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遗 传HEREDI TAS (Beijing )26(2):267～270,2004
专论与综述
收稿日期:2003-05-29；修回日期:2003-09-28
作者简介：李建许(1978-)，男，河南人，硕士研究生，研究方向：分子遗传学 通讯作者：刘红林(1966-)，男，江苏人，教授，研究方向：动物遗传育种。E -mail :ggcpc @njau .edu
DNA 甲基化与组蛋白甲基化的关系
李建许，刘红林
(南京农业大学动物科技学院，南京210095)加强人才队伍建设措施
摘 要：在真核生物基因组及基因组以外，存在着多种共价修饰，其中,DNA 和组蛋白的甲基化都与基因的沉默存在着联系,DNA 和H3K 9的甲基化在调节基因过程中具有协同作用，并拮抗H3K4的甲基化。近来的研究显示，两种甲基化机制之间似乎还存在着联系，即DNA 的甲基化可能依赖于H3K 9的甲基化，但在哺乳动物中，两种甲基化的关系可能更复杂。 关键词:DNA ；组蛋白；甲基化；甲基转移酶中图分类号:Q 953 文献标识码:A
文章编号:0253-9772(2004)02-0267-04
The Relationship of DNA Methylation and Histone Methylation
LI Jan -Xu ,LIU Hong -Lin
(C oll ege o f Animal S cience and Technol ogy ,Nanjing Agr icu ltural Univer s ity ,Na njing 210095,China )
A bstract :In and out of the eukaryotic genomes ,there exist many covalent modifications ,of which are the me thyla tio n of DNA and histones ,and they are both involved in genes silencing ,in w hich the methylation o f DN A and H3K 9are sy ner -gistic ,but the methylation of H3K4is antag onistic to them .The rencent studies show that these two methy lations are cor -related ,that is ,DN A methylatio n is dependent on the methylation of H3K 9.However ,the relationship of these tw o methylations is more complicated in mammals than in low er eukary otons and plants .Key words :DN A ;histones ;methylation ;methy ltransferase 长期以来，基因组DNA 都是生物学家们研究的中心，但是，研究过程中出现的许多现象似乎都与基因本身无关，例如，在哺乳动物中，编码功能蛋白
的基因仅占整个基因组的一小部分，而基因以外的区域却存在着大量的非编码序列，例如内含子、重复序列和转座子等，那么，哺乳动物是如何有效地保持这些非编码序列长期的保持沉默，以实现基因的准确表达的；在一些细胞内，为什么肿瘤抑制基因并未发生突变却失活，并导致癌变的可能。深入的研究发现，答案可能存在于基因组外的一些修饰作用，这些修饰包括DNA 的甲基化和组蛋白尾部的多种共价修饰(乙酰化、磷酸化、甲基 化、泛素化和A DP -核糖体化)[1]，并且，各种修饰方式之间并
不是孤立的起作用，而是存在着某种内在的联系。已证明,DNA 的甲基化与组蛋白的乙酰化之间存在着拮抗作用[2]。最新的研究资料显示,DNA 的甲基化与组蛋白的甲基化之间似乎也存在着某些关系，这里我们就此进行探讨。
1 DNA 的甲基化及其作用
50多年前，在小牛的胸腺中首次发现了D NA 的甲基化。真核生物中DN A 的甲基化主要发生于胞嘧啶核苷的嘧啶环上，在DNA 甲基转移酶(DNA methy ltransferase ,DN -M T )的作用下，嘧啶环第5位的氢被一个甲基基团所取代，从而生成5-甲基胞嘧啶。无论是在植物中还是在动物界,DNA 甲基化都扮演着双重的角：一方面，它能够使入侵DNA 、营寄生性的转座子元件及其同源序列沉默，从而保持整个基因组的稳定；另一方面,DN A 的甲基化具有调节基因表达的作用，在真核生物的基因组内，有些
区域为CpG 的高频区，称为CpG 岛(CpG island )，约占整个基因组的1%～2%。CpG 岛多位于基因的启动子区，据资料显示，基因组印记、X 染体的失活、许多肿瘤相关基因的失活都与基因启动子区CpG 岛的甲基化有关[3,4]。其具体的作用机制目前
