导读甲基化的甲基化检测技术优质回答曾经是2009年最值得关注的技术。遗传上除了ATGC这四种碱基，人们对第五种碱基-甲基化的胞嘧啶的兴趣也日益增加。甲基化修饰的存在对DNA转录的调控...

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甲基化的甲基化检测技术

甲基化的甲基化检测技术

优质回答曾经是2009年最值得关注的技术。

遗传上除了ATGC这四种碱基，人们对第五种碱基-甲基化的胞嘧啶的兴趣也日益增加。甲基化修饰的存在对DNA转录的调控起了重要作用，异常的甲基化往往是许多疾病的起因。既然如此重要，系统绘制甲基化组的方法自然也多了起来。甲基化组（methylome）这个词还不太常见，它指的是全基因组范围内的甲基胞嘧啶。

美国Salk生物研究院的Joseph Ecker及其同事刚刚通过高通量测序的方法，展现了一张人胚胎干细胞中所有甲基胞嘧啶的完整图谱。这是第一张单碱基分辨率的哺乳动物甲基化图谱，并伴随着mRNA和小RNA以及一些组蛋白修饰的比较分析。他们发现胚胎干细胞中近四分之一的甲基化是在非CG背景下，暗示胚胎干细胞采用不同的甲基化机制来影响基因调控。随着ES细胞的诱导分化，非CG甲基化消失，而在iPSC中还原。这张图谱为未来人类疾病和发育中的表观遗传学修饰研究打下了基础。

美国Whitehead研究院的Meissner等也曾绘制了类似的图谱。他们利用高通量的亚硫酸氢盐测序和单分子测序，产生了覆盖大部分CpG岛的DNA甲基化图谱。他们发现，DNA甲基化模式与组蛋白甲基化模式的相关性比基因组序列更好；CpG的甲基化是动态的表观遗传标志，在细胞分化期间经历大量的改变。他们还发现，胚胎干细胞和原代细胞中与发育调控相关的“弱”CpG岛在体外增殖期间经历了异常的超甲基化，让人想起某些原发肿瘤。

另外，两个独立的研究小组，分别为哈佛大学的George Church等，以及加州大学的Kun Zhang连同弗吉尼亚联邦大学的Yuan Gao等，也将传统的甲基化工具如DNA的重亚硫酸盐转化与目标基因组捕获技术和高通量测序相结合，定量测定人基因组中的甲基化。

尽管这些甲基化图谱的绘制方法略有不同，但他们都采用了亚硫酸氢盐转化，将未甲基化的胞嘧啶转化成尿嘧啶，并在随后的扩增步骤中转化成胸腺嘧啶。虽然很有效，但这种方法需要一些手工操作来确保完全的转化，并通过计算分析来绘制图谱。

在2012年2月份，英国Oxford Nanopore Technologies的科学家提出，单分子纳米孔测序可替代这种劳动密集型的技术，测序仪能直接分辨出未修饰的胞嘧啶和甲基化胞嘧啶。当核酸外切酶消化单链DNA后，单个碱基落入孔中，它们瞬间与环式糊精相互作用，并阻碍了穿过孔中的电流。每个碱基ATGC以及甲基胞嘧啶都有自己特有的电流振幅，因此很容易转化成DNA序列。这样，纳米孔技术就能直接读出这第五种碱基。

由于纳米孔测序仅限于短的寡核苷酸，因此全基因组测序还有一段很长的路要走。此外，还有一些技术障碍需要克服，比如确保碱基以正确的次序进入纳米孔，然后从另一侧离开。不过，一旦成功，第五种碱基的直接测序将会产生重大影响。

DNA甲基化的内容、功能、检测及其研究方法

优质回答DNA甲基化（DNA methylation）

DNA甲基化是最早发现的修饰途径之一，大量研究表明，DNA甲基化能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制基因表达。

