Science:中科院揭示5-甲基胞嘧啶去甲基化机理

上一篇 / 下一篇  2011-08-26 22:58:03

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来自中科院上海生命科学研究院、美国芝加哥大学等处的研究人员揭开了表观遗传学修饰中的一个重要环节——5-甲基胞嘧啶如何去甲基化的,这为进一步深入分析DNA修饰方式提供了重要信息。这一研究成果公布在Science杂志上。

文章的通讯作者是中科院上海生命科学研究院徐国良研究员,其早年毕业于浙江大学(原杭州大学),近年主要从事动物发育(包括胚胎与成体干细胞分化)过程中DNA甲基化及组蛋白修饰在基因表达调控中的作用及其分子机理的研究。

在高等生物中比较普遍的DNA修饰方式主要是胞嘧啶甲基化,生成5-甲基胞嘧啶(5-methylcytosine,5mC),这一过程可以通过Tet家族双加氧酶(dioxygenases),转化成另外一种修饰形式:5-羟甲基胞嘧啶(5-hydroxymethylcytosine,5hmC)。这些表观遗传学修饰也被称为DNA的第5种,和第6中碱基。尽管随着表观遗传学研究的深入,这些修饰形式的重要性已经得到了肯定,然而这些胞嘧啶修饰是如何逆转的,科学家们还并不清楚。

在这篇文章中,研究人员发现Tet双加氧酶可以将5mC和5hmC氧化成5-胞嘧啶羧基(5-carboxylcytosine,5caC),之后5caC会被胸腺嘧啶DNA糖基化酶(TDG)识别并消化。Tet蛋白是重新编程已经分化的细胞的一种重要功能蛋白,人类和小鼠都拥有Tet蛋白,研究发现这种蛋白在DNA脱甲基过程和干细胞重新编程方面起关键作用。

研究人员证明了Tet在体内和体外实验中都能将5mC和5hmC氧化成5-胞嘧啶羧基(5-carboxylcytosine,5caC),并且进一步TDG敲除实验也说明5caC的积累。这些研究数据都表明5mC转变成5caC,继而被消化的过程是DNA去甲基化的一条重要途径。

近期北卡罗来纳州大学教堂山分校的张毅教授研究组也获得了DNA甲基化修饰研究的重要进展:发现了两种新型的DNA碱基:5fC(5-胞嘧啶甲酰)和5caC(5-胞嘧啶羧基)。

在这项研究中,Tet蛋白也起到了关键作用,研究人员发现在一个4步反应的第一步中,Tet蛋白能将第5种碱基转变为第6种碱基,但他们没有再接再厉,继续进行该实验,导致他们未能发现第7种、第8种碱基。在最新的研究中,研究人员重新设计了实验并探测到了最新的两种DNA碱基,并在人体胚胎干细胞和实验老鼠器官染色体组的DNA中发现了它们的踪迹。

PMC:
PMID:

Tet-Mediated Formation of 5-Carboxylcytosine and Its Excision by TDG in Mammalian DNA

He, Yu-Fei; Li, Bin-Zhong; Li, Zheng; Liu, Peng; Wang, Yang; Tang, Qingyu; Ding, Jianping; Jia, Yingying; Chen, Zhangcheng; Li, Lin; Sun, Yan; Li, Xiuxue; Dai, Qing; Song, Chun-Xiao; Zhang, Kangling; He, Chuan; Xu, Guo-Liang

The prevalent DNA modification in higher organisms is the methylation of cytosine to 5-methylcytosine (5mC), which is partially converted to 5-hydroxymethylcytosine (5hmC) by the Tet family of dioxygenases. Despite their importance in epigenetic regulation, it is unclear how these cytosine modifications are reversed. Here, we demonstrate that 5mC and 5hmC in DNA are oxidized to 5-carboxylcytosine (5caC) by Tet dioxygenases in vitro and in cultured cells. 5caC is specifically recognized and excised by thymine-DNA glycosylase (TDG). Depletion of TDG in mouse ES cells leads to accumulation of 5caC to a readily detectable level. These data suggest that oxidation of 5mC by Tet proteins followed by TDG-mediated base excision of 5caC constitutes a pathway for active DNA demethylation.


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