圖1 DNA的寫入和擦除示意圖

從頭（de novo）甲基化顧名思義就是在基因組上原來完全沒有DNA甲基化的區(qū)域?qū)懭爰谆揎棥Ｔ趧?dòng)物中，這個(gè)過程主要由DNA甲基化酶DNMT3 驅(qū)動(dòng)。DNMT3在哺乳動(dòng)物里理論上有3個(gè)拷貝，分別DNMT3a、DNMT3b、DNMT3L。其中a、b兩個(gè)具有甲基化轉(zhuǎn)移酶活性，L雖然沒有活性，卻是DNA甲基化多聚物的重要成分。在動(dòng)物細(xì)胞中，2個(gè)3a和2個(gè)3L可以構(gòu)成一個(gè)DNA甲基化4聚物，從而調(diào)控DNA的從頭甲基化。

圖2 甲基化酶4聚物與DNA從頭甲基化

動(dòng)物的DNM3在植物中也存在功能相似的同源蛋白，那就是DRM。DRM在大部分植物中有3個(gè)拷貝。但與動(dòng)物甲基化轉(zhuǎn)移酶有所不同的，DRM往往需要通過RNA介導(dǎo)的方式完成從頭甲基化修飾（RNA directed DNA methylation，RdDM），這也是在植物中被研究最多的表觀修飾通路。這個(gè)通路的特點(diǎn)就是siRNA（往往來源轉(zhuǎn)座子） 作為一個(gè)引導(dǎo)物，將甲基化復(fù)合物引導(dǎo)到siRNA互補(bǔ)的區(qū)域，然后完成這個(gè)位點(diǎn)的DNA甲基化修飾。

這個(gè)pathway特別有趣，主要有3點(diǎn)：

1. miRNA\siRNA的轉(zhuǎn)錄沉默作用，本質(zhì)上可以分為轉(zhuǎn)錄后抑制和轉(zhuǎn)錄前抑制。轉(zhuǎn)錄后抑制，就是大家熟悉的轉(zhuǎn)錄本降解或翻譯抑制。轉(zhuǎn)錄前抑制，就是直接促成目標(biāo)基因的DNA甲基化或組蛋白甲基化修飾，早早將其轉(zhuǎn)錄表達(dá)的可能扼殺在搖籃中。

2. RdDM作用，本質(zhì)是一種自洽的反饋機(jī)制。當(dāng)基因組中的轉(zhuǎn)座子發(fā)生轉(zhuǎn)錄，則其會(huì)被降解生成siRNA。siRNA又反過來帶著DNA甲基化酶殺回“娘家”，將發(fā)生表達(dá)的轉(zhuǎn)座子通過DNA甲基化修飾而沉默。所以RdDM機(jī)制主要發(fā)生在植物中（動(dòng)物中也有少量報(bào)道），是一種植物保證轉(zhuǎn)座子持續(xù)保持沉默的保險(xiǎn)機(jī)制。

3. RdDM作用雖然主要作用于轉(zhuǎn)座子區(qū)，但由于植物基因組中轉(zhuǎn)座子大量存在。當(dāng)轉(zhuǎn)座子出現(xiàn)在編碼基因周邊的時(shí)候，其DNA甲基化修飾水平的變化，也會(huì)影響臨近編碼基因的表達(dá)，從而影響了基因組的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。

圖3 RdDM pathway示意圖

圖4 由于啟動(dòng)區(qū)存在轉(zhuǎn)座子而被DNA甲基化沉默，gene1被表達(dá)沉默

DNA甲基化除了完成從無到有（在完全沒有甲基化區(qū)域形成修飾），還有一種機(jī)制非常重要——DNA甲基化的維持。所謂DNA甲基化的維持指的是，在細(xì)胞分裂過程中DNA需要完成一次復(fù)制。DNA復(fù)制屬于半保留復(fù)制，理論上新合成的DNA鏈最初包含沒有任何修飾的ATCG四種堿基。那么新合成的鏈如何還原已有的DNA甲基化修飾信息呢？這就是涉及到DNA甲基化的維持機(jī)制。

