5-羥甲基胞嘧啶(5-hydroxymethylcytosine，5hmC)是一種表觀修飾的胞嘧啶，是5mC的羥基化形式，被稱為DNA的第6種堿基。它最早于1952年在噬菌體DNA中被發(fā)現(xiàn), 它能被糖基轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)糖基化修飾, 從而使噬菌體基因組在進(jìn)入宿主后能抵抗宿主限制酶的降解。最近科學(xué)家發(fā)現(xiàn)它在哺乳動(dòng)物大腦以及胚胎干細(xì)胞中廣泛存在，可通過Tet家族的酶對(duì)5mC的氧化而產(chǎn)生。同樣，5hmC也參與基因的表達(dá)與調(diào)控并與干細(xì)胞和癌癥相關(guān)。
Tet蛋白是重新編程已經(jīng)分化的細(xì)胞的一種重要功能蛋白，人類和小鼠都擁有Tet蛋白。Tet家族的蛋白主要有Tet1、Tet2和Tet3。之前的研究發(fā)現(xiàn)Tet蛋白可以幫助干細(xì)胞自我更新并保持多潛能狀態(tài)。越來越多的研究已經(jīng)證明栽Tet蛋白可以催化5mC氧化形成5hmC。
由于5hmC主要分布在增強(qiáng)子和轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)附近，因而它對(duì)基因的轉(zhuǎn)錄有很大影響，而5hmC的含量又受到Tet蛋白的調(diào)節(jié)，因此Tet蛋白和5hmC與基因的表達(dá)調(diào)控有很大關(guān)系，特別是在干細(xì)胞中，這一影響會(huì)決定干細(xì)胞的分化程度。美國(guó)北卡羅來納大學(xué)張毅［1］的一些列成果證實(shí)Tet1蛋白能調(diào)控CpG富集啟動(dòng)子處的DNA甲基化與羥甲基化水平，進(jìn)而能促進(jìn)干細(xì)胞中與多能性相關(guān)的因子的轉(zhuǎn)錄，使干細(xì)胞保持多能性。我國(guó)復(fù)旦大學(xué)的研究人員［2］也揭示了Tet1在DNA甲基化與羥甲基化動(dòng)態(tài)平衡及基因表達(dá)調(diào)控等方面的作用。除了Tet1，Tet2也能通過調(diào)節(jié)5hmC和5mC的含量進(jìn)而影響基因的轉(zhuǎn)錄水平。
5mC 與基因表達(dá)抑制有關(guān), 其羥基化后形成的5hmC 具有什么功能呢？目前雖然還不甚清楚, 但它可能與去甲基化過程和基因活性增加有關(guān)。關(guān)于5hmC在去甲基化過程中的作用機(jī)制目前主要有兩種假設(shè)(圖1)：第一種假設(shè)是5hmC參與了被動(dòng)去甲基化過程, 在細(xì)胞分裂過程中5hmC 的存在干擾了DNMTs介導(dǎo)的CpG二核苷酸中胞嘧啶的甲基化過程, 從而導(dǎo)致被動(dòng)去甲基化[3]; 第二種假設(shè)是5hmC 參與了主動(dòng)去甲基化過程, 基于哺乳動(dòng)物5hmC特異性DNA轉(zhuǎn)葡萄糖基酶的發(fā)現(xiàn), 故推測(cè)5hmC可能是與DNA修復(fù)機(jī)制相關(guān)的主動(dòng)去甲基化通路中的一個(gè)重要的中間產(chǎn)物[4], 通過一種至今尚未發(fā)現(xiàn)的酶機(jī)制可將5hmC轉(zhuǎn)變成胞嘧啶。
圖1 5hmC在DNA甲基化過程中的作用
近年來的研究發(fā)現(xiàn)，5hmC在肺癌、大腦腫瘤、皮膚癌、乳腺癌、子宮癌、胰腺癌、小腸癌、肝癌和腎臟腫瘤組織中含量與正常組織相比出現(xiàn)明顯降低的變化，這表明5hmC可能在腫瘤發(fā)生和發(fā)展過程中起一定阻礙作用，即5hmC能夠通過改變DNA甲基化狀態(tài)來阻止腫瘤抑制基因和凋亡基因失活，如果5hmC含量降低，那么使得上述基因缺乏保護(hù)，從而導(dǎo)致腫瘤發(fā)生。此外，也有研究表明，隨著胚胎干細(xì)胞的分化，5hmC表達(dá)水平逐漸下調(diào)，在誘導(dǎo)性多潛能干細(xì)胞產(chǎn)生期間又再次上調(diào)，說明5hmC的表達(dá)可能與多潛能細(xì)胞狀態(tài)有關(guān)?？梢姡?hmC在不同組織之間表達(dá)的差異大，在胚胎發(fā)育的不同時(shí)期也不同。
5hmC 在哺乳動(dòng)物基因組中的穩(wěn)定表達(dá)及其在基因調(diào)控元件區(qū)獨(dú)特的分布特點(diǎn)顯示了它與5mC不同的基因調(diào)控作用。在調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)制方面,
有研究認(rèn)為由于羥甲基化的5mC 不能識(shí)別甲基化CpG結(jié)合蛋白, 如MBD1、MBD2、MBD4和MECP2等, 故能招募組蛋白去乙?；?Histone deacetylases, HDAC), 從而使基因處于轉(zhuǎn)錄活性狀態(tài)。目前該方面主要來自胚胎干細(xì)胞的研究, 但各研究團(tuán)隊(duì)間的結(jié)果不盡相同。
Wu等[5]等認(rèn)為5hmC對(duì)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控作用取決于其在基因組中的位置, 研究發(fā)現(xiàn)5hmC 在低表達(dá)基因的啟動(dòng)子區(qū)以及高或中度表達(dá)基因的基因內(nèi)部相對(duì)富集, 在高表達(dá)基因的TSS位點(diǎn)極度低水平, 故認(rèn)為啟動(dòng)子區(qū)域的5hmC 可能起著轉(zhuǎn)錄沉默的作用, 而基因內(nèi)部的5hmC 與轉(zhuǎn)錄激活有關(guān)。這與人類額葉組織5hmC的表達(dá)研究類似, Jin等[6]發(fā)現(xiàn)基因內(nèi)部5hmC的表達(dá)水平與基因表達(dá)水平呈正相關(guān), 但是含低度CpG含量的啟動(dòng)子區(qū)5hmC水平與該基因表達(dá)水平也呈正相關(guān)。
5hmC在哺乳動(dòng)物組織中的“重新發(fā)現(xiàn)”只有短短的3 年, 目前的檢測(cè)技術(shù)也還有待完善, 對(duì)其功能的了解還處于起步狀態(tài), 但它對(duì)我們認(rèn)識(shí)表觀遺
傳調(diào)控在人體發(fā)育和疾病發(fā)生中的作用增添了一個(gè)新的重要維度。5hmC 與基因的表達(dá)調(diào)控緊密相關(guān)并與干細(xì)胞的多能性維持以及癌癥的發(fā)生有關(guān)，因此5hmC必將成為今后表觀遺傳學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。雖然目前關(guān)于5hmC的確切的生物學(xué)功能還不是很清楚，但是對(duì)于它的研究已經(jīng)取得了很多突破性的進(jìn)展，相信隨著研究的深入終將揭開5hmC的神秘面紗，人們也必然會(huì)通過它更加深入地了解基因的表達(dá)和調(diào)控的機(jī)制。
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