Nat Rev Genet甲基化必看综述|哺乳动物发育和疾病中的DNA甲基化（IF39.1）

文摘 2024-12-11 09:20 广东

一、文章的基本信息如下

发表时间: 2024年8月12日

第一单位: Department of Genetics, Yale Stem Cell Center, Yale School of Medicine, New Haven, CT, USA

通讯作者: Smith, Z.D., Hetzel, S. & Meissner, A.

发表题目: DNA methylation in mammalian development and disease

发表期刊: nature reviews genetics

二、摘要:

DNA甲基化领域已经从一个发现和基因组表征的阶段成熟到一个寻求更深入功能理解的阶段，探讨这种修饰如何影响发育、衰老和疾病。特别是，过去十年里，我们在机制上的许多激动人心的发现大大拓展了对这种通用的、进化上古老的修饰的理解，并将其纳入稳健的表观遗传代码中。在这里，我们总结了哺乳动物生命周期中不同的DNA甲基化景观的当前理解，并讨论了它们如何与其他调控层相互作用以支持多样的基因组功能。我们还回顾了对衰老过程中以及向癌症转变过程中出现的替代甲基化模式的日益关注。随着单细胞和长读长测序技术的进步，这些领域的集体见解为将DNA甲基化的生化和遗传特征与细胞生理、发育潜力和表型联系起来提供了新的机会。

三、结果

图1：

主要内容:该图展示了描述了体细胞DNA甲基化景观的动态变化及其在胚胎发育中的作用。甲基化水平在胚胎发育过程中从植入前的高甲基化逐渐降低，随后在植入后恢复，建立了特定的体细胞甲基化状态。这种动态过程确保了不同细胞类型的甲基化特征。全球甲基化图谱揭示了不同细胞类型中甲基化的差异性模式，包括低甲基化域（LMDs）和高度甲基化域（HMDs），这些域在不同发育阶段表现出独特的甲基化特征。部分甲基化域（PMDs）在细胞分裂过程中逐渐形成，并与特定的基因组序列和低基因含量相关。这些发现强调了DNA甲基化在基因表达调控和细胞发育中的关键作用。

Fig. 1图例说明：体细胞DNA甲基化景观。

a. 动态的DNA甲基化水平沿典型的CpG富集启动子基因的区域进行，贯穿于胚胎植入前后的发育过程。高度甲基化的父源基因组和母源甲基化基因组随着胚胎发育而经历了甲基化的整体下降。随后，在胚胎植入后，胚胎基因组被重新甲基化，从而建立了体细胞甲基化状态，这种状态被编程为特定的胚胎和成人细胞类型。CpG岛（CGIs）在这些过渡过程中大多保持未甲基化状态。许多重复元件在植入前发育中显示出轻微的高DNA甲基化水平。

b. 全球甲基化图谱揭示了不同细胞类型的甲基化差异模式，特别是在分裂相关区域。

c. 低甲基化域（LMDs）主要由低DNA甲基化和低转录活性区域组成。高度甲基化域（HMDs）则由高甲基化和特定染色质状态组成。发育过程中，低甲基化区域逐渐变成部分甲基化域（PMDs），这些区域与较低的基因含量、较低的复制时序和G+C含量降低相关。PMDs的甲基化丧失在细胞分裂过程中表现明显，特别是在胚胎干细胞和终末分化的细胞中。

d. 特定序列（如LINEs和LTRs）与PMDs和HMDs呈现不同的关联，揭示了DNA甲基化景观在基因组和表观遗传调控中的功能。

图2：

主要内容:该图详细介绍了哺乳动物DNA甲基转移酶（DNMTs）的主要功能及其在基因组调控中的作用。DNMTs在胚胎发育过程中通过识别CpG位点并添加甲基基团来维持和调节DNA甲基化状态。DNMT1主要负责复制后甲基化的维持，而DNMT3A和DNMT3B负责在胚胎发育过程中进行去新甲基化。这些酶的活性受到其他蛋白质复合物（如组蛋白去乙酰酶和甲基转移酶）的调控，并与特定的染色质标记相互作用来调节甲基化过程。此外，DNMT3L尽管不具有催化活性，但在基因印记甲基化中起到辅助作用。这些机制确保了DNA甲基化的精确调控，从而维持基因组稳定性和基因表达的调节。

