DNA甲基化与基因活性的调控

（甘肃省高台县第一中学 甘肃张掖 734300）

人教版2019年版高中生物《必修2·遗传与进化》第四章第二节“基因表达与性状关系”中新加入了表观遗传这一核心概念。表观遗传是指生物体基因的碱基序列保持不变，但基因表达和表型发生可遗传变化的现象。教科书在“思考与讨论”中举例柳穿鱼Lcyc基因和小鼠Avy基因的碱基序列并没有改变，只是部分碱基发生了甲基化修饰，抑制了基因的表达，进而对表型产生影响，同时这种DNA甲基化修饰可以遗传给子代。

DNA甲基化作为表观遗传学中DNA修饰的唯一方式，对于理解表观遗传具有重要作用，但教科书并无过多信息说明DNA甲基化的过程及抑制基因表达的机制。教师对于这样一些新内容，熟悉其过程及机制是必要的。基于此，从DNA的甲基化和去甲基化过程、DNA甲基化抑制基因转录的机制2个方面进行整理。

1 DNA的甲基化和去甲基化

DNA甲基化是指在DNA甲基化转移酶（DNMT）的作用下，在基因组的胞嘧啶5'碳位共价键结合一个甲基基团（图1A）。这一修饰途径可以在不改变基因序列的前提下调节DNA的转录活性等，并保护DNA位点不被特定限制酶降解，是目前已知表观遗传学中DNA修饰的唯一方式。

DNA甲基化修饰现象广泛存在于多种有机体中。人类基因组中大部分序列中存在DNA甲基化现象，其中成串出现在DNA上且未甲基化的CG序列，被称为CpG岛。大量研究表明，DNA甲基化能抑制某些基因的活性，而去甲基化则诱导了基因的重新活化和表达。

真核生物细胞内DNMT成员众多，以哺乳动物细胞内的部分DNMT为例（表1）。

表1 DNA甲基转移酶的功能

在DNMT的作用下，DNA甲基化除主要形成5-甲基胞嘧啶（5-mC）以外，还可由少量腺嘌呤通过甲基化形成N6-甲基腺嘌呤（图1B）以及鸟嘌呤甲基化形成7-甲基鸟嘌呤（图1C）。在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出现在CpG序列、CpXpG、CCA/TGG和GATC中。

DNA去甲基化包括被动去甲基化和主动去甲基化两种途径。DNA被动去甲基化一般发生在细胞分裂间期DNA复制时。在此期间甲基转移酶类失活，导致新合成的DNA链未被甲基化。DNA主动去甲基化不同于被动去甲基化，不涉及DNA复制，但是需要一个或多个酶的参与。

DNA主动去甲基化可能存在的五种机制：①碱基切除修复机制（BER）：在植物体内，DNA主动去甲基化主要通过BER途径来实现，依赖脱氧核糖和5-mC之间的糖苷键的断裂，通过核酸内切酶和DNA聚合酶的作用，最终使得5-mC转变成胞嘧啶C。②脱氨酶参与的DNA去甲基化：动物体中，在胞嘧啶脱氨基酶作用下，5-mC脱氨变成胸腺嘧啶T，形成G/T错配，通过错配修复使未甲基化的C取代T（图2）。③核苷酸外切修复机制（NER）：此途径实现去甲基化是在NER核酸酶的作用下直接移除甲基化的CpG二核苷酸。④氧化去甲基化：在动物细胞内，5-mC氧化可转化成5-羟甲基胞嘧啶（5-hmC），在依赖DNA转葡糖基酶通过一系列修复将5-hmC转化成胞嘧啶C，从而实现DNA主动去甲基化。⑤水解去甲基化：在蛋白质辅助因子的作用下，由氢原子直接取代甲基基团，同时释放甲醇（图2），也可实现DNA主动去甲基化。

