從生物學(xué)的角度，變老與細(xì)胞水平和分子水平的多種改變有關(guān)，包括表觀遺傳學(xué)的改變——在不改變核酸序列的情況下，對(duì)DNA或者染色質(zhì)進(jìn)行修飾。化學(xué)修飾對(duì)染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)和基因的表達(dá)有很大的影響。DNA的甲基化就屬于一種化學(xué)修飾，組蛋白的化學(xué)修飾包括乙?；⒓谆?、磷酸化和泛素化。

組氨酸的甲基化能夠引起異染色質(zhì)局部的形成，這種變化是可逆的，而DNA的甲基化修飾是一種高度穩(wěn)定的沉默標(biāo)志，很難被改變。甲基化后的DNA就像戴了一頂神奇的”帽子“，不斷的給我們帶來驚喜。

背景介紹

DNA甲基化的現(xiàn)象發(fā)生在原核生物和真核生物的基因組中。在原核生物中，DNA甲基化位點(diǎn)在胞嘧啶（cytosine，C）和腺嘌呤（adenine，A）中。然而在多細(xì)胞的真核生物中，DNA甲基化只發(fā)生在C堿基，甲基轉(zhuǎn)移酶將甲基選擇性地添加到胞嘧啶上，形成5’甲基胞嘧啶（5?methylcytosine，5mC）。

根據(jù)底物偏好性不同，甲基轉(zhuǎn)移酶主要分為兩種類型。第一類是從頭甲基轉(zhuǎn)移酶（de novo DNA methyltransferase）DNMT3a和DNMT3b——它們主要負(fù)責(zé)在未甲基化的CpG位點(diǎn)引入甲基，使其甲基化。第二類是持續(xù)性甲基轉(zhuǎn)移酶DNMT1——它作用于僅有一條鏈甲基化的DNA 雙鏈，負(fù)責(zé)在DNA復(fù)制過程中將未甲基化的新合成鏈甲基化。持續(xù)性甲基轉(zhuǎn)移酶DNM T1的作用，使甲基化能夠通過體細(xì)胞分裂進(jìn)行遺傳。

由于DNA甲基化能夠抑制基因的表達(dá)，因此，DNA的甲基化常被描述成”沉默”的表觀遺傳學(xué)標(biāo)志。在動(dòng)物基因組中，超過一半的基因包含短的富含CpG二核苷酸區(qū)域（約1000bp），稱為CpG島（CpG islands，CGIs），這些區(qū)域通常位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（Transcription start sites，TSSs）。CpG島不能發(fā)生甲基化，其他的CpG二核苷酸幾乎都能夠被甲基化。

圖1.1 CpG位點(diǎn)和CpG島

甲基化對(duì)于胚胎的存活至關(guān)重要，DNA甲基轉(zhuǎn)移酶失活的小鼠胚胎不能存活。在早期胚胎時(shí)期，所有的甲基化標(biāo)志都被清除，但在個(gè)體著床的時(shí)候，甲基化又被重新建立起來。這個(gè)過程一方面需要從頭甲基轉(zhuǎn)移酶一遍遍的將DNA甲基化，另一方面需要確保CpG島不被甲基化。

甲基化的特點(diǎn)：

1．DNA的甲基化能夠封鎖轉(zhuǎn)錄起始使轉(zhuǎn)錄過程不能延伸（真菌Neurosporacrassa除外），并且影響轉(zhuǎn)錄因子與啟動(dòng)子的結(jié)合。因此在功能上，甲基化常意味著轉(zhuǎn)錄沉默；

2．非CGIs處發(fā)生的DNA甲基化比CGIs位點(diǎn)更活躍且更具有組織特異性；

3．當(dāng)CGIs位于轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)（TSSs）時(shí)，一般不會(huì)被甲基化，如果該位置的CGIs發(fā)生甲基化，會(huì)引起基因長(zhǎng)期沉默，造成X染色體失活，生殖細(xì)胞中基因表達(dá)水平的改變等；但有時(shí)候CGIs能夠以一種組織特異性的方式進(jìn)行甲基化；

4．轉(zhuǎn)座子元件的甲基化能夠使其沉默，但不會(huì)影響宿主基因的轉(zhuǎn)錄延伸；

5．基因的甲基化與體細(xì)胞和生殖細(xì)胞的癌變有關(guān)。

看到這里，我們知道DNA甲基化是抑制基因表達(dá)的，只有去除5mC上的甲基帽子，后續(xù)基因才能表達(dá)，將甲基去除的方式稱為“去甲基化“。去甲基化過程涉及到TET家族（ten-eleven translocation）的蛋白——甲基胞嘧啶雙加氧酶、胞苷脫氨酶（activation-induced cytidine deaminase，AID）和胸腺嘧啶糖苷酶（thymine DNA glycosylase，TDG)。

首先將5mC轉(zhuǎn)變?yōu)?’羥甲基胞嘧啶(5hmC)，接著催化為5’甲酰胞嘧啶（5-formylcytosine，5fC）和5’羧基胞嘧啶（5-carboxylcytosine，5caC)，它們能夠被TDG清除，而TDG介導(dǎo)的這種方式也被稱為主動(dòng)去甲基化。TET蛋白的缺失造成CpG位點(diǎn)脫甲基失敗，并且干細(xì)胞增強(qiáng)子區(qū)域DNA的甲基化程度變高。

