甲基化综述

DNA甲基化及其在食用菌中的研究潜力

前言

DNA甲基化是在DNA上添加甲基基团的一种化学修饰作用，作为一种表观遗传行为，DNA甲基化状态的改变可导致基因结构和功能异常，进而引起生物体表型的变化。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，其对遗传物质的影响主要是通过抑制基因表达来起作用。同时，有研究表明，亲代遗传、激素、miRNA、年龄等内源性因素以及温度、湿度、盐离子浓度、重金属等环境因素都对生物体DNA甲基化水平及模式有影响。目前，DNA 甲基化的检测方法种类较多，如甲基化特异性PCR、亚硫酸测序法、限制性内切酶PCR、变性液相高效色谱法等。然而，目前DNA甲基化的研究主要集中在动、植物领域，在应用前景广泛并处于方兴未艾阶段的食用菌领域研究较少。同时，食用菌生长发育容易受到内源性物质以及环境因素的影响，并有研究报道DNA甲基化对蕈菌生长发育有影响。所以，对DNA甲基化在食用菌领域进行深入地研究是十分有必要和有意义的。

什么是DNA甲基化

DNA甲基化是指，在甲基转移酶的作用下，甲基基团从供体转移到DNA的碱基上。在动物中，DNA甲基化主要发生在胞嘧啶的第五位碳原子上，形成5-甲基胞嘧啶，而几乎所有的5-甲基胞嘧啶都发现与CG 二核苷酸序列中，这种CG二核苷酸序列经常成串存在，俗称CG岛，并

且大约70–80%的CG二核苷酸序列都被甲基化；在植物中，甲基化的胞嘧啶主要出现在B型DNA的沟内,而该部位正是DNA结合蛋白相互作用的部位。

DNA甲基化是被属于一个基因家族的一系列甲基转移酶所催化，这些酶中常见的有Dnmt1，Dnmt3a和Dnmt3b等。Dnmt1是一种维持性甲基化酶，它只作用于只有一条链发生甲基化的DNA链，主要通过对亲本甲基化模式进行复制。在减数分裂时，Dnmt1识别DNA双链中只有亲代链发生甲基化的半甲基化位点，并催化甲基基团从供体转移到未甲基化的胞嘧啶上，使该位点双链全甲基化；Dnmt3a和Dnmt3b属于从头甲基化酶，它们则能够使之前没发生甲基化的区域进行甲基化，从而对细胞分化起调控作用。

甲基化的生物学效应及其作用机理

DNA甲基化精确的功能有待进一步研究，目前学术界公认的两类功能是：宿主防御模型和基因调控模型。

宿主防御模型是指，生物体基因组内转座子的甲基化和外源DNA 的甲基化。由于转座子大量地存在于基因组中，并且转座效应对生物体大部分是有害的，而转座子发生甲基化能抑制其转座活性，因此转座子甲基化能够保护生物体免受转座效应带来的威胁；同时，生物体在遭受外源DNA侵袭时，例如病毒基因组和基因片段整合到宿主基因组中，容易产生对机体有害的蛋白质或造成基因结构紊乱。而宿主细胞内甲基转移酶能通过对外源DNA序列进行甲基化，以抑制其对宿主基因组造成伤害。

基因调控模型是指，生物体通过对自身特定基因进行甲基化修饰，来调控特定基因的表达状态。在细胞分化或者遇到胁迫条件等情况下，生物体需要表达特异蛋白，或者关闭某些不必要的基因的表达，或者是基因表达量的改变，则通过对某些DNA序列进行甲基化修饰来进行调控。

DNA发生甲基化一般效应是特定基因的表达遭到抑制或者表达水平下调，其作用机制一般包括下面几种情况：

1.基因启动子区域的可甲基化位点若发生甲基化，则RNA聚合酶无法结合到启动子上，进而不能对目的基因进行转录，从而抑制表达。事实上，甲基化酶本身也有抑制基因转录的能力，即使在不发挥其对DNA进行甲基化的能力的情况下。