在甲基转移酶的催化下，DNA的CG两个核苷酸的胞嘧啶被选择性地添加甲基，形成5－甲基胞嘧啶，这常见于基因的5'-CG-3'序列。大多数脊椎动物基因组DNA都有少量的甲基化胞嘧啶，主要集中在基因5’端的非编码区，并成簇存在。甲基化位点可随DNA的复制而遗传，因为DNA复制后，甲基化酶可将新合成的未甲基化的位点进行甲基化。DNA的甲基化可引起基因的失活。

DNA甲基化主要形成5－甲基胞嘧啶（5-mC）和少量的N6-甲基嘌呤（N6-mA）及7－甲基鸟嘌呤（7-mG）

结构基因含有很多CpG 结构, 2CpG 和2GPC 中两个胞嘧啶的5 位碳原子通常被甲基化, 且两个甲基集团在DNA 双链大沟中呈特定三维结构。基因组中60%～ 90% 的CpG 都被甲基化, 未甲基化的CpG 成簇地组成CpG 岛, 位于结构基因启动子的核心序列和转录起始点。有实验证明超甲基化阻遏转录的进行。DNA 甲基化可引起基因组中相应区域染色质结构变化, 使DNA 失去核酶ö限制性内切酶的切割位点, 以及DNA 酶的敏感位点, 使染色质高度螺旋化, 凝缩成团, 失去转录活性。5 位C 甲基化的胞嘧啶脱氨基生成胸腺嘧啶, 由此可能导致基因置换突变, 发生碱基错配: T2G, 如果在细胞分裂过程中不被纠正,就会诱发遗传病或癌症, 而且, 生物体甲基化的方式是稳定的, 可遗传的。

DNA 甲基转移酶有两种: 1) DNM T1, 持续性DNA 甲基转移酶—— 作用于仅有一条链甲基化的DNA 双链, 使其完全甲基化, 可参与DNA 复制双链中的新合成链的甲基化,DNM T1 可能直接与HDAC (组蛋白去乙酰基转移酶) 联合作用阻断转录; 2)DNM T3a、DNM T3b从头甲基转移酶, 它们可甲基化CpG, 使其半甲基化, 继而全甲基化。从头甲基转移酶可能参与细胞生长分化调控, 其中DNM T3b在肿瘤基因甲基化中起重要作用。

DNA 去甲基化有两种方式: 1) 被动途径: 由于核因子N F 粘附甲基化的DNA , 使粘附点附近的DNA不能被完全甲基化, 从而阻断DNM T1 的作用; 2) 主动途径: 是由去甲基酶的作用, 将甲基集团移去的过程。在DNA 甲基化阻遏基因表达的过程中, 甲基化CpG 粘附蛋白起着重要作用。虽然甲基化DNA 可直接作用于甲基化敏感转录因子E2F、CREB、A P2、CM ycöM yn、N F2KB、Cmyb、Ets, 使它们失去结合DNA 的功能从而阻断转录, 但是, 甲基化CpG 粘附分子可作用于甲基化非敏感转录因子(SP1、CTF、YY1) , 使它们失活, 从而阻断转录。人们已发现5 种带有恒定的甲基化DNA 结合域(MBD ) 的甲基化CpG 粘附蛋白。其中M ECP2、MBD1、

MBD2、MBD3 参与甲基化有关的转录阻遏;MBD1 有糖基转移酶活性, 可将T 从错配碱基对TöG 中移去,MBD4 基因的突变还与线粒体不稳定的肿瘤发生有关。在MBD2 缺陷的小鼠细胞中, 不含M ECP1 复合物, 不能有效阻止甲基化基因的表达。这表明甲基化CpG 粘附蛋白在DNA 甲基化方式的选择, 以及DNA 甲基化与组蛋白去乙酰化、染色质重组相互联系中的有重要作用。

