柳瑩 唐永政 高麗

（煙臺(tái)大學(xué)海洋學(xué)院，煙臺(tái)　264005）

無(wú)脊椎動(dòng)物DNA甲基化研究進(jìn)展

柳瑩 唐永政 高麗

（煙臺(tái)大學(xué)海洋學(xué)院，煙臺(tái)264005）

DNA甲基化是一種重要的表觀遺傳機(jī)制，可在不改變DNA序列的基礎(chǔ)上改變細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄物組并造成表型上的差異。在不同進(jìn)化分支中，DNA甲基化狀態(tài)有很大的不同，無(wú)脊椎動(dòng)物DNA甲基化多發(fā)生于轉(zhuǎn)錄區(qū)域并與基因表達(dá)高度相關(guān)。研究表明，DNA甲基化對(duì)于社會(huì)性昆蟲(chóng)的等級(jí)分化具有重要影響，并且可以通過(guò)啟動(dòng)子識(shí)別、外顯子遺漏等機(jī)制來(lái)增加轉(zhuǎn)錄變異體的數(shù)量，從而提高表型的靈活性，增加生物體應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的能力。對(duì)無(wú)脊椎動(dòng)物DNA甲基化的機(jī)制及功能進(jìn)行綜述，旨在為相關(guān)研究提供參考，并對(duì)未來(lái)的研究方向作出展望。

DNA甲基化；基因體甲基化；轉(zhuǎn)錄物組

DNA甲基化是一種進(jìn)化上保守且具有重要生物學(xué)功能的表觀遺傳機(jī)制［1］。在不改變DNA序列的基礎(chǔ)上，通過(guò)將甲基添加到DNA分子上，可以對(duì)生物體的遺傳表達(dá)進(jìn)行調(diào)控。DNA甲基化會(huì)導(dǎo)致染色質(zhì)結(jié)構(gòu)、DNA構(gòu)象、DNA穩(wěn)定性及DNA與蛋白質(zhì)相互作用方式的改變，進(jìn)而對(duì)基因的表達(dá)產(chǎn)生影響。

在基因組內(nèi)，DNA甲基化狀態(tài)可分為暫時(shí)性的和永久性的兩種。環(huán)境的變化可導(dǎo)致基因甲基化狀態(tài)的改變，進(jìn)而對(duì)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄物組（Transcriptome）產(chǎn)生影響，因此，即使是基因型完全相同的個(gè)體，也會(huì)產(chǎn)生表型上的差異，就像在同卵雙胞胎中出現(xiàn)的情況。在不同的生物門(mén)類中，DNA甲基化的狀態(tài)有很大的不同。無(wú)脊椎動(dòng)物通常表現(xiàn)出基因組內(nèi)不均一的甲基化狀態(tài)，甲基化多發(fā)生于轉(zhuǎn)錄區(qū)域，這一模式因此也被稱為基因體甲基化（Gene body methylation，GBM）［2］。生物全基因組范圍內(nèi)的甲基核苷酸也可被稱為生物的甲基化組（Methylome）。

迄今為止，關(guān)于DNA甲基化的研究多數(shù)來(lái)自醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，特別是人類疾病相關(guān)基因的甲基化情況，但是關(guān)于無(wú)脊椎動(dòng)物基因組水平的甲基化研究還是比較少。相關(guān)的研究主要集中于以下領(lǐng)域：意大利蜜蜂（Apis mellifera）的等級(jí)分化，家蠶（Bombyx mori）的絲腺表達(dá)，太平洋牡蠣（ Crassostrea gigas）的適應(yīng)機(jī)制，佛羅里達(dá)弓背蟻（Camponotus florida-nus）和印度跳蟻（Harpegnathos saltator）的進(jìn)化歷程，造紙胡蜂（Polistes dominula）及麗蠅蛹集金小蜂（Nasonia vitripennis）的發(fā)育調(diào)控等。本文將主要對(duì)這幾種生物中發(fā)現(xiàn)的DNA甲基化模式及相關(guān)功能進(jìn)行綜述。

