DNA甲基化功能全解
DNA甲基化在肿瘤发生中的作用
DNA甲基化在肿瘤发生中的作用肿瘤是人类健康的头等大事，它是由基因突变和表观遗传学变化引起的遗传疾病。
DNA甲基化是一种常见的表观遗传学变化，它是指DNA分子在胞内繁殖时，通过在在五碳脱氧核糖核苷酸的C5位加上一个甲基基团而产生的一种修饰，它在正常组织中具有调控基因表达，维护基因稳定性，参与细胞分化和应答外源性刺激等多种功能。
但是，在肿瘤发生中，DNA甲基化的模式发生改变，造成癌基因的高度表达或肿瘤抑制基因的沉默，这种表观遗传学的改变往往会引起肿瘤的发生和发展。
因此，深入了解DNA甲基化在肿瘤发生中的作用，对于治疗肿瘤有着重要的意义。
DNA甲基化的机制DNA甲基化是一种简单的化学修饰，它是由甲基转移酶催化丙烷基单元(C1)从S-腺苷甲硫氨酸(AdoMet)转移到细胞内DNA链合成过程中的胞嘧啶(Cyt)的C5核苷酸上。
DNA甲基转移酶(DNMT)是DNA甲基化的关键酶，它包括DNMT1, DNMT3a和DNMT3b三个亚型。
DNMT1是在细胞分裂期间能够保证分子和细胞的遗传稳定性，通过识别和甲基化前一代细胞从父本获得的甲基化DNA，维持其在细胞分裂后的遗传稳定性。
DNMT3a/b通过识别新的DNA序列元素来甲基化胞苷。
然而，过度的DNA甲基化也可能触发继承性的表观遗传学改变，从而引起肿瘤的发生。
DNA甲基化对于肿瘤的发生和发展，具有重要的作用。
它可以通过多种方式参与调节肿瘤细胞的基因表达和功能。
首先，DNA甲基化可以引起癌的基因高度表达，包括促细胞分裂和生长的基因和转录激活因子。
例如，在结肠直肠癌和胃癌中，印迹基因CDKN2A的启动子区域的甲基化状态的改变被认为是这些肿瘤的重要驱动因素。
此外，在癌症中经常出现的促细胞分裂和生长信号通路基因的DNA甲基化也是引起癌症的重要机制之一。
其次，DNA甲基化还可压制肿瘤抑制基因的表达。
肿瘤抑制基因损失或其功能异常的情况下，细胞将失去对癌症的抵抗能力。
例如，在人类胃癌和乳腺癌中，肿瘤抑制基因BRCA1的基因沉默与BRCA1启动子区域的甲基化增加有关联。
DNA甲基化的功能和调控机制
DNA甲基化的功能和调控机制DNA甲基化是一种重要的生物化学修饰，它可以影响基因的表达和染色体的结构。
在这篇文章中，我们将探讨DNA甲基化的功能和调控机制。
DNA甲基化的功能DNA甲基化是指将甲基（CH3）基团加到DNA分子中的腺嘌呤（A）或胞嘧啶（C）上。
这个过程是由甲基转移酶（DNMTs）催化完成的。
一旦DNA被甲基化，甲基化的标记将有可能影响基因的表达、细胞分化以及染色体的结构。
DNA甲基化可以影响基因的表达。
甲基化的DNA位点可能会阻碍转录因子的结合，使得相关基因的表达受到抑制。
甲基化的位点也可以在转录过程中阻碍RNA聚合酶的移动，导致基因表达受到限制。
这种调节机制在胚胎发育、细胞分化和细胞凋亡等过程中扮演着重要角色。
DNA甲基化也可以影响染色体的结构。
甲基化的位点可能会影响DNA的组装，并影响染色体的结构和形态。
此外，DNA甲基化还可以影响DNA的稳定性和抵御DNA损伤的能力。
DNA甲基化的调控机制DNA甲基化的调控机制非常复杂。
在过去的几十年里，研究人员一直在努力探索DNA甲基化的机制。
目前，我们已经发现了一些调控因素和机制。
DNA甲基化具有高度组织和细胞类型特异性。
在不同的细胞和组织中，DNA甲基化的位点和模式是不同的。
这提示我们存在细胞特异的调控机制。
