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DNMT: 表观遗传中的“搬运工”

类型：技术文章时间：2022-02-24

DNA甲基化是生物体重要的表观遗传学修饰方式之一，是在DNA甲基转移酶(DNMT)的催化下进行的。DNMT具有多种调控功能，参与机体发育过程中干细胞生长、细胞增殖、器官发育、衰老和肿瘤发生等多个生物学过程。因此，DNMT也成为肿瘤等疾病药物治疗的理想靶点。

经典遗传学认为，基因序列的改变必将引起生物体的改变。但是随着研究的不断深入，科学家发现了一些无法用经典遗传学来解释的现象：同卵双生的两个人具有完全相同的基因组，在同样的环境中长大，但其性格或健康等出现较大差异；又如马、驴正反交的后代差别较大（马骡和驴骡）。这就提示我们，在DNA序列之外存在更高的遗传信息，这便是表观遗传。其中，DNA的甲基化便是其中重要的一种。许多关键的生理过程都会有DNA甲基化的参与，如细胞生长发育、基因损伤的修复与基因突变等。而DNMT便是参与DNA甲基化的关键酶。

DNMT

DNA甲基转移酶（DNA methyltransferase, DNMT）是催化DNA甲基化的重要表观遗传分子。DNA甲基化就是在DNMT的催化下，DNA中的胞嘧啶被选择性的添加甲基（图1）^[1]。DNMT主要包括DNMT1、DNMT2、DNMT3a和DNMT3b。DNMT2在体外缺乏甲基化转移酶的活性,在体内发挥DNA甲基转移酶活性的主要是DNMT1、DNMT3a和DNMT3b^[2]。

图1：DNA甲基化^[1]

DNMT作用机制

DNA甲基化过程中，DNMT催化甲基替换胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤（cytosine-phosphate-guanine，CpG）岛上的二核苷酸胞嘧啶环上5'位氢，生成5-甲基胞嘧啶（5mC），使得发生DNA 甲基化，抑制基因转录。DNMT1的主要功能是维持已有的CpG岛的DNA甲基化模式，其在哺乳动物中的含量最高，是调节DNA甲基化最重要的酶，可以在甲基化的DNA模板指导下使新合成的DNA链发生甲基化，这对于基因印记中DNA甲基化模式的维持非常重要；DNMT3a和DNMT3b则参与DNA的从头甲基化，即将非甲基化的CpG转化为甲基化的CpG（图2）^{[3, 4]}。

图2：不同的DNMT的功能^[3]

DNMT抑制剂

目前，已经上市或者正在进行临床研究的DNMT抑制剂多应用于抗肿瘤治疗（表1）。由于DNA异常甲基化，引起染色质结构改变，从而使转录失活，某些抑癌基因表达沉默，最终导致肿瘤的发生。因此，通过应用DNA甲基转移酶抑制剂，可以抑制异常甲基化的发生，从而激活沉默的抑癌基因，达到治疗肿瘤的目的。目前，市面上的DNMT抑制剂种类较多，其化学结构主要有核苷及非核苷两大类。核苷类主要包括地西他滨、阿扎胞苷、Zebularine，其能够在DNA复制过程中掺入DNA，然后被DNA甲基转移酶识别，通过与DNMT半胱氨酸残基上的巯基共价结合从而使酶失活。非核苷主要包括RG108、N-Acetylprocainamide、DC-517与DC-05，它们通过与DNMT酶的活性位点非共价结合，阻碍其与DNA的结合，从而阻断DNA的甲基化过程^[5]。

表1: 已经上市或临床研究中的DNMT抑制剂（数据来源: 药渡）

DNA甲基化为癌症治疗提供了一个新的靶点。作为表观基因药物之一，DNMT抑制剂在抗肿瘤方面的作用受到广泛重视。由于核苷类DNMT抑制剂对细胞的DNA具有破坏作用，其细胞毒作用较大^[6]，而非共价结合的非核苷类DNMT抑制剂特异性较高，能直接阻断DNMT的活性部位，从而避免了对细胞DNA的破坏，故目前人们的研究重点已转向开发非核苷类DNMT抑制剂。进一步开发疗效好、毒副作用更小的非核苷类DNMT抑制剂可能是今后的研究方向。

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参考文献:

1.Moore LD, Le T, Fan G. DNA methylation and its basic function.Neuropsychopharmacology. 2013 Jan;38(1):23-38.

2.Lyko F. The DNA methyltransferase family: aversatile toolkit for epigenetic regulation. Nat Rev Genet. 2018Feb;19(2):81-92.

3.Cui D, Xu X. DNA Methyltransferases, DNA Methylation, and Age-AssociatedCognitive Function. Int J Mol Sci. 2018 Apr 28;19(5):1315.

4.姜雯雯, 熊志伟, 朱芳芳,等. DNA甲基转移酶功能及活性研究进展[J]. 生物化工, 2017, 000(002):93-95.

5.杨雷, 薛晓文, 张奕华. DNA甲基转移酶抑制剂的研究进展[J]. 药学与临床研究, 2009, 17(004):323-327.

6.Jüttermann R, Li E, Jaenisch R. Toxicity of 5-aza-2'-deoxycytidine tomammalian cells is mediated primarily by covalent trapping of DNAmethyltransferase rather than DNA demethylation. Proc Natl Acad Sci U S A. 1994Dec 6;91(25):11797-801.