1 DNA甲基化的模式

1.1 DNA甲基化機(jī)制

據(jù)推測(cè)DNA甲基化進(jìn)化自原始細(xì)菌的限制-修飾系統(tǒng)，由原始的免疫功能發(fā)展為基因表達(dá)調(diào)控功能［3］。在細(xì)胞中，DNA甲基化由DNA甲基化酶（DNA methyltransferases，DNMTs）催化完成。DNMTs可依據(jù)活性的不同進(jìn)行分類，在哺乳動(dòng)物中，DNMTs的作用可分為初始合成（de novo）和維系現(xiàn)狀（Maintenance）兩類［4］。具初始合成功能的DNA甲基化酶類以 DNMT3蛋白質(zhì)家族為代表，負(fù)責(zé)基因組中新的甲基化模式的產(chǎn)生，而具維系現(xiàn)狀功能的DNA甲基化酶類以 DNMT1蛋白質(zhì)家族為代表，負(fù)責(zé)復(fù)制過(guò)程中已有甲基化模式的維系。DNMT2蛋白質(zhì)家族起先也被認(rèn)為是催化DNA甲基化的酶類，但是最近的研究表明其作用是對(duì)tRNA 進(jìn)行甲基化［5］。因此，在生物體內(nèi)，通常認(rèn)為DNMT1與 DNMT3的共同存在標(biāo)志著甲基化系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。但也有例外，如在家蠶的體內(nèi)，雖然只有DNMT1而沒(méi)有DNMT3的存在，但是卻表現(xiàn)出與蜜蜂基因組相似的甲基化水平（0.7% vs 0.5%）［1］。

除此之外，甲基化CpG結(jié)合蛋白（Methyl-CpG-binding domain proteins，MBDs）也可以特異性地結(jié)合甲基化的CpG并在不同水平發(fā)揮表觀遺傳調(diào)控作用。在哺乳動(dòng)物中，MBD中包含有一個(gè)甲基化CpG識(shí)別結(jié)構(gòu)域，因此可以特異性地結(jié)合甲基化的DNA，并可將染色質(zhì)重塑因子定位到DNA甲基化的區(qū)域，進(jìn)而對(duì)表觀遺傳調(diào)控產(chǎn)生影響［6］。但在無(wú)脊椎動(dòng)物中，相關(guān)的作用細(xì)節(jié)仍然尚待明確。

1.2 DNA甲基化位點(diǎn)

在原核生物中，甲基化多發(fā)生于腺嘌呤位點(diǎn)，而在真核生物中，絕大多數(shù)的甲基化位點(diǎn)是胞嘧啶［7］。在動(dòng)物界中，胞嘧啶的甲基化多發(fā)生于CpG二核苷酸序列之中，而在植物界和真菌界，在CHG或CHH序列中也可發(fā)現(xiàn)甲基化的胞嘧啶［8］。在植物中，DNA甲基化多發(fā)生于重復(fù)序列或轉(zhuǎn)座子區(qū)域，甲基化核苷酸類似于“鉚釘”將轉(zhuǎn)座子釘住，以抑制其轉(zhuǎn)移活性［9］，但在無(wú)脊椎動(dòng)物中，DNA甲基化主要發(fā)生于基因內(nèi)部，基因間區(qū)大部分未被甲基化，重復(fù)序列或轉(zhuǎn)座子區(qū)域的甲基化情況在昆蟲(chóng)中幾乎不存在［10］。在無(wú)脊椎動(dòng)物中，外顯子和內(nèi)含子的甲基化模式也表現(xiàn)出較大差異，如在牡蠣中，外顯子和內(nèi)含子存在較高的甲基化水平［11］，而在金小蜂中，內(nèi)含子的甲基化水平卻要顯著低于外顯子［12］。

有些生物基因組的甲基化位點(diǎn)展現(xiàn)出高度的特異性，如桃蚜（Myzus persicae）的基因組雖然整體來(lái)說(shuō)缺乏甲基化修飾。但是在其解毒酶的編碼區(qū)卻存在有CpG甲基化的情況，其中胞嘧啶甲基化的缺失將導(dǎo)致基因的沉默，進(jìn)而引起昆蟲(chóng)抗藥性的缺失［13］。對(duì)于另一種蚜蟲(chóng)，麥二叉蚜（Schizaphis graminum）的研究也得出了類似的結(jié)論［14］。

基因組水平的研究顯示了無(wú)脊椎動(dòng)物不同轉(zhuǎn)錄單元之間甲基化水平的巨大差異，有些轉(zhuǎn)錄單元被高度甲基化而另一些則具有極其低度的甲基化水平［15］。甲基化與轉(zhuǎn)錄水平之間的關(guān)系也展現(xiàn)出了種間特異性，在?？∟ematostella vectensis）和家蠶中的研究都表明，基因的甲基化水平與表達(dá)產(chǎn)物mRNA的水平之間存在有正相關(guān)［1，16］。但是在對(duì)蜜蜂中的研究顯示，表達(dá)最為頻繁和表達(dá)最不頻繁的基因都被甲基化了［1］。因此，對(duì)相關(guān)遺傳及進(jìn)化機(jī)制的了解仍有賴于對(duì)于生殖細(xì)胞系及體細(xì)胞甲基化圖譜的深入研究。