多种因素可以影响DNA甲基化的状态，包括环境因素和表观遗传学因素。
例如，环境因素如饮食、化学物质和烟草等可以影响DNA甲基化。
表观遗传学因素，如组蛋白修饰和非编码RNA等，也可以影响DNA甲基化的模式和效应。
另外，还有不同的蛋白质可以调控DNA甲基化。
这些蛋白质包括甲基化指示蛋白质、甲基转移酶和甲基化去除酶等。
这些蛋白质可以选择性地关注、添加或去除甲基化的标记，从而影响DNA甲基化的状态和效应。
结论DNA甲基化是一种重要的生物化学修饰，它可以影响基因的表达和染色体的结构。
DNA甲基化的调控机制非常复杂，包括环境因素、表观遗传学因素和蛋白质的调控等多个层面。
dna甲基化的主要形式和生物学作用
dna甲基化的主要形式和生物学作用
DNA甲基化是一种重要的表观遗传修饰，它对DNA分子中的碱基进行修饰，可以在不改变DNA分子一级结构的情况下调节基因组的功能，在生命活动中有着重要的生物学功能。
DNA甲基化的主要形式有两种：维持甲基化和从头甲基化。
维持甲基化是指在DNA复制后仍然保持原有位点甲基化形式不变的过程，即在甲基化DNA半保留复制出的新生链相应位置上进行甲基化修饰，新生链只在与母链甲基化位置相同的碱基处发生甲基化。
从头甲基化不依赖DNA复制，是从未发生甲基化的位点的甲基化，能引起新的甲基化形式的产生。
DNA甲基化的生物学作用包括：
1. 基因表达的调控：DNA甲基化可以抑制基因的表达，通过在基因启动子区域形成甲基化CpG岛来抑制基因的表达。
2. 遗传印记：DNA甲基化可以导致某些基因的沉默或激活，从而影响个体的表型。
3. 染色体稳定性：DNA甲基化可以影响染色体的稳定性，有助于防止染色体畸变和基因突变。
4. 胚胎发育：DNA甲基化在胚胎发育过程中起着重要的作用，有助于控制胚胎发育过程中的基因表达。
5. 癌症发生：DNA甲基化异常与癌症的发生密切相关，一些基因的甲基化可以导致其表达沉默或降低，从而促进癌症的发生。
总的来说，DNA甲基化的主要形式和生物学作用都是复杂而多样的，它们在不同生物过程和不同生物类型中发挥不同的功能和作用。
DNA甲基化的生物学功能
DNA甲基化的生物学功能DNA甲基化，是指在DNA分子上添加甲基基团（CH3），从而改变DNA的化学结构。
这种化学修饰是生物学中极为重要的一种机制，它不仅常常参与到某些特定蛋白质的结合与识别，还能影响DNA库的基因表达、染色体结构、细胞分化与药物治疗等诸多方面的生物学功能。
DNA甲基化的机制DNA甲基化的机制相对简单，包括甲基转移酶及DNA甲基化酶两个环节。
其中，甲基转移酶是一种酶类分子，它能够把甲基基团从S-腺苷甲硫胺酸（SAM）分子中转移至DNA上的胞嘧啶基（C）。
这样，DNA分子就被添加上了一层烷基基团，从而形成了DNA甲基化。
而DNA甲基化酶，便是一个反向的酶类分子。
它能够去甲基化，即将DNA上的烷基基团剥离开来，从而实现反向转化。
由此可见，DNA甲基化是一个动态的过程，同时也是高度可逆的。
近些年的研究表明，DNA甲基化不仅在生物学中占据着重要地位，还能影响到一些重要的生物学功能。
这其中，最为突出的便是其参与到基因表达的控制。
一方面，DNA甲基化能够阻止一些转录因子（TF）与DNA序列的结合，从而大大抑制基因的转录活动。
这种情况一般被称为“被抑制的甲基化”。
另一方面，在某些无甲基化的靶位点上，转录因子的结合活性则得到了加强，从而提升了相应的基因转录活动。
