反思在生物体DNA甲基化的意义:从细菌到人类

文摘

表观遗传学是指发生可遗传的基因表达变化的研究没有DNA序列变化和DNA甲基化是最重要的一个诱发本条例的组成部分。与DNA突变,DNA甲基化的变化可以受到环境因素的影响,他们在个人的时间尺度是稳定的和现在的不同程度的遗传。有效的抵抗系统对噬菌体感染细菌利用甲基化机制和生物技术的应用程序中的这些防御系统成为无价的工具。一个进化的基因组甲基化模式指导我们更好地理解特定功能在不同的生物体。在人类疾病与突变,这通常发生在一个广泛的网站,异常的特定的启动子区域的甲基化是癌症的一个一致的特性。因此,这些循环的测定甲基化epigenotypes相当有利的方面反映出致癌作用的早期阶段,预先确定未来癌症类型。在本文中,我们的目标是提供一个概览的概念和相关的分子机制在生物甲基化。动态了解甲基化导致原核和真核生物前景多感知价值的表观遗传过程在进化和临床实践。

关键字

表观遗传学、甲基化DNA甲基转移酶、CpG岛。

介绍

虽然遗传学是指信息的研究继承了基因序列的基础上,表观遗传学的研究是可逆的变化,发生在不改变DNA序列(1- - - - - -2]。表观遗传修饰类型包括DNA甲基化、组蛋白修饰、微RNA (microRNA)和长非编码RNA (lncRNA)介导的规定(3]。动态染色质状态是由可逆控制表观遗传模式的DNA甲基化和组蛋白修饰,因此这两个模式编排组织DNA和基因表达4]。表观遗传球员积极相互作用基因表达的最终确定;的影响DNA甲基转移酶(DNMTs)对DNA甲基化是由他们的交互与组蛋白和核小体和DNA甲基化也可以调节组蛋白和核小体的修改5]。DNA甲基化是至关重要的正常胚胎发育等许多重要功能基因调控,细胞分化控制,染色质修饰,突变积累,沉默内生逆转录病毒,染色体完整性、基因组印记控制和X染色体失活(6]。

DNA甲基化的建立和维护是由特定的酶称为DNA甲基转移酶。甲基可能合并腺嘌呤的N6位置或在不同分子的位置明显的胞嘧啶(陶瓷或C5) DNA甲基转移酶依赖于生物体。腺嘌呤甲基化在真细菌和Archea但限于等单细胞生物四膜虫在真核生物和陆地植物的叶绿素基因组。胞嘧啶甲基化在C5立场是共同所有的生活领域,是唯一在多细胞真核生物DNA修改报告(7]。

细菌的DNA甲基化的重要性是保护入侵细胞外的细菌基因组DNA。地球上大约有1031个病毒,大多数这些噬菌体感染细菌(8]。因此,毫不奇怪,大量的细菌噬菌体迫使发展柜台攻击防御机制对这些多产的入侵者。原核生物的防御系统可以分为两大组根据他们的行为模式;第一组包括防御系统功能的原则self-non-self-discrimination和第二组的防御系统是基于程序性细胞死亡或感染引起的休眠。Self-non-self-discrimination建立防御系统包含至少三种类型;最好的特点一个是restriction-modification(-)系统,使用甲基化标签“自我”基因组DNA和DNA识别和劈开修改的“异己分子”。另一个防御系统称为DNAphosphorothioation标签DNA phosphothiolation和破坏的DNA。这两个系统代表了原核生物的先天免疫。与这些机制不同,第三个代表了原核生物的适应性免疫系统,称为CRISPR定期(集群空间短回文重复)cas (CRISPR-associated基因),最著名的拉马克学说的继承(9]。细菌可以将短链phage-derived序列(衬垫)CRISPR位点成为抗噬菌体CRISPR位点和噬菌体基因组区域快速演化。CRISPRmediated阻力的关键特性是,新收购的间隔(29日和31日核苷酸之间大小)必须是相同的噬菌体基因组序列提供电阻(10]。CRISPR-CAS系统中发现大约一半的细菌基因组测序和超过80%的热点的有几个类比真核核糖核酸干扰(RNAi)系统,特别是piwiinteracting RNA (piRNA) [11,12]。最好的特点restriction-modification(-)系统中通常存在甲基化保护授予的超过90%的细菌和古细菌基因组测序和最著名的II型系统广泛应用于分子生物学(12,13]。尽管-系统已经详尽研究,尤其是基因工程,最近的研究澄清,两个系统都兼容,打通入侵DNA并提供细菌噬菌体阻力增加。此外,CRISPR-Cas系统可以打通噬菌体之前DNA甲基化-系统(12]。最近,一种新的防御系统指示为BREX(噬菌体排斥)被发现。这个系统在一个特定的主题和甲醇染色体DNA甲基化似乎是必不可少的的活动系统。BREX是phage-defense系统提供一系列广泛的防护噬菌体包括毒性和温带和BREX的分布系统的研究在微生物物种中阐明了广泛的横向转移(14]。没有DNA甲基化在某些真核生物如酵母、蛔虫和果蝇与进化相关损失的DNA甲基转移酶同系物(15]。“Genome-defense”假说也可以建议哺乳动物。基因组寄生虫如转座的元素可以控制转录DNA甲基化块移动元素。许多甲基胞核嘧啶在哺乳动物基因组中发现移动元素和DNA甲基转移酶灭活时,一些内生逆转录病毒倾向于成为脱甲基。因为有一些例外等这一假设c . intestinalis这个问题需要进一步研究[16]。

