大家好，这里是专注表观组学十余年，领跑多组学科研服务的易基因。
DNA甲基化参与基因转录调控、细胞分化、胚胎发育、X染色体失活、基因印记和肿瘤的发生，对哺乳动物胚胎发育至关重要，近年来更被发现是解码衰老机制的关键“时钟”。DNA甲基化水平随龄动态变化，其异常既可驱动干细胞耗竭、线粒体功能障碍等衰老标志，也可作为预测个体生物学年龄的指标，为衰老干预提供可量化的时间窗口。近日，法国巴黎文理研究大学居里研究所Maxim V. C. Greenberg和Deborah Bourc’his在《Nature Reviews Molecular Cell Biology》上发表题为《The diverse roles of DNA methylation in mammalian development and disease》的深度综述。文章从DNA甲基化的结构基础、DNA甲基化相关基因在DNA甲基化过程中的作用及疾病中的可能机制等方面，讨论了在富含CpG的启动子、基因体和转座元件中，小鼠和人类DNA甲基化和去甲基化的机制和功能，强调了在胚胎、生殖细胞系和体细胞发育过程中DNA甲基化的时序性去除和再建立，并对复杂疾病的表观遗传基因突变关联进行了阐述。
本文深入剖析了DNA甲基化在哺乳动物发育与疾病中的多重角色，为表观遗传学领域提供了前沿且全面的视角。不仅阐释了DNA甲基化在基因调控、转座元件沉默及基因组稳定性中的关键作用，还揭示了其在胚胎发育、生殖细胞系分化等过程中的时序性变化与复杂机制力。此外，对表观遗传基因突变与复杂疾病关系（包括理解衰老的发生机制）的解读，为临床诊断与治疗提供了理论基础。
（DOI:10.1038/s41580-019-0159-6）
一、DNA甲基化的细胞功能
（1）甲基化的甲基转移酶" writers "与去甲基化酶" erasers "
DNA甲基化过程分为de novo甲基化（建立）、维持和去甲基化三个阶段。
DNA甲基转移酶“writers”
DNMT3A和DNMT3B：两种主要的de novo DNA甲基转移酶（DNA methyltransferases, DNMTs），其包含高度保守的DNMT域（MTase domain）和两个染色质read域：ATRX-DNMT3-DNMT3L（ADD）和PWWP域(图1a,b；表1)。ADD域可与H3K4me3结合，其与H3K4的甲基化程度呈负相关，当H3K4未甲基化时，ADD域释放MTase域的自抑制，从而允许DNA甲基化发生；PWWP域能与H3K36me3结合，这表明转录与基因体（gene body）的DNA甲基化之间存在机制联系。
DNMT3L：是一种无催化活性的DNMT，它与DNMT3A和DNMT3B相互作用并特异性地在生殖细胞系中刺激它们的活性。
DNMT1：是维持DNA甲基化的关键酶，其活性依赖于UHRF1蛋白。UHRF1通过其SRA域特异性结合复制叉上的半甲基化CpG二核苷酸，还通过TTD-PHD域结合H3K9me2和H3K9me3。UHRF1通过其UBL域招募DNMT1，释放其自抑制状态，使DNMT1能够结合RFTS并甲基化子代DNA链。
DNA去甲基化酶" erasers "
TET蛋白（TET methylcytosine dioxygenases）：是主动DNA去甲基化的执行蛋白，其逐步将5mC氧化为5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）、5-甲酰胞嘧啶（5fC）和5-羧基胞嘧啶（5caC），这些氧化产物都能在复制过程中促进DNA去甲基化，5fC和5caC还可以通过TDG介导的碱基切除修复通路发生去甲基化。
