DNA甲基化

DNA甲基化与遗传物质的稳定性

       在生物个体的生长发育与繁殖过程中，维持遗传物质的稳定性是至关重要的。细胞采用多种机制来保证DNA复制的忠实性，如DNA的双螺旋结构与半保留复制模式为遗传物质的稳定提供了物质基础；DNA聚合酶Ⅲ除了具有DNA聚合酶活性外还具有5’到3’的核酸外切酶活性，可及时去除错配掺人的碱基；DNA复制后存在多种修复机制进一步保证了遗传物质的稳定性。DNA甲基化在DNA复制起始、错配修复、细菌中寄主控制的修饰与限制以及转座子的失活等过程中对维持遗传信息的稳定性发挥着重要的作用。

DNA甲基化与基因表达调控

       在真核生物基因组中，基因仅仅占一小部分，例如在人类基因组中基因的编码序列还不到2％，那么在大量非编码DNA存在的情况下，实现精确控制基因的表达，降低周围的转录噪音对生物体至关重要。DNA甲基化作为一种可遗传的修饰方式为非编码DNA(内含子、重复元件以及潜在的具有活性的转座子)的长期沉默提供了一种有效的抑制机制。DNA复制后胞嘧啶的甲基化会改变DNA的构象，使DNA的大沟无法与DNA结合蛋白正常结合，从而使这些非编码区长期保持无表达活性的状态。而有转录活性的基因可利用非甲基化的启动子来进行转录表达，即使在相邻的非转录区是高度甲基化的，其启动子仍然可以起始转录并被调控。

DNA甲基化与表观遗传学

       过去人们一直以为遗传和环境两大因素共同决定生物体的性状，然而人们无法合理解释马和驴的正反交后代、同卵双胞胎差别以及x染色体失活等现象。1942年Waddington首次提出了表观遗传学(epigenetics)的概念，它针对研究基因型与表型的关系，使经典的孟德尔核内遗传规律无法解释的现象得到了合理而完美的解释。基因组表观遗传修饰主要包括DNA甲基化修饰与核小体中组蛋白的修饰等，使得被修饰DNA的空间结构发生改变或使染色体结构发生改变，导致基因的沉默或过度表达。这两种修饰都是在不改变DNA碱基种类与数量的前提下使生物体表型呈现出多样化。DNA甲基化对基因表达模式以及基因组稳定性均起着至关重要的作用，并在印迹基因与x染色体失活等典型的表观遗传现象中起重要作用。

DNA甲基化与胚胎发育

       DNA甲基化作为一种可遗传的表观遗传修饰，在体细胞增殖过程中通过依赖于DNA复制的DNA甲基转移酶Dnmtl稳定地传递给子细胞。但在胚胎发育的不同时期，基因组范围内的DNA甲基化水平会发生剧烈的改变，改变最剧烈的阶段为配子形成期与早期胚胎发育阶段，甲基化模式在配子形成时已经建立旧1。DNA甲基化对胚胎正常发育和等位基因的选择表达至关重要。错误甲基化模式的建立将引起人类的疾病，如Prader-Willi综合征、Angelman综合征和脆性x染色体综合征等。

DNA甲基化作为肿瘤生物标志物

       DNA甲基化在肿瘤中的作用主要表现在以下几个方面：一是甲基化的CpG岛二核苷酸中的胞嘧啶以较高的频率脱氨基变成胸腺嘧啶，造成基因突变；二是抑癌基因和DNA修复基因由于超甲基化而沉默；三是癌基因甲基化水平降低而活化；四是基因组总体甲基化水平降低使转座子、重复序列活化导致染色体稳定性下降。这些因素是导致肿瘤发展、转移、恶化最终导致患者死亡的重要原因。DNA总体甲基化水平（即甲基化谱）和特定基因甲基化程度改变可作为肿瘤诊断指标。

甲基化与肿瘤侵袭和转移

       DNA甲基化在肿瘤转移过程中发挥着重要作用，如有研究发现了数个可以诱导EMT的转录因子，在正常细胞中它们表现为高甲基化水平因而其表达受到抑制，但在肿瘤细胞中它们的甲基化水平偏低而出现高表达。利用DNA甲基转移酶（methyltransferase）抑制剂5-氮杂胞苷（5-aza-cytidine）处理MCF-7乳腺癌细胞，使其维持低甲基化状态，结果显示与EMT过程相关的促细胞侵袭基因（pro-invasive EMT-associated gene）表达上调，细胞的侵袭能力和转移能力增强。此类研究结果值得我们深思，采用DNA甲基转移酶抑制剂来治疗肿瘤固然可能抑制原癌基因的表达，但也可能造成肿瘤细胞转移播散增加的风险。