2.基因序列中某位点的甲基化有可能作为抑制基因表达的蛋白质的识别位点，通过募集抑制蛋白，来抑制目的基因的表达

3.DNA序列发生甲基化，容易使染色质结构发生变化，虽然有报道证明在某些情况下，有些染色质结构的变化能对基因表达水平进行上调，但绝大多数情况下，发生甲基化的区域，染色质结构变得致密，发生浓缩。因为转录酶是通过自身活性位点与DNA大沟的结合，来催化基因转录，所以染色质结构变得致密是不利于基因转录的。此时，DNA甲基化通过使染色质结构浓缩、致密，抑制基因的表达，而这种调控可以在远离目的基因的区域对目的基因的表达进行调控。

4.发生甲基化的位点，能够吸引和募集甲基化酶，从而对未发生甲基化的侧翼位点进行甲基化修饰，使转录沉默发生传播。

5.还有一种甲基化修饰能够对基因表达起调控作用，即组蛋白甲基化。组蛋白甲基化酶通过对核小体组蛋白特异位点进行甲基化，从而改变核小体及其周围DNA序列的致密程度，来调控基因表达。在端粒、着丝点这些DNA致密程度高的区域，DNA甲基化的程度往往比较高。

事实上，DNA甲基化还有许多功能，例如在DNA修复中和复制中作为标记位点；保证等位基因中仅仅其中一个基因的表达。

DNA甲基化的检测方法

目前对DNA甲基化的检测有很多方法：限制性内切酶PCR法、甲基化特异性PCR、亚硫酸测序法、变性高效液相色谱法、PCR荧光变性曲线分析法等。其中用得最多的是限制性内切酶PCR法、甲基化特异性PCR、亚硫酸测序法和色谱法。

影响DNA甲基化的因素

经研究表明，有许多因素可影响DNA甲基化的水平或模式，基本可分为内源性因素和外源性因素。

内源性因素包括：激素、年龄、DNA甲基化酶、miRNA等。已有研究证实，机体激素水平、生物体年龄或细胞年龄、DNA甲基化酶的水平和活性以及干扰RNA都能影响生物体基因组DNA甲基化的水平和模式。

外源性因素包括：温度、湿度、光照、重金属、饥饿、一氧化氮、盐离子浓度等。已有研究证实，这些外源性因素都能够对生物体基因组DNA甲基化的水平和模式产生影响。

目前DNA甲基化的研究状况以及在食用菌领域的研究前景

目前，DNA甲基化研究主要针对动、植物方面。因为DNA甲基化与肿瘤的形成有很大的关系，有研究证实，许多癌症的形成是因为癌基因p53甲基化发生异常，所以，对DNA甲基化的研究对于人类疾病的防治有重大意义。同时，衰老与疾病也会影响DNA甲基化，这在研究中也被证实，发生衰老和病变的细胞内的DNA甲基化加剧，基因表达减弱或异常。在植物中，已证实环境胁迫对植物DNA甲基化水平和模式能产生影响，例如研究表明：干旱对节节麦、水稻基因组DNA甲基化有影响；镉对萝卜和水稻基因组DNA甲基化有影响；过氧化氢、萘、NO、盐离子浓度等对水稻、棉花等植物DNA甲基化有影响等。

然而，在食用菌领域，DNA甲基化的研究还属于起步阶段，还不够广泛和深入，或者说还很少。已有的研究证实了在落叶松蕈的rDNA 中存在甲基化胞嘧啶。

因为食用菌在我国出口农产品中占很大比例，研究食用菌有巨大的经济和科学意义，而食用菌生长发育容易受到内源以及外源性因素影响，如光照、温度、重金属、病毒等，而这些因素又已经被证实在动、植物中能够影响生物体DNA甲基化的水平和模式，因此，对食用菌基因组DNA甲基化的研究是十分重要的，如探究环境胁迫对食用菌环境敏感型基因的甲基化的影响，探究病害以及菌龄对食用菌DNA甲基化的影响，研究食用菌如何通过表观遗传修饰来应答外源DNA的侵袭或外界环境因素的影响，甚至通过检测食用菌某序列甲基化水平和模式随着外界环境条件的改变而改变，来找到与该环境因子相关的基因。总而言之，对食用菌DNA甲基化的研究，在探究食用菌抗性、生

长发育特性、遗传行为方式等方面，都有重大意义。参考文献