图1：DNA甲基化的分子机制与作用过程。
a.启动子区域的DNA甲基化机制。左图：H3K4me3是活性或待激活启动子的标志，其阻止DNA甲基转移酶3A/3B（DNMT3A/3B）及DNMT3L的ADD域与染色质结合，从而迫使ADD与甲基转移酶（MTase）域结合，抑制DNMT3酶活性。右图：当H3K4未甲基化时，ADD域与H3K4结合，解除DNMT3的自抑制状态，使MTase域能够催化DNA甲基化。
b.基因体区域的DNA甲基化。在基因体中，ADD域通过结合未甲基化的H3K4释放DNMT3的自抑制。活跃转录基因的基因体内富含H3K36me3修饰，该修饰通过DNMT3的PWWP域招募甲基化酶，促进基因体甲基化。
c.DNA甲基化的维持机制。左图：E3泛素连接酶UHRF1通过其SRA域（识别半甲基化CpG位点）和TTD域（结合H3K9me2）被招募至复制中的DNA。UHRF1的RING域泛素化修饰组蛋白H3尾部（Ub）。DNMT1的复制焦点靶向序列（RFTS）折叠至MTase域，抑制其催化活性。UHRF1通过其泛素样（UBL）域与DNMT1的RFTS互作，招募DNMT1。右图：当RFTS结合泛素化H3尾部时，DNMT1的自抑制解除，从而维持CpG位点的对称性甲基化。
（2）DNA甲基化转录抑制
DNA甲基化与基因沉默之间的相关性随着启动子区域CpG二核苷酸密度的增加而增强，但DNA甲基化本身并不直接导致沉默，它可能通过以下几种方式抑制转录：
阻碍转录因子结合：某些转录因子对CpG甲基化敏感，甲基化的CpG位点会阻止这些转录因子与其结合，从而阻碍转录激活。例如，研究发现22%的人类转录因子在结合甲基化的DNA时亲和力降低。
招募染色质重塑和修饰因子：DNMT蛋白可以与染色质重塑因子和修饰因子相互作用，形成异染色质结构，进而导致基因沉默。例如，DNMTs与淋巴细胞特异性螺旋酶（LSH）、H3K9甲基转移酶和组蛋白去乙酰化酶等形成复合物，促进基因沉默。
与MBD蛋白互作：哺乳动物有五种MBD蛋白（MBD1-MBD4和MeCP2），它们与核小体重塑和组蛋白去乙酰化酶复合物相互作用，导致基因沉默。其中，除了MBD3外，其他MBD蛋白对CpG甲基化的结合能力随CpG甲基化程度的增加而增加。
表1：DNA甲基化和去甲基化因子及其功能
（3）CpG岛启动子(CpG-island promoters)
CpG岛（CGIs）是哺乳动物基因组中相对较短的基因组区域，平均约1kb，其CpG含量较高，超过三分之二的哺乳动物启动子是CGIs，几乎所有管家基因和一些发育调控基因都有CGI启动子。CGIs通常很少发生甲基化，尤其是在分裂的雄性生殖细胞系中，它们未被CpG侵蚀，保留了较高的CpG含量。
X-chromosome inactivation（X染色体失活）：在雌性哺乳动物中，每个细胞中的一条X染色体会被随机沉默，这一过程由非编码RNA X- inactive specific transcript（XIST）在顺式（in cis）中发挥作用。在X染色体失活过程中，DNA甲基化出现在相对较晚的阶段，作为基因沉默后的最终锁定机制。在小鼠中，X连锁CGI启动子的沉默主要依赖于DNMT3B，而SMCHD1在部分X连锁CGI中也发挥重要作用，但其在人类中与DNA甲基化的联系尚未明确。
