DNA甲基化是最早的表观遗传修饰在人类中被发现。它涉及甲基的转移（CH₃）胞质碱基的C5位置，包括脱氧核糖核酸（DNA）产生5-甲基胞嘧啶（5MC） - 反应是由称为酶的家族催化的DNA甲基转移酶（DNMTS）。通常，改变的胞嘧啶碱紧邻鸟嘌呤碱。这导致两个5MC碱基在互补的DNA链上彼此对角线。

DNMT具有多个不同的角色，例如，它们可能充当从头DNMT，涉及在DNA分子上建立甲基的初始模式。尽管其他DNMT采用维护角色，但在复制发生后，将甲基化模式从现有的DNA链复制到其新合作伙伴。

1980年代的几项研究表明，DNA甲基化在基因调节和细胞分化中起主要作用。从那以后，进一步的研究证实了异常甲基化在发育和发展中的作用各种疾病。根据埃斯泰勒（Manel Esteller），何塞普·卡雷拉斯白血病研究所的主任和巴塞罗那大学遗传学教授：“ DNA甲基化是特定组织表达的主要控制器之一，允许在正确的器官或细胞类型中正确表达基因。”他进一步补充说：“ DNA甲基化充当缓冲液，以稳定我们的基因组和沉默重复的染色体区域。许多疾病显示出破坏细胞活性的DNA甲基化的改变。”埃斯泰勒的研究主要集中于人类癌症中DNA甲基化，组蛋白修饰和染色质的改变。目前，他正在为正常细胞和转化细胞建立表观基因组和表面参考图。

在哺乳动物中，甲基化主要是稀疏的，但全球分布在特定的CpG或CG（胞嘧啶 - 鸟氨酸）序列中。在基因组的某些区域中，发现CpG大量发现（例如CpG岛）。在健康细胞中，CPG岛相关与基因启动子通常没有甲基化，而基因体内发现的岛屿在发育过程中倾向于甲基化。研究人员指出，启动子区域中CpG岛的甲基化可能导致特定基因的不当下调（例如，癌细胞中肿瘤抑制基因的沉默）。

DNA甲基化在正常生物学过程中的作用

角色和位置DNA甲基化不同王国的生物王国有所不同。如上所述，哺乳动物倾向于具有CPG甲基化的全球分布，而无脊椎动物动物通常显示出甲基化的“马赛克”模式。

DNA甲基化在许多人中起着重要作用生物过程，例如，基因组印迹，干细胞分化和染色体稳定性，被认为是 调节细胞生长和增殖的基本修饰。DNA甲基化模式是可变的，可遗传的，在父母等位基因中异常的DNA甲基化的情况下，可能会发生各种严重的严重疾病，例如癌症，衰老疾病，代谢疾病，心理疾病和遗传疾病。

DNA甲基化和疾病

科学家首先发现了DNA甲基化的作用人类疾病学习的时候基因组印迹。基因组印记是一种稳定且可遗传的现象，它独立于古典门德尔过程。它涉及基因的表观遗传标记（例如甲基化），基于其父母的起源，从而导致基因的差异表达，而无需改变潜在的DNA序列。在这里，我们突出了异常DNA甲基化引起的一些疾病。

自身免疫性疾病

类风湿关节炎（RA）是一种慢性自身免疫性炎症性疾病，会导致小关节和大关节的对称多重关节炎。科学家对周围血液单核细胞进行了全基因组DNA甲基化分析，发现人类白细胞抗原（HLA）II类的DNA甲基化改变了。这种异常的DNA甲基化可以促进发展RA的遗传风险。

系统性红斑狼疮（SLE）是一种自身免疫性疾病，其中人体的免疫系统错误地攻击了自己的健康组织。对DNA甲基化的全基因组评估表明，与自身抗体产生有关的SLE患者基因的DNA甲基化差异。在启动子区域观察到异常的DNA甲基化IL-6基因。

代谢障碍

科学家还将诸如高血糖和高脂血症等差异DNA甲基化等疾病联系起来，从而导致基因表达异常。细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂1a和磷酸二酯酶7b启动子的甲基化降低显示人类中葡萄糖刺激的胰岛素分泌失调。DNA甲基化也与肥胖有关，其中脂肪组织中缺氧诱导因子3α的DNA甲基化增加，血细胞导致增加体重指数（BMI）。

癌症

甲基化是最早的变化之一许多癌症类型，并且在无细胞DNA中检测甲基化状态是通往非侵入性早期癌症检测的有前途的途径。最近，奥米奇（基因组学，蛋白质组学，转录组学和代谢组学）研究提供了这些发现的支持证据，证实异常的DNA甲基化与肝细胞癌，乳腺癌，胶质母细胞瘤，鳞状细胞肺癌，白血病和甲状腺病癌有关。DNMT的表达水平差异和DNMT中的突变通常在癌症患者中发现，这两者都会影响甲基化机制。先前的研究已经表明，表观遗传失调在肿瘤发育和转移中起着至关重要的作用。