Fig. 2图例说明：DNMT在基因组调控中的主要作用。

哺乳动物DNA甲基转移酶（DNMTs）通过识别CpG二核苷酸并将甲基基团添加到胞嘧啶上，来维持基因组的甲基化状态。这些酶在胚胎和胎盘中发挥重要作用。DNMTs分为三种主要类型：DNMT1、DNMT3A和DNMT3B。

DNMT1主要负责维持DNA甲基化，即在DNA复制后将甲基基团加到新合成链的相应位点上。

DNMT3A和DNMT3B是“新生”甲基化酶，负责在胚胎发育过程中进行去新甲基化。

DNMTs的活性受到其他蛋白质复合物的调控，这些复合物包括组蛋白去乙酰酶（HDACs）、组蛋白甲基转移酶（如SETDB1）以及特定的转录抑制因子。DNMT1与PCNA和UHRF1的相互作用对于复制后甲基化的维持至关重要。DNMT3A和DNMT3B则通过其PWWP和ADD结构域识别特定的染色质标记（如H3K36me3和H3K4me0）来定向甲基化过程。

DNMT3L不具有甲基转移酶活性，但与DNMT3A和DNMT3B协作进行基因印记甲基化。

图3：

主要内容:该图展示阐述了胚胎早期和生殖系发育过程中的DNA甲基化动态变化。胚胎在受精后的早期阶段经历了甲基化的丢失和重编程，PRC2复合物和组蛋白修饰在这一过程中发挥了重要作用。随着胚胎进一步发育，DNMT3A和DNMT3B在DNA甲基化的重新设立过程中起到关键作用，这对于维持正常的发育过程至关重要。此外，生殖系细胞（包括精子和卵母细胞）在发育过程中展现出性别特异性的甲基化模式，这些模式确保了性别特异性的基因组印记和发育程序。图中详细描述了这些动态过程及其在基因组调控中的重要性。

Fig. 3图例说明：胚胎早期及生殖系发育过程中的动态DNA甲基化景观。

a. 主要的基因组成分在胚胎和生殖系发育过程中表现出显著的DNA甲基化动态变化。在小鼠中的时间点揭示了这些原则可同样适用于人类和其他哺乳动物。特定基因的重复性和选择性甲基化导致独特的甲基化景观。

早期胚胎发育中，PRC2复合物富集在去甲基化的区域，在去分化和基因组重编程过程中发挥作用。这些甲基化丢失伴随着其他组蛋白修饰标记的富集。

b. 在受精卵至囊胚阶段，甲基化重新设立，并涉及DNMT3A和DNMT3B的调节作用，这个过程对于胚胎的正常发育至关重要。

c. 甲基化动力学在精原细胞和卵母细胞的分化过程中显示出性别特异性模式。

在精子形成过程中，DNA甲基化主要集中在特定基因上，这些基因富含重复序列或调控区域。

在卵母细胞中，甲基化水平相对较低，这表明这种模式在减数分裂和早期胚胎发育中具有重要意义。

图4：

主要内容:该图展示探讨了肿瘤发生过程中DNA甲基化的异常变化。衰老细胞和原发性肿瘤显示出CpG岛及部分甲基化区域的甲基化模式变化，形成了与正常体细胞或胚胎细胞显著不同的DNA甲基化景观。这些甲基化变化不仅在全基因组水平上存在，还可以在特定的肿瘤类型中表现出独特的模式，如T细胞淋巴瘤和其他类型肿瘤中的特异性甲基化增减。这些特定模式与肿瘤抑制基因的表达及特定基因突变频率高度相关。这种特异性甲基化特征可以作为鉴别不同肿瘤亚型和理解肿瘤生物学的重要工具。

