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摘 要：DNA是遗传信息的载体，也是生物个体以及物种的整个生命周期的蓝图。DNA在这整个生命周期中保持高度稳定。DNA的可逆化学修饰在哺乳动物的细胞分化、个体发育等过程中起到重要作用。本文主要关注针对DNA中胞嘧啶的甲基化与去甲基化动态变化及功能的相关前沿研究进展。
关键词：DNA的可逆化学修饰；胞嘧啶的甲基化；5mC去甲基化；哺乳动物；细胞分化
一、 導言
细胞是生命体最基本的单位，其能组成头发、眼睛、心脏等各种各样的器官，并最终组成一个完整的生物个体。细胞核是细胞的“司令部”，而在细胞核中的“司令”们则是脱氧核糖核酸（DNA）。DNA由四种基本的单位腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（G）以及胞嘧啶（C）组成（图1），其序列信息编码了生物个体及种群的整个生命周期，因此其必须在整个周期中保持高度稳定。另一方面，DNA需要编码多细胞生物中多种多样的细胞活动，使其具有不同的形态、发挥不同的功能。这一看起来矛盾的两个方面是由DNA的可逆化学修饰来调和的：DNA可以发生化学修饰，从而在不影响序列稳定性的基础上扩充其生物学功能。这种具有调控功能的修饰被称为表观遗传学修饰。
二、 胞嘧啶的甲基化
多细胞生物中不同种类细胞的差异是由于其不一样的基因表达情况决定的，细胞中不同的基因表达情况可以由多种化学修饰调控。哺乳动物细胞中存在最广泛的修饰是5-甲基胞嘧啶（5mC）（图2），它在生物个体的发育与疾病发生过程中均发挥着重要的作用。5mC主要出现在胞嘧啶-鸟嘌呤二核苷酸位点（CpG）上，哺乳动物基因组中大约60%～80%的CpG位点会出现5mC修饰。5mC的主要功能包括X染色体失活、抑制逆转座元件的活性以及基因表达调控。
图2 胞嘧啶的可逆化学修饰
5mC在化学上是稳定的：甲基通过一个稳定的碳-碳共价键连接到胞嘧啶的5号位（图2），因此具有很高的键能，若想要直接破坏这种结构不是那么容易。5mC在遗传学上也是稳定的：DNA甲基转移酶（DNMT3A、DNMT3B）能够直接将甲基连接到胞嘧啶上，DNA甲基转移酶1（DNMT1）也可以识别双链DNA中只有一条链含有5mC的位点并将其互补链进行甲基化修饰；这种甲基化维持的机制可以保证DNA复制过程中新合成的链上带有同样的表观遗传学修饰。
三、 5mC的去甲基化
尽管5mC是很稳定的，其需要通过多种途径进行去修饰，从而发挥其在细胞分化与个体发育中的调控作用。如在胚胎发育过程中，5mC会发生剧烈的重编程。最重要的三个表观遗传学重编程过程发生在：（1）受精卵的着床前发育过程；（2）着床后胚胎发育过程；（3）精、卵子前体细胞发育过程。
5mC可以通过以下两种方式去除：（1）被动稀释甲基化：在一些情况下维持甲基化状态的酶是不工作的，因此在发生DNA复制后，新合成的链上不带有5mC修饰。随着细胞分裂的进行，这种胞嘧啶的共价修饰就逐渐被稀释了；（2）主动去甲基化：TET家族蛋白可以将5mC氧化并生成5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）、5-醛基胞嘧啶（5fC）以及5-羧基胞嘧啶（5caC）（图2）。氧化后的5mC可以通过不同途径进行去修饰作用，一是通过细胞分裂过程中的DNA复制进行被动稀释去修饰，二是通过TDG酶介导的碱基切除修复（BER）通路将其主动的还原成一个普通的胞嘧啶碱基（图2）。
5mC的主动去甲基化过程发挥着重要作用，因此也受到了多层次的严格调控。（1）TET酶接触到底物的难易程度是一种最直接的调控主动去甲基化过程的方式：细胞核中的DNA会被不同种类以及修饰状态的蛋白结合并包裹起来，因此被TET酶结合并识别的概率是不一样的。（2）TET酶发挥氧化作用时本身也需要多种不同的辅助因子：如α-酮戊二酸以及二价铁离子，这些因素浓度的变化会影响TET酶的活力；此外，维生素C也能直接与TET酶的催化位点结合以及通过促进辅助因子二价铁的生成从而增强TET酶的活性。（3）参与到主动去甲基化过程中的所有的酶本身的表达水平也可以受到上游机制的调控。（4）一些辅助蛋白可以帮助参与主动去甲基化的蛋白到达基因组上的特定位点从而实现特异性的去甲基化。
