Dnmt1 DNA甲基转移酶1(DNA methyltransferase 1)
DNA甲基转移酶的表达调控及主要生物学功能
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DNA 甲基化是表观遗传学的重要部分，同组蛋白修饰相互作用，通过改变染质结构，调控基因表
达。在哺乳类细胞或人体细胞中，DNA 甲基化与细胞的增殖、衰老、癌变等生命现象有着重大关系。对催化DNA 甲基化的DNA 甲基转移酶（DNA methyltransferase, Dnmt）的研究可以揭示DNA 甲基化对基因表达调控的机制，从而研究与之相关的重要生命活动。文章以DNA 甲基转移酶作为切入点，探讨DNA 甲基转移酶在基因表达调控中发挥的作用及其主要生物学功能。
关键词：甲基生物学调控DNA甲基转移酶表观遗传学DNA甲基化表达调控生物学功能甲基转移酶
苏玉, 王溪, 朱卫国
北京大学基础医学院, 北京 100191
摘要：DNA 甲基化是表观遗传学的重要部分，同组蛋白修饰相互作用，通过改变染质结构，调控基因表
达。在哺乳类细胞或人体细胞中，DNA 甲基化与细胞的增殖、衰老、癌变等生命现象有着重大关系。对催化DNA 甲基化的DNA 甲基转移酶（DNA methyltransferase, Dnmt）的研究可以揭示DNA 甲基化对基因表达调控的机制，从而研究与之相关的重要生命活动。文章以DNA 甲基转移酶作为切入点，探讨DNA 甲基转移酶在基因表达调控中发挥的作用及其主要生物学功能。
关键词：DNA 甲基转移酶; DNA 甲基化; 表观遗传学
DNA methyltransferases: the role in regulation of gene expression and biological processes
SU Yu, WANG Xi, ZHU Wei-Guo
School of Basic Medical Sciences, Peking University, Beijing 100191, Chinamodulate
Abstract: Both hitone modification and DNA methylation remodulate chromatin structure and control gene expression or silence. As a main enzyme for DNA methylation, DNA methyltransferase (Dnmt) is not only associated with DNA methylation, but also links to many important biological activities, including cell proliferation, senescence and cancer development. This review focuses on structure, regulation and function in biological processes of Dnmt.
Keywords: DNA methyltransferase; DNA methylation; epigenetics
DNA 的甲基化修饰是真核细胞基因表达调控的特点之一。在哺乳动物的某些基因中，5’ 侧翼区为CpG 的高频区，称为CpG 岛。DNA 甲基化多发生在这些CpG 岛的胞嘧啶第五位碳（C5）上。首先甲基转移酶与DNA 结合，将目标核苷酸反转暴露于DNA 双螺旋之外，之后半胱氨酸的亲和基团与胞嘧啶第六位碳（C6）共价结合，从S-腺苷甲硫氨酸（S-adenosylmethionine, Adomet）处转甲基至胞嘧啶C5 上[1]。通过这种甲基化机制和组蛋白修饰、染质重组等共同作用，细胞可以不改变DNA 的碱基序列，而调控不同基因在不同细胞和组织中的表达。
DNA 的甲基化是通过DNA 甲基转移酶（DNA methyltransferase, Dnmt）催化和维持的。一般认为，哺乳动物的Dnmt 有4 种，分为两个家族：Dnmt1 和Dnmt3（另有一种Dnmt2，主要为tRNA 的甲基转移酶，也有报导称Dnmt2 具有微弱的DNA 甲基转移酶活性[2]）（图1）。 Dnmt1 家族在DNA 复制和修复中维持其甲基化；而Dnmt3 家族则催化CpG 从头甲基化（denovo methylation）。Dnmt3 包括了两个从头甲基转移酶Dnmt3a、Dnmt3b 和一个调节蛋白 Dnmt3L[1]。
图1 Dnmt 的家族成员及其结构
Dnmt1 的结构域为：N 端与某些蛋白特异结合区，C 端的酶活性区和及其他未知区域；Dnmt2 主要为tRNA甲基转移酶；Dnmt3a 和Dnmt3b 的结构域为：N 端的可变区，PWWP 结构域，半胱氨酸富集区，C 端的酶活性区；Dnmt3L 有半胱氨酸富集区，但C 端不具单独的催化活性[1]。罗马数字表示酶结构中的一些保守序列。
Dnmt1 是1988 年Bestor 等[3]从真核生物克隆出来的第一个DNA 甲基转移酶，是一种胞嘧啶C5 特异的甲基转移酶。Dnmt1 分子量为183 kDa，一般认为Dnmt1 有3 个结构域： C 端的催化域，N 端的某些蛋白识别的靶区域，以及其他未知区域[4]。最近有研究表明Dnmt
