可使原癌基因活跃、基 因组易变等,致使原癌基因的过度表达以及染色体的 稳定性降低,从而导致肺癌发生;后者导致抑癌基因、凋亡基因、细胞周期调节基因等主要基因转录受到抑 制,使得表达减少或沉默,相应的功能减弱或丧失,从 而引起肺癌的发生。 研究发现,许多基因CpG岛的高甲基化导致其基 因表达沉默,如多肿瘤抑制基因(9E)、0~6-甲基鸟 嘌呤-DNA甲基转移酶基因(F?F>)、死亡相关蛋白 激酶基因(G—D)等抑癌基因,与肺癌发生的早期事件 有关[4];同源基因(H0Z)、叉头框G1基因(B08?)、离子型谷氨酸受体红藻氨酸3基因(G;/D?)等基因启 动子区的CpG岛的DNA高甲基化与肿瘤的发生发展 密切相关[5];组蛋白1 - H4f基因(H/S77H4B)、原钙粘 蛋白7B6基因(9CGHGJE)、神经肽B和W的受体1基因(C/J<;)的高甲基化与肺癌的复发有较为直接 的关系[6]。在肺癌组织中还常见到短小同源异型框2

人类 DNA甲基化与癌症等相关的研究

人类 DNA甲基化与癌症等相关的研究 发表时间:2012-09-20T14:22:16.450Z 来源:《医药前沿》2012年第8期供稿作者:楼秀余 [导读] DNA甲基化在维持正常细胞功能、遗传印记、胚胎发育过程以及衰老过程中起着极其重要的作用。 楼秀余 (舒泽生物科技研究所上海 201400) 【摘要】DNA甲基化一般与基因的沉默 (gene silence)相关,而去甲基化 (demethylation)往往与一个沉默基因的重新激活 (re activation)相关。当机体衰老或呈病理状态,特别是肿瘤发生时,抑癌基因 CPG岛以外的 CPG序列非甲基化程度增加,而 CPG岛中的 CPG则呈现高度甲基化,致使抑癌基因表达的失活及染色体螺旋程度增加。笔者通过对基因组 DNA甲基化理论研究进行综述,使广大医学研究工作者掌握 DNA甲基化如何影响染色体结构、基因的沉默与重新激活、基因印记、以及遗传病和癌症发生发展的规律。 【关键词】甲基化基因的沉默 CPG岛去甲基化基因印记 【中图分类号】R394 【文献标识码】A 【文章编号】2095-1752(2012)08-0013-02 DNA甲基化在维持正常细胞功能、遗传印记、胚胎发育过程以及衰老过程中起着极其重要的作用。研究表明胚胎的正常发育得益于基因组DNA适当的甲基化。例如:缺少任何一种甲基转移酶对小鼠胚胎的发育都是致死性的。此外,等位基因的抑制被印记控制区(ICRs)所调控,该区域在双亲中的一个等位基因是甲基化的。印记基因的异常表达可以引发伴有基因突变和表型缺陷的多种人类疾病。 一、DNA甲基化与基因表达 甲基化抑制基因转录主要通过以下机制来实现:①直接抑制。CPG岛甲基化直接干扰 tf与调控区 DNA的结合。例如camp反应元件结合蛋白 (creb),ap- 2,e2f,nfkb等 tf不能与相应的 DNA位点相结合。但有些tf如sp1,ctf与甲基化和非甲基化位点都能结合,这表明甲基化单独不足以阻止体内tf与 DNA相结合。②间接机制。近年来发现一些甲基化DNA结合蛋白如mdbp1,mdb2以及甲基化 CPG结合蛋白如mecp1,mecp2与甲基化 DNA特异结合,抑制基因转录。其介导转录抑制的程度取决于甲基化密度和启动子的强度。如低密度甲基化可完全抑制一些弱的启动子,但对强的启动子则收效甚微。③ DNA甲基化还可通过影响染色体结构来抑制转录。不仅甲基化启动子区形成的核小体抑制体外起始转录,而且mecp1与甲基化启动子CPG位点结合后,可引起染色质聚缩成非活性高级结构,以至于转录因子不能与其相结合,从而抑制转录。DNA甲基化状态并非固定不变。在许多哺乳动物组织内,基因组甲基脱氧胞嘧啶水平随老化而下降,在鲑鱼、小鼠、大鼠、牛与人类的脑、肝脏、大肠粘膜、心脏和脾脏内发现DNA脱甲基化作用。相反,大鼠肺则不发生脱甲基化,大鼠肾内甲基脱氧胞苷总含量增加。这说明甲基化状态随老化而变化,即发生甲基化和脱甲基化,但总的说来,最常见的变化似乎是进行性的脱甲基化。这些变化均可导致随老化而发生的基因表达变化。 二、DNA甲基化检测方法满足不同类型研究 各种各样甲基化检测方法被开发出来以满足不同类型研究的要求。DNA甲基化可以从甲基化含量、甲基化水平、甲基化模式和甲基化图谱分析等多种途径进行分析。