1.3 DNA甲基化水平

在脊椎動(dòng)物中，基因組的甲基化水平整體較高，CpG二核苷酸中大約70%-80%的C被甲基化，而無(wú)脊椎動(dòng)物基因組的甲基化水平通常較低，兩種重要的模式生物，果蠅（Drosophila melanogaster）和秀麗隱桿線蟲(chóng)（Caenorhabditis elegans）均缺乏DNA甲基化的情況［17］。對(duì)家蠶絲腺甲基化譜的研究發(fā)現(xiàn)，大約0.11%的基因組胞嘧啶被甲基化修飾，比哺乳動(dòng)物和植物低至少50倍［16］。通常，DNA甲基化的情況分布于整個(gè)基因組中，但是在基因的5'末端，DNA甲基化程度較低且出現(xiàn)了兩種不同的分布模式。在組織特異性表達(dá)基因的啟動(dòng)子區(qū)域，CpG含量較低但甲基化水平較高。而在持續(xù)表達(dá)的持家基因的啟動(dòng)子區(qū)域，CpG含量較高，甲基化水平較低［18］。

由于技術(shù)手段的有限和工作量的巨大，在實(shí)際研究中很難對(duì)生物整個(gè)基因組進(jìn)行DNA甲基化測(cè)定，相關(guān)數(shù)據(jù)多來(lái)自對(duì)相關(guān)序列進(jìn)行的計(jì)算機(jī)推斷分析（in silico）的結(jié)果。例如，甲基化的胞嘧啶可以自發(fā)性地脫氨形成胸腺嘧啶，這一突變很難被DNA修復(fù)機(jī)制識(shí)別糾正，隨著時(shí)間的推移，基因組中的CpG序列會(huì)逐漸消失。因此序列之中較低的CpG水平就暗示了甲基化過(guò)程的存在，通過(guò)比較CpG的實(shí)際存在水平與期望水平（Observed to expected CpG contents，CpG O/E ratio），我們可以對(duì)甲基化的進(jìn)程有所了解［19］，這一過(guò)程又被稱為標(biāo)準(zhǔn)化CpG含量分析（Normalized CpG content analysis）［20］。對(duì)于蜜蜂基因組不同區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)化CpG含量分析表明，有些基因經(jīng)歷了廣泛的脫氨過(guò)程因而是甲基化作用的主要位點(diǎn)［21］，這一研究結(jié)果其后也得到了其他DNA甲基化功能相關(guān)研究的證實(shí)［1，16，17，22］。在人虱（Pediculus humanus）中同樣出現(xiàn)了只存在DNMT1而不存在DNMT3的情況，但是對(duì)于基因組標(biāo)準(zhǔn)化CpG含量的分析卻暗示了甲基化過(guò)程的存在［20］。

2 DNA甲基化的功能

2.1 DNA甲基化與轉(zhuǎn)錄模式

基因不同的甲基化模式對(duì)應(yīng)的是轉(zhuǎn)錄水平及功能的不同。在昆蟲(chóng)中，高度甲基化的基因通常具有持家功能并得到了高效表達(dá)［23］，而低度甲基化的基因則可能執(zhí)行的是可誘導(dǎo)的調(diào)節(jié)功能如細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)或環(huán)境刺激性反應(yīng)［24］。在社會(huì)型昆蟲(chóng)中，環(huán)境誘導(dǎo)性的甲基化導(dǎo)致了不同等級(jí)相關(guān)表型的出現(xiàn)。在蜜蜂中，蜂王漿能通過(guò)DNA甲基化作用來(lái)修飾蜜蜂的基因組，并干擾使幼蟲(chóng)變?yōu)楣し涞幕虻谋磉_(dá)［25］。對(duì)同一蜂巢中不同分工的蜜蜂如采蜜蜂和保育蜂而言，其負(fù)責(zé)調(diào)控基因表達(dá)的DNA甲基化模式也存在有差異。當(dāng)研究人員采取手段誘使采蜜蜂轉(zhuǎn)化為保育蜂時(shí)，其甲基化模式也會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)改變［26］。對(duì)于較為原始的社會(huì)性昆蟲(chóng)造紙胡蜂的研究也表明，其基因組內(nèi)存在有與等級(jí)分化相關(guān)的位點(diǎn)特異性甲基化DNA［27］。

對(duì)于不同社會(huì)等級(jí)和發(fā)育階段的佛羅里達(dá)弓背蟻和印度跳蟻的DNA甲基化研究表明，雖然這兩種螞蟻在1億多年以前就已經(jīng)分化，但某些與等級(jí)分化及發(fā)育變化相關(guān)的差異甲基化基因在這兩種不同的螞蟻中是保守的，包括與繁殖、端粒維持及非編碼RNA代謝調(diào)控相關(guān)的一些基因［28］。在對(duì)濕木白蟻（Zootermopsis nevadensis）進(jìn)行基因組測(cè)序后，也發(fā)現(xiàn)了DNA甲基化模式和可變剪切對(duì)其社會(huì)化分工的表觀遺傳控制作用［29］。因此，DNA甲基化對(duì)于維系社會(huì)性昆蟲(chóng)的基因等級(jí)差異性表達(dá)具有非常重要的功能，而相對(duì)于非甲基化的基因而言，甲基化的基因在其功能的維系上也具有更高的保守性。

