技术解读｜原核DNA甲基化简述
原核DNA甲基化简述
DNA甲基化是指将甲基添加到DNA特定区域，使基因的表达发生了可遗传的改变的过程。 该过程可以在不改变核苷酸序列的情况下改变DNA的转录。 尽管自20世纪50年代以来，人们就已经知道DNA甲基化的存在，但其机理和作用仍在研究中。近年随着生物技术的蓬勃发展，真核生物中的DNA甲基化修饰在生命体生理生化反应中的作用初露端倪，也愈发受到重视，其研究及应用领域包括疾病的发生，植物的生长等。但人们对原核生物中的DNA甲基化修饰却所知不多。近年的研究表明，原核生物中的DNA甲基化修饰为宿主适应变化多端的环境提供调控基础。
原核生物中的DNA甲基化
在细菌中，DNA甲基化被用于调节特定DNA-蛋白质相互作用的信号。甲基化系统通常由DNA甲基化酶和一种或多种DNA结合蛋白组成，可以与DNA上的目标甲基化位点重叠，随后阻断该位点的甲基化。
目标位点的甲基化修饰亦会抑制蛋白质结合，并决定了目标位点的甲基化或非甲基化状态。细菌通过这样的过程形成了特定的DNA甲基化特征，从而决定了哪些基因被表达，微生物该如何与环境相互作用。
细菌中DNA甲基化的起源
DNA的甲基化修饰为基因提供了可逆的表观遗传信息。这种修饰在细菌中参与并调节各种过程，例如基因表达和DNA复制。1953年，通过噬菌体对细菌的感染，人们第一次发现了DNA甲基化修饰的证据。该实验认为原核生物中的DNA甲基化修饰是一种保护细菌DNA免受噬菌体外源DNA侵害的方法。
该防御机制被称为限制性修饰系统（Restriction and Modification Systems，R-M systems），R-M 系统是指细菌基因组 DNA 在自身甲基转移酶的作用下，在特定位点发生甲基化修饰，而未甲基化的 DNA 将被同源限制性内切酶切割。R-M 系统由两个部分组成：DNA甲基转移酶和限制性内切核酸酶。甲基转移酶DNA的特定部分进行甲基化修饰，而限制性核酸内切酶则根据序列切割DNA。
由于R-M 系统由限制性和修饰性系统组成，因此它们可以有效区分“自身”和“非自身” DNA，以限制外源或噬菌体感染。该机制在原理上类似于先天免疫应答。
细菌中限制性修饰系统的类型
细菌中的限制性修饰系统具有多种生物学作用，如防御外来寄生的基因遗传元件、避免基因转移和防止谱系均质化。
R-M系统可以分为四种类型：
Type I R-M系统较复杂，由单独的限制性核酸内切酶（R）和甲基转移酶亚基（M）以及常见的DNA识别特异性亚基（S）组成。S 亚基决定了该系统靶序列的特异性，M 亚基和 R 亚基分别是甲基化和 DNA 切割所必需的。该系统识别由两部分组成的基序（motif），并且可以在远离结合区域的位置切割DNA。
Type II R-M 系统最为普遍，该系统通过限制性核酸内切酶和甲基转移酶(REase、MTase)发挥功能，根据甲基化修饰位置的不同可分为 3 类: class I(N6-腺嘌呤甲基化，m6A)、class II(N4-胞嘧啶甲基化，m4C)和 class III(C5-胞嘧啶甲基化， m5C)。它们同样具有DNA结合特异性，与短的非回文DNA序列结合。Type II R-M系统同样可以在DNA结合区域之外对DNA进行裂解切割。
原核生物DNA甲基化相关的碱基结构式
Type III R-M 系统由至少 2 个基因(res和mod)表达产物组成，Res 与限制酶的功能一样，Mod 与 DNA 结合并使之甲基化，Mod可不依赖于Res单独发挥功能，但 Mod是 Res活性所必需的。该系统同样与短回文基序结合，并在DNA结合区域之外切割。
Type IV R-M 系统与其他 3 类不同，它的甲基转移酶和内切酶结合起来，形成 1 个单酶，且只切割已经发生修饰了的碱基(如甲基化、葡糖基-羟甲基化和羟甲基化)。
DNA甲基化修饰在细菌中的普及度
Matthew J. Blow等人通过对200多种不同的细菌和其他原核生物，例如古细菌等研究发现，超过90％的原核生物中都存在DNA甲基化，并且有600多个甲基转移酶，表明存在大量的甲基化修饰多样性。
研究还观察到了许多其他的DNA甲基化模式（甚至包含没有限制性内切系统）。这表明DNA甲基化系统在原核生物中参与基因组调控，并在原核生物的生理生化中有着至关重要的作用，如调节毒力、抗生素耐药性，及适应氧化、缺氧、营养匮乏、酸性 pH 等环境。