Genomic imprinting（基因组印记）：基因组印记是指在两个亲本生殖细胞系中差异性地建立DNA甲基化模式，这些印记模式能够抵抗早期胚胎发育过程中DNA甲基化的重编程。在小鼠和人类中，大约有20个基因组印记调控区域（ICRs）能够抵抗这种重编程，从而强制相邻基因单等位表达。ICRs大多在卵子中被甲基化，且都与极富CpG的CGIs重合，而三个父本ICRs则位于CpG贫乏的基因间序列中。在卵母细胞生长过程中，DNMT3A在DNMT3L的辅助下以转录依赖性方式甲基化卵母细胞表达基因的基因体，包括其内含的CGIs（图2b），而基因组的其余部分则保持低甲基化状态。哺乳动物卵母细胞转录通常从位于典型CGI启动子上游的替代启动子发出，这些启动子通常与逆转录转座元件序列重合。
母本(也包括父本)ICRs与其他在配子中被甲基化的序列区别在于它们富含特定的遗传motif(TGCCGC)，这些motif在发生甲基化时会被KRAB锌指蛋白57(ZFP57)识别。ZFP57招募KRAB相关蛋白1(KAP1，也称为TIF1β)和其他沉默因子，包括DNMTs。总之，母本印记CGI能够发生DNA甲基化，依赖于卵母细胞的特异性转录谱和特定的遗传序列的共同作用。
Germline-specific genes（生殖细胞系特异性基因）：CGI启动子的生殖细胞系特异性基因通过DNMT3B介导的DNA甲基化在胚胎植入后随着体细胞分化开始被沉默。与大多数未甲基化的CpG富集启动子不同，生殖细胞系CGIs进化出了序列特异性地招募DNA甲基化机制以确保终体细胞沉默的方式(图2c)。
图2：CGI启动子的DNA甲基化靶向机制
a.X染色体失活中SMCHD1依赖的CGI de novo甲基化。SMCHD1形成同源二聚体，可能通过凝聚失活X染色体的染色质结构发挥作用。在部分CGI区域，SMCHD1通过未知机制介导DNMT3B催化的DNA甲基化。
b.母源印记的建立。在生长中的卵母细胞中，DNA甲基化与转录延伸过程密切相关，依赖DNMT3A-DNMT3L复合体。小鼠受精后，印记启动子通过结合锌指蛋白57（ZFP57）-KRAB相关蛋白1（KAP1）复合体上的甲基化TGCCGC motif，抵抗早期胚胎的整体去甲基化。该复合体招募组蛋白甲基转移酶SETDB1及维持甲基化因子DNMT1和UHRF1，从而维持基因沉默。
c.生殖细胞系基因CGI启动子的甲基化模型。部分生殖细胞系基因被非经典多梳抑制复合体PRC1.6结合，该复合体包含L3MBTL2，可招募异二聚体H3K9甲基转移酶G9a-GLP。
（4）利用重复基因组
基因组防御转座元件被认为是DNA甲基化进化的驱动力之一，哺乳动物基因组中DNA甲基化的主要靶标不是基因而是转座元件，尤其是逆转录转座元件。小鼠和人类基因组中有数百万个逆转录转座元件拷贝，占据了大约一半的基因组空间。在小鼠Dnmt1敲除胚胎中，内源性A粒子（IAP）逆转录转座元件被大量去抑制，导致严重的发育缺陷和胚胎致死(图3a)。
DNMT3C是一种新发现的de novo DNMT，它在小鼠和大鼠的Muroidea谱系中通过串联重复Dnmt3b基因起源。DNMT3C在雄性胎儿生殖细胞系中特异性表达，它选择性地甲基化和抑制进化上年轻的转座元件启动子，这些转座元件仅占小鼠基因组的1%。Dnmt3c突变小鼠表现出小睾丸和不育，其分子表型与生殖细胞系甲基化辅助因子Dnmt3l的突变体以及piRNA通路的突变体相同，piRNA通路是一类专门用于在生殖细胞系中沉默转座元件的高度保守的小RNA。
除了短期内抑制转座元件表达外，DNA甲基化还通过脱氨基引起的突变促进它们的不可逆遗传失活。此外，DNA甲基化可能通过限制非等位转座元件拷贝之间的重组来维持基因组稳定性，这一可能性得到了各种人类癌症中DNA低甲基化与染色体重排（大多涉及转座元件）之间正相关的支持。