2.2 DNA甲基化與啟動(dòng)子識(shí)別（Promoter recognition）

在脊椎動(dòng)物的基因啟動(dòng)子區(qū)，CpG甲基化的情況較少出現(xiàn)。在哺乳動(dòng)物中的研究表明，有些特定轉(zhuǎn)錄因子對(duì)其結(jié)合位點(diǎn)的DNA甲基化非常敏感，在這種情況下，即使是在C+G含量少的區(qū)域，啟動(dòng)子、增強(qiáng)子等基因調(diào)控區(qū)的甲基化也會(huì)阻止轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，從而抑制基因的表達(dá)［30］。例如，對(duì)于海兔（Aplysia）的研究表明，CREB2基因啟動(dòng)子區(qū)的CpG島甲基化將抑制基因的表達(dá)，從而影響到記憶相關(guān)突觸的可塑性調(diào)控［31］。在轉(zhuǎn)錄過(guò)程中，組織特異性的甲基化通常會(huì)降低轉(zhuǎn)錄延伸的效率，但在某些特殊的情況下，也可增強(qiáng)轉(zhuǎn)錄的效率［32］。

在牡蠣基因組中，DNA的甲基化會(huì)導(dǎo)致與之結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子的改變，進(jìn)而增加轉(zhuǎn)錄變異體（Transcript variants）的數(shù)量［33］，因?yàn)槟迪犐钤诃h(huán)境高度多變的潮間帶，其環(huán)境溫度及鹽度在不同潮位和季節(jié)會(huì)產(chǎn)生很大的變化，而牡蠣一般附著在淺海物體和礁石上，不能夠通過(guò)主動(dòng)移動(dòng)來(lái)逃避不利環(huán)境的影響，因此必須具有一套遺傳機(jī)制使其對(duì)溫度、鹽度、干露、重金屬和海區(qū)常見(jiàn)病原等具有很強(qiáng)的抵抗力，而甲基化可以使其有限的基因更為靈活地應(yīng)對(duì)環(huán)境的變化。與其他無(wú)脊椎動(dòng)物門(mén)類相比，牡蠣基因組中胞嘧啶甲基化程度較高為2%（昆蟲(chóng)中為0.15%）［1，11］，而對(duì)于牡蠣生殖系細(xì)胞的研究表明，在配子發(fā)生的過(guò)程中，雌雄配子間及配子的不同發(fā)育階段甲基化模式均展現(xiàn)出一定的差異［34］，在牡蠣成體腮細(xì)胞的單堿基分辨率甲基化組圖譜中也發(fā)現(xiàn)了啟動(dòng)子區(qū)域的甲基化狀況［11］。因此，DNA甲基化對(duì)于牡蠣早期發(fā)育階段的細(xì)胞分化有重要影響，還可通過(guò)增加轉(zhuǎn)錄變異體的數(shù)量來(lái)提高表型的靈活性，增加生物體應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的能力。

2.3 DNA甲基化與外顯子遺漏（Exon skipping）

在測(cè)序基礎(chǔ)上對(duì)高分辨率甲基化組進(jìn)行分析，可以看到外顯子和內(nèi)含子之間也存在著甲基化差異，暗示著DNA甲基化可能參與了調(diào)控剪切［30］。研究表明，在蜜蜂中，DNA甲基化主要集中在外顯子區(qū)域，而多數(shù)轉(zhuǎn)錄物也來(lái)自于甲基化的基因，這可能是因?yàn)榧谆耐怙@子在可變剪接過(guò)程中起到了積極作用而導(dǎo)致的結(jié)果［35］。外顯子DNA甲基化的差異可能與可變剪切相關(guān)，如外顯子遺漏以及剪切位點(diǎn)的選擇，從而影響到基因表達(dá)［28］。對(duì)于蜜蜂的研究表明，在蜂后和工蜂中單個(gè)基因GB18602由于甲基化模式不同而出現(xiàn)了差異性表達(dá)，此基因有一長(zhǎng)一短兩種不同的轉(zhuǎn)錄物，在較長(zhǎng)的轉(zhuǎn)錄物中缺失了一個(gè)包含終止密碼子的外顯子，DNA甲基化與外顯子遺漏展現(xiàn)出密切的關(guān)系［22］。螞蟻的DNA甲基化也多發(fā)生在活躍轉(zhuǎn)錄的外顯子區(qū)域，特別是基因的第二個(gè)外顯子上。在哺乳動(dòng)物中，DNA甲基化對(duì)外顯子遺漏與可變剪接（Alternative splicing）的影響也已得到證實(shí)［36］。