四、 主动去甲基化的功能
在人以及鼠的卵子受精后的很短时间内，受精卵会发生剧烈的表观遗传学重编程，其中包括父源以及母源的全基因组水平的DNA去甲基化。在这个过程中，来自母方的基因组主要通过被动稀释来完成去甲基化，而来自父方的基因组则会受到主动去甲基化与被动稀释去甲基化的双重影响。受精卵在这个过程能够擦除绝大部分来自父母的表观遗传学印记，并在后续的胚胎发育过程中重新建立新的表观遗传学印记。
由于神经细胞中存在很高含量的5hmC，因此主动去甲基化如何帮助神经细胞发挥正常功能是一个热点问题。TET1蛋白对于小鼠大脑的正常记忆与学习功能是必需的，TET1含量的变化能够影响神经细胞中的基因表达情况。此外，TET3也在小鼠的嗅觉神经细胞以及视觉神经细胞中发挥重要作用，其功能的异常会影响神经细胞中的5mC以及5hmC的含量，进而会影响基因的正常表达情况以及神经组织的发育。
异常的DNA去甲基化也会导致癌症。在小鼠模型中，TET2催化功能的缺失会影响造血干细胞的自我更新能力，从而导致恶性血癌的发生。TET1以及TET3的功能突变也与多种其他类型的癌症相关。因此，DNA主动去甲基化能否正常发挥功能，关系到5mC修饰以及细胞中的基因表达情况；这个过程如果出现异常，则可能导致包括癌症等疾病在内的细胞功能异常。
五、 总结与展望
哺乳动物个体每个细胞中的基因组均包含完全一致的DNA序列信息，但是不同种类的组织中的细胞却能够具有完全不一样的基因表达情况从而发挥不同的功能。包括5mC在内的多种不同类型与层次的化学修饰能够在不影响DNA序列稳定性的基础上实现基因表达的差异化调控。 胞嘧啶的甲基化修饰状态能决定细胞的种类与命运，因此在胚胎与个体发育过程中每个不同的细胞需要逐渐获得不同的表观遗传学修饰状态。另一方面，受精卵需要擦除来自父母双方的表观遗传学信息，从而重新建立新的表观遗传学印记，DNA的主动去甲基化在这一表观遗传学重编程过程中发挥关键作用。细胞中的表观遗传学状态的异常可能会导致包括癌症在内的多种疾病。
通过加深对DNA化学修饰以及表观遗传学的认识，能够帮助人们理解包括癌症在内的疾病发生的深层次机理。通过针对这些细胞异常发生与发展的过程，可以开发特异性的阻断、逆转等针对性的治疗方式，从而最终促进人类健康事业发展。
参考文献：
[1]Yin， R.， et al.， Ascorbic acid enhances Tetmediated 5methylcytosine oxidation and promotes DNA demethylation in mammals. J Am Chem Soc， 2013，135（28）：p.10396-403.
[2]Lv， X.， et al.， MicroRNA15b promotes neurogenesis and inhibits neural progenitor proliferation by directly repressing TET3 during early neocortical development. EMBO Rep，2014，15（12）：p.1305-14.
[3]Colquitt， B. M.， et al.， Alteration of genic 5 hydroxymethylcytosine patterning in olfactory neurons correlates with changes in gene expression and cell identity. Proc Natl Acad Sci U S A，2013，110（36）：p.14682-7.
