表观多组学|DNA甲基化相关基础知识

文摘 2024-05-27 18:35 江苏

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表观遗传学是研究不涉及DNA序列改变的情况下，通过化学修饰、染色质结构状态等方式，影响基因表达的现象。这些表观遗传变化可以受到环境因素的影响，并在细胞分化、发育和疾病发生中起着重要作用。对基因组功能的相关修饰主要包括对DNA、RNA、以及组蛋白等的修饰，这些修饰改变了染色质的局部电化学特性和构象，从而调节基因的转录活性。

基因选择性转录表达的调控
DNA甲基化
基因印迹
组蛋白共价修饰
染色质重塑
基因转录后的调控
基因组中非编码RNA
小RNA
反义RNA
内含子、核糖开关等

Part1DNA甲基化

生物的遗传信息主要贮存在 DNA 中，而 DNA 由 AGCT 四种碱基、核糖、磷酸基团等组成。DNA甲基化指的是DNA分子上的甲基基团（CH3）与胞嘧啶（DNA的碱基之一)结合的过程，最常见的形式是胞嘧啶 C 的第 5 位碳原子的甲基化，形成 5-甲基胞嘧啶（5mC），而在原核生物中最常⻅的DNA修饰方式则为N6-methyladenine (6mA)，即腺嘌呤第6位氮原子甲基化修饰。CpG岛是基因组中一种特殊的DNA序列区域，其特点是富含CpG二核苷酸（胞嘧啶-C-鸟嘌呤-G-核苷酸对）。在哺乳动物的基因组中，CpG岛通常位于基因的启动子区域附近，是一种高密度的CpG二核苷酸聚集区域。

人类大约有 30 亿个碱基对，基因组中大约有 2800 万个 CpG 位点。这些 CpG 位点中，大约 60~80% 被甲基化，而在一些特定的区域，比如启动子，存在 CpG 位点富集的序列（CpG 岛）通常未被甲基化。但是在肿瘤细胞中，整体甲基化水平降低至 20~50%，与正常细胞相比，即可能有 10~60% 的 CpG 位点的甲基化状态发生了改变，也就是大约 280~1680 万个 CpG 位点。

DNA甲基化的发生机制

在正常情况下，CpG岛通常处于未甲基化状态，这有助于维持基因的正常表达。在DNA甲基化转移酶（DNMTs）的作用下使CpG二核苷酸5’-端的胞嘧啶转变为5’-甲基胞嘧啶。DNA甲基化通常抑制基因表达，去甲基化则诱导了基因的重新活化和表达。

Part2研究DNA甲基化的检测方法

目前常用的DNA甲基化检测方法是将待检序列中甲基化的胞嘧啶转化为其他碱基组成的变化。根据不同的实验目的，研究者已经开发了众多 DNA 甲基化检测方法。这些方法包括重亚硫酸盐转化测序（BS-Seq）、MeDIP-Seq、RRBS-Seq、WGBS、MBD-Seq、SMRT 等。在选择检测方法时，首先要考虑要检测整体的甲基化还是位点特异性的甲基化。

甲基化特异性酶切（Methylation-specific endonuclease-PCR）：利用甲基化敏感的限制酶或DNA甲基转移酶来检测DNA甲基化。这些酶可以识别甲基化位点并作出特异性切割。
甲基化芯片（Methylation Arrays）：这种技术基于DNA芯片（microarray）平台，其中固定了大量的DNA探针，可以用来全面分析DNA甲基化的模式，包括高通量测定DNA甲基化位点的状态。
全基因组亚硫酸盐测序（Whole Genome Bisulfite Sequencing）：通过测序技术来检测DNA甲基化位点的状态，包括全基因组甲基化测序和特定基因或区域的甲基化测序。在WGBS中，DNA样品首先经过亚硫酸盐处理，这种处理可以将全基因组甲基化测序技术通过T4-DNA连接酶，在超声波打断基因组DNA片段的两端连接接头序列，连接产物通过重亚硫酸盐处理将未甲基化修饰的胞嘧啶C转变为尿嘧啶U，进而通过接头序列介导的 PCR 技术将尿嘧啶U转变为胸腺嘧啶T。而甲基化的胞嘧啶不受影响。接着，DNA样品被进行测序，测定每个碱基的甲基化状态。通过比较处理前后的测序数据，可以确定DNA中的甲基化位点，并进一步分析甲基化模式和水平。

Part3数据分析

甲基化矩阵数据

注释数据

甲基化矩阵中的DNA甲基化水平用beta值来表示，beta表示的是甲基化等位基因密度与非甲基化等位基因密度的比值，该值为[0,1]之间的连续值，0表示未甲基化，1表示完全甲基化，空值或NA值：没有检测到。

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