2 DNA甲基化抑制基因转录的机制

2.1 DNA甲基化干扰转录因子（TF）与启动子的识别结合抑制基因转录

DNA甲基化抑制基因转录可通过干扰TF与相应启动子的特异性识别结合，TF与RNA聚合酶Ⅱ（RNA Pol II）形成转录起始复合体，共同参与转录起始的过程（图3A）。驱动基因转录的必须原件是位于基因首端的启动子，启动子与Pol II识别和结合并起始转录。DNA甲基化会导致基因某些区域的构象发生变化，进而影响蛋白质与DNA的相互作用，抑制了转录因子与启动子的结合效率。目前已知的对DNA甲基化敏感的转录因子如：AP-2、E2F、NF-κB等都可识别含CpG残基的序列，当CpG残基被甲基化后，TF与启动子的结合作用即被抑制（图3B），从而阻止了转录。相反，如对甲基化不敏感的转录因子SP1，即使DNA甲基化也对这种转录因子不起抑制作用。

2.2 甲基化DNA上结合特异的转录阻遏物抑制基因转录

甲基-CpG结合蛋白是一种典型的转录阻遏物，这种蛋白可以与转录因子共同竞争甲基化DNA结合位点，从而阻止转录。目前已知的转录阻遏物有甲基-CpG结合蛋白1和2，即MeCP-1和MeCP-2。MeCP-1作为大分子复合物，可以结合多个甲基化位置（图4B），甲基化的DNA与MeCP-1结合形成不稳定的复合物，阻止了转录的活化。MeCP-2只结合一个甲基化位置（图4C），通过其功能结构域紧密结合甲基化的DNA，抑制基因的转录。MeCP-1和MeCP-2结合DNA的能力直接影响DNA甲基化对转录的抑制强度，MeCP-1和MeCP-2与DNA的结合能力越强，DNA甲基化对转录的抑制强度也越大。同时，MeCP-1和MeCP-2与甲基化的DNA结合形成的复合物可被强启动子破裂，允许甲基化基因进行转录，但随着DNA甲基化密度的增大，即使增强后的启动子也无转录活性。

2.3 DNA甲基化通过影响染色质结构抑制基因转录

通过影响染色质的结构抑制基因转录是DNA甲基化调控基因表达的另一种方式。DNA甲基化作用可以诱导染色质失活。研究表明，当组蛋白与甲基化DNA结合成复合体时，DNA的构型会发生很大的变化，DNA甲基化达到一定程度时会发生从常规的BDNA向Z-DNA的过渡（图5）。Z-DNA相比常规的BDNA为左手双螺旋，且DNA骨架的走向呈锯齿状，从DNA分子螺旋轴的方向看，双螺旋表面有两个宽度不同的沟槽。一个是大沟，一个是小沟，这两个沟槽中碱基外露，为蛋白质的结合提供充足空间。但是，由于Z-DNA结构不稳定、超螺旋化，使许多蛋白质因子赖以结合的元件缩入大沟，从而影响染色质结构，进一步影响基因的转录。另外，DNA甲基化还能阻止TF和DNase I（脱氧核糖核酸酶I，可降解DNA）的作用，通过阻止TF的进入防止染色质的活化，从而稳定维持染色质的失活状态（图6）。

作为表观遗传最主要的修饰方式，DNA甲基化在真核生物的整个生命过程中是至关重要的，与细胞的生长、发育过程密切相关，如哺乳动物的X染色体随机失活，参与宿主的防御机制，沉默基因组中的外源序列都与DNA甲基化有关。最新研究也表明蛋白质糖基化在DNA甲基化中起着核心作用，哺乳动物的DNA甲基化可通过激活诱导调节因子糖基化的过程来诱导基因沉默，阻止基因的表达，从而揭示了更多DNA甲基化修饰背后的机制。

上面仅从DNA甲基化的概念出发引出其内涵，从教科书的DNA甲基化现象观察到理解其对基因活性调控的本质进行了探讨和梳理，以期对学习和教学起到帮助。