DNA 甲基化在调节干细胞成骨分化中的作用
申玉 杨璞 郝晋 经典 唐舸 赵志河
【摘 要】[摘要]DNA甲基化和去甲基化是表观遗传学的重要机制之一，在细胞分化、增殖、衰老等方面具有重要的调控作用。干细胞在成骨分化过程中成骨特异性基因发生去甲基化进而表达上调，而与干细胞多能分化潜能相关的基因发生高甲基化进而表达抑制。DNA甲基化和去甲基化的动态变化和平衡，对于协调基因表达的时序性和抑制不和谐的分化表型具有重要作用，是干细胞成骨分化的重要保证。成骨分化中甲基化修饰机制的异常不仅会影响干细胞的正常成骨分化功能，并且与多种骨骼常见疾病的发生发展具有密切的关系。本文综述了干细胞成骨分化过程中受DNA甲基化修饰调控的相关基因和调控机制的新进展，以及DNA甲基化修饰异常可能导致的骨骼疾病。 【期刊名称】华西口腔医学杂志 【年(卷),期】2016(034)005 【总页数】5
【关键词】[关键词]DNA甲基化； DNA去甲基化； 成骨分化； 表观遗传学 ·综述·
表观遗传学是指在没有改变细胞核内DNA序列的情况下，发生的基因表达的可逆的、可遗传的变化，其中包括DNA甲基化、组蛋白甲基化、组蛋白乙酰化、微小RNA（microRNA，miRNA）和非编码长链RNA等。DNA甲基化是表观遗传学调控的重要机制之一，是一种由DNA甲基化转移酶（DNA methyltransferases，DNMTs）介导的，将具有活性的甲基转移至胞嘧啶-鸟嘌呤（CpG）双核苷酸中胞嘧啶的C5位点上的酶促反应[1]。目前普遍认为，
DNA序列的高甲基化状态与基因表达的抑制相关联。DNA的去甲基化与DNA甲基化的作用相反，特定序列发生去甲基化引起的DNA甲基化程度降低，往往导致基因表达水平上升。然而近年发现，DNA甲基化程度与基因表达的反向调节关系并不绝对成立。DNA去甲基化参与多种细胞进程，但是对于DNA去甲基化的具体机制和通路仍有诸多争议[2]。
以往对于DNA甲基化修饰的研究[3]多集中于胚胎干细胞，DNA甲基化修饰对于胚胎干细胞的自我更新能力、多向分化能力和衰老等都具有至关重要的作用；而DNA甲基化修饰对成体干细胞的功能影响，尤其是细胞分化的影响，目前尚未完全明确，属于研究的热点问题。DNA的甲基化和去甲基化具有时间性和空间性，在增强子和启动子区域的甲基化修饰的动态变化可调控有序的基因表达。干细胞的正常分化不仅需要通过DNA甲基化等机制沉默多余基因、抑制不和谐的分化表型的出现，更需要DNA去甲基化等机制来促进组织特异性基因的选择性表达。DNA的甲基化修饰出现异常，不仅影响细胞的正常分化功能，更与疾病的发生发展以及治疗策略密切相关。多种骨骼疾病的发生，包括骨质疏松和骨关节炎等，都与干细胞成骨分化的DNA甲基化修饰机制出现障碍密切相关[4]。研究表观遗传学在干细胞成骨分化中的作用机制不仅有利于阐明相关骨骼疾病的发生机制，更有利于骨再生相关的组织工程学的发展。本文将综述近年来对于DNA甲基化修饰的新进展，以及DNA甲基化修饰在干细胞成骨分化过程中的调控机制。
1 DNA甲基化和去甲基化调控基因表达的基本机制
DNA甲基化由DNMTs催化发生。根据反应中参与的酶的不同以及反应过程的差异，DNA甲基化可以分为从头甲基化和维持甲基化。在DNA的半保留复制
过程中，只有亲代链是甲基化的，维持甲基化酶DNMT1催化新合成的DNA链进行甲基化修饰，这个过程称为维持甲基化。从头甲基化是指不依赖于已有的甲基化DNA链，而在一个新位点将DNA链中胞嘧啶C5位点甲基化，由从头甲基化酶DNMT3a 和DNMT3b催化发生。然而，有研究[5]采用DNMTs基因靶向抑制与全基因组测绘的方法，进一步分析每种DNMTs的功能特异性，发现DNMT1与DNMT3a/ 3b的功能存在部分重叠，从头甲基化酶DNMT3a/3b也具有一定的维持甲基化酶的作用。实验[5]证实，DNMT3a/3b在DNA去甲基化的早期被招募，提示DNMT3a/3b还可能参与了去甲基化的过程。此外，DNA甲基化酶还包括两种特殊的类型：DNMT3L和DNMT2。DNMT2具有相对较低的催化活性，缺失DNMT2后不会对全基因组的甲基化状态和细胞分化表型有明显影响。DNMT3L本身不具有催化DNA甲基化的活性，但它可以与DNMT3a或者DNMT3b相结合，不仅可以促进DNMT3a或者DNMT3b的催化活性，而且可以增加DNMT3a或者DNMT3b对于DNA链的亲和性。除通过DNMT3L途径，还有学者[6]应用质谱分析的研究方法发现，即使没有DNMT3L的存在，DNMT3a与DNMT3b也可以在体内外直接结合形成复合物，相互促进催化活性。当DNMT3a与DNA结合后，组蛋白的H3尾部也参与调节DNMT3a的活化，组蛋白的H3尾部与DNMT3a的植物同源结构域（plant homeodomain，PHD）相结合，引起了DNMT3a的化学变构，从而活化DNMT3a[7]。
相对于DNA甲基化机制，关于DNA去甲基化的研究相对较少，但近年来越来越多地受到学者的关注。DNA去甲基化可分为主动去甲基化与被动去甲基化。在DNA半保留复制过程中，DNMT1的催化活性受到抑制，导致子链DNA的
DNA甲基化在调节干细胞成骨分化中的作用
