DNA甲基化是什么意思？DNA甲基化轉移酶與生長抑制（一）
DNA甲基化作為重要的表觀遺傳修飾，主要發(fā)生在CpG島，通過DNA甲基化轉移酶催化完成。DNA甲基化調控基因表達，在細胞分化、遺傳印記和腫瘤的治療等方面起著重要作用。論文概述了DNA甲基化基本概念，總結了DNA甲基化在生長抑制中的作用機制，包括降低生長相關激素的表達，阻滯細胞周期的進程，誘導細胞凋亡，阻止血管生成及抑制或激活DNA甲基化轉移酶的表達和活性，展望了DNA甲基化在揭示人類疾病機制，促生長藥物和抗癌藥物的研發(fā)等方面的發(fā)展前景。
近年來，飼料污染、抗生素濫用和代謝病等因素造成的動物生長抑制普遍存在，給畜牧業(yè)帶來巨大經濟損失。此外，在癌癥的治療中，癌細胞的生長抑制也是一大熱點。在生長抑制的分子機制中，DNA甲基化起著重要作用。研究發(fā)現，與動物生長有關的激素及其受體如生長激素(growth hormone,GH)及生長激素受體(growth hormone receptor,GHR)的表達受DNA甲基化的影響。復發(fā)性結直腸癌中，有4787個顯著差異甲基化基因，大部分的高甲基化基因參與絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)信號通路來調節(jié)細胞凋亡，低甲基化基因參與了PI3K-AKT信號通路和細胞增殖過程，進而調節(jié)細胞的生長。因此可以推測異常的DNA甲基化在生長抑制中扮演重要作用。本文就DNA甲基化及其與生長抑制的研究進展做一綜述。
1 DNA甲基化
DNA甲基化即在DNA甲基化轉移酶(DNA methyltransferases,DNMTs)作用下，S-腺苷甲硫氨酸(s-adenosylmethionine,SAM)提供的甲基與胞嘧啶共價結合的過程。DNA甲基化主要發(fā)生在CpG島的胞嘧啶上。哺乳動物中DNMTs主要分為DNA甲基化轉移酶1(maintenance methyltransferase,DNMT1)，DNA甲基化轉移酶3a(DNA methyltransferases 3a,DNMT3a)，DNA甲基化轉移酶3b(DNA methyltransferases 3b,DNMT3b)。DNMT1的作用是維持DNA甲基化，DNMT3a、DNMT3b可能調控細胞生長分化。通常，DNA甲基化可負調控基因的表達。DNA甲基化阻止轉錄因子與基因啟動子結合，使基因轉錄水平降低，故基因的高甲基化沉默基因的表達，基因低甲基化上調基因的表達水平。此外，DNA甲基化可能改變染色質成分之間的力學性能，進而引起染色體結構改變來抑制基因轉錄。DNA甲基化在胚胎生長發(fā)育、腫瘤的發(fā)生及基因印記、基因組的結構穩(wěn)定等方面起著重要作用。
DNA甲基化與許多疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關。近年來發(fā)現，DNA的異常甲基化與生長抑制有關，如胚胎的生長發(fā)育，病變細胞如腫瘤細胞的生長抑制。此外，外界刺激如藥物也可能通過DNA甲基化引起細胞生長抑制。在癌癥的治療中，原癌基因的高甲基化與抑癌基因的低甲基化可引起癌細胞生長抑制，這為控制相關癌癥的發(fā)生、發(fā)展提供了科學依據。
2 DNA甲基化與生長抑制
機體生長發(fā)育是指細胞形態(tài)、體積上的增大及組織臟器功能上分化和完成的過程，其中生長激素軸起著重要作用。研究發(fā)現，DNA甲基化與動物生長緩慢及胚胎發(fā)育遲緩有關。此外，與癌細胞生長相關基因異常甲基化可通過阻滯細胞周期進程，誘導細胞凋亡，阻止新血管的生成來抑制細胞生長。DNA甲基化轉移酶的缺失也與機體或細胞生長抑制有關。下面就DNA甲基化在生長抑制中的作用機制進行闡述。
2.1抑制生長相關激素或因子的生成
GH或GH生長軸在眾多控制機體生長的因素中是至關重要的，該激素由垂體合成與分泌，可提高蛋白質代謝和促進氨基酸進入細胞，加速骨骼和肌肉的生長發(fā)育，從而促進機體生長。研究報道，雌性魚垂體中的GH基因啟動子區(qū)高甲基化下調GH的表達水平，進一步的研究發(fā)現，GH基因啟動子區(qū)的轉錄因子結合位點——E-BOX可以扭轉GH的高甲基化，從而上調GH的表達，表明GH基因的高甲基化可使GH下降，從而使機體生長緩慢。同時GH基因組蛋白H4去乙酰化也可引起GH表達水平下降。此外，GH與GHR結合才能發(fā)揮促生長作用。魚體內GHR1基因L1位點的甲基化調控GHR1基因的表達，進而影響機體生長，但要證明這一結果，需要在其他物種上進一步進行驗證。雞肝臟LMH細胞中GHR啟動子區(qū)組蛋白H3K9me2的增加也與GHR的表達降低有關。綜上，DNA甲基化和組蛋白修飾對GH及其受體的表達都有不同程度的影響，但目前只在雞和魚上開展了相應研究，還需在其他物種上進行驗證。