但是，DNA甲基化并非外顯子遺漏的必要條件，在金小蜂基因組中，甲基化與非甲基化基因在可變剪接水平上并無(wú)明顯的差異［12］。因此，外顯子選擇與甲基化之間的關(guān)系還在進(jìn)一步的研究過(guò)程當(dāng)中。

3 DNA甲基化與進(jìn)化

3.1 DNA甲基化與表型特征

在無(wú)脊椎動(dòng)物中DNA甲基化展現(xiàn)出兩種不同的模式：高甲基化水平和低甲基化水平的基因在進(jìn)化機(jī)制上表現(xiàn)出明顯的差異。在基因表達(dá)過(guò)程中，DNA甲基化執(zhí)行的多是“微調(diào)”而非“開(kāi)關(guān)”功能。因?yàn)榛虮磉_(dá)是一個(gè)整體上趨于隨機(jī)的事件，而DNA甲基化將導(dǎo)致其動(dòng)態(tài)過(guò)程中的偏差。在生物體中，DNA甲基化與表型特征之間的關(guān)系取決于年齡、性別等多個(gè)因素。在不同的發(fā)育階段，不僅是甲基化的基因類型不同，甚至同一個(gè)基因的不同區(qū)域也可出現(xiàn)差異。因此，DNA甲基化會(huì)對(duì)細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄物組（Transcriptome）產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響生物的表型［37］。例如，三倍體牡蠣通常是不育的，但是種群中的少數(shù)個(gè)體（“alpha”三倍體）卻可以產(chǎn)生成熟的配子體［38］，而這些個(gè)體的甲基化狀態(tài)與種群中其他不育的三倍體不同，卻與可育的二倍體相似［39］。

在蜜蜂生殖細(xì)胞系中，廣泛表達(dá)的基因被甲基化而等級(jí)特異性基因則缺乏甲基化，因此等級(jí)特異性基因可能具有更高的表型遺傳靈活性，可以通過(guò)暫時(shí)的甲基化與去甲基化來(lái)調(diào)控其表達(dá)過(guò)程［21］。在金小蜂中，甲基化的基因在各個(gè)發(fā)育階段都獲得了組成性表達(dá)，而非甲基化基因則展現(xiàn)出更為動(dòng)態(tài)的表達(dá)模式［12］。

3.2 DNA甲基化與基因組進(jìn)化

通過(guò)不同生物基因組的比對(duì)發(fā)現(xiàn)，高度甲基化的基因通常具有較低的遺傳多樣性水平與較多的直系同源基因（Ortholog）［23］，在金小蜂中的研究還表明，在缺乏生殖系甲基化的基因中，出現(xiàn)了較高的遺傳多樣性水平［40］。這是非常令人驚訝的一點(diǎn)，因?yàn)榧谆奏ぞ哂懈咄蛔冃?，所以長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)化應(yīng)該會(huì)導(dǎo)致同源基因間較大差異的產(chǎn)生。但是因?yàn)镃pG含量較低的基因中胞嘧啶導(dǎo)致的突變率也較低，而CpG含量較高的基因通常功能上比較重要，因此較強(qiáng)的選擇壓力導(dǎo)致了進(jìn)化上保守性的產(chǎn)生［24］。

性成熟的個(gè)體可以用甲基化標(biāo)記生殖細(xì)胞系，進(jìn)而將甲基化組傳遞給后代。如果這一過(guò)程持續(xù)發(fā)生，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)基因組的進(jìn)化改變［34］。研究表明，與有性繁殖的陸地植物及動(dòng)物不同，無(wú)性生殖的單細(xì)胞動(dòng)物和真菌很少或沒(méi)有DNA的甲基化情況［1］。盡管甲基化是一種古老的進(jìn)化機(jī)制，而且毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)增加基因突變的幾率，但是在有性生殖的生物中，它仍然在基因組進(jìn)化中發(fā)揮重要的作用。比較基因組學(xué)的研究表明，在經(jīng)歷了1.9億年的分支進(jìn)化后，蜜蜂和金小蜂的同源基因仍然展現(xiàn)出高度相似的甲基化水平［40］。此外，減數(shù)分裂過(guò)程中的基因轉(zhuǎn)換（Gene conversion）事件也會(huì)導(dǎo)致基因組中CpG含量的升高［21，41］，不同物種基因組中CpG水平的維系可能是不同進(jìn)化歷程下不同選擇壓力造成的結(jié)果。