这种现象被称为“去甲基化介导的激活”。
此外，DNA甲基化还能够影响到染色体结构，从而影响到一些基因的表达与功能。
例如，一些结构上的甲基化位点能够阻止染色体融合，从而保证染色体在细胞分裂时保持一定的稳定性。
DNA甲基化对细胞分化的影响也是不容小觑的。
其动态的反向转化能够帮助细胞在不同发育阶段的分化过程中完成不同的表观调控，从而不断巩固和加强细胞的分化和特化。
此外，DNA甲基化还能够影响到生物体的药物治疗。
例如，一些药物在DNA上与DNA甲基化酶产生作用，从而能够诱导细胞中某些靶标基因的甲基化发生反向转化，从而起到治疗作用。
总结DNA甲基化是一种非常重要的生物学机制。
DNA甲基化——表观遗传学的重要组成部分
DNA甲基化——表观遗传学的重要组成部分DNA甲基化是一种表观遗传学调控机制，通常指DNA分子上的甲基化修饰。
这种化学变化涉及DNA链上的甲基基团与Cytosine碱基的配对，对基因表达和细胞分化等生命过程具有重要作用。
DNA甲基化不仅在正常生长发育中发挥至关重要的作用，而且也涉及很多人类疾病的发展。
本文将介绍DNA甲基化的基本原理、分布方式、调控机制及其在疾病中的作用。
一、DNA甲基化的基本原理DNA是由4种不同的核苷酸构成的，其中包括Adenine、Thymine、Cytosine和Guanine。
DNA的甲基化通常发生在Cytosine碱基的C5位，即通过甲基基团与细胞内的S-Adenosyl Methionine（SAM）反应，形成5-甲基Cytosine（5mC）。
DNA甲基化是基因组合成和生物遗传变异的关键机制之一。
它可以调控基因的表达和细胞分化，与疾病的发展密切相关。
虽然越来越多的研究表明，DNA甲基化是一种可逆的表观遗传修饰，但它仍然是一种稳定的标记，可以被逐代遗传，影响基因表达和细胞分化。
二、DNA甲基化的分布方式DNA甲基化在不同种类和类型的细胞中存在和分布不同。
在人体内，DNA甲基化主要发生在GC富集区域，如基因启动子、繁殖起始点、转录因子结合区等。
这些区域往往影响到基因表达的调控，因此被视为关键的甲基化信号的地点。
另一方面，DNA甲基化还出现在基因体内部的非编码区域，如intron、intergenic regions、satellite DNA和telomeres。
虽然对它们的确切功能还有争议，但这些甲基化信号可能参与调控DNA复制、染色体结构和修复。
三、DNA甲基化的调控机制DNA甲基化是由DNA甲基转移酶（DNMTs）负责催化核苷酸中的甲基基团的加成。
DNMTs可以对一些具有特定序列和结构的DNA区域进行偏好性的甲基化修饰。
这些区域的一个重要特征是在基因表达和细胞分化中发挥着重要的作用。
DNA甲基化的作用和调控机制
DNA甲基化的作用和调控机制DNA甲基化是一种重要的生物学过程，它能够影响基因表达，并对许多生物体的发育和生理功能产生重要影响。
在本文中，我们将探讨DNA甲基化的作用和调控机制，并深入了解这个过程的重要性。
首先，什么是DNA甲基化呢？DNA甲基化是一种化学修饰过程，它涉及将甲基基团添加到DNA分子中的胸腺嘧啶（C）的第五个碳原子上。
这种修饰称为5-甲基胸腺嘧啶（5mC），它本身对DNA的化学结构没有影响，但可以调节基因表达。
甲基化对基因表达的影响：DNA甲基化是一种关键的基因调控机制，它可以让基因在适当的时间和地点表达。
