5 - hmC功能研究进展

DNA由A、G、C和T四种基本的碱基组成，后来科学家发现了甲基化的胞嘧啶即5－甲基胞嘧啶(5－mC)并称之为第五种碱基，它是哺乳动物基因组DNA中主要的表观遗传学标志，对基因的表达和调控起着重要的作用。研究人员最近发现了一种新的表观遗传学修饰———5－羟甲基胞嘧啶(5－hmc)并称之为第六种碱基。5－hmC是5－mC的羟基化形式，1952年在噬菌体DNA中首次发现。最近科学家发现它在哺乳动物大脑以及胚胎干细胞中广泛存在，可通过Tet家族的酶对5－mC的氧化而产生。同样，5－hmC也参与基因的表达与调控并与干细胞和癌症相关。

15－hmC的分布及检测

近些年科学家发现5－hmC在某些类型细胞中大量存在，包括胚胎干细胞。与此同时，越来越多的研究表明，Tet家族的蛋白可以将5－mC转化成5－hmC，具有重要的生物功能。为了进一步了解5－hmC的功能，研究人员分析了它在基因组中的分布。

1．15－hmC在胚胎干细胞中的分布

美国波士顿儿童医院等机构的研究人员［1］开发出两种方法来分析5－hmC的基因组定位。研究人员对小鼠胚胎干细胞中包含5－hmC的片段进行高通量测序发现，片段主要集中在外显子和转录起始位点附近，5－hmC尤其集中在启动子含有组蛋白H3第27号位赖氨酸三甲基化(H3K27me3)和组蛋白H3第四号位4赖氨酸三甲基化(H3K4me3)这两个标记的基因起始位点。这表明，5－hmC可能在转录调控中发挥作用，并且5－hmC和5－mC有着不同的转录调节作用。此外，美国加利福尼亚大学的研究人员［2］绘制出了第一张人类胚胎干细胞中5－hmC的基因组分布图，发现5－hmC集中在增强子以及基因本身，提示了5－hmC在基因调控中的潜在作用。

1．25－hmC在大脑中的分布

2009年，KriaucionisS等［3］通过高效液相色谱以及质谱的方法首次发现5－hmC在神经元以及大脑中有分布。此后，Jin等［4］进一步研究了5－hmC在大脑中的分布及含量。

1．35－hmC的检测

之前的技术只能够鉴定出基因组DNA中的5－mC，却无法区分5－mC和5－hmC。现在NEB公司研发了一种基于酶的方案解决了这一问题。这一方法包括多种甲基化依赖的限制性内切酶(MspJI、FspEI和LpnPI)，它们从整个基因组上切下32bp的片段，利用T4β－葡萄糖基转移酶(T4－BGT)在5－hmC的羟基上添加葡萄糖，从而区分5－mC和5－hmC。当5－hmC出现在CCGG的背景下，这种修饰将一个可切割的MspI位点转化成不可切割的。此外，这种方法还能与现有的分析技术兼容，能够扩展为高通量。

25－hmC与Tet蛋白

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。Tet家族的蛋白主要有Tet1、Tet2和Tet3。之前的研究发现Tet1蛋白可以帮助干细胞自我更新并保持多潜能状态。越来越多的研究已经证明Tet蛋白可以催化5－mC氧化形成5－hmC。

2．15－hmC含量的动态调节

来自剑桥大学的科研人员［5］发现基因组中大部分5－hmC的形成依赖于之前存在的5－mC。在Tet蛋白作用下5－hmC和5－mC的含量会保持一种相对平衡，将Tet1和Tet2抑制后这种平衡会打破并导致一系列基因的表达水平发生变化。

2．25－hmC与转录调控

由于5－hmC主要分布在增强子和转录起始位点附近，因而它对基因的转录有很大影响，而5－hmC的含量又受到Tet蛋白的调节，因此Tet蛋白和5－hmC与基因的表达调控有很大关系，特别是在干细胞中，这一影响会决定干细胞的分化程度。美国北卡罗来纳大学张毅［6，7］的一些列成果证实Tet1蛋白能调控CpG富集启动子处的DNA甲基化与羟甲基化水平，进而能促进干细胞中与多能性相关的因子的转录，使干细胞保持多能性。我国复旦大学的研究人员［8］也揭示了Tet1在DNA甲基化与羟甲基化动态平衡及基因表达调控等方面的作用。除了Tet1，Tet2也能通过调节5－hmC和5－mC的含量进而影响基因的转录水平。哈佛大学医学院的Rao［9］报道，发生Tet2突变的骨髓瘤基因组DNA中5－hmC水平降低。由此可见，5－hmC对于基因的转录调控以及生物体维持正常的生物学功能都是必须的。

3展望

5－hmC与基因的表达调控紧密相关并与干细胞的多能性维持以及癌症的发生有关，因此5－hmC必将成为今后表观遗传学以及生物医学领域的研究热点。虽然目前关于5－hmC的确切的生物学功能还不是很清楚，但是对于它的研究已经取得了很多突破性的进展，相信随着研究的深入终将揭开5－hmC的神秘面纱，人们也必然会通过它更加深入地了解基因的表达和调控的机制。