根据研究目的,甲基化检测方法分为:基因组整体水平的甲基化检测,特异位点甲基化的检测和寻找新甲基化点位。从研究所用的处理方法不同分为:基于PCR的甲基化分析方法;基于限制性内切酶的甲基化分析方法;基于重亚硫酸盐的分析方法和层析法等。以下归纳总结了主要的甲基化分析方法以及相关特性。①基因组整体水平甲基化分析高效液相色谱柱 (hplc)及相关方法。hplc是一种比较传统的方法,能够定量测定基因组整体水平DNA甲基化水平。其他基因组水平甲基化分析还有sssi甲基转移酶法,免疫化学法,氯乙醛法等。各具优缺点。②特异性位点的DNA甲基化的检测加入甲基化特异性的引物或非甲基化的引物进行特异性的扩增,只有结合完全的甲基化或非甲基化特异性引物的片段才能扩增出产物。③寻找新甲基化位点,甲基化型既能反映有关基因功能状态及与此相连的多种疾病相关的丰富信息。 三、DNA甲基化与年龄相关的研究 分化细胞的稳定性是高等生物的基本特征之一。然而,在衰老过程中某些细胞会发生年龄相关的变化。例如,某种CPG岛的从头甲基化会关闭一个基因,丧失与这个基因相关的生理功能;同样甲基化的丧失也会激活正常情况下沉默的基因,造成不恰当的异位表达(,) 。二十世纪八十年代初,wilson等测定了体外培养的人、田鼠及小鼠成纤维细胞DNA的 5-甲基胞嘧啶含量,发现均随细胞分裂次数的增加而降低.且下降速度以人、田鼠、小鼠的次序递减.而永生化细胞系的5-甲基胞嘧啶含量则保持相对稳定。以DNA甲基化酶抑制剂 5-氮杂胞苷或5氮脱氧胞苷处理人二倍体成纤维细胞或某些肿瘤细胞,可使其增殖能力下降,体外培养寿限缩短。因此,DNA甲基化水平也可以作为细胞分裂的“计时器”。体内实验同样发现基因组整体甲基化水平有随龄降低的趋势。在基因组整体甲基化水平降低的同时,衰老过程中也伴有个别基因甲基化水平增高的现象。最早证明与年龄相关启动子CPG岛的甲基化是人结肠组织雌激素受体基因,年轻个体中,几乎检测不到雌激素受体基因的甲基化随着人的年龄逐渐增长。另外。胰岛索样生长因子IGF-2、肌原调节蛋白(,) myod1、体觉诱发电位组分n33基因启动子CPG岛的甲基化水平在正常的结肠组织中同样随龄升高。tra等用限制性界标基因组扫描技术对T淋巴细胞2000个基因座的甲基化年龄变化情况进行了调查,发现29个基因座有变化,其中23个增加,6个降低。也许这些特定基因的甲基化是更好的衰老生物学标志。陈培利等利用人胚肺二倍体成纤维细胞 (human fetal lung diploid fibroblasts。2bs)进行体外培养。发现其p16基因启动子区及外显子I处的DNA甲基化水平随个体细胞代龄的增加而降低。他们首先将2bs细胞在体外作常规传代培养规定30代龄以内为年轻细胞,55代龄以上为衰老细胞,在31至54代龄(,) 之间位中年细胞。然后用有机法提取细胞DNA,取各组代龄细胞的DNA进行对比,其DNA甲基化水平随细胞代龄的增加而趋于降低,在年轻细胞中甲基化水平约为64%,而在衰老细胞中仅为24%,降低约 40%。在之后的研究中,陈培利等在以 2bs为模型的衰老研究中发现,细胞分裂一次端粒缩短50bp,抑制DNA甲基化则可导致细胞早衰。他们测定了去甲基化处理后的2bs细胞的端区长度。研究表明老年2bs细胞衰老表型更加明显,端区长度较对照细胞缩短,而年轻细胞则变化不显著。从而推断甲基化的改变可以影响染色质的构象,从而可能改变端区结合蛋白与DNA的作用,后者可以进一步引起端区长度改变目前研究DNA甲基化水平改变与个体年龄的相关性尚处于试验阶段,(,) 但已引起许多学者的关注。DNA甲基化已经成为表观遗传学和表观基因组学的重要研究内容,最终目标是就要确认这些DNA甲基化位点在人类基因组的分布与频率,以指导和系统研究DNA甲基化在人类表观遗传、胚胎发育、基因印记等发挥的作用。DNA甲基化理论和分子生物学技术的发展,在法医实践中可以通过调查各年龄段人群基因组DNA甲基化分布以及相关频率, 根据D N A 甲基化的生物作用及特点,建立相关统计学模型,将来有望成为法医个体年龄判定的一项重要的生物学指标,。 目前存在的问题是还未找到D N A 甲基化改变与年龄之间的精确的量化关系式。虽然人们对个体细胞的衰老及其基因甲基化水平的改

相关文档
最新文档