DNMTs执行DNA甲基化共享一个守恒的催化域是一个常见的和古老的起源16]。在大多数动物类群,DNA甲基转移酶由一个家族的三个分支称为DNMT1 DNMT2, DNMT3。DNMT1帖子复制维护DNA甲基转移酶参与的甲基在C5的位置,从而确保DNA甲基化状态是忠实地复制新合成的DNA链。DNMT3 DNA甲基化在动物发展和被称为新创DNA甲基转移酶。DNMT2的甲基化作用小,它的主要酶学导演的tRNA [17]。除了与DNMTs的共同起源,甲基化是守恒的,明显倾向于外显子在大多数生物体(18]。

动物基因组DNA甲基化几乎只发生在胞核嘧啶其次是鸟嘌呤,所谓“CpG二核苷酸”。化学性质不稳定的甲基胞核嘧啶倾向于自发脱氨基作用和胸腺嘧啶突变。因此,DNA甲基化导致高频论文认定tpg和甲基化基因的点突变区域逐渐失去它的论文认定。CpG基因组区域的二核苷酸的损耗是衡量一个度量称为“CpG O / E:观察CpG频率归一化的预期CpG频率”这是一个简单的和健壮的方法来评估不同的基因组DNA甲基化水平(16]。

进化新奇的来源之一是基因重复事件。然而,基因组的基因复制动态也会导致蛋白质的化学失衡降低了有机体的健康。证据从比较分析的基因重复和选定的基因家族支持微分DNA甲基化和表观遗传变化的角色保护复制基因pseudogenization [19]。当多个人类和黑猩猩组织调查,根据组织12 - 18%的跨物种的基因表达水平的差异可能部分解释DNA甲基化模式的改变(20.]。然而,有些情况下包括纤溶酶原序列中胞嘧啶metylation物模式似乎是守恒的(21]。汉德尔和Ramagopalan的争论集中在表观基因组的本质。自表观基因组是动态和环境产生重要影响,表观遗传标志反映一个人的环境暴露和倾向于变化在细胞/组织的生命周期,从而获得所有的时间22]。

有三个重要的影响DNA甲基化的基因疾病发展的机制:1)突变5-methylcytosine负担,2)表观基因启动子甲基化对基因转录的影响,和3)染色体不稳定的潜在基因激活和诱导DNA hypomethylation [23]。表观遗传学显然是与多种人类疾病,如发育疾病、自身免疫疾病、神经精神疾病,小儿综合症和癌症(4,24]。

