DNA甲基化在人类疾病的作用

DNA甲基化是最早的之一表观遗传修饰在人类被发现。它包括甲基(CH的转移₃)组胞嘧啶碱基组成的C5位置脱氧核糖核酸(DNA)生产5-methylcytosine (5 mc)是由一系列酶催化的反应DNA甲基转移酶(DNMTs)。通常,改变胞嘧啶碱基驻留立即毗邻鸟嘌呤碱基。这将导致两个5 mc基地坐在对角互补的DNA链。

DNMTs有几个不同的角色,例如,他们可能功能新创DNMTs,包括建立的初始模式甲基DNA分子。而其他DNMTs采取维护角色,从现有的DNA链的甲基化模式复制到复制发生后的新伙伴。

几项研究在1980年代发现DNA甲基化在基因调控和细胞分化的一个重要部分。自那以后,进一步研究已经证实的作用异常甲基化的开发和发展各种各样的疾病。根据Esteller主任约瑟卡雷拉斯白血病研究所和巴塞罗那大学的遗传学教授“DNA甲基化是一个主控制器的具体组织表达允许一个基因的正确表达正确的器官或细胞类型。他进一步补充说,“DNA甲基化沉默作为缓冲来稳定我们的基因组和重复chromosomic地区。许多疾病显示DNA甲基化的改变会影响细胞活性。“Esteller的研究主要集中在DNA甲基化改变,组蛋白修饰和染色质在人类癌症。目前,他正在建立正常和转化细胞的表观基因组和epitranscriptome地图。

在哺乳动物中,甲基化主要是稀疏,但全球分布在特定的CpG或CG(胞嘧啶,鸟嘌呤,)序列。在某些地区的基因组,CpG十分发现(例如,CpG岛)。在健康细胞,CpG岛屿有关与基因催化剂通常不受甲基化,而岛屿发现在基因的身体往往会变得在开发过程中甲基化。研究人员指出,甲基化催化剂的CpG岛地区的差别会导致不恰当的对这些特定的基因(例如,癌细胞的肿瘤抑制基因沉默)。

DNA甲基化在正常的生物过程的作用

的作用和地位DNA甲基化王国的生物体的不同而不同。正如上面提到的,哺乳动物倾向于拥有一个全球分布的CpG甲基化,在无脊椎动物通常显示一个“马赛克”的甲基化模式。

DNA甲基化起着重要的作用在许多生物过程例如,基因组印记,干细胞分化和染色体的稳定性,被认为是一个 必要的修改,调节细胞生长和增殖。DNA甲基化模式是可变的和可继承集和异常的DNA甲基化在父母的等位基因,各种严重的疾病,比如癌症、衰老疾病,代谢性疾病,心理疾病和遗传性疾病,可能发生。

DNA甲基化与疾病

科学家首次发现DNA甲基化的作用人类疾病在研究基因组印记。基因组印记是一个稳定和独立于经典的孟德尔遗传现象发生的过程。它涉及基因的表观遗传标记(如甲基化),根据其父母的起源导致差异表达的基因,无需修改底层的DNA序列。在这里,我们强调的一些疾病引起的异常的DNA甲基化。

自身免疫性疾病

类风湿性关节炎(RA)是一种慢性自身免疫性炎症性疾病,导致小型和大型对称的多发性关节炎关节。科学家进行了全基因组DNA甲基化分析外周血单核细胞,发现改变了DNA甲基化的人类白细胞抗原(HLA)二类。这个异常的DNA甲基化可以促进基因患风湿性关节炎的风险。

系统性红斑狼疮(SLE)是一种自身免疫性疾病,人体的免疫系统错误地攻击自己的健康组织。全基因组DNA甲基化的评估证明微分DNA甲基化在系统性红斑狼疮患者的基因,与自身抗体的生产。中可观察到异常的DNA甲基化的启动子区域il - 6基因。

代谢紊乱

科学家们还认为高血糖和高脂血症与微分DNA甲基化,导致异常的基因表达。减少1甲基化的细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂和磷酸二酯酶7 b推动者揭示分子特异表达人类胰岛素分泌。DNA甲基化也一直与肥胖联系在一起,增加了DNA甲基化的低氧诱导因子3α在脂肪组织和血液细胞引起的增加身体质量指数(BMI)。

癌症

甲基化是最早的变化之一许多癌症类型,检测游离DNA的甲基化状态是一种很有前途的非侵入性的早期癌症检测。最近,组学(基因组学、蛋白质组学、转录组和代谢组学)研究提供了支持的证据,这些调查结果,确认异常的DNA甲基化与肝细胞癌、乳腺癌、胶质母细胞瘤、鳞状细胞肺癌、白血病、甲状腺癌。微分DNMTs的表达和突变DNMTs常见癌症患者,这两种影响甲基化机制。先前的研究表明,表观遗传调节异常在肿瘤发展和转移中扮演着关键角色。

