DNA甲基化是最早发现的修饰途径之一，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。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）。绝大多数DNA 甲基化发生在CpG二核苷酸上，但有研究表明在植物、小鼠胚胎干细胞及人的胚胎干细胞中，在CHG 和CHH ( H 为A，T或C 任一核苷酸) 等三联体核苷酸的第一个胞嘧啶的5'碳原子上也能够发生甲基化修饰1 -4。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。
Abstract: DNA methylation is one of the earliest modification pathways, CG two nucleotide cytosine of DNA is selectively added to form a 5 - methylcytosine, which is common in the 5'-CG-3 'sequence of the gene. DNA methylation is mainly to form a 5 - methylcytosine (5-mC) and a small amount of N6-methyl-purine (N6-mA), and 7 - methylguanine (7-mG). DNA methylation occurs in the vast majority of the CpG dinucleotide, but studies have shown that in plants, mouse embryonic stem cells and human embryonic stem cells, the CHG and CHH (H is A, T or C either nucleoside acid), 5'C of the first cytosine can be methylated. Methylation sites can be hereditarywith replication of DNA, because newly synthesized unmethylated sites can be methylation by methylase.
Key words: DNA methylation; methylation patterns; methyltransferase; Methylation Profiles
1 DNA甲基化分布模式：
1.1 基因5'、3'端甲基化分布
大多数基因的5'、3' 侧翼区DNA甲基化程度较低，除了一些沉默基因外5-6。基因沉寂和DNA的甲基化修饰有关，在真核生物基因组中的许多基因的5'端分布有长约1KB的“CpG"岛序列，可被甲基化修饰，之后，与甲基化修饰的DNA结合蛋白形成“沉寂"区段，使其下游基因不能表达，常见的是基因启动子区的DNA甲基化。但大多数基因的启动子是未甲基化的，启动子甲基化往往发生在基因沉默之后。有研究发现，在失活的X染色体上，Hprt基因的甲基化发生在染色体失活后，也就是说，DNA甲基化只是使X染色体失活基因保持失活状态7。
1.2 基因内部DNA 甲基化分布
虽然多数基因内部CpG 出现频率较低，但DNA 甲基化程度较高8。而DNA的甲基化往往会抑制基因的表达，但有研究表明，基因内部DNA甲基化不会太大程度的影响基因的表达8。而基因内部DNA甲基化是研究有活性的特征之一。在哺乳动物基因组中，基因内部的高甲基化不影响基因转录的延伸，而这种甲基化有着重要的生物学功能，可能与基因的可变剪切有关。
2 甲基转移酶
