DNA甲基化

DNA甲基化是指甲基共价添加到DNA碱基上，最常见的是添加到胞嘧啶的碳-5位，形成5-甲基胞嘧啶。在哺乳动物中，它主要发生在CpG二核苷酸处，是调节基因表达、标记转座元件和维持稳定细胞类型特性的核心可遗传机制。

Definition

DNA甲基化是将甲基酶促转移到胞嘧啶上（形成5-甲基胞嘧啶），在哺乳动物中主要发生在CpG二核苷酸内，产生一种可遗传的标记，在不改变DNA序列的情况下调节转录和染色质状态。

Scope

本条目涵盖了甲基化在基因组中的发生位置（CpG位点和CpG岛）、它如何影响转录、模式如何通过细胞分裂维持以及如何测量全基因组甲基化。它将DNA甲基化视为分子表观遗传学主题，属于参考教育性质，而非临床指导。

Core questions

• 基因组中胞嘧啶甲基化发生在哪里？CpG岛有何特点？
• 启动子甲基化与转录沉默有何关系？
• DNA复制后，甲基化模式如何复制到子细胞？
• 如何以单碱基分辨率测量全基因组甲基化？

Key concepts

• 5-甲基胞嘧啶
• CpG二核苷酸
• CpG岛
• 启动子高甲基化与沉默
• 半甲基化DNA与维持
• 甲基化组
• 全基因组亚硫酸氢盐测序

Key theories

通过维持性甲基化实现表观遗传记忆

对称的CpG甲基化在复制后由作用于半甲基化DNA的维持性甲基转移酶复制，为基因表达状态在细胞世代间的可遗传传递提供了分子基础。

Mechanisms

甲基被添加到CpG二核苷酸内的胞嘧啶上，生成5-甲基胞嘧啶。CpG岛是富含CpG的区域，与许多启动子重叠，在活跃基因中通常是非甲基化的；启动子相关CpG岛的甲基化与稳定的转录沉默相关，部分原因是通过阻碍转录因子结合以及招募甲基-CpG结合蛋白和抑制性染色质复合物。由于CpG是回文序列，甲基化在两条链上是对称的；复制后，子代双链DNA是半甲基化的，维持性甲基转移酶会恢复完全甲基化，将模式复制到两个子细胞。在全基因组范围内，甲基化还会使转座元件沉默，并有助于基因组印记和X染色体失活。

Clinical relevance

在癌症和其他疾病中描述了DNA甲基化模式的改变，甲基化谱分析广泛用于表观基因组研究和生物标志物研究。本条目解释了其机制，作为解读此类研究的背景；它具有描述性，并非个体诊断或治疗决策的依据。

Evidence & guidelines

基于碱基分辨率的甲基化组图谱，例如Lister及其同事的人类甲基化组研究，确立了甲基化是动态且具有组织特异性的，而Bird以及Smith和Meissner的综述则巩固了其发育和调控作用。启动子岛甲基化与沉默之间的关联得到了充分支持，尽管基因体和其他位点甲基化的方向性和功能仍是活跃完善的领域。

History

在20世纪70年代末和80年代，胞嘧啶甲基化被认为是可遗传调控信息的候选载体，模型提出对称的CpG甲基化可以通过复制维持。Bird的研究阐明了甲基化、CpG岛和稳定基因控制之间的联系，而亚硫酸氢盐测序以及随后的全基因组单碱基测序的出现，使甲基化成为基因组范围内可读的表观遗传信息层。

Debates

启动子甲基化是沉默的原因还是结果？

启动子岛甲基化与转录沉默密切相关，但它是否启动沉默或锁定由其他抑制事件建立的状态，这取决于具体情况，并存在争议。

Key figures

• Adrian Bird
• Aimee Deaton
• Alexander Meissner
• Ryan Lister
• Joseph Ecker

Seminal works

• bird-2002
• deaton-bird-2011
• lister-2009

Frequently asked questions

什么是CpG岛？

CpG岛是DNA中CpG二核苷酸密度异常高的区域，通常与基因启动子重叠。当其相关基因活跃时，这些岛通常是非甲基化的。

甲基化模式如何遗传给子细胞？

由于CpG甲基化在两条链上是对称的，复制会产生半甲基化DNA；然后维持性甲基转移酶会甲基化新链，将模式忠实地复制到每个子细胞。