DNA甲基化：表观遗传调控的核心机制、发现历程与生物学意义

DNA甲基化

DNA甲基化的表观遗传学特征与概念辨析

DNA甲基化作为表观遗传调控的核心机制，其修饰模式存在显著的物种特异性差异。在原核生物中，该修饰主要表现为腺嘌呤第6位氮原子（N6）的甲基化（N6-methyladenine, 6mA），而真核生物则以胞嘧啶第5位碳原子（C5）的甲基化（5-methylcytosine, 5mC）为主导修饰形式。值得注意的是，尽管5mC在哺乳动物基因组中占DNA甲基化总量的90%以上，但"DNA甲基化"与"胞嘧啶甲基化"两术语在文献中常被混用，尤其在人类及啮齿类动物研究领域。需特别指出的是，5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）等氧化衍生物虽在特定生物学过程中具有调控功能，但其命名应严格区分于经典DNA甲基化修饰，以避免概念混淆。

5mC与6mA的化学式

DNA甲基化发现历程的学术性重构

系统回顾其关键科学发现历程可划分为以下阶段：

1. 化学本质的鉴定（1925-1952年）
   1925年，Johnson与Coghill首次在结核分枝杆菌核酸水解产物中鉴定出5-甲基胞嘧啶（5mC），揭示了真核生物DNA的表观遗传修饰载体。至1950年，Wyatt通过色谱分析证实5mC广泛存在于动植物基因组中，并提出其可能作为遗传信息以外的调控元件。1952年，Wyatt在噬菌体DNA中发现5-羟甲基胞嘧啶（5hmC），拓展了嘧啶碱基氧化修饰的化学多样性。尽管Watson与Crick在经典双螺旋模型中暂将5mC与5hmC列为"第五、第六碱基"，但此时学界对其基因组定位及生物学功能仍缺乏认知。

2. 基因组分布规律的解析（1962年）
   1962年，Doskočil与Šorm通过核酸酶消化与色谱分析技术，首次揭示哺乳动物基因组中5mC的分布特征：约70%的甲基化胞嘧啶以CpG二核苷酸形式存在（p代表磷酸二酯键），该发现为理解真核生物DNA甲基化的序列特异性奠定了基础。

3. 功能基因组学概念的提出（1986年）
   1986年，Bird通过限制性内切酶图谱分析与基因组测序，正式提出"CpG岛"概念：即长度＞200 bp、GC含量＞50%、CpG观察值/预期值＞0.6的基因组区域。该研究明确指出，CpG岛主要富集于管家基因及组织特异性基因的启动子区，其非甲基化状态是维持基因转录活性的表观遗传标志；相反，CpG岛异常高甲基化通过抑制转录因子结合或招募甲基化结合蛋白（如MeCP2），构成肿瘤抑制基因沉默的关键机制。尽管CpG岛的早期研究可能存在更早的文献记载，但该定义在表观遗传学领域的标准化应用普遍以Bird的经典研究为里程碑。

学术意义：上述发现历程体现了表观遗传学从化学修饰鉴定到功能基因组学研究的范式转变，为理解DNA甲基化在基因表达调控、X染色体失活及基因组印记等核心生物学过程提供了分子框架。

在 1987 年，Gardiner-Garden 和 Frommer 提出了 CpG 岛的定义，将 GC 含量高于 50%，长度至少为 200bp，且 O/E 值大于 0.6 的区域归类为 CpG 岛。这一判定标准一直沿用至今，例如在 UCSC 中所标注的 CpG 岛，便是基于这一规则确定的。

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其中：

• $N$ 表示序列长度（length of sequence），
• $\text{Number of CpGs}$ 表示序列中CpG二核苷酸的实际观测数量，
• $\text{Number of C}$ 和 $\text{Number of G}$ 分别表示序列中胞嘧啶（C）和鸟嘌呤（G）的总数。

哺乳动物DNA甲基化的表观遗传学特征总结

1. 甲基化修饰的碱基特异性
   哺乳动物（如人类和小鼠）的DNA甲基化主要发生于胞嘧啶（C）的第5位碳原子，形成5-甲基胞嘧啶（5mC），这一修饰是真核生物表观遗传调控的核心机制。

2. 序列偏好性与动态调控
   甲基化修饰高度集中于CpG二核苷酸序列，即胞嘧啶（C）后紧邻鸟嘌呤（G）的位点（p代表磷酸二酯键）。近年研究揭示，哺乳动物基因组中存在非CpG甲基化现象（如CpA、CpT等），但其发生具有显著的时空特异性，主要局限于胚胎发育早期及终末分化神经元，提示此类修饰可能参与细胞命运决定与可塑性调控。

3. CpG富集区域的甲基化状态
   基因组中CpG密度显著高于平均水平的区域（CpG岛，CpG island）通常呈现低甲基化状态，这与管家基因及组织特异性基因启动子的转录活性密切相关。然而，需强调的是：

   • CpG岛的甲基化状态并非绝对，在基因组印记、X染色体失活及肿瘤发生等生物学过程中，CpG岛可发生异常高甲基化，导致基因沉默；
   • 非CpG岛区域（如基因编码区）的甲基化修饰亦参与调控染色质结构及转录延伸过程。