根据催化反应的类型, 可以将DNA 甲基转移酶分为三类: 第一类将腺嘌呤转化成N 6-甲基腺嘌呤; 第二类将胞嘧啶转化成N 4-甲基胞嘧啶; 第三类将胞嘧啶转化成C5-甲基胞嘧啶9。DNA的甲基化包括从头甲基化和维持甲基化，分别由不同的没来催化。目前已经发现和鉴定了三种DNA甲基转移酶，Dnmt1、Dnmt2、Dnmt3。它们的结构如图1。
2.1 DNMT1
DNMT1是维持甲基化作用的酶，较特异地识别半甲基化状态的DNA，负责在细胞分裂过程中依据DNA母链的甲基化状态给新合成的DNA链上加上甲基。羧基端为保守的转甲基反应催化区，具有被认为是DNA胞嘧啶甲基转移酶活性位点的脯氨酸-2-半胱氨酸二肽，氨基端可能通过对局部DNA双螺旋构想改变的应答，与其他调节蛋白的相互作用影响羧基端的催化活性10。
2.2 DNMT2
DNMT2是 Dnmtl变异的纯合子11，其可产生多种种类的mRNA,与DNA的结合能力较强,并且在体外可与DNA结合并阻止DNA的变性, 它不仅存在于有从头甲基化活性的细胞,在人和鼠的所有组织，也有少量表达。这些特性表明Dnmt2可能与 DNA上特异序列结合,但并不具备甲基转移酶的活性11。
2.3 Dnmt3a和Dnmt3b
D nm t3a 在 ES 细胞中表达丰度较高, 成体组织中很低。D nm t3b 在未分化的 ES 细胞和睾丸组织中高表达, 但是在分化细胞和成体组织中几乎检测不到表达。这表明，这两种酶可能与DNA从头甲基化相关，也有文章报道，这两种酶是CpG位点胞嘧啶特异的DNA重新甲基转移酶，而且，这两个基因有互作的关系12。
3 DNA甲基化检测方法
随着对DNA甲基化研究的深入，开发出一系列检测DNA甲基化的方法。其中包括全基因组整体水平的甲基化检测、特异位点甲基化检测和发现新的甲基化位点。
3.1 全基因组DNA甲基化检测
全基因组整体水平的甲基化检测可分为两步：首先是识别和富集甲基化胞嘧啶，方法有限制性酶切法、染色质免疫共沉淀法和酸性亚硫酸轻盐转换。然后使用高通量测定法获得被富集的DNA，可通过芯片或大规模测序得到12。
3.2 特异位点甲基化检测
3.2.1 限制性内切酶的方法
这种方法利用甲基化敏感性限制性内切酶可识别不同程度的甲基化从而切割的特性，将DNA消化为不同大小的片段后再进行分析。如果酶切位点没有被甲基化，或甲基化的状态不影响酶切活性，那么就会被切割成小片段，但如果基因组ＤＮＡ 对应的位点处于该酶敏感的甲基化状态，就不会有小片段产生。
这是较经典的甲基化研究方法，实验简单、成本低、结果明确，但存在以下几个缺点：1、酶识别位点的限制性，可能会忽略非酶切位点的CG序列；2、存在假阳性问题
3.2.2直接测序法
过程是先用重亚硫酸盐处理，使DNA中未发生甲基化的胞嘧啶变成尿嘧啶,而甲基化的胞嘧啶保持不变，然后PCR扩增所需片段,则尿嘧啶全部转化成胸腺嘧啶，最后,对PCR产物进行测序，与原序列比较,找到发生甲基化的CpG位点。此方法可靠性及精确度很高，但工作量大，费用昂贵。
3.2.3 甲基化特异性的PCR
先用重亚硫酸盐处理，分别对重亚硫酸盐处理过的序列和没有处理的设计引物，引物末端均设计至检测位点结束，随后进行引物特异性的PCR。最后根据能否扩出PCR产物来确定是否是甲基化位点。
3.3甲基化新位点的寻找
3.3.1 限制性标记基因组扫描
限制性内切酶NotⅠ识别位点是：GCGGCCGC，是一种甲基化敏感酶，先用NotⅠ酶消化基因组DNA，甲基化位点不被切割，未甲基化的被切割，标记末端、、行一维电泳，随后用甲基化不敏感的内切酶切割，跑二维电泳，此时，甲基化的部分被切割开并在电泳时显带。
3.3.2 甲基化结合区柱层析法
该方法用到的是甲基化结合蛋白（Methylation Binding Domain, MBD），能够与甲基化位点特异性结合。该蛋白一端通过连接多个组蛋白与凝胶结合，其另一端的多肽功能区暴露，这样当待测DNA片段通过时，含有甲基化位点的DNA即与该蛋白结合13。
4 DNA甲基化与非编码RNA的关系
