慕尼黑大学 (Ludwig-Maximilians-Universität, LMU) 的研究团队近日于《Nature Chemical Biology》发表了一种能避免 DNA 损伤，且可重启甲基化沉默基因的全新路径。该研究的领导者 Thomas Carell 表示，这项机制有望成为未来重新编程 (reprogram) 干细胞的工具，并替再生医学开拓新视角。
从胚胎到成人－我们都深受 DNA 甲基化调控
DNA 甲基化系可借由细胞分裂传递给子代的表观遗传标记，不仅稳定、更可如“记忆”般久存于人类基因体。DNA 甲基转移酶 (DNA methyltransferase, DNMT) 是造成 DNA 甲基化的酵素，包括维持甲基化的 DNMT1 和建立甲基化的 DNMT3a、DNMT3b，其可控制特定组织于胚胎发育期之基因表现，并维持印痕基因 (imprinted genes) 的正确标记。近期研究指出，DNA甲基化和组蛋白修饰在诱导间质干细胞 (Mesenchymal Stem cell, MSC) 分化为特定系统 (lineages) 的过程中扮演重要的角色。此外，目前的研究亦表明癌细胞表观遗传的改变主要起因于启动子 (promotor) 的甲基化，导致关键抑癌基因 (tumor suppressor genes, TSGs) 表达沉默，最终引发癌症。
表观遗传调控的重要推手－甲基化胞嘧啶
综观而言，DNA 甲基化缺陷可能导致胚胎发育异常、癌症甚至影响基因印记，因此基因活化的调控必须为可逆反应，意即甲基化修饰能够被移除或重新建立。组成 DNA 的四种基本结构 A、T、C、G中，胞嘧啶 (cytidine) 的甲基化对于基因活性的调节尤其重要，甲基团 (CH3) 一旦与胞嘧啶的第五个碳结合，基因活性将会被阻断。就哺乳动物而言，胞嘧啶最主要的甲基化修饰型态为 mdC，mdC 经由 Ten-eleven translocation (TET) 蛋白的催化后，又可依据氧化程度的不同分为 hmdC、fdC 及 cadC (详见图一)，这些氧化胞嘧啶的衍生物可在分离的神经组织及胚胎干细胞之基因体中显著测得，它们的表现水平则会随着分化程度的不同而改变。
图一、2’-deoxycytidine (dC)甲基化与 TET 蛋白介导之氧化反应
重启基因表现－胞嘧啶的去甲基化
在上述不同氧化型态的甲基化胞嘧啶中， mdC 及 hmdC 是目前公认影响基因转录的关键分子，氧化程度更高的 fdC及cadC 则仍未知其确切功能。然而， fdC 及 cadC 是现今去甲基化反应中主要已知的中间产物，其系先借由 thymine-DNA glycosylase (Tdg) 裂解 fdC及 cadC 上对应之糖苷键形成 AP 位点 (缺嘌呤/缺嘧啶位点)，再经由碱基切除修复 (base excision repair, BER) 机制促使未甲基化的 dC 取代 fdC及cadC。不幸的是，在这个反应过程中，移除每一个 mdC 皆会创造可能对细胞有害的单股断裂中间体。
来自德国慕尼黑大学 (Ludwig-Maximilians-Universität, LMU) ，由 Thomas Carell 教授率领的团队专精于 DNA 损伤及修复的研究，其近日发表于《Nature Chemical Biology》的著作首次揭开在活体中去除甲基化胞嘧啶更安全，且对细胞伤害更低的机制。他们在小鼠胚胎干细胞中加入人工合成之同位素氟标定 fdC 衍生物 (synthetic isotope- and fluorine-labeled fdC derivatives)，其在培养的过程中会嵌入细胞基因体做为标记，而后抽取 genomic DNA 再以极致效能液相层析串联质谱仪 (ultra-high performance liquid chromatography coupled to tandem mass spectrometry, UHPLC–MS/MS) 检测，发现同位素氟标定的 fdC 在嵌入基因体后，其碱基会发生碳-碳断裂而转变为未甲基化的 dc (详见图二)。Carrell 指出，这个过程不仅不用倚赖 DNA 修复机制或 Tet 蛋白的辅助，又能避免形成潜在有害的无碱基中间体，让我们能在 DNA 结构不受破坏的情况下调控基因活性。
图二、合成同位素氟标定之 fdC 衍生物嵌入小鼠胚胎干细胞基因体后发生之碳-碳断裂
表观遗传学是人类基因体研究中迅速发展的领域，目前已知许多人类疾病的生成皆与表观遗传修饰有密切的关系，如各种癌症、胚胎发育、神经学疾病、自体免疫、及呼吸道疾病等。本研究提出的碳-碳断裂机制提供了一种安全，且可调控活体干细胞特定基因的方法；随着相关研究的发展，未来可望将表观遗传调控技术应用于再生医学，为人类各种遗传性及功能性疾病的治疗带来新希望。
文 / Angela Chang
延伸阅读：间歇性断食──启动健康基因的开关参考文献：
1. Katharina Iwan, et al. Nat Chem Biol. 2018 Jan;14(1):72-78. doi: 10.1038
2. https://www.nature.com/articles/498S10a
3. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1576/toag.12.1.037.27556/full
4. http://www.laboratory-journal.com/science/life-sciences-biotech/epigenetic-modifications-and-regulation-gene-expression
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