DOI :10.16288/j .yczz .2004.02.028
还不清楚，推测可能是DNA的甲基化直接抑制了转录起始因子与启动子的结合，或者是DNA甲基化所招募的转录阻抑复合物与转录因子竞争启动子上的结合位点，从而阻止转录的起始，进而导致基因的沉默[2,5]。需要指出的是，并不是所有的基因都受DN A甲基化的调节，一个典型的特例就是植物的5Sr RN A基因，其序列中的所有胞嘧啶甲基化的有无，都不会对其转录产生影响[6]。
2 组蛋白的甲基化及其功能
在真核生物中，基因组DN A与组蛋白和非组蛋白共同装配形成核小体，核小体以更有序的状态折叠、组装成染质。组成核小体的组蛋白由一个球形结构域和一个具有延展性并带电荷的突出于核小体的氨基尾巴组成。组蛋白在翻译完成后，其氨基尾巴会发生多种共价修饰，这些修饰方式共同构成了“组蛋白密码”，并调控基因的表达。甲基化就是其中的修饰方式之一，甲基化位点多位于H3、H4的赖氨酸和精氨酸残基上，组蛋白H3氨基尾段上的K4和K9便是其中的两个甲基化的常发位点[1]。不同位点上甲基化，由不同的酶所负责。例如，在人类中,S UV39H1特异性的使组蛋白H3上的K9发生甲基化[7]
，而SET7/9却选择性的催化K4位点甲基化的发生[8,9]。不同真核生物中催化组蛋白发生甲基化的酶也有所相同，尽管如此，大部分的组蛋白甲基转移酶都含有一个保守的SET结构域[10]。近几年的研究发现,H3K9的甲基化与基因的沉默有关，而H3K4的甲基化却可以使基因活化，并且,H3K9的甲基化可招募HP1 (heterochroma tin proteins)或其同源物与之结合，从而使基因所在部位异染质化，这表明，组蛋白的甲基化可能与异染质的形成有关[11～13]。
3 DNA甲基化与组蛋白的甲基化在基因调控中的相关性
早在1993年,V ong s等就从3个DNA超低甲基化的拟南芥突变体中分离到一个新的基因座，并命名为DDM1 (decrease in DNA methyla tio n)。在ddm1突变体中,DN A的甲基化水平比正常个体降低了70%，一些转座子和重复序列基因由于发生超低甲基化而被激活[14]，在发育过程中，突变个体还表现出许多表型畸形，例如，花、叶子某些结构的缺陷[15]。但是DDM1本身并没有甲基转移酶的活性，而是一个类似于SW I2/SNF2的染质重塑因子，其在DNA甲基化中的作用机制目前还不清楚，有可能是DDM1通过改变染质的结构，从而影响DN A甲基转移酶能否接近目的DNA[16]。G endrel等于2002年发现,DDM1同样也影响组蛋白的甲基化,DDM1的突变虽然不能改变整条染体上组蛋白的甲基化水平，但是，在异染质区组蛋白H3的甲基化从K9残基转换到K4残基上。利用RT-P CR和ChI p (chromomatin immuno precipitation)技术，他们对突变个体内组蛋白的甲基化以及基因的表达情况进行了检测，并与正常个体进行了对比，在所检测的52个序列中，突变个体内有26个序列超表达；剩下
的26个序列在两类个体之间或表达相同或都不表达，在超表达的26个序列中，有20个序列H3K9的甲基化水平降低，或者H3K4的甲基化水平升高，或者两者同时出现[17]。
Ko ndo等于2003年选取了3种肿瘤细胞系HCT116、RK O和SW48，在3种肿瘤细胞系中,3个肿瘤抑制基因P16、ML HI和MGMT的启动子的CpG岛都因不同程度地发生了超甲基化而不能表达。他们用TSA(trichostatin A)抑制组蛋白的脱乙酰化，发现沉默基因座H3K9的乙酰化水平有所升高，但对H3K4和K9的甲基化却没有影响，基因也几乎仍然处于沉默状态。而当用5A za-dC(5-aza-2′-deox ycy ti-dine)阻抑DN A甲基转移酶的作用时,H3K9的甲基化水平大大的降低，而H3K4的甲基化水平显著的升高,3种细胞中原来沉默的癌基因都被重新激活表达[18]。
上述试验结果表明,H3K9的甲基化与DNA的甲基化在基因的沉默机制中具有协同作用，而H3K4的甲基化拮抗DNA甲基化所产生的基因沉默。
4 DNA甲基化与组蛋白甲基化在发生机制上的关系
在雌性哺乳动物中，有一条X染体于胚胎发生的早期失活，并以此状态稳定地遗传下去。Csankovszki等于2001年用5A az-dC阻抑DN M T1的活性或者令DN MT1突变使其失活后，处于沉默状态的X染体又被重新激活。由此可见,DNA的甲基化在维持X染体的失活中起着非常重要的作用[19]。Heard等[20]、M ermoud等[21]研究发现，在Xist RNA引发X染体失活的同时,H3K9也发生甲
基化，并形成一个失活中心，随后由Xist RN A扩展到整个X染体，紧接着，失活的X染体上才会出现DNA的甲基化、H4的低乙酰化等现象，并最终导致X染体的失活，这表明在X染体失活的早期，组蛋白的甲基化也参与了此过程。另外X染体的失活过程似乎传递着这样一条信息：在发生的顺序上，组蛋白的甲基化早于DNA的甲基化。那么在甲基化的发生机制上，两者是否也存在着某种联系呢?