WGBS 全基因组甲基化测序

优质回答DNA甲基化是DNA被添加甲基( )修饰影响基因功能或者表达。最常见的甲基化是胞嘧啶产生5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine, 5-mC)。有甲基化过程就有去甲基化过程，整个胞嘧啶甲基化循环如下图所示。

在体细胞中 5-mC 几乎只发生在 CpG 位点，但是 CpG 岛(CpG island)区域往往不是甲基化的，因为许多 CpG 岛是靠近启动子区域的，甲基化将导致基因无法表达。

WGBS 技术利用亚硫酸氢钠(Sodium Bisulfite)处理DNA导致未甲基化的C变成U并在后续PCR和测序过程成为T，而甲基化的C不受影响。BS 处理 DNA 容易产生破坏作用，尤其是 CpG 岛含有大量未甲基化的C，因此在此区域容易覆盖度低。建库方法可以分为2种，1种是先进行 DNA 破碎与连接接头，然后亚硫酸盐处理 C->T 转化；另一种先进行 C->T 转化然后再连接接头扩展。后者对 DNA 投入要求更低。WGBS 技术无法区分 5-hmC 与 5-mC 。

下图是 illumina 的建库流程，由于只保留原始 BS 处理后链互补链作为测序模板，因此 read1 序列跟 BS 后链序列相同。

常用的 WGBS 比对软件是 Bismark， Bismark 将参考基因组序列预先进行 C->T 和 G->A 2种转换。比对时每一条 reads 同样进行 C->T 和 G->A 2种转换，这样组合以后每条 reads 相当于进行 4 种不同的比对，这些比对选出最佳比对，就可以确定发生甲基化的链方向和可能甲基化位点。下图所示。

[参考]

DNA Methylation | What is Epigenetics

DNA methylation - Wikipedia

How does bisulfite sequencing (WGBS/RRBS) work

Grehl, Claudius, et al. "How to design a whole-genome bisulfite sequencing experiment." Epigenomes 2.4 (2018): 21.

Krueger, Felix, and Simon R. Andrews. "Bismark: a flexible aligner and methylation caller for Bisulfite-Seq applications." bioinformatics 27.11 (2011): 1571-1572.

有哪些RNA甲基化测序的技术呢？

优质回答MeRIP-seq是针对于RNA甲基化的测序技术，是一项结合了DNA甲基化测序，染色质免疫共沉淀和RNA测序而产生的技术，现在针对于MeRIP-seq分析的软件有MeRIP-PF之类的。

甲基化包括DNA甲基化或蛋白质甲基化

（1）DNA甲基化。脊椎动物的DNA甲基化一般发生在CpG位点（胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤位点，即DNA序列中胞嘧啶后紧连鸟嘌呤的位点）。经DNA甲基转移酶催化胞嘧啶转化为5-甲基胞嘧啶。人类基因中约80%-90%的CpG位点已被甲基化，但是在某些特定区域，如富含胞嘧啶和鸟嘌呤的CpG岛则未被甲基化。这与包含所有广泛表达基因在内的56%的哺乳动物基因中的启动子有关。1%-2%的人类基因组是CpG群，并且CpG甲基化与转录活性成反比。

（2）蛋白质甲基化。蛋白质甲基化一般指精氨酸或赖氨酸在蛋白质序列中的甲基化。精氨酸可以被甲基化一次（称为一甲基精氨酸）或两次（精氨酸甲基转移酶（PRMTs）将两个甲基同时转移到精氨酸多肽末端的同一个氮原子上成为非对称性甲基精氨酸，或者在每个氮端各加一个甲基成为对称性二甲基精氨酸）赖氨酸经赖氨酸转移酶的催化可以甲基化一次、两次或三次。在组蛋白中，蛋白质甲基化是被研究最多的一类。在组蛋白转移酶的催化下，S-腺苷甲硫氨酸的甲基转移到组蛋白。某些组蛋白残基通过甲基化可以抑制或激活基因表达，从而形成为表观遗传。蛋白质甲基化是翻译后修饰的一种形式。

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