原核DNA甲基化簡述

DNA甲基化是指將甲基新增到DNA特定區域，使基因的表達發生了可遺傳的改變的過程。 該過程可以在不改變核苷酸序列的情況下改變DNA的轉錄。 儘管自20世紀50年代以來，人們就已經知道DNA甲基化的存在，但其機理和作用仍在研究中。近年隨著生物技術的蓬勃發展，真核生物中的DNA甲基化修飾在生命體生理生化反應中的作用初露端倪，也愈發受到重視，其研究及應用領域包括疾病的發生，植物的生長等。但人們對原核生物中的DNA甲基化修飾卻所知不多。近年的研究表明，原核生物中的DNA甲基化修飾為宿主適應變化多端的環境提供調控基礎。

原核生物中的DNA甲基化

在細菌中，DNA甲基化被用於調節特定DNA-蛋白質相互作用的訊號。甲基化系統通常由DNA甲基化酶和一種或多種DNA結合蛋白組成，可以與DNA上的目標甲基化位點重疊，隨後阻斷該位點的甲基化。

目標位點的甲基化修飾亦會抑制蛋白質結合，並決定了目標位點的甲基化或非甲基化狀態。細菌通過這樣的過程形成了特定的DNA甲基化特徵，從而決定了哪些基因被表達，微生物該如何與環境相互作用。

細菌中DNA甲基化的起源

DNA的甲基化修飾為基因提供了可逆的表觀遺傳資訊。這種修飾在細菌中參與並調節各種過程，例如基因表達和DNA複製。1953年，通過噬菌體對細菌的感染，人們第一次發現了DNA甲基化修飾的證據。該實驗認為原核生物中的DNA甲基化修飾是一種保護細菌DNA免受噬菌體外源DNA侵害的方法。

該防禦機制被稱為限制性修飾系統（Restriction and Modification Systems，R-M systems），R-M 系統是指細菌基因組 DNA 在自身甲基轉移酶的作用下，在特定位點發生甲基化修飾，而未甲基化的 DNA 將被同源限制性內切酶切割。R-M 系統由兩個部分組成：DNA甲基轉移酶和限制性內切核酸酶。甲基轉移酶DNA的特定部分進行甲基化修飾，而限制性核酸內切酶則根據序列切割DNA。

由於R-M 系統由限制性和修飾性系統組成，因此它們可以有效區分“自身”和“非自身” DNA，以限制外源或噬菌體感染。該機制在原理上類似於先天免疫應答。

細菌中限制性修飾系統的型別：

細菌中的限制性修飾系統具有多種生物學作用，如防禦外來寄生的基因遺傳元件、避免基因轉移和防止譜系均質化。

R-M系統可以分為四種型別：

Type I R-M系統較複雜，由單獨的限制性核酸內切酶（R）和甲基轉移酶亞基（M）以及常見的DNA識別特異性亞基（S）組成。S 亞基決定了該系統靶序列的特異性，M 亞基和 R 亞基分別是甲基化和 DNA 切割所必需的。該系統識別由兩部分組成的基序（motif），並且可以在遠離結合區域的位置切割DNA。

Type II R-M 系統最為普遍，該系統通過限制性核酸內切酶和甲基轉移酶(REase、MTase)發揮功能，根據甲基化修飾位置的不同可分為 3 類: 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)。它們同樣具有DNA結合特異性，與短的非迴文DNA序列結合。Type II R-M系統同樣可以在DNA結合區域之外對DNA進行裂解切割。

原核生物DNA甲基化相關的鹼基結構式

Type III R-M 系統由至少 2 個基因(res和mod)表達產物組成，Res 與限制酶的功能一樣，Mod 與 DNA 結合並使之甲基化，Mod可不依賴於Res單獨發揮功能，但 Mod是 Res活性所必需的。該系統同樣與短迴文基序結合，並在DNA結合區域之外切割。

Type IV R-M 系統與其他 3 類不同，它的甲基轉移酶和內切酶結合起來，形成 1 個單酶，且只切割已經發生修飾了的鹼基(如甲基化、葡糖基-羥甲基化和羥甲基化)。

DNA甲基化修飾在細菌中的普及度

Matthew J. Blow等人通過對200多種不同的細菌和其他原核生物，例如古細菌等研究發現，超過90％的原核生物中都存在DNA甲基化，並且有600多個甲基轉移酶，表明存在大量的甲基化修飾多樣性。

研究還觀察到了許多其他的DNA甲基化模式（甚至包含沒有限制性內切系統）。這表明DNA甲基化系統在原核生物中參與基因組調控，並在原核生物的生理生化中有著至關重要的作用，如調節毒力、抗生素耐藥性，及適應氧化、缺氧、營養匱乏、酸性 pH 等環境。

真核生物中的DNA甲基化

真核生物中DNA的甲基化修飾通常用於調控基因的訊號傳導，在很多生理生化過程中發揮重要作用，例如胚胎髮育、基因組印跡、X染色體失活等等。該修飾在哺乳動物中非常特殊，如體細胞中75％的CpG二核苷酸都存在甲基化修飾。

DNA甲基化修飾通常發生在真核生物基因組中的胞嘧啶鹼基（Cytosine）上，形成5-甲基胞嘧啶（5mc）或5-甲基胞嘧啶（5hmc）。

真核細胞中DNA甲基化有兩種模式。第一種方法稱為從頭甲基化（de novo Methylation），它涉及在胚胎形成或成體細胞分化過程中重新排列甲基化模式。已經發現兩類甲基轉移酶DNMT3a和DNMT3b參與了從頭甲基化，並負責重複序列的甲基化。

相反，維持甲基化屬於第二類。一旦建立，此類DNA甲基轉移酶便會維持甲基化模式。DNM1是Bestor及其同事發現的第一個小鼠甲基轉移酶。並發現該酶具有高維持甲基化活性，對於小鼠發育至關重要。

由於甲基化在基因表達和細胞分化過程中至關重要，因此此過程中的任何錯誤都可能導致疾病狀態，如癌症，狼瘡，肌營養不良症，一些先天缺陷等。DNA甲基化甚至與許多心血管疾病有關，包括動脈粥樣硬化。關於甲基化研究在生命健康中的應用，這裡就不在贅述。

真核生物與原核生物

在真核生物中，DNA甲基化僅發生在胞嘧啶鹼基（C）上，特別是CpG序列。而在原核生物中，腺嘌呤鹼基（A）的甲基化是主要的表觀遺傳訊號。真核生物中只存在一些DNA甲基轉移酶。但在原核生物中存在大量的DNA甲基轉移酶，並多具有高序列特異性。例如，人胃病原體幽門螺桿菌具有大量的DNA甲基轉移酶基因，不同的菌株甚至含有不同且相當獨特的序列。

但是，DNA甲基化修飾在原核生物和真核生物中都具有保護功能。例如，人類和齧齒動物中插入的病毒序列可以被甲基化，並使其沉默。因此在生物的進化過程中，DNA甲基化的識別和消除功能似乎是保守的。

參考文章

· 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