图3：基于DNA甲基化的转座元件调控机制
a.体内DNA甲基化缺失对转座元件的功能作用。在小鼠胚胎中，DNMT1缺失会导致胞内A颗粒（IAP）逆转录转座元件的显著上调，并伴随严重的发育缺陷和胚胎期9.5天（E9.5）的致死性。Dnmt3C或Dnmt3L突变体会导致睾丸缩小，并在雄性生殖细胞系中特异性丧失IAP和LINE1转座元件的DNA甲基化，进而引发减数分裂灾难和不育。
b.piRNA介导的小鼠DNA甲基化模型。由转座元件转录本生成的piRNA会装载到MIWI2（即PIWIL4）上并定位至细胞核，通过未知机制招募DNMT3C-DNMT3L复合体。由于DNMT3C含有染色质read的ADD域，可能存在一种机制（如通过赖氨酸去甲基化酶去除H3K4me3）来规避H3K4me3基因激活效应。
c.小鼠胚胎干细胞（ESCs）中DNA甲基化缺失的补偿机制。当ESCs从高甲基化培养基转换至低甲基化培养基时，转座元件可分为三类：H3K9甲基化未受干扰，但H3K27me3侵入转座元件主体（A类）；H3K9甲基化保持不变（B类）；表观沉默机制从H3K9甲基化切换为H3K27me3依赖性沉默（C类）。
d.UHRF1在半甲基化DNA中阻止SETDB1介导的IAP沉默。在条件性敲除Dnmt1的胚胎中，UHRF1持续结合复制后的半甲基化DNA，阻止H3K9甲基转移酶SETDB1沉默IAP转座元件。这一机制在野生型小鼠胎盘中具有生理意义：UHRF1结合半甲基化DNA导致IAP去抑制；而在Uhrf1突变的ESCs和胎盘中，SETDB1催化H3K9三甲基化，从而抑制IAP活性。
（5）基因体的谜团
基因体中DNA甲基化的富集提出了一个悖论：一方面，基因体甲基化在真核生物中高度保守，其保守程度甚至超过转座元件；另一方面，DNA甲基化具有诱变性，那么为什么它在编码序列中如此突出？重要的是，基因体DNA甲基化与转录呈正相关，因此其作用与基因沉默无关。关于基因体中DNA甲基化功能的两个假设被提出：一是促进转录延伸和/或共转录剪切，二是其抑制基因内隐性启动子。
转录延伸和剪切：DNA甲基化在基因体中的分布与外显子富集有关，可能影响RNA聚合酶II（Pol II）的进程和剪切。例如，在人类CD45基因中，CCCTC结合因子（CTCF）减缓外显子5处的RNA聚合酶II延伸速率，从而促进其包含；DNA甲基化则阻止CTCF结合，导致外显子排除。相反，在其他位点，DNA甲基化可以通过招募MeCP2来促进外显子包含，这与观察到的替代外显子平均甲基化水平低于组成性外显子的事实一致。
抑制隐秘启动子：这一假设与DNA甲基化作为转录抑制因子的功能一致。如上所述，de novo DNA甲基化机制通过结合H3K36me3被招募到DNA上，而H3K36me3在酿酒酵母中已知可防止隐秘启动子的使用。然而，基因体中的内源性CGIs通常在小鼠和人类之间是保守的，其更可能是替代启动子而非隐秘启动子。最近的一项研究显示，DNMT3B介导的基因体DNA甲基化限制了H3K36me3下游隐秘启动子活性，但这种效应在细胞群体中只在极小比例的细胞中观察到。此外，Dnmt三敲除胚胎干细胞（ESCs）并未表现出与Dnmt3B单突变细胞相同的内源性隐秘启动子抑制。
二、发育中的甲基化模式
（1）早期胚胎和生殖细胞系
整体被动和主动去甲基化与局部de novo甲基化
生殖细胞系重编程过程中，DNA去甲基化伴随着原始生殖细胞系(PGCs)获得生殖细胞系特性的两个阶段。第一阶段包括基因组大部分区域的被动去甲基化作为默认通路。随后是TET1和TET2依赖性去甲基化，主要影响印记位点和生殖细胞系特异性基因(图4a)，并与小鼠PGCs细胞核中5hmC的出现相吻合。