“癌症,我们观察一个通用全球hypomethylation的基因组DNA,更影响CpG-rich焦DNA甲基化序列(所谓的CpG岛)经常发现在启动子,”教授解释道Gerd Pfeifer从表观遗传学中心,Van Andel研究所。具有的实验室调查癌症和其他疾病的潜在机制,特别专注于DNA突变,DNA甲基化和5 mc氧化的作用。根据Pfeifer,大多数癌症的DNA甲基化事件已经无关紧要,因为基因沉默。然而,一些甲基化事件可以被认为是肿瘤司机时,例如,他们沉默基因编码anti-proliferative因素,DNA修复基因或基因的正常细胞分化。

Paula Esteller-Cucala 比较基因组学的博士研究员集团德研究所Biologia Evolutiva (IBE),她的工作侧重于表观遗传学和转录组的非人类的灵长类动物。她说,“甲基化模式非常不均匀。他们可能会有所不同从一个癌症类型到另一个地方,也从一个细胞到另一个细胞类型。理解这些修改的作用及其效应在不同癌症类型目标潜在的治疗方法和治疗是至关重要的。“识别特异的DNA甲基化标记(地区特别的基因组甲基化或在一个或多个unmethylated癌症或亚型),可以用来检测和监测癌症为发展治疗策略。

神经胶质瘤脑癌是一个常见的一种,起源于支持大脑神经元的神经胶质细胞。最近,研究人员使用一种单细胞multiomics方法识别甲基化是在单个肿瘤细胞获得神经胶质瘤患者。他们可以确认不同的DNA甲基化模式负责细胞从一个状态转移到另一个(例如,癌状态成熟状态)和发达的地图从采样肿瘤细胞状态。从这项研究中获得的见解可能有助于开发更好的方法来检测,阶段,监测和治疗这种疾病。

神经系统疾病

异常的DNA甲基化也与神经系统疾病有关。methyl-CpG-binding蛋白2基因突变患者被发现Rett综合症和自闭症谱系障碍。科学家发现,DNA甲基化的改变形象推广与突触活动相关的基因表达改变。

低甲基化水平的catechol-O-methyl转移酶在外周血中观察到患者精神分裂症。

一个epigenome-wide协会研究而组织的甲基化模式三种不同的哺乳动物物种来确定亨廷顿氏舞蹈症伴随着DNA甲基化改变。研究人员发现,这种疾病与“深刻变化”的DNA甲基化水平。

一个系统性回顾DNA甲基化在阿尔茨海默病的发现应用程序基因编码一个蛋白质叫做淀粉样前体蛋白与淀粉样斑块的形成有关——在大脑始终hypermethylated和外周血。

技术用于研究DNA甲基化

根据Pfeifer,“大部分的常规分析方法 DNA甲基化模式是基于将胞嘧啶转化为尿嘧啶通过化学脱氨基作用使用高温和高浓度的亚硫酸氢钠,而一些新方法使用酶脱氨基作用。“通常,病理学家的脸困难在预测癌症生物标记和代表肿瘤质量的总体状况小活检组织样本或液体样品获得肺癌患者。在这种背景下,具有,表示,“这些新的酶方法可以让研究人员使用很少量的 DNA(活检样本)”。

除了传统的方法,看最近的测序和阵列技术的进步使得研究人员进行详细 DNA甲基化分析,提供一个全面的照片它在疾病中的作用。在Esteller-Cucala看来,最新的方法用于研究 DNA甲基化是通过读测序——这些技术允许更长的序列读取(> 10000个基点)。

Esteller,也提供了他的想法,“技术最广泛的用于研究,符合成本效益的方式,人类 DNA甲基化是基于 DNA甲基化芯片,询问850 k CpG网站我们的基因组。”

一些技术 使用来确定 DNA甲基化是在下面详细讨论。

Bisulfite-based化验

亚硫酸氢是一种常用的治疗方法,介绍了Frommer et al。(1992),用于分析5 mc和nonmethylated基地。在这种方法中,基因组DNA是暴露在亚硫酸氢钠促进nonmethylated胞嘧啶脱氨基作用并将其转化为尿嘧啶,而甲基化的胞嘧啶保持不变。最后,随后PCR扩增转换胸腺嘧啶的尿嘧啶。这导致基因甲基化的信息转移到新成立的测序库。科学家使用酸性亚硫酸盐测序的方法来分析5 mc结果单股。这种技术可以用于确定多个DNA甲基化事件;然而,克隆和测序等多个步骤过程耗时的方法。一些其他的方法的局限性包括DNA样本退化由于积极的化学条件,如低pH值和高温达到脱氨基作用。因此,样本退化导致灵敏度下降,使它不适合分析低浓度的样品,如ctDNA。然而,不那么咄咄逼人转换所有unmethylated胞核嘧啶治疗失败,因此,可能高估了甲基化的水平。

