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5羟甲基化研究背景及与疾病的关系

【字体: www.ebiotrade.com 时间:2014年10月14日 来源:康成生物

摘要:

  5hmC被称为哺乳动物DNA中的“第六碱基”。早在上世纪70年代,Penn等人首次发现在哺乳动物DNA中存在5-羟甲基化胞嘧啶(5hmC)。然而该发现并未得到反复证实,因而5hmC也没有受到应有的重视。直到2009年,Kriaucionis 和Tahiliani两位科学家证实小鼠的Purkinje细胞,颗粒神经元以及胚胎干细胞存在5hmC。5hmC可影响长期和短期的基因表达调控,因此在体内可能具有重要的生物学意义。

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背景

5hmC- 哺乳动物DNA中的“第六碱基”

早在上世纪70年代,Penn等人首次发现在哺乳动物DNA中存在5-羟甲基化胞嘧啶(5hmC)(Penn et al., 1972)。然而该发现并未得到反复证实(Kothari and Shankar, 1976),因而5hmC也没有受到应有的重视。直到2009年,Kriaucionis 和Tahiliani两位科学家证实小鼠的Purkinje细胞,颗粒神经元以及胚胎干细胞存在5hmC (Kriaucionis and Heintz, 2009; Tahiliani et al., 2009)。此外,在哺乳动物的其他组织中同样检测到大量5hmC的存在 (Globisch et al., 2010)。其中5hmC在中枢神经和脊髓中含量最高(0.3-0.7%),在肾脏、鼻上皮细胞、膀胱、心脏、骨骼肌和肺部的含量居中(0.15 -0.17%),而肝脏、脾脏和内分泌腺中的含量最低(0.03-0.06%)。宋红军等人利用敏感度更高的5hmC化学标记法对HeLa和HEK293细胞检测发现,5hmC大约占总核苷酸的0.001% (Song et al., 2011)。

5甲基胞嘧啶转变为5羟甲基胞嘧啶的途径

DNA氧化损伤能产生各种修饰碱基,如鸟嘌呤可被氧化成为8-氧桥鸟嘌呤,5甲基胞嘧啶可被氧化生成5羟甲基胞嘧啶。因此,某些细胞中的5hmC很可能就是环境氧化压力所造成的。但是Kriaucionis和Heintz的发现表明5hmC的存在并未伴随有其他损伤产物的积累,并且Purkinje细胞和颗粒细胞中的5hmC总量与小鼠的年龄也不存在必然的联系(Kriaucionis and Heintz, 2009)。新近发现的TET蛋白家族使人们对5hmC有了更深入的了解:TET是一种能够催化5甲基胞嘧啶产生5羟甲基胞嘧啶的加氧酶。TET蛋白家族有3个成员,分别是Tet1,Tet2和Tet3。它们都含有一个序列保守的C-端催化结构域 (Ito et al., 2010; Tahiliani et al., 2009),并具有2-氧化戊二酸和2价铁原子依赖型双加氧酶的典型特征(Aravind and Koonin, 2001; Loenarz and Schofield, 2009)。

*图释:哺乳动物DNA中的胞嘧啶种类。胞嘧啶是DNA复制的原料之一;5甲基胞嘧啶则是DNA甲基化转移酶DNMT以S-腺苷甲硫氨酸(SAM)为甲基供体催化胞嘧啶形成的;5羟甲基胞嘧啶是在TET蛋白作用下形成的,TET利用氧分子使羟基转移到5甲基胞嘧啶上。

5hmC的生物学作用

5hmC可影响长期和短期的基因表达调控,因此在体内可能具有重要的生物学意义。由于维持性甲基化酶DNMT1不能识别羟甲基化胞嘧啶,甲基化胞嘧啶所转化的羟甲基胞嘧啶可能有助于DNA进行被动去甲基化。维持性甲基化的保真度即使只发生微弱的降低就足以导致多次细胞分裂的过程中CpG的甲基化水平呈指数级降低,从而实现被动性去甲基化。

