综述|Nat Rev Mol Cell Biol:DNA甲基化在哺乳动物发育和疾病中的多种作用

推荐：江舜尧

编译：小羊

编辑：马莉

法国巴黎自然科学大学居里研究所遗传与发育生物学系Greenberg MVC和 Bourc'his D两位教授于2019年8月9日在Nature Reviews | Molecular Cell Biology上发表了题名为《The diverse roles of DNA methylation in mammalian development and disease》的文章。该文章从DNA甲基化的结构基础、DNA甲基化相关基因在DNA甲基化过程中的作用及疾病中的可能机制等方面，将DNA甲基化和去甲基化在哺乳动物发育和疾病中的多种重要作用进行了阐述。

摘要

DNA甲基化对哺乳动物胚胎发育至关重要。DNA甲基化有许多功能:它与转录和基因的抑制有关，但也与活跃的转录基因体有关，在某些情况下，与基因本身的激活有关。近年来，一些开发出来的敏感技术，可以从少量细胞中检测DNA甲基化模式。这些技术的应用大大提高了我们对胚胎和特定组织中DNA甲基化动态调控和异质性的认识。结合遗传学分析，越来越明显的可看出，DNA甲基化清除和(重新)建立的调控在不同的发育阶段有很大的差异。本文综述了在富含CpG的启动子、基因体和转录因子上，DNA甲基化和去甲基化在小鼠和人体内的机制和功能。我们突出DNA甲基化在胚胎、生殖系统和体细胞发育中的动态消除和重建中的作用。最后，我们提供了从研究遗传疾病中获得的DNA甲基化的见解。

文中重要图片说明

图1 | DNA甲基化的工具和机制。a|启动子上DNA甲基化的|机制。左: 活性或平衡的启动子的标志三甲烯组蛋白H3 Lys4 (H3K4me3)可防止DNMT3A和DNMT3B中的ATRX-DNMT3-DNMT3L (ADD)绑定到染色质上，从而使它绑定到甲基转移酶(MTase)域自动抑制DNMT3酶。右:在没有H3K4甲基化的情况下，ADD结构域与H3K4结合，自抑制被解除，从而允许MTase结构域甲基化DNA。b|在基因体上的DNA甲基化。在基因体中，ADD域与未甲基化的H3K4结合，从而释放DNMT3酶的自抑制作用。H3K36me3存在于主动转录基因的基因体中，是DNMT3 PWWP域的募集模块。c |维持DNA甲基化。左:通过SET- and RINGassociated (SRA)结构域(结合半甲基化CpG位点)和TUDOR (TTD)结构域(结合H3K9me2)的招募E3泛素-蛋白连接酶UHRF1来复制DNA。UHRF1环域泛素化组蛋白H3尾部(Ub)。DNMT1的复制聚焦靶向序列(RFTS)折叠进入MTase结构域，从而阻止其催化活性。UHRF1通过其泛素样结构域(UBL)和DNMT1 rft之间的相互作用招募DNMT1。右图:当RFTS与泛素化的H3尾部结合时，DNMT1的自抑制被释放，这使得CpG位点的DNA甲基化能维持稳定。为了简单起见，图中省略了UHRF1和DNMT1的一些域。5m，第五个碳的甲基化。

图2 |靶向DNA甲基化到CGI启动子。a|在X染色体失活过程中，染色体柔性铰链域包含1 (SMCHD1)依赖CpG岛DNA从头甲基化(CGIs)的结构维护。SMCHD1形成同源二聚体，可能参与了正在失活的X染色体染色质的浓缩。在CGIs的一个子集中，SMCHD1是DNA(胞嘧啶-5)-甲基转移酶3B (DNMT3B)介导的DNA甲基化所必需的，其机制尚不清楚。b|建立母性印记。在生长的卵母细胞中，DNA甲基化与转录延长呈DNMT3A -依赖关系。在小鼠中，许多转录产物来自哺乳动物明显的长末端重复反转座子(MaLR)。受精后，印迹启动子通过与锌指蛋白57 (ZFP57) KRAB- 相关蛋白1 (KAP1)复合物的甲基化TGCCGC基序结合，抵抗早期胚胎期的DNA甲基化清除，该复合物招募组蛋白甲基转移酶SETDB1和维持DNA甲基化。c |在种质特异性基因CGI启动子上建立DNA甲基化模型。一个种系基因子集受非典型多梳抑制复合体1 (PRC1)， PRC1.6的约束。该复合物还由L3MBTL2组成，L3MBTL2可招募异二聚体H3K9甲基转移酶复合物G9a GLP。G9a是DNMT3B介导的DNA甲基化沉积所必需的，特别是在生殖系基因上。5m，第五个碳的甲基化。

