DNA和蛋白质甲基化酶与发育

ＤＮＡ和蛋白质甲基化酶与发育摘要甲基化在DNA分子和蛋白质中普遍存在，是细胞中一种普遍而重要的修饰方式，分别由DNA甲基化酶和蛋白质甲基化酶完成。

DNA甲基化酶不仅在维持DNA甲基化和基因组稳定性等方面起着重要的作用，还在哺乳动物的早期胚胎发育过程中扮演着重要的角色。

蛋白质甲基化酶目前了解比较多的是蛋白质精氨酸转移酶和赖氨酸转移酶，它们都参与组蛋白甲基化，在基因转录过程中起着重要的调节作用。

蛋白质精氨酸转移酶还在RNA加工、信号传导、蛋白质定位以及生殖细胞发生过程中起着重要的作用。

关键词DNA甲基化酶；蛋白质精氨酸甲基化酶；组蛋白甲基化；发育甲基化是细胞内普遍发生的一种修饰过程和反应，包括核酸甲基化和蛋白质甲基化等，甲基化在基因表达调控以及细胞分化等生命过程中起着重要的作用。

DNA甲基化是由甲基转移酶介导，将胞嘧啶（C）变为5-甲基胞嘧啶（5mC）的一种反应。

哺乳动物细胞中已知有活性的DNA甲基化酶（DNMT）有3种，它们是DNMT1、DNMT3a和DNMT3b。

维持型甲基化酶DNMT1保持甲基化形式的遗传；重新甲基化酶DNMT3a和DNMT3b可以改变甲基化的形式[1]。

DNA 甲基化在基因表达调控、细胞增殖、分化、发育、基因组印迹以及基因突变等方面都起着重要作用[1-4]。

蛋白质甲基化（如组蛋白甲基化）是基因调控的重要途径，它可以调控染色质结构，在基因转录过程中起重要的调节作用[5，6]；另外组蛋白的甲基化还同X染色体的失活和异染色质的形成有关[7]。

蛋白质甲基化通常发生在特定的氨基酸残基上，比较常见的是在精氨酸和赖氨酸残基上。

精氨酸甲基化有2种模式：一种是单甲基化；另一种是双甲基化（也称二甲基化），而双甲基化又可以分为非对称甲基化（aDMA）和对称甲基化（sDMA）[8]。

赖氨酸的甲基化模式分为3种：单甲基化、双甲基化和三甲基化。

蛋白质精氨酸甲基化酶（PRMT）和蛋白质赖氨酸甲基化酶是催化组蛋白甲基化的2种主要酶。

蛋白质精氨基酸甲基化酶按照他们催化的产物分为2类，第1类蛋白质精氨酸甲基化酶催化的产物为不对称的二甲基精氨酸，第2类蛋白质精氨酸甲基化酶催化的是对称的二甲基精氨酸[8]。

第1类包含至少5种酶：PRMT1、PRMT2、PRMT3、CARM1（PRMT4）和PRMT6；PRMT5属于第2类。

第1类酶在DNA 的复制、信号转导、DNA修复以及蛋白质的翻译中的作用很早就被发现了，最近的研究还发现其与蛋白质的细胞定位也有密切关系[9]。

第2类酶的一个重要的作用是催化Sm蛋白甲基化形成小核糖核蛋白（snRNPs），参与细胞内前体RNA 的剪切。

另外小鼠PRMT5和果蝇Dart5（人PRMT5同源基因）在生殖细胞的发生和形成以及维持雄性生育能力等方面起着重要的作用[10，11]。

1DNA甲基化酶1.1DNMT1DNMT1的主要作用是在细胞分裂过程中新合成并维持DNA的甲基化模式，是DNA复制中保持甲基化模式所必需的，在维持DNA甲基化和保持基因组稳定性方面有着重要作用。

DNMT1优先作用于半甲基化的DNA，对于未甲基化的DNA亦具有甲基化能力。

如果抑制Dnmt1基因在细胞中的表达，细胞DNA 的复制受到抑制。

Dnmt1的缺失激活了一系列基因毒性应激检验点蛋白，导致检验点激酶1和2（Chk1，-2）的磷酸化，γH2AX焦点形成，胞分裂控制蛋白25a （CDC25a）降解[3]。