“在癌症中，我们观察到基因组的一般全球DNA降压剂和更局灶性DNA高甲基化，影响启动子经常发现的富含CpG的序列（所谓的CPG岛）。”Gerd Pfeifer，来自范·安德尔研究所的表观遗传学中心。Pfeifer的实验室研究了癌症和其他疾病的潜在机制，专门针对DNA突变，DNA甲基化和5MC氧化的作用。根据Pfeifer的说法，癌症中的大多数DNA高甲基化事件都是无关紧要的，因为这些基因已经保持沉默。但是，某些甲基化事件可以视为肿瘤驱动因素，例如，它们沉默编码抗增殖因子，DNA修复基因或对正常细胞分化必不可少的基因的基因。

Paula Esteller-Cucala 她是生物学研究所比较基因组学组的博士研究人员，她的工作着重于非人类灵长类动物的表观遗传学和转录组学。她说，“甲基化模式非常异质。它们可能从一种癌症类型到另一种癌症类型，从一种细胞类型到另一种细胞类型。了解这些修饰及其在不同癌症类型中的作用对于靶向潜在治疗和疗法至关重要。”可以使用鉴定癌症特异性DNA甲基化标志物（在一种或多种癌症类型或亚型中特异性甲基化或未甲基化的基因组区域）可用于检测和监测癌症，以期开发治疗策略。

神经胶质瘤是一种常见的脑癌类型，起源于支持脑中神经元的神经胶质细胞。最近，研究人员使用了单细胞多组学方法来确认从神经胶质瘤患者获得的单个肿瘤细胞内的甲基化标记。他们能够确认负责将细胞从一种状态转移到另一种状态（例如，类似干细胞状状态）的DNA甲基化的不同模式，并从采样的肿瘤中开发了细胞态的图。从研究中获得的见解可以帮助开发更好的方法来检测，分阶段，监测和治疗疾病。

神经系统疾病

异常的DNA甲基化也与神经系统疾病有关。在患有甲基-CPG结合蛋白2基因的突变已在患有RETT综合征和自闭症谱系障碍。科学家发现，DNA甲基化谱的变化促进了与突触活性相关的基因表达的改变。

在患有外周血中的儿茶酚-O-甲基转移酶的甲基化水平降低了。精神分裂症。

整个表观基因组的关联学习比较来自三种不同哺乳动物物种的组织的甲基化模式，以确定是否是否亨廷顿氏病伴随着改变的DNA甲基化。研究人员发现，该疾病与DNA甲基化水平的“深刻变化”有关。

A系统评价阿尔茨海默氏病中的DNA甲基化发现应用程序基因 - 编码一种称为淀粉样蛋白前体蛋白的蛋白质，该蛋白质与淀粉样蛋白斑块的形成有关 - 在脑和外周血中始终是高甲基化的。

用于研究DNA甲基化的技术

根据Pfeifer的说法，“大多数用于分析的常规方法 脱氧核糖核酸甲基化模式基于使用高温和高浓度的亚硫酸钠通过化学脱氨酸将胞嘧啶转化为尿嘧啶，而某些较新的方法则使用酶进行脱氨酸。”通常，病理学家面对困难在预测癌症的生物标志物并代表从肺癌患者获得的小活检组织样品或液体样品中的肿瘤质量总体状态。在这种情况下，Pfeifer表示：“这些新的酶促方法可以使研究人员可以使用少量 脱氧核糖核酸（活检样品）。”

除了传统方法之外，测序和阵列技术的最新进展使研究人员能够进行详细 脱氧核糖核酸甲基化分析，提供了其在疾病中的作用的全面图片。在埃斯特勒 - 卡加拉认为，用于研究的最新方法 脱氧核糖核酸甲基化是通过长阅读测序的方式 - 这些技术允许阅读更长的序列（> 10000 bp）。

埃斯特勒（Esteller 脱氧核糖核酸甲基化是基于 脱氧核糖核酸甲基化微阵列询问我们基因组的850k CpG位点。”

一些技术 用过的确定 脱氧核糖核酸下面更详细地讨论甲基化。

基于Bisulfite的测定

Bisulfite治疗是一种常用的方法，引入弗洛默等人。（1992），用于分析5MC和非甲基化碱基。在这种方法中，基因组DNA暴露于硫酸钠硫酸钠，该钠促进了非甲基化的胞嘧啶脱氨基，并将其转化为尿嘧啶，而甲基化的胞嘧啶保持不变。最后，随后的PCR扩增将尿嘧啶转化为胸腺素。这导致将基因甲基化信息转移到新形成的测序文库中。科学家使用Bisulfite测序方法在产生的单链中分析5MC。该技术可用于确定多个DNA甲基化事件。但是，克隆和测序过程等多个步骤使其成为耗时的方法。该方法的其他一些局限性包括由于所需的侵略性化学条件（例如低pH值和高温以实现脱氨酸）的降解。因此，样品降解会导致灵敏度降低，因此不适合分析浓度低的样品，例如ctDNA。 However, less aggressive treatments fail to convert all unmethylated cytosines and, thereby, may overestimate the levels of methylation.