圖2.1 去甲基化途徑

DNA甲基化與疾?。?/span>

DNA甲基化模式的擾動(dòng)變化常與疾病相關(guān)，尤其是在癌癥中DNA甲基化的變化尤為明顯，比如抑癌基因的CGIs啟動(dòng)子被甲基化，導(dǎo)致抑癌基因不能表達(dá)。一般而言，腫瘤細(xì)胞的基因組是去甲基化的，所以它們的擴(kuò)增不受抑制。

1.甲基轉(zhuǎn)移酶DNMT3A的突變是白血病患者中最常見的突變，約25%的成年白血病患者攜帶DNMT3A的突變，而去甲基化酶TET2的突變則與很多惡性髓系血液病相關(guān)。

2.脆性X染色體綜合癥，免疫缺陷，著絲粒不穩(wěn)定和面部異常綜合癥，都與DNA甲基化有關(guān)。甲基化修飾在很大程度上提高了C突變?yōu)門的幾率，這種轉(zhuǎn)變與1/3的生殖細(xì)胞致病突變，以及體細(xì)胞的致癌突變有關(guān)；

3. DNA甲基化與人類癌癥的相關(guān)性已經(jīng)變得更加明顯，在體細(xì)胞中，DNA甲基化是抑癌基因致癌突變的主要原因，如TP53的突變；

4.多數(shù)基因的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)負(fù)責(zé)編碼腫瘤抑制子，例如眼癌相關(guān)的基因RB1, MLH1, p16和BRCA1，其中有些位于CGIs；在很多腫瘤中，一些基因的啟動(dòng)子發(fā)生廣泛的甲基化，包括抑癌基因CGI啟動(dòng)子的甲基化，例如眼癌，結(jié)腸癌，肺癌和卵巢癌，而調(diào)控甲基化的蛋白處于失活狀態(tài)。

甲基化的檢測(cè)

目前檢測(cè)甲基化的金標(biāo)準(zhǔn)是亞硫酸氫鹽測(cè)序法，基本原理是：用亞硫酸氫鹽處理DNA，未發(fā)生甲基化的胞嘧啶能夠被轉(zhuǎn)化為尿嘧啶，而甲基化的胞嘧啶則保持不變，通過后續(xù)的測(cè)序即可檢測(cè)。利用亞硫酸氫鹽的這種原理，可以衍生出多種甲基化檢測(cè)方法，如甲基化特異性的PCR和高分辨率熔解曲線法。

值得一提的是，隨著測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，PacificBiosciences公司和Oxford Naropore公司的三代測(cè)序能夠檢測(cè)到被甲基化的DNA，不需要經(jīng)過亞硫酸氫鹽處理。

甲基化與衰老

甲基化與衰老有關(guān)；甲基化會(huì)隨著年紀(jì)的增大而逐漸發(fā)生變化，并且年紀(jì)越大，甲基化狀態(tài)容易變得不穩(wěn)定。初生兒DNA的甲基化程度比成人低，成人大腦和血液中DNA甲基化的水平先是快速的升高，之后保持穩(wěn)定。

在衰老的過程中，DNA甲基化總體水平不會(huì)有太明顯的變化，然而個(gè)體間的差異會(huì)增加。同時(shí)，CGIs的甲基化程度增加，但非CGIs區(qū)域的甲基化程度減小，說明本應(yīng)該存在甲基化的地方被去甲基化，不應(yīng)該被甲基化的位點(diǎn)卻加上了甲基化帽子。由于基因組上一些特異位點(diǎn)的甲基化程度與衰老有密切的關(guān)系，因此，甲基化能夠被用來預(yù)測(cè)年紀(jì)。

坊間傳聞，女人比男人衰老的更快。然而在甲基化程度上，公鼠和母鼠并沒有明顯的區(qū)別，但卵巢切除術(shù)后，母鼠明顯衰老的更快。有趣的是，準(zhǔn)父母的年齡會(huì)影響后代DNA的甲基化，而且母親在孕期的飲食，對(duì)后代是否容易肥胖及形成代謝疾病有明顯的影響。比如孕婦低脂質(zhì)攝入，而后代高脂肪攝入的時(shí)候，其表觀遺傳學(xué)上的漂變有加劇的趨勢(shì)，這意味著老得更快，說明生物衰老受飲食的影響。

甲基化的應(yīng)用

甲基化能夠在醫(yī)學(xué)研究中作為一種生物標(biāo)記，這里的生物標(biāo)記指的是它可以用來預(yù)測(cè)疾病狀態(tài)或治療后機(jī)體的反應(yīng)。因?yàn)?span style="font-synthesis: style;font-weight: 600;">DNA總體甲基化水平（即甲基化譜）和特定基因甲基化程度改變可作為腫瘤診斷指標(biāo)，例如前列腺癌等。

隨著三代測(cè)序的發(fā)展，甲基化的檢測(cè)變得更容易，這為全基因組甲基化標(biāo)記圖譜的建立提供了更快捷的方法，同時(shí)也對(duì)表觀遺傳學(xué)的研究起到推動(dòng)性的作用。