图3 | 转录子的DNA甲基化调控。a|转录子DNA甲基化缺失的体内结果。在小鼠胚胎中，DNA(胞嘧啶-5)-甲基转移酶1 (DNMT1)的缺失导致胞内粒子(IAP)逆转录转录子的急剧上调。这与胚胎9.5天的严重发育缺陷和产前致命性有关。Dnmt3C或Dnmt3L突变体的睾丸较小，在IAP和男性生殖系中长时间散布的核素1 (LINE1)逆转录转录子处DNA甲基化特异性缺失，导致减数分裂异常和不育。b |小鼠中piwi-相互作用RNA (piRNA)定向DNA甲基化的模型。由转录子转录产生的piRNAs被加载到MIWI2(也称为PIWIL4)上，定位于细胞核，并通过未知的机制招募DNMT3C DNMT3L。由于DNMT3C含有一个染色质-阅读框ATRX- DNMT3-DNMT3L (ADD)结构域，因此可能存在一种机制来规避三甲基化组蛋白H3 Lys4 (H3K4me3)的基因激活效应，例如赖氨酸去甲基化酶将其去除。c |小鼠胚胎干细胞(ESCs) DNA甲基化缺失补偿。培养小鼠胚胎干细胞的培养基，从支持高级的全DNA甲基化到支持低级的全DNA甲基化的培养基，在转录过程中转录子一般可分为三类。在A类中，H3K9的甲基化没有受到干扰，但H3K27me3侵入转录子体;在B类中，H3K9的甲基化保持不变;在C类中，h3k9 -甲基化沉默与h3k27me3 -甲基化沉默之间存在表观遗传转换。d | UHRF1可以阻止setdb1介导的IAPs在半甲基化DNA上的沉默。在Dnmt1条件敲除中，UHRF1仍然与复制后的半甲基化DNA结合，并阻止H3K9甲基转移酶SETDB1沉默IAP转录子。这与野生型小鼠胎盘的生理相关，由于UHRF1与半甲基化的DNA结合，IAP被抑制。在Uhrf1突变体ESCs和胎盘中，SETDB1催化H3K9的三甲基化，从而抑制IAPs。5m，第五个碳的甲基化; MERVL,小鼠内源性逆转录病毒与亮氨酸tRNA引物; MMERGLN,小鼠内源性逆转录病毒谷氨酰胺tRNA引物; Pol II, 核糖核酸聚合酶II。

图4 | DNA甲基化在发育中的重编程。a|胚胎和生殖系DNA甲基化的消除和建立。甲基胞嘧啶双加氧酶TET3在受精卵中具有活性，导致羟甲基化和激活DNA去甲基化。在被动去甲基化(虚线)之后，DNA甲基化在囊胚期达到最低点，随后是DNA(胞嘧啶-5)-甲基转移酶3A (DNMT3A)介导的，以及dnmt3b介导的囊胚植入后DNA的从头甲基化。DNMT3L也在这个时间窗中表达，但不是绝对必需的甲基化胚胎基因组。在胚胎外组织中，DNMT3A、DNMT3B和DNMT3L均有表达，但表达程度低于正常胚胎，这与DNA相对低甲基化有关。着床后，在胚层，干细胞的一个子集被指定用于生殖系，在那里它们经历两波DNA去甲基化:一波是被动的，另一波是由TET1和TET2介导的。在啮齿科(包括小鼠和大鼠在内的超家族)的DNMT3C中，男性配子在出生前通过DNMT3A和DNMT3L的活性而高度甲基化。在小鼠体内卵母细胞在减数分裂后和排卵前通过DNMT3A和DNMT3L的活性获得甲基化，在人类体内可能通过DNMT3A获得甲基化。b|在Zdbf2位点上的瞬时印迹。在着床前发育过程中，印迹Zdbf2长亚型(Liz)的表达:母体等位基因甲基化并沉默，父本等位基因未甲基化并表达。两个等位基因上的Zdbf2启动子通过组蛋白H3 Lys27 (H3K27me3)的聚合法介导的三甲基化沉默。在植入过程中，父本Liz的表达导致典型Zdbf2启动子上游的DNA甲基化，并将H3K27me3逐出，而母本等位基因仍然受到H3K27me3的抑制。因此，尽管Liz的印迹是短暂的，但它会导致Zdbf2的永久印迹，因为父本基因的植入后甲基化可以通过拮抗多梳介导的抑制使父本Zdbf2终生表达。在胚胎中不能激活Zdbf2会导致产后生长缺陷。c| DNA甲基化在组织特异性增强子上的转化。在体细胞组织中，动态DNA甲基化常发生在调控元件上。TET酶与转录因子(TF)协同作用导致DNA去甲基化和增强子活化。非活性增强子受转录因子的结合较少，更容易被DNA甲基转移酶从头合成。d |CpA甲基化在神经元中的作用。出生后，DNMT3A在基因体中沉积DNA甲基化。甲基化CAC序列(mCAC)由甲基- cpg结合蛋白2 (MeCP2)识别，其结合建立了基因沉默的终生表观遗传记忆。5hm，第5个碳的羟甲基化;5m，第五个碳的甲基化;E,胚胎日；PGC,胚胎原始生殖细胞;W,周。