4 展望

1975年，Riggs和Holliday等［42，43］首次提出甲基化胞嘧啶可以在真核生物基因表達(dá)和細(xì)胞分化中發(fā)揮特定的作用。隨著DNA甲基化研究范圍的擴(kuò)大，甲基化與基因表達(dá)的復(fù)雜的關(guān)系逐漸被揭露出來(lái)。2009年，借助于功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)和新一代測(cè)序技術(shù)，兩種人類細(xì)胞的全部表觀基因組圖譜得以繪制，它們分別是胚胎干細(xì)胞和肺部纖維原細(xì)胞［44］。近年來(lái)，由于高通量表觀基因組繪圖技術(shù)的快速發(fā)展，已生成了成千上萬(wàn)的甲基化圖譜，對(duì)這些圖譜的解讀也日益深入。

但是，問(wèn)題總是與發(fā)現(xiàn)伴隨而來(lái)。目前，在測(cè)序基礎(chǔ)上可以對(duì)高分辨率甲基化組進(jìn)行分析，但這樣的技術(shù)生成的是DNA甲基化的靜態(tài)圖譜，而無(wú)法展示甲基化穩(wěn)定性隨時(shí)間推移的變化。研究顯示，有些轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合發(fā)生在DNA甲基化改變之前，這說(shuō)明DNA甲基化的許多改變是基因調(diào)控的產(chǎn)物而非其原因。因此，要正確解讀甲基化圖譜，必須將指導(dǎo)基因調(diào)控的甲基化與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合所造成的甲基化區(qū)分開(kāi)來(lái)［30］。

在哺乳動(dòng)物中進(jìn)行的研究表明，相似的DNA甲基化狀態(tài)可能導(dǎo)致不同的基因表達(dá)結(jié)果。是什么導(dǎo)致了不同生物基因組內(nèi)的甲基化模式；甲基化是控制著轉(zhuǎn)錄過(guò)程，還是僅僅反映了轉(zhuǎn)錄狀態(tài)；因?yàn)椴煌锓N間DNA甲基化的分布模式存在有巨大差異，這是否意味著其功能上也具有多樣性；在對(duì)生物基因組的大規(guī)模編程中，甲基化模式具有什么樣的含義。雖然基因體（Gene body）是真核生物進(jìn)化上最保守的DNA甲基化靶，但是，基因體DNA甲基化的調(diào)控功能在很大程度上仍然是未知的。

除此之外，在脊椎動(dòng)物中，DNA甲基化相關(guān)蛋白質(zhì)也參與了組蛋白修飾及染色質(zhì)重塑的過(guò)程［45］，但是DNA甲基化與其他表觀遺傳機(jī)制之間的相互作用尚待深入研究。來(lái)自不同物種不同組織的甲基化圖譜與轉(zhuǎn)錄組信息將有助于我們了解甲基化與轉(zhuǎn)錄調(diào)控之間的復(fù)雜關(guān)系。另一個(gè)在哺乳動(dòng)物中的重要發(fā)現(xiàn)是DNA甲基化可能在基因組印記（Genomic imprinting）中起到一定的作用，從而導(dǎo)致帶有親代印記的等位基因的不同表達(dá)特性［46］，而對(duì)于社會(huì)型昆蟲(chóng)（如蜜蜂）的研究將使我們對(duì)于相關(guān)機(jī)制有進(jìn)一步的了解。

雖然目前對(duì)于無(wú)脊椎動(dòng)物DNA甲基化的機(jī)制與功能已經(jīng)有了一些較為確定的認(rèn)識(shí)，但就總體而言，這個(gè)領(lǐng)域仍充滿了疑問(wèn)?，F(xiàn)已證明表觀遺傳調(diào)控機(jī)制比我們?cè)瓉?lái)想象中更為復(fù)雜，涉及到多個(gè)層次不同系統(tǒng)間的相互關(guān)聯(lián)與作用。新的技術(shù)手段和分析方法有助于幫助我們進(jìn)一步了解DNA甲基化的相關(guān)機(jī)制及其在表觀遺傳調(diào)控中的作用，對(duì)其將來(lái)的應(yīng)用也將起到重要的參考作用。

［1］Zemach A， McDaniel IE， Silva P， et al. Genome-wide evolutionary analysis of eukaryotic DNA methylation［J］. Science， 2010， 328：916-919.

［2］Gadau J， Helmkampf M， Nygaard S， et al. The genomic impact of 100 million years of social evolution in seven ant species［J］. Trends in Genetics， 2012， 28：14-21.

［3］Bestor TH. DNA methylation-evolution of a bacterial immune function into a regulator of gene-expression and genome structure in higher eukaryotes［J］. Biological Sciences Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series B， 1990，326： 179-187.