DNA甲基化在基因表达调控中的作用包括：1. 基因的沉默：DNA甲基化可以使基因静默，从而抑制基因表达，这对于舍弃不必要的基因表达来确保细胞内稳态十分重要。
2. 基因的启动：DNA甲基化可以反转基因静默状态，并使其重新开始激活。
这可以通过改变DNA上的甲基化模式来实现，从而影响其他转录因子的结合和基因表达的启动。
3. 局部基因的表达：DNA甲基化也可以局部地影响基因表达。
例如，甲基化可以在一个基因上的一部分区域中发生，这可能会影响特定的转录因子结合并调节基因表达。
DNA甲基化的调控机制：DNA甲基化是一个高度调控的过程，它受到许多分子机制和细胞信号的影响。
下面，我们将讨论几种调控机制。
1. DNA甲基转移酶（DNMTs）家族在DNA甲基化中起着关键作用。
这个家族有三种不同的成员（DNMT1，DNMT3A和DNMT3B），它们分别负责维护细胞中现有的甲基化模式和导致新的甲基化状态。
DNMTs的表达和活性是受到调控的，它们受到单个DNA亚基的复杂细胞信号的影响，例如细胞周期，分化和激素水平等等。
2. DNA脱甲基酶也在DNA甲基化中起着关键作用。
这些酶负责去除甲基化标记，从而实现对基因表达的调节。
脱甲基酶分为两类：有氧的（TET1，TET2和TET3）和无氧的（AID和APOBEC）。
DNA甲基化修饰的作用及其调控
DNA甲基化修饰的作用及其调控DNA是生物体中重要的遗传物质，它在细胞分裂和遗传信息传递中起到重要的作用。
DNA的结构非常简单，由四种碱基组成，分别是腺嘌呤（A）、胞嘧啶（C）、鸟嘌呤（G）和胸腺嘧啶（T）。
经过多年的研究，科学家们发现，DNA中的碱基并不是唯一的决定因素，还有一种修饰基团，即甲基（CH3）可以附加在DNA分子的胞嘧啶基上，形成甲基化胞嘧啶（5mC）。
这种甲基化修饰是细胞中非常普遍的生物化学反应，在生物体内起着广泛的调控作用。
一、DNA甲基化修饰的作用DNA甲基化修饰主要起到两个作用：一是调控基因表达，二是维持染色体结构和稳定性。
1、调控基因表达DNA甲基化修饰对基因的表达水平有着重要的调控作用。
它是一种在胞嘧啶基上特异性的甲基化修饰，通常发生在CpG二核苷酸的位点上。
在含有高度甲基化的CpG岛（CpG island）的启动子处，DNA转录因子较难与DNA结合，从而阻止转录因子和启动子的相互作用，导致基因的沉默和表达的抑制。
当CpG岛处的甲基化水平降低时，转录因子会更容易与DNA结合，使得基因的表达得以启动，这种调控方式被称为DNA甲基化与基因沉默的关系。
2、维持染色体结构和稳定性DNA甲基化还可以维持染色体的结构和稳定性。
甲基化修饰可以改变DNA的结构和亲和性，并降低DNA双链的超螺旋度，使其得以变成一种更加紧密的结构，形成更加稳定的染色体。
这种稳定的染色体结构有助于细胞的正常分裂和遗传信息的传递。
二、DNA甲基化修饰的调控尽管DNA甲基化修饰在生物体内扮演着调控基因表达和染色体稳定性的重要角色，但甲基化修饰本身的水平不是一成不变的。
在多个生理和病理过程中，DNA甲基化修饰水平都会发生改变。
1、DNA甲基化修饰与发育在胚胎发育早期和胚胎干细胞中，DNA甲基化修饰水平非常低，这是因为这些细胞需要维持一定的分化潜力和多能性。
而随着细胞不断分化和定向分化，DNA甲基化修饰的水平逐渐升高，以此调控细胞特异性基因的表达，使得细胞可以发育成为不同的组织和器官。
DNA甲基化和去甲基化的生物学功能和影响
DNA甲基化和去甲基化的生物学功能和影响DNA甲基化和去甲基化是基因表达调控的重要机制，它们对细胞分化、生长、细胞周期等生物学过程产生深远的影响。
