启动子甲基化对基因转录的抑制机制

一、干扰转录因子结合

1. DNA甲基化通过两种主要机制抑制基因转录，直接干扰转录因子与基因启动子结合，通过5mC结合蛋白招募转录阻遏物而间接发挥作用。

2. 5mC的甲基位于DNA双螺旋结构的大沟，对DNA碱基配对没有影响，但由于甲基具有疏水性，可能改变局部DNA三维结构和染色质构象，所以DNA甲基化可影响蛋白质与DNA结合，许多转录因子可识别富含GC的DNA序列，CpG甲基化可抑制部分转录因子与其识别序列的结合；

3. 锌指蛋白CTCF与DNA的结合也受DNA甲基化调节，CTCF在基因组组构和基因表达方面发挥重要作用，其功能之一是与绝缘子结合而抑制转录，这一机制是决定印记基因Igf2的单等位表达的主要因素。位于Igf2基因下游的印记控制区具有绝缘子活性，在母源染色体上，该区域不被甲基化而与CTCF结合，从而阻断Igf2启动子与下游增强子之间的相互作用，故母源Igf2处于沉默状态，相反，在父源染色体上，该区域因被甲基化而不能结合CTCF，故下游增强子激活父源Igf2表达。

二、招募转录阻遏物

1. 5mC吸引特异的蛋白质至DNA，即甲基胞嘧啶结合蛋白（MBP），这些5mC阅读器包含识别5mC的特殊结构域，根据结构域的不同，MBP可分为三类：MBD、锌指蛋白、SRA结构域蛋白。

2. MeCP2是第一个被纯化和克隆的MBD蛋白，4个MBD蛋白（MeCP2、MBD1、MBD2和MBD4）已经被证明具有识别和结合甲基化CpG的能力，但其结合具有一定的序列特异性。

3. MeCP2通过其C端的转录抑制结构域（TRD）招募mSin3a辅阻遏复合物，其中包含组蛋白去乙酰化酶，组蛋白去乙酰化酶可以使染色质浓缩从而抑制基因转录。

4. MBD1、MBD2也含有TRD，此外，MBD1还含有三个能与非甲基化DNA结合的CXXC锌指结构，MBD2具有一个甘氨酸-精氨酸重复序列和卷曲螺旋结构域，后者对MBD2与Mi-2/NuRD复合物的结合至关重要，Mi-2/NuRD复合物参与染色质重塑，通常导致转录抑制。

5. KAISO（ZBTB33）是第一个发现的能结合甲基化DNA的C2H2型锌指蛋白，其C端有能与甲基化CpG位点结合的三个串联的C2H2型锌指，其N端的BTB/POZ结构域能招募N-CoR辅阻遏复合物，其中包括组蛋白去乙酰化酶。但体内的ChIP-seq实验表达KAISO在细胞内的结合位点与DNA甲基化分布并不完全一致，反而集中在高水平组蛋白乙酰化标记的活性基因启动子上。

6. 具有结合甲基化CpG位点的其他锌指蛋白包括ZFP57、KLF4、ERG1和WT1，ZFP57属于KRAB型锌指蛋白家族，能特异性地识别含有甲基化CpG的TGCCGC六核苷酸序列，该序列在大多数基因印记控制区，ZFP57及其辅助因子KAP-1对维持基因组印记控制区的甲基化标记有重要意义：人类ZFP57突变与一种基因组印记疾病，即新生儿短暂性糖尿病有关。

7. KLF4是用于体细胞重编程的山中伸弥因子之一，其多种功能可能与其结合DNA的特性有关，包含三个类Kruppel型锌指，能与甲基化和非甲基化的DNA结合，大约一半的结合位点呈高度甲基化，5mC在甲基胞嘧啶双加氧酶TET的作用下可发生迭代氧化，依次形成5-羟甲基胞嘧啶（5-hmC）、5甲酰基胞嘧啶（5fC）和5-羧基胞嘧啶（5caC），KLF4与其结合亲和力逐级递减。

8. SRA包含UHRF1和UHRF2，UHRF1主要通过其SRA结构域识别半甲基化的CpG位点，是DNMT1发挥维持性甲基化功能必不可少的辅助因子。而UHRF2对维持性DNA甲基化并不那么重要，而是能特异性结合5hmC，但缺乏Uhrf2的小鼠发育和生殖功能没有太大影响，但是有学习和记忆方面的缺陷，伴有脑组织中5hmC水平的下降。

Ref：《表观遗传学》 于文强 徐国良 主编