在受精后的重编程中，胚胎在向多能性发展过程中失去了从卵母细胞和精子遗传的亲本特异性DNA甲基化模式，这一过程也分为两个阶段。在小鼠单细胞期胚胎(受精卵)中，TET3介导的5hmC的出现和5mC的丢失同时发生，表明父本基因组最初通过TET3主动去甲基化；随后两个亲本基因组经历几轮被动的、DNA复制依赖性DNA甲基化稀释，因为卵母细胞提供的维持酶DNMT1在随后的细胞分裂中被排除在细胞核外(图4a)。然而最近的全基因组亚硫酸盐测序分析显示，母本甲基化组在受精卵中也经历了有限的TET3依赖性氧化。其他研究还表明，大多数受精卵DNA甲基化的丢失与复制无关，在父本基因组中，这可能以TET3非依赖性方式通过未知机制发生。
单细胞全基因组亚硫酸盐测序（scWGBS）揭示了人类胚胎基因组在进行整体去甲基化时普遍发生的de novo DNA甲基化：首先在单细胞阶段的副本基因组中，然后在8细胞阶段全基因组范围内发生，与胚胎基因组激活同时发生，主要靶向转座元件。在小鼠发育过程中，一些de novo DNA甲基化也可能与胚胎或生殖细胞系基因组的整体去甲基化同时发生。
人类胚胎的DNA甲基化变化与小鼠相似，但也存在一些物种特异性差异。人类胚胎的初始快速去甲基化主要影响父本基因组，但发生在受精到2细胞阶段，而小鼠则在单细胞阶段完成。随后，人类胚胎的全基因组DNA甲基化逐渐丢失，直到囊胚阶段，但与小鼠相比，人类母本基因组在囊胚阶段保留了更高的DNA甲基化水平。
图4：发育过程中的DNA甲基化重编程
a.胚胎与生殖细胞系DNA甲基化的去除与重建。甲基胞嘧啶双加氧酶TET3在受精卵中激活，催化羟甲基化并介导主动DNA去甲基化。随后通过被动去甲基化（虚线表示），DNA甲基化水平在囊胚阶段降至最低；囊胚植入后，由DNMT3A和DNMT3B介导的de novo甲基化重新建立甲基化模式。DNMT3L在此阶段虽表达，但对胚胎基因组甲基化非绝对必需。在胚胎外组织中，DNMT3A、DNMT3B和DNMT3L表达量低于胚胎本体，导致相对低甲基化状态。植入后，外胚层中部分干细胞分化为生殖细胞系细胞，经历两波去甲基化：被动去甲基化及TET1/TET2介导的主动去甲基化。雄配子在出生前通过DNMT3A和DNMT3L（小鼠等啮齿类还需DNMT3C）实现高甲基化；雌配子在减数分裂后、排卵前通过DNMT3A和DNMT3L（人类可能仅需DNMT3A）完成甲基化。
b.Zdbf2位点的瞬时印记。植入前发育中，Zdbf2的长转录本（Liz）呈现印记状态：母源等位基因甲基化沉默，父源等位基因未甲基化且表达。两等位基因的启动子均通过Polycomb介导的H3K27me3沉默。植入后，父源Liz的表达诱导其启动子上游区域甲基化并驱逐H3K27me3，而母源等位基因仍受H3K27me3抑制。尽管Liz的印记短暂，但父源位点植入后的甲基化通过拮抗Polycomb抑制，实现Zdbf2的终身印记表达。若胚胎中Zdbf2激活失败，将导致出生后生长缺陷。
c.组织特异性增强子的甲基化变化。体细胞中，调控元件的DNA甲基化呈现时序性变化。TET酶与转录因子（TF）协作介导去甲基化并激活增强子；而失活的增强子因转录因子结合减少，更易被de novo甲基化酶靶向。
d.神经元中CpA甲基化的作用。出生后，DNMT3A在基因体沉积甲基化。甲基化的CAC序列（mCAC）被MeCP2识别，其结合可建立基因沉默的终身表观遗传记忆。
甲基化重编程及其抵抗的生物学意义