甲基化变化的共同特征不同癌症类型和发生在癌症早期发展。循环肿瘤DNA (ctDNA)隔绝体液如血浆、血清或尿液为无创性监测提供了一个巨大的潜力在癌症患者肿瘤负荷的变化,因此非常有利于调整治疗手术后或治疗期间。癌症特异性循环DNA甲基化提供了一系列承诺目标,如提高病人的管理,减少不必要的药物毒性和加速从临床试验数据采集23,25]。与突变,甲基化总是发生在定义区域(CpG岛)和高灵敏度和高分辨率的技术能被探测到。此外,每种类型的肿瘤明显似乎有自己的甲基化基因的签名模式[2]。病原体感染也导致人类癌症和这些感染能引起异常甲基化配置文件。幽门螺杆菌在胃粘膜感染诱发DNA甲基化积累,导致一个表观遗传领域的缺陷,从而提高胃癌的发生发展。巴尔病毒(EBV)感染诱发大量的DNA甲基化与一个独特的甲基化epigenotype胃上皮细胞。人类乳头状瘤病毒(人类乳头瘤病毒)感染皮肤或粘膜上皮细胞宫颈肿瘤的发展。人乳头状瘤病毒长期控制区域(LCR)包含病毒启动子序列的早期基因包括病毒致癌基因E6、E7病毒转录增强器和病毒DNA复制的起源。DNA甲基化的研究显示之间的关联程度的CpG甲基化在HPV16电感电容电阻测量序列和疾病的严重程度26,27]。

主要的甲基化机制,简要概括模型在细菌和人类中描述(图1)。

(1)胞嘧啶甲基化(CpG)。(一)DNA甲基转移酶1、3或3 b (DNMT)催化的一个甲基(CH盘旋₃)在第五个碳的嘧啶环胞嘧啶核苷酸通过S-adenosyl蛋氨酸(SAM-CH₃)作为甲基供体。(B) C-to-T过渡是由磺化的胞嘧啶(胞嘧啶胞嘧啶磺酸盐),然后水解(胞嘧啶磺酸盐尿嘧啶磺酸盐)发生脱氨基作用,过程是由碱desulfonation(尿嘧啶尿嘧啶磺酸盐)。由于甲基胞嘧啶抗拒这种化学治疗,可以区分甲基化与unmethylated CpG后续分子技术。(2)Restriction-modification(-)系统作为防御机制。-系统识别传入的外来DNA的甲基化状态如噬菌体的基因组。甲基化序列是公认的自我,而识别序列的DNA甲基化被认为是缺乏异物和裂解的限制性内切核酸酶(原因)。基因的甲基化状态识别网站维护的同源甲基转移酶(MTase)。(3)CRISPR-Cas模型:噬菌体DNA注射后一个适应复杂的由Cas9, Cas1, Cas2 Csn2使用Cas9 PAM绑定域指定功能protospacers。尚不清楚如何protospacer序列提取的病毒DNA成为一个垫片。有两种模型提出:“剪切和粘贴”和“复制和粘贴”。 In “cut and paste” model, a nuclease, possibly Cas1, cuts the viral DNA to generate the spacer. In the “copy and paste” model, the protospacer sequence is copied first. Once loaded with the selected protospacer sequence, this complex promotes the integration of this sequence into the CRISPR array, thus becoming a new spacer. (4) DNA methylation and cancer: A representative region of genomic DNA in a normal cell is shown. The region shown contains repeat-rich, hypermethylated pericentromeric heterochromatin and an actively transcribed tumour suppressor gene (TSG) associated with a hypomethylated CpG island. In tumour cells, hypomethylation of repeat-rich heterochromatin contributes to genomic instability through increased mitotic recombination events. De novo methylation of CpG islands also occurs in cancer cells and can result in the transcriptional silencing of growthregulatory genes [28- - - - - -31日]。

结论

总之,我们可以告诉,甲基化现象是不可避免的重要方面的原核和真核生物的生命形式。它是有价值的古菌和细菌的基因组防御系统修改和负责任的植物和动物的基因调控机制。对于人类来说,这是一个非常有前途的小说概念的力量将分子遗传学转化为临床应用,如甲基化的决心epigenotypes各种疾病和疾病的亚型,预先决定的高危个体,开发定制的分子治疗机制,监测肿瘤负担手术后和治疗期间的变化。

