概述

甲基化是一种关键的表观遗传调控方式，其主要过程是在甲基转移酶的催化作用下，将活性甲基转移到特定的化学物质上。这一过程并不会改变DNA序列的基本组成。实际上，甲基化现象不仅出现在DNA中，同样也在RNA和蛋白质中有所体现。这一系列复杂的甲基化活动，是由写入器、擦除器和读取器这三种蛋白质机制协同作用的结果。甲基化失调是多种疾病，尤其是人类癌症的重要诱因。在DNA层面，甲基化过程通过调控转录，影响关键靶基因的表达。而在RNA层面，甲基化主要参与调节RNA的加工和衰变过程。此外，蛋白质甲基化则影响蛋白质的活性，并指导其在细胞内的翻译、定位及信号传导。这些复杂的甲基化事件在细胞命运的调控中扮演着至关重要的角色。

甲基化分类

（1）甲基化由特定的催化酶——甲基转移酶（被誉为“编辑器”）与去甲基化酶（又称“删除器”）共同控制。这两者之间的相互作用，通过甲基化依赖性结合蛋白（被称为“识别者”）的识别，从而发挥关键作用。DNA甲基化最常用5-甲基胞嘧啶（m5C）的形式发生。DNA甲基转移酶1（DNMT1），作为甲基转移酶家族中的关键成员，承担着甲基化的主要任务。它精确地在DNA分子上添加甲基，从而改变基因的表达。与此同时，TET家族蛋白则扮演着去甲基化的主要角色，它们是DNA甲基化过程中的“删除器”。这些蛋白质通过移除甲基，恢复DNA的原貌，为基因的重新表达提供了可能（图1）^[1]。

（https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/22781841/）

图1 DNA甲基化（左）和去甲基化途径（右）^[1]

（2）RNA甲基化是一种重要的表观遗传修饰，主要包括N6-甲基腺苷（m6A）和5-甲基胞嘧啶（m5C）两种形式。在m6A的甲基化过程中，甲基转移酶样3/14（METTL3/14）与肾母细胞瘤1相关蛋白（WTAP）共同组成的甲基转移酶复合物（METTL3/METTL4/WTAP）起着关键作用。这一过程不仅复杂而且精确，它催化腺苷的N6位置发生甲基化。与此同时，肥胖相关酶（FTO）和烷基化修复同源物5（ALKBH5）则负责去除m6A，维持RNA甲基化状态的动态平衡。另一方面，m5C的甲基化则由NOP2/Sun RNA甲基转移酶（NSUN）家族蛋白以及DNA甲基转移酶家族的成员负责，其中以DNMT2为代表。这些酶通过精确的催化作用，在胞嘧啶的C5位置添加甲基基团，实现对RNA的甲基化修饰。而去甲基化酶的具体功能虽未完全明了，但其清除作用对于维持RNA甲基化状态的稳定同样至关重要。

（3）蛋白质甲基化是一种重要的翻译后修饰过程，它既可发生在组蛋白上，也可发生在非组蛋白上。这一过程主要发生在精氨酸和赖氨酸这两个氨基酸上。在组蛋白甲基化中，最常见的修饰位点包括H3K、H4K、H3R和H4R。这些修饰在染色质结构和基因表达调控中扮演着关键角色。非组蛋白甲基化则通常参与信号转导过程，与多种生物途径密切相关。尤其是，许多与癌症进展相关的信号转导途径，如MAPK和NFkB信号通路，都与非组蛋白甲基化有着密切的联系。

精氨酸甲基化由蛋白精氨酸甲基转移酶（PRMT）家族蛋白所触发，而赖氨酸甲基化则由赖氨酸甲基转移酶（KMT）介导。值得注意的是，KMT家族的成员都含有一个高度进化保守的SET结构域，这是其功能的关键。在赖氨酸去甲基化过程中，Jumonji C末端结构域（JmjC）家族成员和赖氨酸特异性去甲基化酶1（LSD1）是主要的去甲基化酶。此外，JmjC家族的部分成员，例如KDM3A、KDM4E、KDM5C，不仅能催化赖氨酸去甲基化，还能催化精氨酸去甲基化。

DNA甲基化机制

DNA甲基化，利用S-腺苷甲硫氨酸（SAM）作为甲基供体，将甲基（CH3）基团嵌入DNA链中。这一过程主要发生在DNA分子的四个关键位置：腺嘌呤的N6位、鸟嘌呤的N7位、胞嘧啶的N4位以及C5位。在哺乳动物细胞内，高达80%的胞嘧啶-磷酸鸟嘌呤（CpG）二核苷酸被甲基化。这一现象主要发生在胞嘧啶的5’端，其过程是通过将胞嘧啶的C5位置转变为m5C（5-甲基胞嘧啶）来实现的。

在DNA甲基化领域，常见的甲基化形式是5-甲基胞嘧啶（5mC），在这一过程中，DNMT1酶扮演着至关重要的角色，作为甲基转移酶（我们又称之为“写入器”）。与之相对，TET家族蛋白则承担了主要的去甲基化功能，它们被形象地称作‘擦除器’。近期的研究揭示了三种与DNA甲基化相关的结合蛋白，即MBD（甲基-CpG-结合域蛋白）、Kaiso以及SRA（Set和环指家族蛋白）。这些蛋白，我们称之为‘读板机’，能够识别DNA上的甲基化位点，并触发一系列的下游效应，包括抑制基因表达和维持基因组甲基化状态，从而在细胞功能调控中发挥着不可或缺的作用（图2）^[2]。（https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33787478/）

图2 DNA甲基化的机制^[2]

DNA甲基化与疾病研究

DNA甲基化在细胞生命活动中扮演着至关重要的角色，它调节着包括胚胎发育、基因转录、染色质结构、X染色体失活以及染色体稳定性在内的多种细胞过程。甲基-CpG结合蛋白（MeCP）能够识别DNA甲基化的多种形式，这一识别机制在染色质基础的转录调控、DNA修复和复制过程中发挥着关键作用。研究表明，DNA甲基化及其相关介质的缺陷可能导致肿瘤抑制基因沉默，以及细胞周期、DNA修复和染色体稳定性相关基因的失调。这些异常往往会导致基因组不稳定，进而引发包括癌症在内的多种人类疾病^[3]。

由此可见，深入理解功能性基因的突变以及DNA甲基化介质异常表达背后的机制，对于揭示特定癌症类型中遗传与表观遗传改变之间的复杂相互作用至关重要。

（https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/25892967/）

参考文献：

[1] Moore LD, Le T, Fan G. DNA methylation and its basic function. Neuropsychopharmacology. 2013 Jan;38(1):23-38. doi: 10.1038/npp.2012.112. Epub 2012 Jul 11. PMID: 22781841; PMCID: PMC3521964.

[2] Dai X, Ren T, Zhang Y, Nan N. Methylation multiplicity and its clinical values in cancer. Expert Rev Mol Med. 2021 Mar 31;23:e2. doi: 10.1017/erm.2021.4. PMID: 33787478; PMCID: PMC8086398.

[3] Meng H, Cao Y, Qin J, Song X, Zhang Q, Shi Y, Cao L. DNA methylation, its mediators and genome integrity. Int J Biol Sci. 2015 Apr 8;11(5):604-17. doi: 10.7150/ijbs.11218. PMID: 25892967; PMCID: PMC4400391.