真核生物中的DNA甲基化
真核生物中DNA的甲基化修饰通常用于调控基因的信号传导，在很多生理生化过程中发挥重要作用，例如胚胎发育、基因组印迹、X染色体失活等等。该修饰在哺乳动物中非常特殊，如体细胞中75％的CpG二核苷酸都存在甲基化修饰。
DNA甲基化修饰通常发生在真核生物基因组中的胞嘧啶碱基（Cytosine）上，形成5-甲基胞嘧啶（5mc）或5-甲基胞嘧啶（5hmc）。
真核细胞中DNA甲基化有两种模式。第一种方法称为从头甲基化（de novo Methylation），它涉及在胚胎形成或成体细胞分化过程中重新排列甲基化模式。已经发现两类甲基转移酶DNMT3a和DNMT3b参与了从头甲基化，并负责重复序列的甲基化。
相反，维持甲基化属于第二类。一旦建立，此类DNA甲基转移酶便会维持甲基化模式。DNM1是Bestor及其同事发现的第一个小鼠甲基转移酶。并发现该酶具有高维持甲基化活性，对于小鼠发育至关重要。
由于甲基化在基因表达和细胞分化过程中至关重要，因此此过程中的任何错误都可能导致疾病状态，如癌症，狼疮，肌营养不良症，一些先天缺陷等。DNA甲基化甚至与许多心血管疾病有关，包括动脉粥样硬化。关于甲基化研究在生命健康中的应用，这里就不在赘述。
真核生物与原核生物
在真核生物中，DNA甲基化仅发生在胞嘧啶碱基（C）上，特别是CpG序列。而在原核生物中，腺嘌呤碱基（A）的甲基化是主要的表观遗传信号。真核生物中只存在一些DNA甲基转移酶。但在原核生物中存在大量的DNA甲基转移酶，并多具有高序列特异性。例如，人胃病原体幽门螺杆菌具有大量的DNA甲基转移酶基因，不同的菌株甚至含有不同且相当独特的序列。
但是，DNA甲基化修饰在原核生物和真核生物中都具有保护功能。例如，人类和啮齿动物中插入的病毒序列可以被甲基化，并使其沉默。因此在生物的进化过程中，DNA甲基化的识别和消除功能似乎是保守的。
参考文章
· Blow et al. (2016) The Epigenomic Landscape of Prokaryotes. PLoS Genetics
· Sánchez-Romero et al. (2015) DNA methylation in bacteria: from the methyl group to the methylome. Current Opinion in Microbiology
· Scitable Nature Education (2008). The Role of Methylation in Gene Expression
· Cooper D N (1983) Eukaryotic DNA. Human Genetics.
· Lee et al. (2010) Conservation and divergence in eukaryotic DNA methylation.PNAS
· Scitable Nature Education (2008). DNA methylation landscapes: provocative insights from epigenomics
· Sebastian Fischer et al. (2019) A unique methylation pattern by a type I HsdM methyltransferase prepares for DpnI rare cutting sites in the Pseudomonas aeruginosa PAO1 genome. FEMS microbiology letters
· Beaulaurier, John et al. (2019) Deciphering bacterial epigenomes using modern sequencing technologies. Nature reviews. Genetics
· Nye, Taylor M et al. (2019) DNA methylation from a Type I restriction modification system influences gene expression and virulence in Streptococcus pyogenes. PLoS pathogens