Fig. 4图例说明：肿瘤发生过程中的异常DNA甲基化变化。

a. 衰老细胞在CpG岛（CGIs）边缘表现出局部DNA甲基化的增加，同时在部分甲基化区域（PMDs）中显示甲基化减少，这与胚胎或体细胞DNA甲基化景观有显著不同。

b. 原发性肿瘤通常在多聚梳蛋白复合物2（PRC2）的靶基因上表现出甲基化的减少和增强。这些变化在不同肿瘤中表现出特定的模式，可区分全基因组甲基化水平和特定甲基化区域。

c. 各种肿瘤（如T细胞淋巴瘤）展示出特殊的甲基化模式，这些模式可被用来区分肿瘤类型。某些肿瘤的甲基化变化在特定的肿瘤抑制基因启动子中表现出甲基化的减少或增加，这些变化与其他类型的肿瘤形成鲜明对比。

d. 不同的肿瘤类型展示出特异性的DNA甲基化变化，这些变化与特定的基因突变频率相关。功能性相互作用和突变频率在特定肿瘤亚型中表现出高度的特异性。

图5：

主要内容:该图展示描述了DNA甲基化在分子间和分子内的异质性来源及其在不同情况下的表现。分子间异质性主要源于细胞群体内的差异，例如基因组印记或细胞的年龄差异。分子内异质性则表现为单个细胞内DNA甲基化的随机丢失，这种现象在衰老过程中更加显著。肿瘤内的分子间异质性通常反映了肿瘤的复杂性和异质性，而分子内的变化可能揭示DNA甲基化在衰老或疾病进展中的特征。这些异质性现象在肿瘤检测和早期诊断中具有重要意义，但其检测也面临挑战，尤其是在早期检测和液体活检中分辨异常甲基化模式时。

Fig. 5图例说明：DNA甲基化的分子间和分子内异质性的来源和例子。

a. 分子间异质性通常源于细胞内等位基因差异，如基因组印记（1）或不同甲基化模式的细胞群（如年轻和老化的细胞，见2, 3）。分子间异质性的程度由不同甲基化模式的细胞频率决定，反映了肿瘤或组织内整体细胞异质性的水平。这些方法在检测肿瘤内低频突变和细胞亚群混杂的情况下非常有用。

b. 分子内异质性源于同一细胞内的DNA甲基化腐蚀，即以前受保护或保持高甲基化状态的区域在单个CpG位点上随机丢失甲基化（4）。与连续过程相反，高度不规则的DNA甲基化模式通常在胚胎外环境中建立，并在衰老过程中逐渐传播（5, 6）。

c. 衰老过程中，DNA甲基化的变化通常逐渐趋于体细胞模式的变化。然而，这种腐蚀是否普遍影响组织或器官内的所有细胞仍需确定。

d. 原发性肿瘤可能在本质上展现出高度不规则的DNA甲基化模式（4或5），但样本也可能包括非肿瘤的健康细胞，这使得正确检测这些异常模式具有挑战性。

四、总结全文

这篇文章汇集了跨学科研究工作，描述了哺乳动物发育过程中DNA甲基化的基因组分布，以及其在生命周期和疾病中的作用。研究揭示了DNA甲基化的动态变化及其分子协调，特别是在异染色质相关修饰与局部基因调控之间的复杂互动。这些变化在胚胎发育和生殖系形成过程中尤为显著。研究还展示了这些甲基化模式在衰老和肿瘤形成过程中发生的变化。观察结果提出了新的问题，即这些改变的甲基化模式如何与代谢、免疫敏感性和环境响应等其他生理过程相互作用。此外，非典型和非经典核苷酸序列中的甲基化变化说明了哺乳动物基因组在不同生理环境中的适应性。对DNA甲基转移酶（DNMTs）在基因组区域的工作机制的深入研究，尤其是启动子和调控区域的作用，揭示了调控网络的广泛交叉作用，并显著扩展了对基因组调控的理解。随着测序技术的进步和实验工具的创新，未来的研究将进一步深入理解哺乳动物基因组的调控机制。

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