MicroRNAs（miRNAs）是在真核生物中发现的一类内源性的具有调控功能的非编码RNA，其大小长约20~25个核苷酸。转录过程是由RNA聚合酶II介导的，而DNA甲基化会使表达RNA聚合酶II的基因沉默，所以，DNA甲基化有可能调控了miRNAs的表达。有研究表明，表达miRNA的基因的启动子的甲基化作用，会使miRNA的表达失调14。
最新的研究发现，非编码 RNA 能够特异的抑制 DNA 甲基化，引入 RNA 能够选择性的去甲基化某些基因，从而启动肿瘤抑制因子的表达，该方法有望能够治疗多种疾病，如癌症等。来自被研究很透彻的甲基化敏感基因CEBPA的一个非编码RNA与DNA甲基转移酶DNMT1相互作用，阻止在CEBPA位点上的甲基化，从而帮助CEBPA表达15。文章还指出，DNMT1 和 RNAs之间的功能联系发生在无数基因位点上。这些发现支持认为非编码RNA通过与DNMT1相互作用来参与基因组甲基化模式的调控的假说，同时也为异常DNA甲基化的点特异性改变提出了一个潜在治疗策略。
5 DNA甲基化图谱
DNA甲基化图谱是关于生物体不同状态下DNA甲基化的情况的图谱，包括在不同的组织及疾病状态下，DNA甲基化分布及出现的频率，来研究DNA甲基化在生物体中的重要作用16。DNA 甲基化图谱的构建方法有很多种，包括以限制性内切酶为基础的凝胶技术，其中有限制性标记染色组扫描（RLGS）、甲基敏感扩增片段多态性方法（MSAP）；基于芯片平台的DNA甲基化图谱构建技术，其中有珠阵列（Illumine 公司）、短寡核苷酸芯片（Affymetrix 公司）、长寡核苷酸芯片（NimbleGen 公司和Agilent公司）；基于二代测序的DNA甲基化图谱构建技术，其中有全基因组重亚硫酸盐测序（whole genomebisulfite sequencing）、减少表达的亚硫酸盐测序（RRBS）、甲基免疫共沉淀测序（MeDIP-seq）17。
DNA 甲基化图谱在动物遗传育种有重要的意义，可以帮助我们更加全面地了解动物的甲基化模式和表观基因调控机理，使我们更加主动的应用甲基化，为畜牧业做出贡献。
6 DNA甲基化的功能
6.1 DNA甲基化与肿瘤
正常情况下, DNA甲基化的生物学功能主要表现为维护染色体的完整性、调节DNA重组、控制基因表达及调节转录活性。但是,当DNA甲基化出现异常时就会引发疾病。目前为止，许多研究都证实DNA的甲基化与肿瘤的发生有关。肿瘤细胞中的DNA甲基化大部分表现为甲基化水平降低，有小部分区域发生的高甲基化。肿瘤的发生与许多种基因的异常甲基化有关,如抑癌基因、DNA损伤修复基因及与肿瘤代谢和浸润相关的基因。
对DNA甲基化的研究具有临床肿瘤学意义，作为诊断和预后的指标。研究发现，正常细胞在恶变之前就已经发生甲基化的改变，因此我们可以根据甲基化的改变来早期诊断肿瘤，而且肿瘤细胞中DNA甲基化是一种可逆改变，所以，可以对DNA进行甲基化与去甲基化，来改善肿瘤的发生18。
6.2 DNA甲基化与胚胎的发育
在胚胎发育过程中，会发生两次全基因组甲基化的改变。精子、卵子结合后，这两种高甲基化的配子会迅速去甲基化，但这种去甲基化作用并不同步发生。之后还会发生一次脱甲基化，发生于配子发生之前的原始生殖细胞13。去甲基化之后，又会发生重新甲基化。上述这种去甲基化和重新甲基化作用，可能是为了使胚胎摆脱亲本的甲基化模式，从而进入正常的发育程序9。
6.3 DNA 甲基化与宿主防御
真核生物基因组中的寄生序列若发生改变，如移位和表达等，会破坏基因组正常的表达，给宿主带来不利影响。而哺乳动物细胞已经具有了一套完善的防御体系,可识别并灭活绝大多数寄生序列。推测可能与DNA甲基化体系有关，也有资料表明，DNA甲基化可抑制寄生序列的活动，维持宿主正常的生命活动19。
7 展望
虽然，目前对DNA甲基化的了解依然较浅，但DNA 甲基化是基因表达调控的重要手段，不论在动物还是植物上，都有重要的意义。从分子以及细胞水平上阐明DNA甲基化的动力学和遗传学也将是我们今后研究的重中之重。
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