一个高级sequencing-based被称为methylation-specific PCR技术(MS-PCR)已经被开发出来,避免了复杂的测序过程。

酶技术

基于酶甲基化检测方法特异性高的快速在温和的反应条件下,这意味着它可以实现相同的最终产品为酸性亚硫酸盐法,在不影响DNA的完整性。酶methyl-sequencing(EM-seq)可以检测5 mc和5-hydroxymethylcytosine (5 hmc)使用三种酶,即T4-phage beta-glucosyltransferase (T4-BGT),春节methylcytosine加双氧酶2 (TET2)和载脂蛋白B信使rna编辑酶催化亚基3 (APOBEC3A)。EM-seq是一个两步反应的过程。第一步包括glucosylation 5 hmc通过TET2和T4-BGT酶发展的产品不能被APOBEC3A脱氨基。第二步涉及APOBEC3A酶,将它们转化为尿嘧啶脱氨基修改的胞核嘧啶。

methylation-sensitive限制性内切酶(研究硕士)的一些例子包括HpaII BstUI, NotI SmaI。这些酶只削减nonmethylated目标区域和甲基化DNA完整。随后这些绝笔岩屑测序预测基因组DNA甲基化水平的水平。最近,科学家们已经开发出一种先进的酶消化技术,称为methylation-sensitive限制endonuclease-PCR /南部(MS-RE-PCR)。

直接氧化和化学氧化分解

科学家已经开发出一种电气DNA甲基化的直接分析方法。对于这个技术,氯化胆碱monolayer-supported多壁碳纳米管(热合)(碳管/ Ch / GCE)设计。这种技术是非常具体,精确和快速,不需要酶的使用,探针或亚硫酸氢。另一个新的化学方法已经被开发出来,基于化学氧化分解,可以单独5 mc。这种方法使用光敏氧化使用2-methyl-1 4-naphthoquinone-chromophore。化学切断方法有效地检测甲基化的网站。

在DNA甲基化的研究方法论的挑战

许多方法被用来研究DNA甲基化,每个都有自己的局限性。例如,如上所述,与bisulfite-based相关的化学处理方法引起DNA降解和较短的DNA片段进行进一步分析。虽然读测序技术被认为是一个高度精确的方法,Esteller-Cucala指出,“这种方法的主要警告是你需要好的工具(算法)来检测甲基化立场”。

Pfeifer指出一些额外的考虑,“一个挑战是实现覆盖整个哺乳动物的基因组中,有超过2500万个的CpG序列甲基化。的甲基化状态进行定量分析的每一个这些论文认定,深度测序覆盖是必需的,仍然是昂贵的。有更多的负担得起的方法,可以用来分析论文认定的子集,但这些方法可能会错过一些重要的甲基化变化。”

DNA甲基化研究,综合大量的DNA可能需要因此,分析组织样本稀缺时成为挑战。“有时很难区分5 mc从5 hmc,“Esteller说。

DNA甲基化和临床益处

DNA甲基化异常与许多疾病和DNA methylation-based生物标志物可以帮助改善疾病预后和治疗反应。“DNA甲基化领域的临床感兴趣的一个领域是利用DNA甲基化模式的改变对癌症的诊断。这些改变可以在“液体活检,发现来自病人的血液样本。最终,癌症的早期检测,基于血浆游离DNA甲基化改变配置文件,可以成为可能,”Pfeifer解释道。他继续说道,“这将是知道一个感兴趣的甲基化改变在一个良性或癌症前体病变有可能促进发展为恶性状态。“有几家公司正在努力开发早期癌症检测测试基于甲基化状态和基于ai的预测病理。

Esteller解释说,从知识tumoral细胞,DNA甲基化景观的三个翻译使用肿瘤学领域的出现:“新疾病的生物标志物的发现,甚至可以发现在生物体液和允许其病理分类;使用某些基因的DNA甲基化事件作为应对治疗的预测因素,帮助癌症精密医学;和DNA甲基化的使用作为一个目标表观遗传的DNA甲基化抑制剂等药物被用于治疗血液恶性肿瘤。”