1 的半胱氨酸富集区可与未甲基化的CpG 岛结合，这说明除了催化区域以外，Dnmt1 的其他结构域也与酶活性有重要关系[5]。Dnmt1 的结构可能还会通过与氨基酸相互作用和（或）催化域的丝氨酸磷酸化而发生变化[6, 7]，这可能与酶的活性、与DNA 结合等的调节有关。Dnmt1 的主要作用是维持DNA 甲基化，这种维持作用可以将DNA 甲基化信息传递给子代细胞。
Dnmt3a 和Dnmt3b 的结构域基本相同，都在N 端存在一可变区，可变区之后至C 端依次为：PWWP（Proline tryptophan tryptophan proline）结构域，其可能与DNA 非特异性结合有关；半胱氨酸富集的锌结合区域；C 端的催化活性区域。
Dnmt3L 是一种Dnmt3 类似蛋白，具有半胱氨酸富集的锌结合区域，但缺少C 端的酶催化活性域，所以没有单独的催化活性。但它是DNA 从头甲基化的调节因子，通过与Dnmt3a 和Dnmt3b 的C 端结合，可提高它们的催化活性，正向调节DNA 从头甲基化[8]。
1 DNA 甲基转移酶的基因表达调控
一般认为DNA 甲基化通过两种途径抑制基因表达。第一种是直接阻碍转录因子与甲基化的
CpG 岛结合，直接抑制基因表达[9]；另一种是通过招募DNA 甲基结合蛋白（Methyl-CpG-binding proteins, MBP）及一些阻碍复合物，阻止转录因子与特定DNA 序列结合，间接抑制基因表达[10]。本实验室发现p21 启动子上的转录因子Sp1 结合位点的甲基化并不阻碍Sp1 结合到其启动子上[11]，说明第一种途径的抑制作用并不表现在所有基因中。而在第二种途径中，Dnmt 和MBP 可与组蛋白去乙酰化酶（Histone deacetylase, HDAC）、共抑制子（co-repressor）和ATP 依赖的染质重塑蛋白等结合形成抑制复合物，与组蛋白去乙酰化和染体重塑共同作用，从而抑制基因表达[12~14]。
Dnmt 与组蛋白修饰相关因子的相互作用是Dnmt 调控基因表达的重要手段。Dnmt1 的 N 末端可以与HDAC1、HDAC2 结合，Dnmt3a 和Dnmt3b 也可以招募HDAC，从而使组蛋白去乙酰化[15]。Dnmt 除了可以与HDAC 相互作用外，还与组蛋白的甲基化有关。DNMT1 的N 端可以招募组蛋白甲基化酶Suv39h1（Suppressor of variegation 3-9 homolog 1）和识别 HP1 （Heterochromatin protein 1）[14]。Dnmt3a 也可与HP1 相互作用，而HP1 具有识别甲基化的组蛋白、稳定异染质浓缩结构的作用[16]。研究人员还发现DNMT3A 可以直接识别对称甲基化的组蛋白H4R3me2s （Symmetric methylation of histone H4 arginine 3）[17]。这说明 Dnmt 的基因表达抑制作用与组蛋白修饰和染质重塑相关。这
种机制的意义可能是：由于组蛋白的变构在细胞增殖过程中不能直接传递，所以通过Dnmt 对新复制得到的子代DNA 甲基化型的保留，得到基因是否转录的信息，从而使子代细胞中组蛋白正确地乙酰化或去乙酰化。
DNMT1 的N 端可以识别MBP 家族中的MBD1（Methyl-CpG binding domain 1）、MBD3、 MeCP2（Methyl-CpG binding protein 2）[14]。一项研究显示，大鼠肝细胞瘤中的Dnmt1、Dnmt3a 和Dnmt3b 数量是正常肝细胞的4～10 倍，MeCP2 是正常的8 倍，MeCP2 与MT-1 启动子相互作用，抑制MT-1（一种抗氧化剂）的表达，说明MeCP2 和Dnmt 都与肿瘤中MT-1 基因表达抑制有关[18]。在Xist 基因沉默的相关研究中，另一种甲基结合蛋白Mbd2 与Dnmt1 和 HDAC 抑制物有相互作用，是导致Xist 基因沉默的中介[19]。Dnmt 通过招募这些蛋白，与组蛋白修饰和染体重塑共同作用，间接抑制基因表达。
Dnmt 间接的基因沉默作用还表现在与一些共抑制子的相互作用上。如Dnmt3a 可以与一种转录抑制蛋白RP58 结合，二者共同抑制基因表达[20]。DNMT3B 在HeLa 细胞中可以与共抑制子SIN3A（Kinetochore associated protein）相互作用，同时也可与KIF4A（Kinesin f
amily member 4A）和condensin 相互作用参与染体浓缩[21]。这些研究结果表明，Dnmt 与相关蛋白的相互作用不仅是间接抑制基因表达的途径，也是Dnmt 参与组蛋白修饰、染体变构的途径。
最近的一些研究还揭示了Dnmt 与另一组基因沉默相关因子PcG（Polycomb group）的相互作用。PcG 蛋白组成的多聚复合物PRC（Polycomb repressive complexes）2 和3 中的 EZH2（Enhancer of zeste homolog 2）可以和Dnmt 相互作用，共同抑制基因表达，并且EZH2 是其靶基因启动子甲基化所必需的[22]。PRC1 活化相关的NSPc1（Nervous system polycomb 1）蛋白，与DNMT1、EZH2 共同结合在HeLa 细胞中的HOXA7 启动子上，当NSPc1 缺失时 DNMT1 与HOXA7 启动子的结合下降，同时DNMT1 缺少时NSPc1 的结合水平也下降[23]。这些研究结果说明Dnmt 参与的DNA 甲基化的基因沉默机制和PcG 参与的基因沉默机制也存在交互作用。