引用

1. Kim WJ等。在膀胱癌生物标志物:现状和观点。Biomark见解。2007;2:95 - 105。
2. 在膀胱癌Enokida H和中川m .表观遗传学。Int J ClinOncol。2008;13 (4):298 - 307
3. 吴H, et al。重要的表观遗传学与转录因子诱导的自身免疫:一个全面的审查。中国过敏Immunol牧师。(2016);50:333 - 344。
4. Rodenhiser D和曼m .表观遗传学与人类疾病:翻译基础生物学进入临床应用。协会。(2006),174 (3):341 - 348。
5. 个L, et al .新兴DNA甲基化在肾移植中的作用:一个视角。J移植。(2016)16岁;(4):1070 - 1078。
6. 丹尼尔FI, et al。表观遗传转录镇压和DNA甲基转移酶的作用在癌症。癌症。(2011),117 (4):677 - 87。
7. 激怒B, et al。环境因素诱发的表型和DNA甲基化:如何应对不可预知的条件,直到下一代之后。摩尔生态。(2010)19 (7):1283 - 95。
8. 布莱巴特M和Rohwer说道这里f .病毒,病毒,到处都是同样的病毒?。Microbiol趋势。(2005),13 (6):278 - 84。
9. Makarova KS等。比较基因组学古菌和细菌的防御系统。核酸研究》(2013)41 (8):4360 - 4377。
10. Deveau H,等。在乳酸链球菌噬菌体应对CRISPR-encoded抵抗。J Bacteriol。(2008)198 (13):1390 - 1400。
11. Mojica FJ, et al .短主题序列确定原核CRISPR防御系统的目标。微生物学。(2009)155:733-40。
12. Dupuis我,et al。CRISPR-Cas和再保险striction-modification系统兼容和增加抗噬菌体。Nat Commun。(2013)4:2087。
13. 斯特恩和4 r . phage-host军备竞赛:塑造微生物的进化。Bioessays。(2011);33 (1):43-51。
14. 戈德法布T, et al . BREX是一种新型的噬菌体抗性系统广泛的微生物基因组。EMBO。(2015)34 (2):169 - 83。
15. 李TF, et al。保护和真核生物DNA甲基化的差异。ProcNatlAcad科学。(2010年);107年(20):9027 - 8。
16. 易SV和Goodisman MA。计算方法对于理解DNA甲基化在动物的进化。表观遗传学。(2009);4 (8):551 - 6。
17. 伽柏米GL和Maleszka r外遗传性通信系统在人类和蜜蜂:从分子的行为。HormBehav。(2011)59 (3):399 - 406。
18. 冯年代,et al。保护和散度在植物和动物的甲基化模式。ProcNatlAcad科学。(2010)107 (19):8689 - 94。
19. Chang AY和廖。DNA甲基化调整基因剂量后哺乳动物基因的复制。MolBiolEvol。(2012)29 (1):133 - 44。
20. Pai AA, et al .全基因组研究DNA甲基化模式和基因表达水平在多个人类和黑猩猩的组织。公共科学图书馆麝猫。(2011)7 (2):e1001316。
21. 米格尔RB。epitype的进化。植物细胞。(2010),22 (6):1658 - 66。
22. 汉德尔AE和Ramagopalan SV。是拉马克的进化相关的药吗?。BMC医学麝猫。(2010)11:73。
23. Gonzalgo ML, et al .脱氧核糖核酸甲基化发展的角色,膀胱癌的诊断和预后。UrolOncol。(2007);25 (3):228 - 35。
24. 马拉赫斯特M和马。表观遗传学与人类疾病。Int J生物化学细胞生物。(2009年);41 (1):136 - 46。
25. 沃顿K, et al。血液循环肿瘤DNA甲基化:在癌症预后和响应。EndocrRelat癌症。(2016);23 (3):R157-R171。
26. 金田,et al . DNA甲基化积累和预先决定的未来癌症表型。学生物化学J。(2014),156 (2):63 - 72。
27. Simanaviciene V,等。不同的HPV16 DNA甲基化模式,HPV18 HPV51基因组在无症状的HPV感染与宫颈瘤。病毒学。(2015);484:227-33。
28. 朱J和姚明x使用DNA甲基化对癌症检测和分子分类。BMB报告。40 (2007);(2):135 - 141。
29. Vasu K和NagarajaV。多样化的功能restriction-modification系统除了细胞防御。MMBR。(2013),77 (1):53 - 72。
30. 冥界R, et al . Cas9 CRISPR-Cas适应期间指定功能的病毒的目标。大自然。(2015),519 (7542):199 - 202。
31. 菲利普斯t .甲基化在基因表达的作用。自然教育。(2008)1 (1):116。