[4]Tognini， P.， et al.， Experiencedependent DNA methylation regulates plasticity in the developing visual cortex. Nat Neurosci，2015，18（7）：p.956-8.
作者簡介：
万奕恒，湖北省武汉市，武汉市第六中学。
关键词：DNA的可逆化学修饰；胞嘧啶的甲基化；5mC去甲基化；哺乳动物；细胞分化
一、 導言
细胞是生命体最基本的单位，其能组成头发、眼睛、心脏等各种各样的器官，并最终组成一个完整的生物个体。细胞核是细胞的“司令部”，而在细胞核中的“司令”们则是脱氧核糖核酸（DNA）。DNA由四种基本的单位腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（G）以及胞嘧啶（C）组成（图1），其序列信息编码了生物个体及种群的整个生命周期，因此其必须在整个周期中保持高度稳定。另一方面，DNA需要编码多细胞生物中多种多样的细胞活动，使其具有不同的形态、发挥不同的功能。这一看起来矛盾的两个方面是由DNA的可逆化学修饰来调和的：DNA可以发生化学修饰，从而在不影响序列稳定性的基础上扩充其生物学功能。这种具有调控功能的修饰被称为表观遗传学修饰。
二、 胞嘧啶的甲基化
多细胞生物中不同种类细胞的差异是由于其不一样的基因表达情况决定的，细胞中不同的基因表达情况可以由多种化学修饰调控。哺乳动物细胞中存在最广泛的修饰是5-甲基胞嘧啶（5mC）（图2），它在生物个体的发育与疾病发生过程中均发挥着重要的作用。5mC主要出现在胞嘧啶-鸟嘌呤二核苷酸位点（CpG）上，哺乳动物基因组中大约60%～80%的CpG位点会出现5mC修饰。5mC的主要功能包括X染色体失活、抑制逆转座元件的活性以及基因表达调控。
图2 胞嘧啶的可逆化学修饰
5mC在化学上是稳定的：甲基通过一个稳定的碳-碳共价键连接到胞嘧啶的5号位（图2），因此具有很高的键能，若想要直接破坏这种结构不是那么容易。5mC在遗传学上也是稳定的：DNA甲基转移酶（DNMT3A、DNMT3B）能够直接将甲基连接到胞嘧啶上，DNA甲基转移酶1（DNMT1）也可以识别双链DNA中只有一条链含有5mC的位点并将其互补链进行甲基化修饰；这种甲基化维持的机制可以保证DNA复制过程中新合成的链上带有同样的表观遗传学修饰。
三、 5mC的去甲基化
尽管5mC是很稳定的，其需要通过多种途径进行去修饰，从而发挥其在细胞分化与个体发育中的调控作用。如在胚胎发育过程中，5mC会发生剧烈的重编程。最重要的三个表观遗传学重编程过程发生在：（1）受精卵的着床前发育过程；（2）着床后胚胎发育过程；（3）精、卵子前体细胞发育过程。
5mC可以通过以下两种方式去除：（1）被动稀释甲基化：在一些情况下维持甲基化状态的酶是不工作的，因此在发生DNA复制后，新合成的链上不带有5mC修饰。随着细胞分裂的进行，这种胞嘧啶的共价修饰就逐渐被稀释了；（2）主动去甲基化：TET家族蛋白可以将5mC氧化并生成5-羟甲基胞嘧啶（5hmC）、5-醛基胞嘧啶（5fC）以及5-羧基胞嘧啶（5caC）（图2）。氧化后的5mC可以通过不同途径进行去修饰作用，一是通过细胞分裂过程中的DNA复制进行被动稀释去修饰，二是通过TDG酶介导的碱基切除修复（BER）通路将其主动的还原成一个普通的胞嘧啶碱基（图2）。
5mC的主动去甲基化过程发挥着重要作用，因此也受到了多层次的严格调控。（1）TET酶接触到底物的难易程度是一种最直接的调控主动去甲基化过程的方式：细胞核中的DNA会被不同种类以及修饰状态的蛋白结合并包裹起来，因此被TET酶结合并识别的概率是不一样的。（2）TET酶发挥氧化作用时本身也需要多种不同的辅助因子：如α-酮戊二酸以及二价铁离子，这些因素浓度的变化会影响TET酶的活力；此外，维生素C也能直接与TET酶的催化位点结合以及通过促进辅助因子二价铁的生成从而增强TET酶的活性。（3）参与到主动去甲基化过程中的所有的酶本身的表达水平也可以受到上游机制的调控。（4）一些辅助蛋白可以帮助参与主动去甲基化的蛋白到达基因组上的特定位点从而实现特异性的去甲基化。