圖5 剛剛完成復(fù)制的半甲基化DNA雙鏈

這里所指的DNA甲基化維持機(jī)制指的是：在半甲基化的新DNA雙鏈中，新合成的DNA鏈以舊模板鏈為范本，完成新一輪的DNA甲基化修飾。這個(gè)機(jī)制存在的基礎(chǔ)，這是因?yàn)樵贒NA雙鏈結(jié)構(gòu)中存在對(duì)稱甲基化位點(diǎn)。以我們比較熟悉的CG甲基化位點(diǎn)為例。如圖6，CG類型的位點(diǎn)在DNA雙鏈結(jié)構(gòu)上是對(duì)稱的，即正鏈如果是CG，反鏈則也是CG，對(duì)應(yīng)的甲基化位點(diǎn)也是對(duì)稱存在。如果經(jīng)歷DNA復(fù)制后，這個(gè)位點(diǎn)就會(huì)處于半甲基化的狀態(tài)。那么DNA甲基化維持相關(guān)的蛋白復(fù)合物，就會(huì)識(shí)別這樣的位點(diǎn)，從而將這個(gè)位點(diǎn)從半甲基化重新恢復(fù)為全甲基化。CG類型的DNA甲基化維持相關(guān)基因在動(dòng)植物間也是保守的，在動(dòng)物里主要由DNMT1負(fù)責(zé)，對(duì)應(yīng)在植物里同源蛋白是MET家族。

圖6 CG類型的對(duì)稱DNA甲基化位點(diǎn)

但植物與動(dòng)物不同的地方在于CHG類型的DNA甲基化（這里的H代表簡(jiǎn)并堿基，泛指C\A\T三種堿基）。類似CG類型的DNA甲基化，CHG具有一定的對(duì)稱性。但在動(dòng)物中，不存在DNA復(fù)制過程中可以維持CHG甲基化的酶，因此動(dòng)物細(xì)胞CHG類型的位點(diǎn)普遍處于極低的甲基化水平。相反，植物中卻存在特殊的機(jī)制可以維持CHG類型的DNA甲基化。如圖7，擬南芥（左上）和楊樹（右上）在基因組重復(fù)序列區(qū)CHG都保持了極高的甲基化率，而斑馬魚（左下）和小鼠（右下）卻CHG甲基化率近似為0。

圖7 4個(gè)物種基因組重復(fù)區(qū)的DNA甲基化率

植物中CHG甲基化維持的過程涉及DNA甲基化酶CMT3和組蛋白甲基化酶SUVH4的互作。這個(gè)機(jī)制的過程大概如下（圖7）：DNA復(fù)制過程后，SUVH4的蛋白結(jié)構(gòu)域SRA會(huì)結(jié)合在CHG甲基化（即使是半甲基化）位點(diǎn)，從而完成這個(gè)區(qū)域的組蛋白H3K9位點(diǎn)的二甲基化（變成H3K9me2）。反過來，H3K9me3位點(diǎn)又會(huì)招募DNA甲基化酶CMT3的結(jié)合，從而完成半甲基化CHG位點(diǎn)形成全甲基化，從而保證新合成DNA鏈的CHG位點(diǎn)可以維持原有的DNA甲基化。

圖8 在組蛋白H3K9甲基化的配合下CHG位點(diǎn)完成DNA甲基化的維持

從上文我們可以了解，DNA甲基化在DNA復(fù)制過程中的維持，還是需要依賴對(duì)稱類型的甲基化（CG或CHG）將DNA甲基化信息從模板鏈映射到新復(fù)制的鏈。但對(duì)于CHH這種非對(duì)稱的甲基化位點(diǎn)，DNA維持這種機(jī)制就無能為力了（新合成的鏈在模板鏈找不到可以參照的C位點(diǎn)），CHH只能依賴從頭甲基化的機(jī)制。因此，無論動(dòng)物或植物細(xì)胞中，CHH的甲基化在DNA復(fù)制過程中極易丟失，普遍處于低甲基化的狀態(tài)。

好了，今天對(duì)DNA甲基化的形成機(jī)制就介紹就到這里。我們明天見~