尽管胚胎和生殖细胞系去甲基化是全局性，但在两个过程结束时，仍有相当一部分DNA甲基化得以保留。这一现象引发了关于代际表观遗传继承甚至跨代表观遗传继承的可能猜想。
在植入前胚胎的内细胞团中，小鼠和人类中约20%的CpGs保留了配子遗传的甲基化(图4a)。这些位点显著定位到ICRs，与通过KRAB-ZFP招募KAP1的序列特异性DNA去甲基化抵抗有关。然而，ICRs在基因组中所占比例微不足道。除了这些经典的ICRs外，还有数百个"瞬时"甲基化印记：这些主要从卵母细胞遗传，通过类似于经典ICRs的KRAB-ZFP依赖性保护，保持母系特异性DNA甲基化直到囊胚阶段，并在植入后通过DNA甲基化或再甲基化丢失。这种现象在人类中可能尤为普遍，人类母本基因组在植入前以及植入后（仅在胎盘组织中）保留了比父本基因组更高的DNA甲基化水平。对Zdbf2位点的研究表明，父本等位基因的短暂低甲基化可以通过一系列下游表观遗传变化引起长期的印记，从而影响出生后大小。
在囊胚阶段，基因组中抵抗重编程的大部分残余配子甲基化与单拷贝序列无关，而是与转座元件有关。在小鼠中，年轻的IAP类逆转录转座元件对植入前甲基化特别抵抗。在人类囊胚中，进化上年轻的、可能活跃的转座元件，特别是灵长类动物特有的SINE-VNTR-Alu元件，保留了最高的DNA甲基化水平。DNA甲基化通过KRAB-ZFP介导的KAP1序列特异性招募保留，类似于KAP1在ICRs中的选择性DNA结合。KRAB-ZFPs需要时间来发展对最近出现的转座元件的匹配，因此最新的IAP元件(通常在小鼠品系之间多态)在植入前发育过程中不能抵抗DNA甲基化重编程。
与植入前发育相比，生殖细胞系去甲基化更为广泛。到小鼠胚胎发生的第13.5天，PGCs的CpGs甲基化水平仅为6%-8% (图4a)。人类胎儿生殖细胞系在怀孕9周后也保留了类似的基线水平。与胚胎发育相反，ICRs在发育中的PGCs中进行甲基化，作为随后在雄性和雌性生殖细胞系分化过程中获得性别特异性DNA甲基化模式的先决条件。与植入前发育中的甲基化重编程类似，生殖细胞系DNA甲基化的保留主要在年轻且潜在有害的逆转录转座元件中观察到。
（2）De novo DNA甲基化程序
在PGCs中重编程后，雄性和雌性生殖细胞系中建立了性别特异性的DNA甲基化模式。在配子发生结束时，精子基因组表现出约80%的CpG甲基化，而卵子基因组仅约50%被甲基化，且几乎只在基因体中(图4a)。卵母细胞的相对低甲基化与DNMT1在细胞质中的保留有关，这是由于STELLA蛋白将UHRF1隔离在细胞质中的次级效应。在Stella突变卵母细胞中，DNMT1进入细胞核，导致异位DNA甲基化沉积，DNA甲基化增加两倍，导致雌性不育。这表明DNMT1在卵母细胞中能够进行de novo DNA甲基化，而在胚胎细胞中则不然。
在胚胎重编程结束时(小鼠胚胎第4.5天)，囊胚由内细胞团(将形成外胚层然后形成胚胎组织)和滋养外胚层及原始内胚层组成。两项全基因组分析研究证实，与外胚层相比，胚外外胚层(ExE)和内脏内胚层都是低甲基化的(图4a)。DNA低甲基化在主要由ExE细胞分化而来的胎盘组织中持续存在。低甲基化与与外胚层相比DNMT3表达减少相关，甚至逆转录转座元件也相对低甲基化。相比之下，ExE和内脏内胚层中甲基化但外胚层中未甲基化的一组特定CGI启动子。其甲基化增加要么反映了在胚外组织中需要保持被抑制，要么表明胚胎组织有更严格的机制来防止异常的DNA甲基化和长期沉默。
