DNA甲基化
DNA甲基化(DNA methylation)是一类不改变DNA碱基序列、而在胞嘧啶上添加甲基的表观遗传化学修饰，在哺乳动物和多数脊椎动物中主要生成5-甲基胞嘧啶(5mC)，且多发生于CpG二核苷酸处。它由DNA甲基转移酶催化，参与转座元件沉默、基因表达调控、基因组印记与X染色体失活等过程，被视为细胞记忆系统的一部分；启动子区域的异常甲基化与多种肿瘤及其他疾病相关[1]。
定义
DNA甲基化是指在DNA分子上共价添加甲基基团、而不改变碱基排列顺序的化学修饰，属于表观遗传调控的主要形式之一[2]。在脊椎动物中，甲基主要连接在胞嘧啶环的第5位碳原子上，形成5-甲基胞嘧啶，这类修饰绝大多数出现在胞嘧啶—鸟嘌呤二核苷酸(CpG)位点上[3]。除5mC外，生物体内还存在少量N6-甲基腺嘌呤、7-甲基鸟嘌呤等甲基化碱基[4]。由于修饰并未触动碱基配对规则，遗传信息本身保持原样，改变的只是基因被读取的方式[5]。
原理
甲基化反应由DNA甲基转移酶(DNMT)催化，甲基供体是S-腺苷甲硫氨酸(SAM)[6]。哺乳动物体内主要有3种具催化活性的酶：DNMT1在DNA复制时识别半甲基化的双链，把亲本链的标记补到新链上，承担维持性甲基化；DNMT3A与DNMT3B则能在未甲基化的位点重新建立标记，属于从头甲基化，DNMT3L本身无催化活性但可辅助定位[7]。有研究表明，DNMT1对半甲基化底物的偏好约为非甲基化底物的3至40倍，其N端调节结构域还通过自抑制机制进一步提高保真度[8]。
用CpG岛描述被修饰区域时，通常指CpG密度显著高于基因组平均水平、多位于基因5′端的片段；人类约60%的基因其启动子嵌于CpG岛内，因此甲基化变化具有覆盖过半人类基因的表达调控潜力[1]。正常组织中这类岛的CpG多保持非甲基化，而X失活和基因组印记相关区域例外[3]。
发展历程
1948年，霍奇基斯在研究DNA碱基组成时首次报道了5-甲基胞嘧啶的存在，但当时尚无法说明其功能[9]。1951年前后，怀亚特在牛、大鼠、小麦胚等多种材料中测得5mC，并指出其含量随物种而异、对同一物种却相当恒定[10]。1968年，格里波等人通过酶解分析证明海胆DNA中的5mC并不随机分布，约有90%位于CpG二核苷酸中[1]。
1975年前后，霍利迪与普格、里格斯等分别提出模型，设想存在从头甲基化与维持甲基化两类酶，并推测5mC可作为一种可逆的基因开关参与分化与X失活[11]。1978年，HpaII与MspI这对同工酶被用于区分甲基化与非甲基化CpG，使单一位点的甲基化状态可以被检测[1]。1983年，范伯格与沃格尔斯坦发现人肿瘤DNA的总体5mC水平明显低于其来源的正常组织，把甲基化异常与癌症联系起来[1]。2009年，5-羟甲基胞嘧啶(5hmC)在哺乳动物中被确认为5mC的酶促氧化产物，随后5-甲酰胞嘧啶与5-羧基胞嘧啶也被纳入同一条去甲基化通路[2]。
应用
在基础研究中，甲基化图谱用于注释基因组的功能元件。由于非编码序列发挥调控作用时常伴随甲基化与染色质状态变化，甲基化组分析已成为人类基因组功能注释和疾病机理研究的常用工具。检测层面，重亚硫酸盐转化能把未修饰胞嘧啶读作尿嘧啶而保留已修饰碱基的信息，是全基因组重亚硫酸盐测序这一公认金标准的基础；芯片则可对人体样本做中等通量的定量筛查，Illumina的EPIC芯片覆盖约86万个位点[12]。此外，甲基化敏感限制酶消化、甲基化DNA免疫沉淀和基于甲基化结合结构域的富集等方法，分别适用于不同CpG密度区域[13]。
在临床与药物领域，甲基化标记被用作肿瘤分子标志。基于5hmC等修饰含量变化区分癌组织与癌旁组织的研究显示，5hmC、5fC、5caC在结直肠癌基因组中显著下降，具备作为早期检测标志物的潜力[14]。药物方面，地西他滨与阿扎胞苷两种DNA甲基转移酶抑制剂已获批用于骨髓增生异常综合征和急性髓系白血病，但不良反应包括出血、贫血与关节疼痛，在实体瘤中的应答率仍偏低[6]。
局限
检测方法本身存在分辨难题。重亚硫酸盐转化无法区分5mC与5hmC，二者都会被读作胞嘧啶，需借助TET辅助重亚硫酸盐测序、氧化重亚硫酸盐转化等额外处理才能拆解[12]。常规芯片设计通常假定5mC只出现在CpG位点，而部分人类细胞类型中可检出CHG、CHH位点的甲基化，这类信号会被漏检或引入偏差[15]。此外，CpG二核苷酸本身突变率高、多态性明显，芯片探针覆盖的部分位点可能正落在常见单核苷酸多态性上[15]。
从生物学角度看，甲基化与基因表达并非一一对应。研究普遍观察到启动子甲基化与转录活性呈负相关，但许多表达变化无法由邻近位点的甲基化单独解释，例如Dnmt3a缺失的造血干细胞虽自我更新增强，其表达谱改变与甲基化改变的相关性却很弱[16]。跨代遗传的证据同样有限：在一些动物模型中，子一代精子甲基组的改变并未在子二代相同位点重现，直接传递甲基化标记并非可靠的解释[17]。在临床转化上，虽有大量候选甲基化标志物被报道，但因缺乏独立验证、多中心实验设计不一，真正进入常规诊疗的数量仍然很少[18]。
参见
参考资料
- Review [引用日期2026-10-29]
- Introduction: Epigenetics [引用日期2026-10-29]
- CFKO200311922143561(PDF) [引用日期2026-10-29]
- DNA 甲基化是最早发现的修饰途径之一，是表观遗传学的重要组成部分 [引用日期2026-10-29]
- nih.gov 上的网页 [引用日期2026-10-29]
- epigenetic-repression [引用日期2026-10-29]
- ynu.edu.cn 上的网页 [引用日期2026-10-29]
- nih.gov 上的网页 [引用日期2026-10-29]
- cam.ac.uk 上的文件 [引用日期2026-10-29]
- 10739_2022_Article_9691(PDF) [引用日期2026-10-29]
- pdf [引用日期2026-10-29]
- DNA Modification - Chapters and Articles [引用日期2026-10-29]
- wehi.edu.au 上的网页 [引用日期2026-10-29]
- 基于化学标记-质谱技术的核酸表观遗传修饰分析 [引用日期2026-10-29]
- europepmc.org 上的网页 [引用日期2026-10-29]
- ncbi.xyz 上的网页 [引用日期2026-10-29]
- S1550-4131(17)30106-7 [引用日期2026-10-29]
- s13148-022-01323-6 [引用日期2026-10-29]