1.2DNMT3a和DNMT3bDNMT3a和DNMT3b是从头甲基化酶，主要作用是建立新的甲基化模式，在体外具有将甲基加到未甲基化DNA上的功能[1，2]。

Dnmt3a和3b均含有多个转录起始点（TSP），分别受到多个启动子的调控，这些启动子均缺少典型的TATA序列。

Dnmt3a至少含有4个TSP，受控于3个不同的启动子。

Dnmt3b至少含有2个TSP，受控于2个启动子。

DNMT3a和DNMT3b常在胚胎细胞或一些新生细胞的生长发育阶段大量表达。

除从头甲基化作用，DNMT3a和3b还会在DNA复制过程种将一些DNMT1遗漏的DNA甲基化。

Dnmt3a普遍存在于大部分成人的组织细胞中；而Dnmt3b，除了睾丸、甲状腺和骨髓，在其他各种组织中表达很少。

Dnmt3a和Dnmt3b的缺失和异常都会造成胚胎的发育异常和疾病的产生[1，13]。

DNMT3家族还有一个新的成员DNMT3L，与DNMT3a和3b 具有高度同源性，但缺乏甲基化转移酶活性，其主要作用是促进DNMT3a和3b 的甲基化作用[12]。

1.3DNA甲基化酶与早期胚胎发育DNA甲基化酶在胚胎的发育过程中起着重要的作用。

Dnmt3a和Dnmt3b在胚胎发育的不同时期均有表达，Dnmt3b在胚泡内细胞团和外胚胎层细胞均有表达，而Dnmt3a则存在于胚胎发育过程的10d以后所有细胞中。

在已分化细胞和成体组织中Dnmt3a和Dnmt3b都是低表达的，而且Dnmt3b的表达水平明显低于Dnmt3a。

Dnmt1纯合子突变的小鼠胚胎，会出现胚胎的异常发育以及死亡，其原因是DNA甲基化水平降低、甲基化模式紊乱以及等位基因丢失。

缺失Dnmt3a和Dnmt3b的小鼠均出现不同的发育缺陷，Dnmt3b的缺失会造成严重的表型缺陷，而Dnmt3a影响相对较小[13]。

2蛋白质精氨酸甲基化酶2.1PRMT1在哺乳动物中，PRMT1是最主要的第1类蛋白质精氨酸甲基化酶，约300-400KD。

PRMT1与细胞分裂有关。

它与B细胞转位基因1（B-cell translocation gene 1，BTG1）以及BTG2结合发挥作用，BTG1和BTG2可以调节PRMT1的活性，BTG1和BTG2是细胞生长的负调节因子，其过量表达会导致细胞生长的停滞。

在酵母中，当HMT1（PRMTI同源）发生突变时会导致酵母细胞死亡[14]。

PRMT1在信号传导过程中也起着一定的作用。

IFNa/b受体通过JAK-STAT 途径转导IFN信号，主要导致细胞生长抑制和抗病毒效应。

当STAT被磷酸化后，发生聚合成为活化的转录激活因子，进入胞核内与靶基因结合，促进IFNa/b转录。

PRMT1能够结合并催化STAT1、Arg-31的甲基化。

MTA（PRMT1抑制剂）抑制PRMT1的作用，IFNa/b转录水平下降，说明PRMT1催化的STAT1甲基化是IFNa/b转录的首要条件[15]。

在蛋白质的细胞定位中，PRMT1也发挥作用。

精氨酸甲基化可以调控RNA 螺旋酶A（RHA）的核质转位。

RHA的C端包含1个由110个氨基酸组成的细胞核转运结构域（NTD），其中含有精氨酸残基。

RHA和PRMT1可以物理的结合在一起而甲基化。

精氨酸甲基化抑制剂可以消除NTD引导的蛋白质进入核内；但体外甲基化的NTD-GST融合蛋白不受抑制剂的影响，所有的NTD-GST结合蛋白都能进入细胞核。

去除RHA的C端精氨酸残基可以使NTD进入细胞核而不受甲基化抑制剂的影响[9]。

2.2PRMT5PRMT5可催化Sm蛋白B/B’、D1、D3 和类Sm蛋白LSm4甲基化，Sm蛋白的甲基化影响其与SMN蛋白的Tudor结构域结合。

降低PRMT5的水平会导致Sm蛋白sDMA水平的降低[10]。

Sm蛋白是小核糖核蛋白（snRNPs）的重要组成部分，表明PRMT5在前体RNA的剪切中发挥作用。

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