近日，中國科學(xué)院生物物理研究所朱冰實(shí)驗(yàn)室以Kinetics and mechanisms of mitotic inheritance of DNA methylation and their roles in aging-associated methylome deterioration為題的研究論文，在線發(fā)表在Cell Research上。該研究解析了細(xì)胞有絲分裂中DNA甲基化維持的動態(tài)過程和相關(guān)調(diào)控機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)DNA甲基化維持效率在不同的特征序列環(huán)境上有微小的差異。在衰老和腫瘤發(fā)生過程中會因?yàn)榧?xì)胞分裂次數(shù)的累積而導(dǎo)致特定區(qū)域甲基化的選擇性丟失。

DNA甲基化作為重要的表觀修飾，在調(diào)控基因的時空特異性表達(dá)中起重要作用，參與X染色體失活、基因組印記和重復(fù)序列抑制等生命過程。哺乳動物細(xì)胞的DNA甲基化主要發(fā)生在CpG二核苷酸對的C（胞嘧啶）上，并在有絲分裂過程中得以相對穩(wěn)定的維持，這對細(xì)胞保持譜系特性有重要意義。由于方法和技術(shù)的限制，關(guān)于DNA甲基化維持的效率、動態(tài)過程及其相關(guān)調(diào)控因素的研究尚不充分。

該工作建立了研究DNA甲基化動態(tài)維持過程的新方法Hammer-seq。此方法結(jié)合EdU（胸腺嘧啶類似物）標(biāo)記新合成DNA鏈、點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)在EdU位點(diǎn)添加biotin標(biāo)簽、Streptavidin免疫沉淀以及Hairpin亞硫酸鹽全基因組甲基化測序等技術(shù)。Hammer-seq可以測定單個DNA分子內(nèi)新舊CpG的甲基化狀態(tài)、甲基化的維持速率以及維持中可能伴隨發(fā)生的從頭甲基化事件。

研究發(fā)現(xiàn)，DNA甲基化可以在復(fù)制叉經(jīng)過后數(shù)分鐘內(nèi)迅速恢復(fù)到較高的水平，說明存在一個復(fù)制偶聯(lián)的快速維持階段；即使復(fù)制叉經(jīng)過后數(shù)小時，甲基化維持仍在進(jìn)行，說明同時存在一個復(fù)制非偶聯(lián)的緩慢維持階段。

結(jié)合Hammer-seq和系統(tǒng)性地突變DNA甲基化維持可能相關(guān)的各種蛋白因子，該工作解析了調(diào)控復(fù)制偶聯(lián)和非偶聯(lián)階段甲基化維持的相關(guān)機(jī)制。其中，DNMT-PCNA以及UHRF1-LIG1的相互作用促進(jìn)復(fù)制偶聯(lián)階段甲基化的快速維持，UHRF1-H3K9me2/3的相互作用促進(jìn)復(fù)制非偶聯(lián)階段的甲基化維持速率，核小體的存在本質(zhì)上會減緩復(fù)制非偶聯(lián)階段的甲基化維持速率，而LSH相對特異地促進(jìn)復(fù)制晚期區(qū)域的復(fù)制非偶聯(lián)階段的甲基化維持速率。同時，當(dāng)復(fù)制偶聯(lián)階段的甲基化維持受到破壞，甲基化可以在復(fù)制非偶聯(lián)階段得到很大程度的維持，說明復(fù)制非偶聯(lián)階段保留了很強(qiáng)的甲基化維持能力。另外，甲基化CpG密度高的區(qū)域，具有較高的甲基化維持速率，其從頭甲基化發(fā)生頻率也較高。

衰老和腫瘤發(fā)生中均會發(fā)生大規(guī)模的甲基化丟失，但機(jī)制不明。結(jié)合分析Hammer-seq的數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)，衰老和腫瘤發(fā)生中甲基化丟失的CpG位點(diǎn)表現(xiàn)出較低的甲基化維持速率和從頭甲基化頻率。這一結(jié)果提示，甲基化維持系統(tǒng)內(nèi)在的不完美，可能造成一些不易維持的CpG位點(diǎn)在不斷的有絲分裂中逐漸丟失甲基化，這或許是衰老和腫瘤中甲基化丟失的重要的機(jī)制。

該研究主要在生物物理所完成，研究員朱冰為論文通訊作者，博士明軒和研究員張珠強(qiáng)為論文的共同第一作者，朱冰實(shí)驗(yàn)室鄒卓寧、董強(qiáng)、賀琦翔、易旸洋和李穎峰等對研究有重要貢獻(xiàn)。中科院生態(tài)環(huán)境研究中心研究員汪海林及其博士生呂聰負(fù)責(zé)甲基化水平測定的質(zhì)譜部分。研究工作受到國家自然科學(xué)基金委、科技部和中科院的資助。

論文鏈接

圖1.檢測DNA甲基化維持水平的新方法Hammer-seq的流程圖

圖2.影響DNA甲基化維持速率的各因素的調(diào)節(jié)機(jī)制

來源：中國科學(xué)院生物物理研究所