［4］Klose RJ， Bird AP. Genomic DNA methylation：the mark and its mediators［J］. Trends in Biochemical Sciences， 2006， 31： 89-97.

［5］Jurkowski TP， Meusburger M， Phalke S， et al. Human DNMT2 methylates tRNA（Asp）molecules using a DNA methyltransferaselike catalytic mechanism［J］. RNA， 2008， 14： 1663-1670.

［6］Bogdanovic O， Veenstra GJC. DNA methylation and methyl-CpG binding proteins：developmental requirements and function［J］. Chromosoma， 2009， 118：549-565.

［7］Collier J. Epigenetic regulation of the bacterial cell cycle［J］. Current Opinion in Microbiology， 2009， 12：722-729.

［8］Cokus SJ， Feng S， Zhang X， et al. Shotgun bisulphite sequencing of the Arabidopsis genome reveals DNA methylation patterning［J］. Nature， 2008， 452：215-219.

［9］Zhang X， Yazaki J， Sundaresan A， et al. Genome-wide highresolution mapping and functional analysis of DNA methylation in Arabidopsis［J］. Cell， 2006， 126：1189-1201.

［10］Schaefer M， Lyko F. Lack of evidence for DNA methylation ofInvader4 retroelements in Drosophila and implications for Dnmt2-mediated epigenetic regulation［J］. Nature Genetics， 2010，42： 920-921.

［11］Gavery MR， Roberts SB. Predominant intragenic methylation is associated with gene expression characteristics in a bivalve mollusk［J］. PeerJ， 2013， 1：e215.

［12］Wang X， Wheeler D， Avery A， et al. Function and evolution of DNA methylation in Nasonia vitripennis［J］. PLoS Genetics， 2013， 9：e1003872.

［13］Field LM. Methylation and expression of amplified esterase genes in the aphid Myzus persicae （Sulzer）［J］. Biochemical Journal，2000， 349： 863-868.

［14］Ono M， Swanson JJ， Field LM， et al. Amp lification and methylation of an esterase gene associated with insecticideresistance in greenbugs， Schizaphis gram inum （Rondani）（Homop tera ： Aphididae）［J］. Insect Biochem istry and Molecular Biology， 1999， 29： 1065-1073.

［15］Walsh TK， Brisson JA， Robertson HM， et al. A functional DNA methylation system in the pea aphid， Acyrthosiphon pisum［J］. Insect Molecular Biology， 2010， 19： 215-228.

［16］Xiang H， Zhu J， Chen Q， et al. Single base-resolution methylome of the silkworm reveals a sparse epigenomic map［J］. Nature Biotechnology， 2010， 28：516-520.

［17］Feng S， Cokus SJ， Zhang X， et al. Conservation and divergence of methylation patterning in plants and animals［J］. Proceedings of the National Academy of Science， USA， 2010， 107：8689-8694.

［18］Elango N， Yi SV. DNA methylation and structural and functional bimodality of vertebrate promoters［J］. Molecular Biology Evolution， 2008， 25：1602-1608.

［19］Shimizu TS， Takahashi K， Tomita M. CpG distribution patterns in methylated and non-methylated species［J］. Gene， 1997， 205：103-107.

［20］Glastad KM， Hunt BG， Yi SV， et al. DNA methylation in insects：on the brink of the epigenomic era［J］. Insect Molecular Biology，2011， 20（5）：553-565.

［21］Elango N， Hunt BG， Goodisman MAD， et al. DNA methylation is widespread and associated with differential gene expression in castes of the honeybee， Apis mellifera［J］， Proceedings of the National Academy of Sciences， USA， 2009， 106：11206-11211.

［22］Lyko F， Foret S， Kucharski R， et al. The honey bee epigenomes： differential methylation of brain DNA in queens and workers［J］. PLoS Biology， 2010， 8：e1000506.

［23］Sarda S， Zeng J， Hunt BG， et al. The evolution of invertebrate gene body methylation［J］. Molecular Biology and Evolution， 2012，29：1907-1916.

［24］ Hunt BG， Brisson JA， Yi SV， et al. Functional conservation of DNA methylation in the pea aphid and the honeybee［J］. Genome Biology and Evolution， 2010， 2：719-728.

［25］ Kucharski R， Maleszka J， Foret S， et al. Nutritional control of reproductive status in honeybees via DNA methylation［J］. Science， 2008， 319：1827-1830.

［26］ Herb BR， Wolschin F， Hansen KD， et al. Reversible switching between epigenetic states in honeybee behavioral subcastes［J］. Nature Neuroscience， 2012， 15： 1371-1373.

［27］Weiner SA， Galbraith DA， Adams DC， et al. A survey of DNA methylation across social insect species， life stages， and castes reveals abundant and caste-associated methylation in a primitively social wasp［J］. Naturwissenschaften， 2013， 100：795-799.