大脑在体细胞组织中表现出特殊的甲基化组。在小鼠和人类中，出生后CpA甲基化激增，由DNMT3A产生。神经组织中总CpA甲基化水平与CpG甲基化大致相当，mCpA频率低于mCpG。MBD蛋白MeCP2结合年轻小鼠神经元基因体中的mCAC序列，MeCP2的结合在生命后期保持这些基因的沉默(图4d)。这一机制可以帮助理解DNA甲基化，特别是非CpG甲基化在调节神经和行为特征中的作用。
三、表观遗传基因突变与复杂疾病的关系
（1）DNMT1与神经系统疾病
DNMT1的杂合突变与一系列常染色体显性遗传的进行性认知和行为退化疾病有关，包括伴有痴呆和听力损失的遗传性感觉自主神经病1E(HSAN1E)和伴有耳聋和发作性睡病的常染色体显性小脑共济失调(ADAC-DN)(表1)。
所有DNMT1突变都发生在RFTS域，导致DNA甲基化模式的轻微变化。对HSAN1E或ADAC-DN个体外周血的全基因组分析结果显示主要表现为基因间区域的低甲基化和一些CGIs的高甲基化。这些DNA甲基化特征可作为可获取细胞类型中的病理生物标志物，但其不一定与疾病的大脑特异性表现相关。
（2）DNMT3B与免疫缺陷
免疫缺陷、着丝粒不稳定和面部异常综合征(ICF综合征)是第一个与先天性DNA甲基化缺陷相关的遗传疾病(表1)。ICF的诊断通常包括染色体1、9和16的多放射状染色体，与着丝粒周围卫星重复序列II和III的特异性低甲基化相关。DNMT3B基因的隐性突变定义了ICF1，占ICF病例的大多数。正如小鼠Dnmt3B功能缺失突变模型致死性所预期的，大多数ICF1突变导致单个氨基酸替换或缺失，被认为导致DNMT3B活性降低而非完全丧失。
ICF1患者特异性表现出生殖细胞系基因和X连锁基因的CGI启动子低甲基化，这与DNMT3B在小鼠发育过程中靶向这些序列一致，并表明这种靶向可能独立于ZBTB14、CDCA7和LSH发生。相比之下，ICF2、ICF3和ICF4与ICF1的区别在于着丝粒α卫星重复序列和神经基因簇的低甲基化。这可能暗示ZBTB14、CDCA7和LSH在招募除DNMT3B外的其他DNMT到这些序列中的作用。
（3）DNMT3A、细胞生长和恶性肿瘤
杂合性、生殖细胞系DNMT3A突变与早产前生长障碍相关，具体表现取决于突变的性质。错义、获得性功能突变在PWWP域中被发现，导致微头侏儒症，这是一种表现为身体和头部尺寸显著但成比例减小的病理状态。在小鼠中引入PWWP功能获得性突变显著再现了小头畸形矮小症的身体大小和脑重量减少以及异位甲基化表型。
相比之下，杂合性DNMT3A单倍体不足突变特征为Tatton-Brown–Rahman综合征（TBRS，也称为DNMT3A过度生长综合征），表现为大头畸形和轻度智力障碍(表1)。TRBS突变发生在DNMT3A基因各处，包括PWWP域(功能获得性突变上游)、ADD域和MTase域。这些突变对DNA甲基化模式的影响尚未确定。
最后，体细胞DNMT3A突变与未成熟髓系细胞增殖增强和成人血液恶性肿瘤的发展相关。这些突变在约15-35%的急性髓系白血病(AML)病例中发现，绝大多数是MTase域中精氨酸882(R882)的错义突变。
（4）TET2的DNA羟甲基化与癌症
虽然体细胞DNMT3A活性丧失在AML中相当常见，但TET2突变是血液恶性肿瘤更常见的原因，包括急性髓系白血病（AML）、慢性粒单核细胞白血病、淋巴瘤和骨髓增殖性肿瘤(表1)。TET2突变导致的5hmC含量降低，可能通过影响基因调控和其他细胞过程，导致恶性肿瘤的发生。
在DNMT3A突变癌细胞中，由于可用于TET2的5mC减少，5hmC也预期会减少。因此，5hmC修饰可能是恶性肿瘤的罪魁祸首，通过影响基因调控和/或通过招募5hmC reader的其他细胞过程。最近一项对Dnmt3A和Tet2双突变小鼠的研究说明了这两种酶之间的复杂上位性，涉及协同、竞争和独立活动的组合。