四、 主动去甲基化的功能
在人以及鼠的卵子受精后的很短时间内，受精卵会发生剧烈的表观遗传学重编程，其中包括父源以及母源的全基因组水平的DNA去甲基化。在这个过程中，来自母方的基因组主要通过被动稀释来完成去甲基化，而来自父方的基因组则会受到主动去甲基化与被动稀释去甲基化的双重影响。受精卵在这个过程能够擦除绝大部分来自父母的表观遗传学印记，并在后续的胚胎发育过程中重新建立新的表观遗传学印记。
由于神经细胞中存在很高含量的5hmC，因此主动去甲基化如何帮助神经细胞发挥正常功能是一个热点问题。TET1蛋白对于小鼠大脑的正常记忆与学习功能是必需的，TET1含量的变化能够影响神经细胞中的基因表达情况。此外，TET3也在小鼠的嗅觉神经细胞以及视觉神经细胞中发挥重要作用，其功能的异常会影响神经细胞中的5mC以及5hmC的含量，进而会影响基因的正常表达情况以及神经组织的发育。
异常的DNA去甲基化也会导致癌症。在小鼠模型中，TET2催化功能的缺失会影响造血干细胞的自我更新能力，从而导致恶性血癌的发生。TET1以及TET3的功能突变也与多种其他类型的癌症相关。因此，DNA主动去甲基化能否正常发挥功能，关系到5mC修饰以及细胞中的基因表达情况；这个过程如果出现异常，则可能导致包括癌症等疾病在内的细胞功能异常。
五、 总结与展望
哺乳动物个体每个细胞中的基因组均包含完全一致的DNA序列信息，但是不同种类的组织中的细胞却能够具有完全不一样的基因表达情况从而发挥不同的功能。包括5mC在内的多种不同类型与层次的化学修饰能够在不影响DNA序列稳定性的基础上实现基因表达的差异化调控。 胞嘧啶的甲基化修饰状态能决定细胞的种类与命运，因此在胚胎与个体发育过程中每个不同的细胞需要逐渐获得不同的表观遗传学修饰状态。另一方面，受精卵需要擦除来自父母双方的表观遗传学信息，从而重新建立新的表观遗传学印记，DNA的主动去甲基化在这一表观遗传学重编程过程中发挥关键作用。细胞中的表观遗传学状态的异常可能会导致包括癌症在内的多种疾病。
通过加深对DNA化学修饰以及表观遗传学的认识，能够帮助人们理解包括癌症在内的疾病发生的深层次机理。通过针对这些细胞异常发生与发展的过程，可以开发特异性的阻断、逆转等针对性的治疗方式，从而最终促进人类健康事业发展。
参考文献：
[1]Yin， R.， et al.， Ascorbic acid enhances Tetmediated 5methylcytosine oxidation and promotes DNA demethylation in mammals. J Am Chem Soc， 2013，135（28）：p.10396-403.
[2]Lv， X.， et al.， MicroRNA15b promotes neurogenesis and inhibits neural progenitor proliferation by directly repressing TET3 during early neocortical development. EMBO Rep，2014，15（12）：p.1305-14.
[3]Colquitt， B. M.， et al.， Alteration of genic 5 hydroxymethylcytosine patterning in olfactory neurons correlates with changes in gene expression and cell identity. Proc Natl Acad Sci U S A，2013，110（36）：p.14682-7.
[4]Tognini， P.， et al.， Experiencedependent DNA methylation regulates plasticity in the developing visual cortex. Nat Neurosci，2015，18（7）：p.956-8.
作者簡介：
万奕恒，湖北省武汉市，武汉市第六中学。