［28］Bonasio R， Li Q， Lian J， et al. Genome-wide and caste-specific DNA methylomes of the ants Camponotus floridanus and Harpegnathos saltator［J］. Current Biology， 2012， 22：1755-1764.

［29］Terrapon N， Li C， Robertson HM， et al， Molecular traces of alternative social organization in a termite genome［J］. Nature Communications， 2014， 5：3636.

［30］Schübeler D. Epigenetic islands in a genetic ocean［J］. Science，2012， 338：756-757.

［31］Rajasethupathy P， Antonov I， Sheridan R， et al. A role for neuronal piRNAs in the epigenetic control of memory-related synaptic plasticity［J］. Cell， 2012， 149：693-707.

［32］Maunakea AK， Nagarajan RP， Bilenky M， et al. Conserved role of intragenic DNA methylation in regulating alternative promoters［J］. Nature， 2010， 466：253-257.

［33］ Roberts SB， Gavery MR. Is there a relationship between DNA methylation and phenotypic plasticity in invertebrates？［J］. Fronties in Physiology， 2012， 2：116.

［34］ Riviere G. Epigenetic features in the oyster Crassostrea gigas suggestive of functionally relevant promoter DNA methylation in invertebrates［J］. Fronties in Physiology， 2014， 5：129.

［35］ Flores K， Wolschin F， Corneveaux JJ， et al. Genome-wide association between DNA methylation and alternative splicing in aninvertebrate［J］. BMC Genomics， 2012， 13：480.

［36］ Maunakea AK， Chepelev I， Cui K， et al. Intragenic DNA methylation modulates alternative splicing by recruiting MeCP2 to promote exon recognition［J］. Cell Research， 2013， 11：1-14.

［37］ Zwier MV， Verhulst EC， Zwahlen RD， et al. DNA methylation plays a crucial role during early Nasonia development［J］. Insect Molecular Biology， 2012， 21：129-138.

［38］ Jouaux A， Heude-Berthelin C， Sourdaine P， et al. Gametogenic stages in triploid oysters Crassostrea gigas：irregular locking of gonial proliferation and subsequent reproductive effort［J］. Journal of Experimental Marine Biology and Ecology， 2010， 395：162-170.

［39］ Riviere G， Wu G， Fellous A， et al. DNA methylation is crucial for the early development in the Oyster Crassostrea gigas［J］. Marine Biotechnology， 2013， 15：739-753.

［40］ Park J， Peng Z， Zeng J， et al. Comparative analyses of DNA methylation and sequence evolution using Nasonia genomes［J］. Molecular Biology and Evolution， 2011， 28：3345-3354.

［41］ Marais G. Biased gene conversion：implications for genome and sex evolution［J］. Trends in Genetics， 2003， 19： 330-338.

［42］ Riggs AD. X inactivation， differentiation， and DNA methylation［J］. Cytogenetics and Cell Genetics， 1975， 14：9-25.

［43］ Holliday R， Pugh JE. DNA modification mechanisms and gene activity during development［J］. Science， 1975， 187：226-232.

［44］ Lister R， Pelizzola M， Dowen RH， et al. Human DNA methylomes at base resolution show widespread epigenomic differences［J］. Nature， 2009， 462：315-322.

［45］ Margueron R， Reinberg D. Chromatin structure and the inheritance of epigenetic information［J］. Nature Reviews Genetics， 2010，11： 285-296.

［46］ Hata K， Okano M， Lei H， et al. Dnmt3L cooperates with the Dnmt3 family of de novo DNA methyltransferases to establish maternal imprints in mice［J］. Development， 2002， 129： 1983-1993.

（責(zé)任編輯 狄艷紅）

Research Progress on Invertebrates DNA M ethylation

Liu Ying Tang Yongzheng Gao Li
（Ocean School，Yantai University，Yantai264005）

DNA methylation is an important epigentic mechanism which can change organism’s transcriptome and phenotype without altering DNA sequence. In different evolutionary braches， the states of DNA methylation are fundamentally different. In invertebrates， DNA methylation usually occurs in transcription region and is closely related to genetic expression. Research shows that DNA methylation plays an important role in caste formation of social insects. It can improve the phenotypic plasticity of organism by increasing the amount of transcription variants via promoter recognition and exon skipping in highly fluctuating environments. This article reviewed the mechanism and function of DNA methylation in invertebrates to provide reference to related research and make prospects for future research.

DNA methylation；gene body methylation（GBM）；transcriptome

10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.08.003

2014-12-08

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41273130），山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目（J10LC22）

柳瑩，女，碩士，研究方向：分子生物學(xué)；E-mail：liuyinger@sina.com