羥甲基胞嘧啶

簡介

數十年前就知道，哺乳動物DNA胞嘧啶鹼基有兩種修飾：5-甲基胞嘧啶和5-羥甲基胞嘧啶。這些年來，5 mC得到廣泛的研究，作為一種重要的表遺傳修飾，參與基因表達調控、X-染色體失活、基因組印記、轉座子的長期沉默和癌症的發生，被稱為基因組第五鹼基；而5羥甲基胞嘧啶的存在，由於技術的限制，一直未能得到確認，近年來套用高精確的質譜分析，情況才得以改觀；同時還發現5羥甲基胞嘧啶的形成與惡性血液腫瘤相關，促進了這方面的研究，很快就其生物合成、功能、腫瘤臨床套用研究和檢測技術等取得一系列重大進展，現作簡要評述。 1 生物學合成近年來的一系列研究表明，TET（10-11易位 Ten-Eleven-Translocation)家族的氧合酶催化5mC向5hmC轉換，其生物學過程參見圖1。作為DNA組成的胞嘧啶，是在複製時由游胞嘧啶 5甲基胞嘧啶 5羥甲基胞嘧啶（Cytosine C） (5-methylcytosine 5mC) (hydroxymethylcytosine 5hmC) 圖1 哺乳動物DNA胞嘧啶及其修飾的生物學過程（圖未能正確複製）離胞嘧啶摻入，複製後通過DNA甲基轉移酶(DNA methyltransferases DNMT) 類的作用，利用腺苷甲硫氨酸(S-adenosyl methionine SAM)作為甲基供體，在胞嘧啶鹼基5位上添加甲基，從而形成5甲基胞嘧啶。進而在TET家族蛋白作用下，利用分子氧轉移羥基至5甲基胞嘧啶，形成5羥甲基胞嘧啶[1,4]。由5甲基胞嘧啶合成5羥甲基胞嘧啶的關鍵分子是TET家族蛋白。在急性髓系白血病TET1基因是MLL基因易位的融合夥伴，它們分別定位於染色體10q24和11q23。TET蛋白是一種2-酮戊二酸（2 - oxoglutarate 2OG ）和Fe（II）依賴性酶，研究證明它能在培養細胞和體外催化5甲基胞嘧啶轉換成5 羥甲基胞嘧啶。 5羥甲基胞嘧啶存在於小鼠胚胎幹細胞基因組，用RNA干擾介導耗盡TET1後，5羥甲基胞嘧啶的水平下降；並認為，通過TET蛋白將5甲基胞嘧啶修飾成5羥甲基胞嘧啶後，應具有潛在的表遺傳調控作用[1，4]。 2在基因組和不同組織中的分布和功能 2.1 在哺乳動物基因組的分布哺乳動物基因組胞嘧啶甲基化標誌非隨機分布的，可能與其功能相關。例如5甲基胞嘧啶參與基因表達調節，多位於基因調控區如啟動子等序列中的CpG二核苷酸中；而大部分5甲基胞嘧啶則位於轉座子，後者因組中的重複序列，可損害基因組的功能和穩定性，當各種類型的轉座子被密集甲基化後，其活性在所有類型細胞中被沉默[1]。由於5mC與5hmC高度相似，目前廣泛套用的、基於亞硫酸氫鹽的技術不能區分這兩種修飾，因此迫切需要開發特異性的、檢測5hmC的基因組技術，目前已取得一些進展，正在積累對hmC基因組分布的新資料[5]。 1972年首先在成年鼠和蛙類的大腦報告了5羥甲基胞嘧啶的存在，約占提取DNA中總胞嘧啶的~15%，後因未能被重複，此後30多年間一直未受到應有的關注。2009年新技術的套用，才開始積累了關於5羥甲基胞嘧啶在各種組織中分布的、有價值的資料[1]。如有作者套用HPLC-MS和免疫組織化學的顯示，hmC是存在於所有組織和細胞類型，在中樞神經系統的神經細胞中有最高的濃度[5]。最近套用新研製的5-hmC免疫學技術，確定5-hmC在人體組織中豐度，並比較在正常與癌性大腸癌組織間的5-hmC狀態。觀察到不同組織間的5-hmC含量有顯著差異。檢測到5-hmC占總核苷酸比率高的是在腦、肝,腎和結腸癌組織(0.40-0.65%)，相對較低的是肺(0.18%)和極低的心臟、乳腺及胎盤(0.05-0.06%)。與正常大腸組織(0.46 - -0.57%)相比，大腸癌組織的5-hmC豐度顯著降低(0.02-0.06%)。上述結果首次顯示, 在人體組織中5-hmC分布是組織依賴性的，其豐度在疾病狀態如大腸癌可被改變[6]。另一組作者套用免疫組織化學檢測方法，研究5hmC在一大組鼠和人體組織中的分布，發現大部分胚胎幹細胞和成體組織富含5hmC；在多層次、有序的組織中，5hmC的水平密切關係到細胞的分化狀態。最高水平的5hmC在終末分化細胞中觀察到，而在較少分化的組織幹細胞/祖細胞部分有很低5hmC水平；而且與正常組織比較，在多種癌組織5hmC水平顯著下降。結果顯示，5hmC在組織分化中發揮重要作用，並在癌症中5hmC大量丟失[7]。

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