体细胞SDH基因突变在胃肠道间质瘤和神经内分泌肿瘤(副神经节瘤和嗜铬细胞瘤)中发现，与富马酸和琥珀酸的细胞内水平升高、TET2活性抑制以及CGIs内外的广泛高甲基化相关，类似于IDH突变。总之，与DNA甲基化和去甲基化因子突变相关的疾病提供了对这些蛋白质功能的细致理解。这些领域的持续研究有望为癌症和遗传疾病带来治疗突破。
四、结论与未来展望
尽管在理解DNA甲基化机制和模式方面取得了重大进展，但仍有许多未知之处。例如，为什么缺乏DNA甲基化的胚胎会在发育早期死亡？是由于编码蛋白基因的异常表达、转座元件的大规模去抑制、基因组不稳定性，还是其他未知的原因？
随着基因编辑技术、高灵敏度测序技术的发展，以及对DNA甲基化时序性动态变化的精确测量能力提升，许多传统上难以解决的问题现在似乎可以得到初步答案，然而，挑战依然存在，例如需要对特定细胞类型或发育阶段的DNA甲基化模式进行序列特异性的定量分析，以了解在衰老和肿瘤发生过程中可能出现的不平衡。
未来的研究将继续探索DNA甲基化的功能，特别是在早期胚胎和生殖细胞系中的广泛去甲基化是否对多能性建立至关重要。此外，对非传统模式生物的研究将继续提供关于保守机制和功能的宝贵见解。
参考文献：
Greenberg MVC, Bourc'his D. The diverse roles of DNA methylation in mammalian development and disease. Nat Rev Mol Cell Biol. 2019 Oct;20(10):590-607. doi: 10.1038/s41580-019-0159-6.
相关阅读：
1.Cell｜易基因微量DNA甲基化测序助力中国科学家成功构建胚胎干细胞嵌合体猴，登上《细胞》封面
2.Nature | 易基因DNA甲基化测序助力人多能干细胞向胚胎全能8细胞的人工诱导
3.项目文章 | WGBS+RNA-seq揭示黄瓜作物的“源-库”关系受DNA甲基化调控
4.项目文章 | WGBS等揭示SOX30甲基化在非梗阻性无精症中的表观遗传调控机制
5.项目文章｜WGBS+RNA-seq揭示PM2.5引起男性生殖障碍的DNA甲基化调控机制
6.项目文章 | WGBS+RNA-seq揭示松材线虫JIII阶段形成过程中的DNA甲基化差异
7.项目文章：微量DNA甲基化分析揭示MeCP2在卵子发生和卵巢衰老中的表观遗传调控
8.项目文章 | 单细胞DNA甲基化与转录组分析揭示猪生发泡卵母细胞成熟的关键调控机制
9.项目文章 | 植入前胚胎的全基因组DNA甲基化和转录组分析揭示水牛胚胎基因组激活进展
10.项目文章：微量DNA甲基化分析揭示MeCP2在卵子发生和卵巢衰老中的表观遗传调控
11.项目文章｜微量WGBS+ACE-seq揭示卵巢早衰的人卵丘细胞DNA甲基化与羟甲基化表观基因组图谱
12.项目文章：微量DNA甲基化分析揭示MeCP2在卵子发生和卵巢衰老中的表观遗传调控
13.DNA甲基化修饰整体研究方案
14.RNA甲基化修饰整体研究方案
15.游离细胞DNA（cfDNA）检测整体研究方案
16.易基因特异性R-loop检测整体研究方案
DNA 5mC专题
来源：程序园用户自行投稿发布，如果侵权，请联系站长删除
免责声明：如果侵犯了您的权益，请联系站长，我们会及时删除侵权内容，谢谢合作！ |
提升卡
置顶卡
沉默卡
喧嚣卡
变色卡
千斤顶
照妖镜