此外，在人類和嚙齒類動物中，胰島素樣生長因子1(insulin-like growth factor-1,IGF-1)的缺乏可以導致機體生長發(fā)育遲緩。小鼠中IGF-1及其受體啟動子區(qū)高甲基化可降低IGF-1的作用效果，抑制小鼠的生長。妊娠大鼠血清中IGF-1基因啟動子1和啟動子2區(qū)域高甲基化，從而使IGF-1表達下調，導致宮內胎兒發(fā)育緩慢。同時，通過染色質免疫共沉淀方法發(fā)現，IGF-1的表達水平受該基因啟動子1、啟動子2、外顯子5、遠端3′-UTP和近端3′-UTP的組蛋白修飾水平的影響，表明IGF-1的表達受甲基化水平與組蛋白修飾的共同調控，但動物垂體中的IGF-1基因的甲基化或組蛋白修飾位點是否與血清中相同，并不清楚。維生素葉酸可提供甲基基團，從而參與了DNA甲基化的形成。當親本體內葉酸缺乏時，影響其幼仔肝臟葉酸含量及全基因組DNA甲基化水平，且導致幼仔肝臟中IGF-1、IGF-2和IGF-1R表達水平降低，進而導致幼仔生長發(fā)育緩慢，但這里IGF及其受體表達水平的降低是否受DNA甲基化調控，尚不清楚。此外，全反式維甲酸(all-trans retinoic acid,ATRA)促進轉化生長因子-β3(transforming growth factor-β3,TGF-β3)基因啟動子去甲基化，進而上調TGF-β3蛋白表達水平，最終抑制14日齡胚胎的間充質細胞增殖分裂，導致胚胎生長緩慢。
此外，甲狀腺激素(T4、T3)在機體生長中也起重要作用。研究發(fā)現，DNA甲基化與組蛋白乙酰化可影響腦源性神經營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)的表達水平，導致甲狀腺功能降低，引起甲狀腺激素分泌減少，最終引起動物生長緩慢。
綜上所述，GH、GHR和IGF-1基因啟動子區(qū)高甲基化使這些基因表達水平降低，進而影響機體的正常生長發(fā)育。DNA甲基化也可間接影響TGF-β3和甲狀腺激素的生成來阻滯機體生長。此外，GH、GHR和IGF-1的表達水平也受組蛋白修飾水平的調控。但在調控生長相關激素的表達中，DNA甲基化的生成機制并不清楚，這些基因的修飾位點在不同的物種及機體的不同部位中的修飾位點的差異性也不清楚，這需要進一步研究。
2.2抑制細胞周期的進程
抑癌基因啟動子的高甲基化可下調其表達，造成腫瘤細胞異常生長。相反，在腫瘤的治療中，某些基因去甲基化在瘤細胞的生長抑制起著重要作用。腫瘤抑制基因PTEN啟動子區(qū)CpG島低甲基化使PTEN蛋白表達增加，進而PTEN蛋白拮抗PI3K/Akt信號通路使腫瘤細胞生長抑制。胃癌中減數分裂重組蛋白(meiotic recombination protein,Rec8)啟動子區(qū)高甲基化抑制Rec8表達。同時，Rec8的高表達可下調細胞生長因子如G6PD、SLC2A1、NOL3、MCM2、SNAI7和SNAI2，又可上調細胞凋亡因子如GADD45和GLDHA，進而抑制細胞活力、抑制集落形成和細胞周期的進程，最終抑制細胞生長。有研究表明，Rec8基因低甲基化可減緩細胞生長。另外，T24細胞中過表達的非編碼RNA——DBCCR1-003可結合DNMT1，從而降低由DNMT1介導的DBCCR1啟動子區(qū)的甲基化水平，且過表達的DBCCR1-003通過誘導G0/G1期阻滯和細胞凋亡，導致T24細胞生長抑制，提示因甲基化而活化的DBCCR1可能參與了細胞的生長抑制，這需要進一步證實。胃癌中神經元膜糖蛋白錨定蛋白2(MAM domain-containing glycosylphosphatidylinositol anchor protein 2,MDGA2)基因啟動子區(qū)高甲基化沉默其表達，又MDGA2通過阻滯細胞周期的G1期和誘導細胞凋亡來抑制細胞增殖，進而抑制腫瘤生長。進一步的研究發(fā)現，MDGA2通過DNMT1相關蛋白1(DMAP1)激活p53/p21信號級聯反應，抑制瘤細胞生長。綜上所述，某些基因的甲基化水平可調控細胞周期的進程，進而影響癌細胞的生長，但這些基因的甲基化是由DNMTs異常表達直接導致的，還是通過其他基因或蛋白介導的，尚不清楚，有待進一步研究。
2.3誘導細胞凋亡
某些細胞在凋亡信號分子刺激時會發(fā)生凋亡，從而抑制細胞生長。Ras相關結構域蛋白質1A(Ras association domain family member 1,RASSF1A)基因的激活促進腫瘤細胞凋亡，誘導細胞周期G2/M期阻滯，進而起到抗癌作用。研究發(fā)現，苯乙基異硫氰酸酯(PEITC)以劑量依賴的方式降低DNMT1、DNMT3a和DNMT3b的蛋白表達水平，進而使RASSF1A啟動子區(qū)去甲基化，誘導LNCaP細胞凋亡，最后使細胞生長抑制。人軟骨肉瘤中HOX轉錄反義RNA(HOX transcript antisense RNA,HOTAIR)通過招募甲基轉移酶EZH2和DNMT1，進而誘導miR-454-3p啟動子區(qū)域高甲基化來沉默miR-454-3p的表達。進一步的研究發(fā)現，miR-454-3p可靶向信號傳導與轉錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)和自噬基因ATG12，啟動因HOTAIR缺乏所誘導的細胞凋亡和自噬的減少，最終引起細胞生長抑制而死亡。因此，DNA甲基化可通過誘導細胞凋亡來抑制癌細胞的生長。