在粗糙脉孢菌的基因组中，大约有1.5%胞嘧啶发生了甲基化，而且与动物和植物不同的是,DNA的甲基化对于维持其生长和发育并不是必需的，因此非常适合于研究DNA甲基化的调控机制。在研究的过程中，人们分离了多个DN A甲基转移酶基因，其中DI M-2(defective in methyla-tion)的突变可导致整个基因组的去甲基化，而DIM-3的突变仅引起50%的胞嘧啶发生去甲基化。Tamaru和Selker于(2001年)又偶然得到一种缺乏DNA甲基化的粗糙脉孢菌，并且这一突变株的纯合子还表现出部分的表型变异。研究结果表明,DIM-5的一个位点突变抑制了DNA的甲基化,
268遗 传HEREDI T AS(Beijing)2004 26卷
遗传作图和DNA 序列分析表明，染体上DI M -5所处的区域包含一个组蛋白甲基转移酶的同源基因，在酵母、果蝇和哺乳动物中此基因编码的酶与异染质的形成有关。PCR 扩增突变的dim -5基因和对阅读框架的测序发现,dim -5第216位编码丝氨酸的碱基发生了错义突变，而此位点正好位于其所
编码蛋白的SET 结构域。前面我们已经提到过，绝大多数组蛋白甲基转移酶也具有一个SET 结构域，那么DIM -5所编码的SET 结构蛋白是否也能催化组蛋白的甲基化呢?为了回答这个问题，他们将重组的D IM -5与组蛋白和H 3
标记的CH 3-AdoM et 共育，发现组蛋白H3被特异性的甲基化了，但具体的位点不清楚，接着，他们突变了粗糙脉孢菌组蛋白H3的第9位赖氨酸残基，从而使该位点不能发生甲基化，结果表明突变所产生的影响与DI M -5基因突变产生的相同，由此他们推断,DNA 的甲基化可能依赖于H3K9的甲基化[22]。
在植物中,CM T 3(chromomethylase3)主要负责使Cp -N pG 中的胞嘧啶发生甲基化，在cmt3突变的拟南芥个体中,CpNpG 的甲基化水平显著的降低，同时还激活一个逆转座子亚类和SUP 、PAI2基因的表达[23～25]。Jackson 等于2002年在拟南芥中又发现了一个新的基因座，此基因座含有3个等位基因，他们将此基因命名为K Y P (kryptonite )，通过克隆发现,K Y P 编码一个含有SET 结构域的蛋白甲基转移酶，此蛋白特异性的使H3K 9发生甲基化。试验中，他们观察到K Y P 突变使CpNpG 的甲基化水平大大降低，并同时激活S UP 基因的表达，这恰好与C MT3突变所产生的影响相同，这一现象引起了他们极大的兴趣，起初，他们推测CM T 3可能与组蛋白H3上甲基化的第9位赖氨酸直接作用并指导CpNpG 的甲基化，这一推测的依据是，与HP1类似,CM T 3也含有一个溴域。然而，重复的试验结果表明,CM T 3并不能与甲基化的K9结合。那么第二种可能的解释就是,CM T 3与LHP1(拟南芥菜中HP1
的同源物)作用并在LHP 1的介导下使CpN pG 发生甲基化，经过对LHP1和GST -CM T 3进行“pull -down ”分析，他们发现L PH1确能与CM T 3结合，由此他们推测CpN pG 甲基化的机制可能是H3K 9的甲基化招募HP1与之结合,CM T3通过与LHP1的作用导致CpN pG 的甲基化[26]。
综上所述，对于DN A 的甲基化与组蛋白的甲基化，我们可以做出如下的推论:H3K 9在组蛋白甲基转移酶作用下发生甲基化,H3K 9的甲基化招募HP1或者其同源物与其结合,DNA 甲基化转移酶通过与HP1的作用从而使DNA 发生甲基化(图1)。但是,Fahrner 等于2002年却提出了与之相反的假设，他们在肿瘤细胞中所做的试验结果与Kondo 等于2003年的相同，然而，他们在试验中还发现，用5Aza -dC 阻抑DNA 甲基转移酶的活性时，首先发生的是CpG 的去甲基化，接着基因被激活表达，最后才出现组蛋白共价修饰的
完全逆转，由此他们提出了一种DNA 甲基化与组蛋白甲基
化之间新的作用模式，与以上的假设相反，组蛋白的甲基化需要在DN A 甲基化的指导下才能完成[27]。Fuks 等于2003年的试验结果似乎也证实并进一步丰富了这一假设，他们的试验结果显示,DNA 甲基结合蛋白MeCP2的氮端还能与组蛋白甲基转移酶结合，从而指导H3K9发生甲基化[28]。这一试验结果也正好解释了为什么用T SA 阻抑组蛋白脱乙酰化酶的活性时仅能部分或不能使沉默的基因表达[20,29]，组蛋白的甲基化可能是基因沉默的另一个通路。这种方式为动物所特有，在植物中,DNA 的甲基化好像并不能控制H3K 9的甲基化[30]。所以，哺乳动物中，两种甲基化的关系可能更为复杂。
图1 两种甲基化在发生机制上的关系Fig .1 The relationship of these two methylations on occurring mechanisms
5 展望
DNA 的甲基化和组蛋白的甲基化在基因转录过程中都起着很重要的调节作用。关于两种甲基化的发生机制，目前还没有弄清楚。深入的阐明两种甲基化的关系，将有助于我们进一步了解基因的调控机制，特别是对于癌症的起到很大的帮助作用。
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