胚胎干细胞的DNA甲基化

一、胚胎干细胞中DNA甲基化的功能关联

胚胎干细胞的DNA甲基化修饰与体细胞不同。一方面，从头甲基转移酶——特别是Dnmt3a2和Dnmt3b1(分别为Dnmt3a和Dnmt3b的异构体)在胚胎干细胞中高表达；另一方面，基因调控元件(gene—regulatory elements)中DNA甲基化缺失。此外，胚胎干细胞可以忍受DNA甲基化的完全缺失。Dnmtl93、Dnmt3a／Dnnat3b。或Dnmt1／3a／3b缺失小鼠胚胎干细胞可以存活，尽管完全失去了DNA甲基化，但依然维持它们自我更新的能力。虽然保留了多能性，但只有恢复Dnmts表达之后，这些胚胎干细胞才能继续分化。与此相反，在体细胞中通过抑制Dnmts活性降低CpG岛甲基化水平可以导致生长抑制、细胞死亡、逆转录转座子的激活及基因组不稳定性，说明CpG甲基化对于维持基本细胞功能具有重要作用。

胚胎干细胞同样也高表达Dnmt31，但目前我们对其功能还没有很多了解。Dnmt31具有结合组蛋白H3未甲基化尾和激活DNA甲基转移酶的双重功能。这表明在胚胎干细胞中具有高密度CpG岛启动子区域可以通过H3K4甲基化标记避免DNA甲基化。

为了研究在胚胎干细胞中DNA甲基化如何调控基因表达，有研究者对缺少三种Dnmts的小鼠胚胎干细胞(TKO细胞)的全基因表达进行了分析。在低甲基化情况下高表达的基因多为组织特异性基因，包括转录因子和信号分子；此外，睾丸和卵母细胞特异性基因在TKO细胞中表达也较高。有趣的是，在去甲基化胚胎干细胞中上调基因仅有5％与PcG结合，只有1．7％的基因结合有Naanog／Oct4／Sox2，这表明DNA甲基化与Oct4、Sox2和，Nanog控制的转录网络在调控胚胎干细胞多能性方面具有不同的作用。

二、胚胎干细胞中DNA的甲基化模式

技术的进步使在单个碱基对水平对人类DNA甲基化组学的研究成为可能。在人类胚胎干细胞中76％的CpG岛被甲基化。与先前在小鼠中的研究结果类似，在野生型胚胎干细胞中CpG岛的甲基化表现为两面性，大多数基因组区域表现为高度非甲基化或高度甲基化。CpG岛的甲基化状态与周围CpG岛的密度相关。位于高密度CpG岛区域(>7％超过300个碱基)CpG易为非甲基化状态，CpG岛低密度区域(<5％)的CpG易发生甲基化(图3-4)。值得注意的是，高密度CpG岛启动子(HCP)一般与两类基因相关：管家基因和发育相关关键基因。

另外，低CpG岛密度启动子(LCP)通常与组织特异性基因相关。在胚胎干细胞中，位于LCP中的CpG岛大多会被甲基化，但有H3K4me3和H3K4me2修饰的LCP区域则没有发生甲基化。位于远距离调控区域的CpG岛[如增强子、沉默子(silencers)、边界元件(boundary elements)]表现出这种负相关，只在缺乏H3K4me1／2修饰的区域发生DNA甲基化。这些数据表明组蛋白甲基化模式比只参考CpG岛密度能更为准确地预测DNA甲基化。这与之前非全基因组研究结果相一致，表明DNA甲基化与组蛋白修饰有内在关联。

目前，人们对小鼠胚胎干细胞的基因组重复区域DNA甲基化模式也有研究。位于长末端重复序列(10ng terminal repeat，LTR)和长散在元件(10ng interspersed elerrlent，LINE)中的CpG岛一般高度甲基化，即使是在CpG岛密度很高的情况下也是如此。相反，与非重复序列的情况类似，位于短散在元件(SIlXIE)中的CpG岛的甲基化程度与CpG密度相关。与去H3K9甲基化相比，DNA去甲基化导致重复元件转录本水平略微升高。

三、胚胎干细胞中的非CpG岛甲基化

以上所讨论的人类全基因组甲基化分析显示，在人类胚胎干细胞中存在非CpG岛甲基化现象，这与之前在小鼠胚胎干细胞和胚胎中的研究结果相符。非CpG岛甲基化多出现在基因区域，而在蛋白结合区和增强子区不存在。有趣的是，非CpG岛甲基化在诱导分化的胚胎干细胞中消失，而在诱导多能干细胞中恢复。非CpG岛甲基化只在高表达Dnmt哺乳动物胚胎干细胞中出现。对于非CpG岛甲基化的功能还需进一步的研究。

除CpG岛甲基化之外，最近的研究显示，包括小鼠胚胎干细胞在内的某些细胞中存在5一羟甲基胞嘧啶。5hmc由10～1l易位1(TET1)蛋白催化产生(图3—3)。现在认为通过DNA损伤修复5hmc可重新转化为非甲基化胞嘧啶，因此认为5hmc可能是DNA去甲基化过程中的中间产物(图3-3)。值得注意的是，目前DNA甲基化检测技术并不能区分5mc和5hmc，所以研究5hmc的功能还是有必要的。

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