中科院等《Genome Research》发表DNA甲基化保真度研究

　　

生物通报道：最近，中科院北京基因组研究所、弗吉尼亚理工大学和芝加哥大学的研究人员，在国际基因组研究权威刊物《Genome Research》（影响因子14.397）发表了一项最新研究成果，文章题为“The dynamics of DNA methylation fidelity during mouse embryonic stem cell self-renewal and differentiation”，描述了小鼠胚胎干细胞自我更新和分化过程中DNA甲基化保真度的动态。

本文通讯作者分别为中科院北京基因组研究所的吕雪梅、中科院北京基因组研究所及弗吉尼亚理工大学的谢和煌，和芝加哥大学的陈建军（音译Jianjun Chen）。本研究部分受到国家自然科学基金的资助支持。

DNA甲基化是一种可遗传的表观遗传学标记，对于不同的生物学过程都至关重要，包括转录调控和mRNA剪接。甲基化模式的保真度维持是极其重要的，在肿瘤和其他许多疾病中，经常观察到异常的DNA甲基化。在哺乳动物中，甲基原子团添加到胞嘧啶残基，是由三种甲基转移酶催化：DNMT1、DNMT3A和DNMT3B。在DNMT1的协助下，DNMT3A/3B能够催化de novo DNA甲基化。在有丝分裂过程中，DNMT1被招募到DNA复制叉，忠实地将甲基化状态从母链复制到子链。

抑制DNMT1可导致未甲基化的子链，随每个细胞周期逐渐失去甲基化作用。DNA甲基化的损失也可能活跃发生在分裂和未分裂的细胞中。虽然哺乳动物细胞中的有效DNA去甲基化机制仍不明确，但最近的研究指出一种可能有效的DNA去甲基化途径，经由羟基基团到甲基化胞嘧啶的添加，和随后TET酶介导的氧化而起作用。

尽管DNMT1的高精密度和DNA甲基化机制的紧密控制，但在一个细胞群体中，分子与分子之间的甲基化模式常常表现出变化，很大一部分半甲基化CpG二核苷酸仍在推测。甲基化传递保真度的这种变化，已知与基因组多样性和基因组不同水平的DNA甲基化有关。利用一种简洁的hairpin-bisulfite PCR技术，Laird及其同事检测了人淋巴细胞中的两个FMR1等位基因，估计高甲基化CGI中的未甲基化胞嘧啶的可遗传保真度为83%，而低甲基化CGI的为99%。

最近，已有研究人员将类似的方法应用于四个单拷贝基因和一些重复序列。在这些基因组片段和不同细胞类型之间，半甲基化CpG二核苷酸的比例变化很大。在全基因组规模上，研究人员发现了约30%的CGIs来源基因组片段和10%的Alu重复序列来源片段的极高DNA甲基化传递保真度，而只有一小部分的CGIs和Alu序列具有高度可变的甲基化模式。

值得注意的是，在肿瘤组织中，CGIs和重复序列的甲基化保真度降低。胚胎干细胞中的表观遗传不稳定性也得到了很好的证明。虽然肿瘤发生和表观遗传不稳定性之间的因果关系仍不明确，但是表观遗传异质性可能赋予干细胞一种选择性的优势，但肿瘤形成的风险增高。有趣的是，在早期分化过程中，多能干细胞逐渐发展出将表观遗传信息忠实地传递给子代的能力。

尽管几十年的努力，目前我们对DNA甲基化遗传学的了解，都是从单链数据或hairpin bisulfite测序数据中推断，只有有限的基因组位点。这项研究的目的在于，深入了解DNA甲基化遗传性的动态，并定义甲基化保真度的相关因子。

研究人员将分化和未分化状态的小鼠胚胎干细胞（ESE14TG2a）作为模型系统，采用基因组规模的hairpin bisulfite测序方法，来捕获干细胞自我更新和分化过程中的甲基化模式变化，并使hairpin bisulfite测序数据与各种“omics”数据整合，来探讨DAN甲基化遗传性、基因表达、组蛋白修饰、转录因子（TF）结合和5- hydroxylmethylation胞嘧啶分布之间的关系。

研究表明，小鼠胚胎干细胞（mESCs）分化过程中的甲基化保真度总体升高，在活跃表达的基因的启动子区特别高，与活跃的组蛋白修饰标记和转录因子结合呈正相关。大多数中等甲基化（40%–60%）CpG二核苷酸是半甲基化的，具有低的甲基化保真度，特别是在分化的mESCs中。而5-hmC和5-mC往往是并存的，5-hmC水平和甲基化保真度之间不存在显著的相关关系。总之，这些研究结果让我们对于甲基化变化的起源和DNA甲基化传递的根本机制，有了新的认识。

（生物通：王英）

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生物通推荐原文摘要：
The dynamics of DNA methylation fidelity during mouse embryonic stem cell self-renewal and differentiation
Abstract: The faithful transmission of DNA methylation patterns through cell divisions is essential for the daughter cells to retain a proper cell identity. To achieve a comprehensive assessment of methylation fidelity, we implemented a genome-scale hairpin bisulfite sequencing approach to generate methylation data for DNA double strands simultaneously. We show here that methylation fidelity increases globally during differentiation of mouse embryonic stem cells (mESCs), and is particularly high in the promoter regions of actively expressed genes and positively correlated with active histone modification marks and binding of transcription factors. The majority of intermediately (40%–60%) methylated CpG dinucleotides are hemi-methylated and have low methylation fidelity, particularly in the differentiating mESCs. While 5-hmC and 5-mC tend to coexist, there is no significant correlation between 5-hmC levels and methylation fidelity. Our findings may shed new light on our understanding of the origins of methylation variations and the mechanisms underlying DNA methylation transmission.