*图释:5hmC 可能的生物学功能: DNA甲基转移酶(DNMT)无法识别5hmC,因而5hmC在DNA复制过程中可以阻碍DNMT的维持性甲基化作用,最终导致DNA的被动去甲基化。

在光氧化实验或高pH条件下,5羟甲基胞嘧啶可通过去醛基产生胞嘧啶 (Privat and Sowers, 1996,Alegria, 1967; Flaks and Cohen, 1959),这使得在特定细胞环境中5羟甲基胞嘧啶有可能转变为胞嘧啶。一种可能性就是5羟甲基胞嘧啶作为主动去甲基化途径中的一个关键中间体存在,而这种去甲基化途径通常涉及到DNA的损伤修复机制(Tahiliani et al., 2009)。这种观点也得到了一些证据的支持:早在1988年,cannon等人就报道了牛胸腺提取物存在特异修饰5hmC的糖基化酶(Cannon et al., 1988)。此外,还有报道表明一些DNA糖基化酶如TDG和MBD4参与了DNA去甲基化过程,但目前体外酶活性试验尚未证实这些酶具有催化甲基胞嘧啶的活性。除此之外,hmC可以通过脱氨基作用生产去甲基化过程的中间产物hmU。因为在成纤维细胞中已经检测到了高活性的hmU:G的糖基化酶(Rusmintratip and Sowers, 2000)。

*图释:5hmC可能的生物学作用-5hmC可以被DNA修复酶识别,例如5hmC特异DNA糖基化酶(5hmC-DG)可以把羟甲基胞嘧啶转变为胞嘧啶,从而引起DNA的主动性去甲基化

作为一个潜在稳定的碱基,5hmC也有可能通过募集5hmC结合蛋白或者排斥甲基化结合蛋白(MBPs)来影响染色质结构和转录活性。而实验结果也确实证明了甲基化结合蛋白MeCP2无法识别5hmC (Valinluck et al., 2004)。

*图释:5hmC可能生物学作用- 由于5hmC不能被甲基化结合蛋白(MBD1,MBD2,MBD4,MeCP2)所识别,这样羟甲基化修饰的DNA就不能募集组蛋白去乙酰化酶,从而可以形成具有转录活性的染色质结构。

5hmC在基因组的分布以及与基因表达水平的关系

基因体(gene body)上的5hmC及其与基因表达水平的关系

大量研究表明,5hmC特异性地富集在基因体上(Jin et al., 2011; Pastor et al., 2011; Song et al., 2011; Xu et al., 2011)。进一步深入的研究发现基因内部的5hmC含量往往可以表征基因表达的活性,这也与以前报道5hmC能够促进或维持基因表达的结论一致(Jin et al., 2011; Song et al., 2011)。在一些没有发生实质性去甲基化(5mC转变为5C)的过程中,5mC转换成5hmC可能是起到类似DNA去甲基化的作用,即可以解除5mC对基因表达的抑制效应(Wu and Zhang, 2010)。然而,基因体5hmC的水平与基因表达高低也不是简单的线性关系,Xu等人发现在组成型表达的基因如看家基因的基因体上5hmC含量很低。

启动子区的5hmC及其与基因表达水平的关系

Song等人观察到5hmC主要富集在如转录起始位点,转录终止位点和基因远端等区域的上游和下游(Song et al., 2011)。进一步的分析揭示基因附近富含5hmC意味着这个基因表达水平较高。Ficz 等人的实验结果也显示出启动子区5hmC的含量与转录水平具有明显的正相关性。而且发现这种关系部分依赖于启动子的CpG密度。5hmC似乎可以减轻部分5mC的沉默效应,因为启动子区含有5hmC和5mC的基因转录活性比启动子只有5mC的基因高。与这些观察相符的是,富含5hmC的启动子都有组蛋白激活的标志H3K4me3 ,而富含5mC的启动子缺乏H3K4me3 标志(Ficz et al., 2011)。另外有趣的是,随着胚胎干细胞分化,多能性相关基因包括Esrrb, Prdm14, Dppas, Klfz, TCL1 和ZFP43的启动子区5hmC水平显著下降,而5mC水平却明显增加(Ficz et al., 2011)。

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