本文将从生物学功能和影响两个角度系统地探讨这一问题。
一、DNA甲基化的生物学功能和影响DNA甲基化是通过在DNA分子上添加甲基基团来改变DNA分子的结构和功能。
在DNA甲基化中，甲基转移酶(为细菌)或DNA甲基转移酶(为真核生物)将甲基基团添加到靶DNA序列的胞嘧啶(CpG)核苷酸上。
在人类基因组中，CpG dinucleotides通常处于低甲基化状态，但是在非编码区几乎不含CpGdinucleotides(称为CpG岛)的地方通常处于高甲基化状态，而编码区则更加复杂和多样化。
DNA甲基化对细胞过程产生多种生物学影响。
1.基因沉默和表达DNA甲基化是基因选择性沉默的一种机制；因此，它在人类疾病的发生和发展中发挥了极其重要的作用。
DNA甲基化通常会促进转录因子的结合并且影响染色体构象，从而影响基因的表达。
2.细胞分化DNA甲基化对细胞分化也有影响。
在神经发育示例中，神经前体细胞和神经细胞中的DNA甲基化水平存在显着差异。
DNA甲基化在心血管发育中也扮演着重要的角色。
3.癌症的发生和发展DNA甲基化在癌症的发生和发展中也起着重要作用。
降低DNA甲基化酶的活性和抑制DNA甲基化可以逆转细胞癌症化的DNA甲基化模式。
二、DNA去甲基化的生物学功能和影响DNA去甲基化是DNA甲基化的逆过程，它通过去除DNA中的甲基基团来影响基因表达和细胞功能。
和DNA甲基化一样，DNA去甲基化也在细胞分化、生长、细胞周期等生物学过程产生深远的影响。
1.基因活化DNA去甲基化可以激发基因的转录活性，从而增加特定基因的表达。
DNA去甲基化在调节细胞周期和细胞成熟方面也发挥着重要作用。
2.基因重编程在胚胎发育期间，DNA去甲基化的爆发活动导致了一系列基因的重编程。
它们包括干细胞基因、胚胎细胞标志物等，在胚胎发育中都发挥着重要作用。
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The many rolesLeabharlann of DNA methylation
DNMT1
DNMT3A/B
Cytosine
Gene silencing
Methyl-cytosine
Imprinting Marking active regulatory elements
♀ ♂
Naveh-Many and Cedar, PNAS, 1981 Brandeis et al, EMBO J, 1993
Known features of DNA methylation in mammals
unknown features of DNA methylation in mammals
FUNCTIONS
• 转录起始位点的甲基化：有CpG岛的模式， 没有CpG岛的模式 • Gene body的甲基化 • 增强子的甲基化 • 绝缘子的甲基化
DNA methylation
DNA甲基化功能
1
A few data
• human genome :about 28 milion CpGs • 60–80% are generally methylated. • Less than 10% of CpGs occur in CGdense regions that are termed CpG islands; • Half of CGI occur at gene body.
