Science：重磅！導入不含CpG島的DNA讓抵抗甲基化的CpG島發生甲基化

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DNA上的化學標記會影響基因表達。在一項新的研究中，來自美國、日本、西班牙和沙烏地阿拉伯的研究人員開發出一種新的技術來校正這些化學標記發生的致病性異常。這些化學修飾統稱為表觀基因組，在發育和疾病中與基因組序列本身一樣發揮著越來越重要的作用。相關研究結果發表在2017年5月5日的Science期刊上，論文標題為「Integration of CpG-free DNA induces de novo methylation of CpG islands in pluripotent stem cells」。

這種新的技術被用來構建與結腸癌相關的表觀基因組突變模型和讓源自安格爾曼綜合征（Angelman syndrome, AS）患者的幹細胞甲基化模式恢復正常。安格爾曼綜合征是一種罕見的神經退行性疾病，經常被誤診為自閉症。除了構建表觀遺傳疾病模型和治療這些疾病之外，這種技術也有望研究人類發育和生物學特徵。

論文通信作者、美國沙克生物研究所教授Juan Carlos Izpisua Belmonte說，「我們對這項研究為理解疾病過程和開發有效的新療法開闢如此多的新途徑感到激動人心。發現如何編輯基因組已是一項巨大的進步，這種編輯表觀基因組的新技術是另一項巨大的進步。」

Izpisua Belmonte實驗室近期開創性地開發出一種方法對非分裂細胞（non-dividing cell）中的基因進行修飾（Nature, doi:10.1038/nature20565）。在成體組織中，非分裂細胞占絕大多數。這種新技術靶向一種最為常見的被稱作DNA甲基化的表觀遺傳變化。DNA甲基化指的是被稱作甲基的化學標記附著到DNA上。通常而言，這些甲基標誌著準備開啟或關閉的基因。科學家們越來越多地了解到DNA甲基化參與眾多生理學過程（包括胚胎髮育）和病理學過程（包括生命後期出現的某些疾病，如癌症）。人們已發現改變短DNA序列上的甲基化狀態的方法，但是在此之前，沒有人能夠讓這些變化在較廣的範圍內（這是合適的基因激活或失活的一個先決條件）保持下去。

鑒於80%的哺乳動物DNA發生甲基化，Izpisua Belmonte實驗室對未發生甲基化的DNA區域感到好奇。自相矛盾的是，這些區域經常富含潛在的甲基化位點，而且往往靠近於轉錄開始發生的基因區域。然而，在某種程度上，這些被稱作CpG島的區域在正常情形下保持未甲基化。

這些研究人員猜測干擾CpG島可能會觸發新的甲基化。為了測試這種猜測，他們首先利用分子工具將沒有CpG的DNA插入到MLH1基因附近的CpG島中。MLH1基因在正常情形下未發生甲基化，但是如果它發生甲基化，那麼它會增加結腸癌風險。作為一種原理驗證，他們能夠模擬這個結腸癌基因上發生的異常甲基化來開始理解異常的甲基化如何與癌症存在關聯。

論文第一作者、沙克生物研究所研究員Yuta Takahashi說，「對CpG島有趣的是，它們抵抗甲基化。但是通過導入不含CpG的DNA，我們能夠撤銷阻斷它的機制，隨後誘導整個CpG島發生DNA甲基化。」

在了解能夠在不發生甲基化的地方誘導甲基化產生，這些研究人員接下來試著將甲基附著到基因組上應當存在但因一些疾病等原因而缺失的地方。安格爾曼綜合征是由於異常的DNA甲基化而導致的，這種異常會導致神經元中的UBE3A蛋白丟失。這導致病人出現認知缺陷。利用這種新的技術，他們校正了這種異常的DNA甲基化，並且在培養皿中，恢復安格爾曼綜合征神經元內的UBE3A蛋白水平。

根據這些研究人員的說法，最為激動人心的是他們引入的所有甲基化模式在一段時間之後是穩定的，但是對其他的表觀遺傳技術而言，這一點是做不到的。即便移除這種不含CpG的DNA也不會影響這種新的甲基化。這一發現為重寫CpG島上的表觀遺傳標記提供一種方法，同時也有助認識讓CpG島免受DNA甲基化的機制。

論文共同作者、沙克生物研究所研究員Jun Wu說，「我們開發出一種新的技術，從而允許對多能性幹細胞CpG島上的DNA甲基化進行穩健地編輯，這將有助開發細胞替換療法來治療表觀遺傳疾病。但是，通過發現DNA甲基化的內在機制，我們希望利用這種技術做更多的事情。」

原始出處：

Yuta Takahashi, Jun Wu, Keiichiro Suzuki et al. Integration of CpG-free DNA induces de novo methylation of CpG islands in pluripotent stem cells.Science, 05 May 2017,356(6337):503-508, doi:10.1126/science.aag3260