已经开发了一种基于高级测序的技术，称为甲基化特异性PCR（MS-PCR），避免了复杂的测序过程。

酶促技术

在轻度反应条件下，基于酶促方法的检测具有高特异性，这意味着它可以达到与硫甘硫酸盐法相同的最终产物，而不会损害DNA的完整性。酶甲基序列（EM-SEQ）可以使用三种酶，即T4-磷β-葡萄糖基转移酶（T4-BGT），TET甲基氧糖苷二氧酶2（TET2）和apolipopropopropain eNZ eNZINZ enz eNZINZEDCOTA（TET 2）APOBEC3A）。EM-Seq是一个两步反应过程。第一步涉及通过TET2和T4-BGT酶对5HMC的葡萄糖基化，这些酶开发了不能被APOBEC3A脱离的产品。第二步涉及APOBEC3A酶，该酶通过将其转化为尿嘧啶来脱离未修饰的细胞。

甲基化敏感限制酶（MRES）的一些例子包括HPAII，BSTUI，NOTI和SMAI。这些酶仅切割非甲基化靶区域并保持甲基化的DNA完整。随后对这些MRE插条进行测序，以预测基因组水平的DNA甲基化水平。最近，科学家开发了一种先进的酶消化技术，称为甲基化敏感限制性核酸内切酶PCR/Southern（MS-RE-PCR）。

直接氧化和化学氧化的分解

科学家开发了一种基于电化学的方法，用于直接分析DNA甲基化。对于这种技术，设计了胆碱氯化物单层支持的多壁碳纳米管（MWCNTS）（MWCNTS/CH/GCE）。该技术高度具体，精确且迅速，不需要使用酶，探针或亚硫酸盐。已经开发了另一种新的化学方法，该方法基于化学氧化分解，该分解可以分离5MC。该方法使用2-甲基-1,4-萘醌 - 肉眼团使用光敏氧化。化学截止方法有效地检测到甲基化位点。

DNA甲基化研究中的方法论挑战

许多方法用于研究DNA甲基化，每种方法都有其自身的局限性。例如，如上所述，与基于甲硫酸氢的方法相关的化学处理会导致DNA降解和较短的DNA片段进行进一步分析。虽然长阅读的测序技术被认为是一种高度准确的方法，但埃斯特勒 - 卡卡拉指出，“该方法的主要警告是您需要良好的工具（算法）才能检测到甲基化位置”。

Pfeifer指出了一些其他考虑因素：“一个挑战是实现整个哺乳动物基因组的覆盖范围，该基因组具有超过2500万的CpG序列，可以甲基化。要对这些CpG的每一种进行定量分析，请进行深层测序需要覆盖范围，这仍然很昂贵。可以使用更多可负担的方法来分析CPG的子集，但是这些方法可能会错过一些关键的甲基化变化。”

对于全面的DNA甲基化研究，可能需要大量DNA，因此，当组织样品稀缺时，分析变得具有挑战性。埃斯泰勒说：“有时很难将5MC与5HMC区分开。”

DNA甲基化和临床益处

异常DNA甲基化与许多疾病有关，基于DNA甲基化的生物标志物可以帮助改善疾病的预后和治疗反应。“在DNA甲基化场中，临床兴趣的一个领域是利用改变的DNA甲基化模式来诊断。可以在“液体活检”中检测到这些改变，该改变是从患者的血液样本中得出的。最终，基于无细胞血浆DNA中甲基化谱的变化，对癌症的早期发现可能是可能的。” Pfeifer解释说。他继续说：“知道良性或癌症前体病变中存在甲基化的变化是否有可能促进发展到恶性状态的可能性。”目前，几家公司正在努力根据甲基化状态和基于AI的病理预测开发早期的癌症检测测试。

埃斯特勒（Esteller）解释说，从肿瘤细胞的DNA甲基化景观的知识中，肿瘤学领域出现了三种翻译用途：“发现该疾病的新生物标志物甚至可以在生物液中检测到，并允许其病理分类；在某些基因中使用DNA高甲基化事件作为对疗法反应的预测指标，有助于癌症精确医学。以及将DNA甲基化用作表观遗传药物的靶标，例如用于治疗血液恶性肿瘤的DNA甲基化抑制剂。”