Reason or result
result：methylation of the Hprt gene on the inactive X chromosome occurred after the chromosome had been inactivated reason：study showed that the methylase was essential for differentiation of a fairly short-lived cell type, it seems possible that DNA methylation has a more instructive role in initiating rather than reinforcing the silencing Genome-wide studies in cancer cells have, however, shown that genes with CGI promoters that are already silenced by Polycomb complexes are much more likely than other genes to become methylated in cancer: that is, the silent state precedes methylation 主流的观点是：DNA甲基化只是起到维持沉默的作用
sequence changes:
Problems:
• Searching space is significantly increased (Waston & Crick) vs (BSW, BSWR, BSC, BSCR) • Sequence complexity is reduced
• C to T mapping is asymmetric (complicates the matching process)
RRBS (procedure) :
RRBS (assessment) :
• Advantages
– Enrichment of CpGs – Low sample input
• Disadvantages
– Restriction enzyme limitation – BS-seq flaws
TF
Stadler et al, Nature, 2011
Alternative promoter regulation
Silencing of repeats
Alu/LINE/SINE
Maunakea et al, Nature, 2010
Walsh et al, Nat Genetics, 1998
– 全基因组分析发现exon高甲基化，intro低甲基化，并且 这个数值转变很明显的发生在两者的边界区域。 – CTCF的绑定受到DNA甲基化的影响导致了暂停RNA polymerase II的移动，而RNA polymerase II的动态影响剪 切。
Methylation at enhancers
A few knowledge
• 1.Three conserved enzymes DNA methyltransferase 1 (DNMT1): DNA methylation maintenance DNMT3A and DNMT3B:de novo methylation DNMT3L:is a catalytically inactive homologue of DNMT3A and DNMT3B 2.Demethylation:thymidine DNA glycosylase (TDG) ten eleven translocation methylatosine dioxygenase(TET) activation-induced cytodine deaminase(AID)
Methods to detect methylation
• • • • Bisulfite sequencing (BS-seq) Reduced Represention Bisulfite sequencing (RRBS) TAB-seq/oxBS-seq Methylated DNA Immunoprecipitation assays (MeDIP-seq/MeDIP-chip) • HapII tiny fragment Enrichment by Ligation-mediated PCR (HELP) assay • MRE-seq, MethylC-seq, MethylCap-seq
Problems:
Bismark scheme:
BSMAP scheme:
BSMAP scheme:
Thank you!
Methylation at insulators
• 主要研究CTCF • 首先是imprinted IGF2–H19，当CTCF绑定的 DNA序列被甲基化，影响了增强子与绝缘子 之间的关系。 • 然后是CTCF绑定在表达CD45基因的exon5， 对剪切有影响。 • 但是最新的全基因组的研究表明，不是DNA 的甲基化影响CTCF的绑定，反而是CTCF的 绑定诱导去甲基化。
CGACGACGUGAAUGTTT Library amplification
Targeted PCR
Sanger sequencing
Quantitative
100% C
50% C
0% C
mCG
chr20
Lister et al, Nature, 2009
Gary Hon
BS-seq (assessment) :
Gene body methylation
• 1.在外显子区域的DNA甲基化是C-T突变的重 要原因。 • 2.大概一半的CpGIs是在gene body把那些区 域称做了‘orphan promoters’，功能还未 知，可能与早期发育相关。 • 3.在人脑细胞中，34%的gene body的CGI甲 基化，但是并不阻碍表达。 • 4.只是转录起始对甲基化敏感。
Patterns at non-CpG-island TSSs
• 1.在TSS区域CpG-poor时，表达的基因往往 是未甲基化的，而不表达的基因往往是甲 基化的。比如OCT4 and NANOG promoters。 • 2.但是在05年的全基因组层面上，发现甲基 化和表达上没有负相关，但是在08年重分 析又发现这个负相关的规律是存在。 • 3.一个问题是究竟甲基化是表达沉默的原因 ，还是结果。
BS-seq, TAB-seq and oxBS-seq --TET oxygenases
BS-seq, TAB-seq and oxBS-seq --scheme
BS-seq, TAB-seq and oxBS-seq --result
Bisulfite Sequencing
mapping schemes
• Advantages
– Single base resolution – Quantitative
• Disadvantages
– Defect: can't distinguish between 5mC and 5hmC – Artifact: incomplete conversion (2.21%) – Problem: DNA degradation – Mapping: low comlexity of converted sequence
• 在老鼠的基因组，增强子不是100%甲基化 也不是完全不甲基化，趋向于‘lowmethylated regions’ (LMRs)。 • 在T细胞的不同子集，发现在增强子的区域 有很大数量的differentially methylated regions (DMRs) • 当在增强子区域去甲基化的时候，增强子 起作用，但是依然是不知道甲基化是结果 还是原因。
BS-seq (theory) :
BS-seq (procedure) :
Traditional bisulfite sequencing
m m m
Genomic DNA Bisulfite conversion
CGACGACGCGAACGTTT
Ultimate resolution